Сопло многоосного двигателя с изменяемым вектором тяги в движении.
Управление вектором тяги , также известное как управление вектором тяги ( TVC ), представляет собой способность самолета , ракеты направлением тяги своего двигателя (двигателей) или двигателя (двигателей) для управления ориентацией или или другого транспортного средства манипулировать угловой скоростью автомобиль. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
Первоначально предполагалось, что для самолетов этот метод обеспечит вертикальную тягу вверх как средство придания самолету возможности вертикального ( VTOL ) или короткого ( STOL ) взлета и посадки. Впоследствии стало понятно, что использование векторной тяги в боевых условиях позволяет самолетам выполнять различные маневры, недоступные самолетам с обычными двигателями. Для выполнения разворотов самолеты, в которых не используется вектор тяги, должны полагаться только на аэродинамические поверхности управления, такие как элероны или руль высоты ; самолеты с векторением все равно должны использовать поверхности управления, но в меньшей степени.
В ракетной литературе, исходящей из российских источников, управление вектором тяги называется газодинамическим рулевым управлением или газодинамическим управлением . [ 4 ]
Моменты, создаваемые различными углами тяги подвеса Анимация движения ракеты при изменении вектора тяги путем приведения в действие сопла.
Номинально линия действия вектора тяги сопла ракеты проходит транспортного средства через центр масс , создавая нулевой чистый крутящий момент вокруг центра масс. можно создать Моменты тангажа и рыскания за счет отклонения основного вектора тяги ракеты так, чтобы он не проходил через центр масс. Поскольку линия действия обычно ориентирована почти параллельно оси крена , управление креном обычно требует использования двух или более отдельно навесных сопел или вообще отдельной системы, такой как ребра или лопатки в выхлопном шлейфе ракетного двигателя, отклоняющие основной упор. Управление вектором тяги (TVC) возможно только тогда, когда двигательная установка создает тягу; требуются отдельные механизмы для управления ориентацией и траекторией полета на других этапах полета .
Векторирование тяги может быть достигнуто четырьмя основными способами: [ 5 ] [ 6 ]
Более поздний метод, разработанный для твердотопливных баллистических ракет, обеспечивает изменение вектора тяги за счет отклонения только сопла ракеты с помощью электроприводов или гидроцилиндров . Сопло крепится к ракете через шаровой шарнир с отверстием в центре или гибкое уплотнение из термостойкого материала, причем последнее обычно требует большего крутящего момента и более мощной системы срабатывания. Системы Trident C4 и D5 управляются через сопло с гидравлическим приводом. В STS SRB использовались карданные насадки. [ 7 ]
Другой метод изменения вектора тяги, используемый на твердотопливных баллистических ракетах, - это впрыск жидкости, при котором сопло ракеты неподвижно, однако жидкость вводится в поток выхлопных газов из форсунок, установленных вокруг кормовой части ракеты. Если жидкость впрыскивается только на одну сторону ракеты, она изменяет эту сторону выхлопного шлейфа, что приводит к разной тяге на этой стороне, что приводит к асимметричной чистой силе, действующей на ракету. Такая система управления использовалась на Minuteman II и первых БРПЛ ВМС США .
Эффект, аналогичный изменению вектора тяги, можно получить с помощью нескольких нониусных двигателей , небольших вспомогательных камер сгорания, в которых отсутствуют собственные турбонасосы и которые могут вращаться на одной оси. Они использовались на ракетах «Атлас» и «Р-7» и до сих пор используются на ракете «Союз» , которая произошла от Р-7, но редко используются в новых конструкциях из-за их сложности и веса. Они отличаются от двигателей системы управления реакцией , которые представляют собой стационарные и независимые ракетные двигатели, используемые для маневрирования в космосе.
Графитовые выхлопные лопатки на сопле ракетного двигателя Фау-2.
Одним из первых методов изменения вектора тяги в ракетных двигателях было размещение лопаток в потоке выхлопных газов двигателя. Эти выхлопные или реактивные лопатки позволяют отклонять тягу без перемещения каких-либо частей двигателя, но снижают эффективность ракеты. Их преимущество заключается в том, что они позволяют управлять креном только с помощью одного двигателя, чего не может сделать карданный подвес сопла. В V-2 использовались графитовые выхлопные лопатки и аэродинамические лопатки, как и в Redstone , заимствованном из V-2. Ракеты Sapphire и Nexo любительской группы Copenhagen Suborbitals представляют собой современный пример реактивных лопастей. Лопасти струи должны быть изготовлены из огнеупорного материала или активно охлаждаться, чтобы предотвратить их плавление. Компания Sapphire использовала лопатки из цельной меди из-за ее высокой теплоемкости и теплопроводности, а Nexo использовала графит из-за его высокой температуры плавления, но без активного охлаждения струйные лопатки будут подвергаться значительной эрозии. Это, в сочетании с неэффективностью реактивных лопастей, по большей части исключает их использование в новых ракетах.
Некоторые атмосферные тактические ракеты меньшего размера , такие как AIM-9X Sidewinder , избегают поверхностей управления полетом и вместо этого используют механические лопатки для отклонения выхлопных газов ракетного двигателя в одну сторону.
Используя механические лопасти для отклонения выхлопа ракетного двигателя, ракета может управлять собой даже вскоре после запуска (когда ракета движется медленно, прежде чем она достигнет высокой скорости). Это связано с тем, что, хотя ракета движется с низкой скоростью, выхлоп ракетного двигателя имеет достаточно высокую скорость, чтобы обеспечить достаточные усилия на механических лопастях. Таким образом, изменение вектора тяги может уменьшить минимальную дальность полета ракеты. Например, по этой причине в противотанковых ракетах, таких как Eryx и PARS 3 LR, используется вектор тяги. [ 8 ]
Некоторые другие снаряды, использующие вектор тяги:
Семейство ракет Aster сочетает в себе аэродинамическое управление и прямое управление вектором тяги под названием «ПИФ-ПАФ».
В AIM-9X внутри выхлопной системы используются четыре реактивные лопатки, которые движутся вместе с ребрами.
В 9М96Э используется газодинамическая система управления, позволяющая маневрировать на высоте до 35 км с усилием более 20 g , что позволяет поражать нестратегические баллистические ракеты. [ 13 ]
Управление 9К720 «Искандер» на протяжении всего полета осуществляется с помощью газодинамических и аэродинамических рулей.
Конвертоплан V-22 Osprey. После взлета двигатели поворачиваются на 90°.
В большинстве действующих в настоящее время самолетов с векторной тягой используются турбовентиляторные двигатели с вращающимися соплами или лопатками для отклонения потока выхлопных газов. Этот метод позволяет конструкциям отклонять тягу на угол до 90 градусов относительно осевой линии самолета. Если самолет использует вектор тяги для операций вертикального взлета и посадки, двигатель должен быть рассчитан на вертикальный подъем, а не на нормальный полет, что приводит к увеличению веса. Дожигание (или сжигание в пленум-камере, PCB, в обходном потоке) трудно реализовать и непрактично для управления вектором тяги при взлете и посадке, поскольку очень горячие выхлопные газы могут повредить поверхности взлетно-посадочной полосы. Без дожигания трудно достичь сверхзвуковой скорости полета. Двигатель с печатной платой Bristol Siddeley BS100 был снят с производства в 1965 году.
конвертоплана Вектор тяги турбовинтовых двигателей через вращающиеся гондолы . Механические сложности этой конструкции весьма неприятны, включая скручивание гибких внутренних компонентов и передачу мощности карданного вала между двигателями. Большинство современных конструкций конвертопланов имеют два несущих винта, расположенных рядом. Если такой летательный аппарат летит так, что он входит в состояние вихревого кольца , один из винтов всегда будет входить немного раньше другого, заставляя самолет выполнять резкий и незапланированный крен.
британской армии до Первой мировой войны Дирижабль «Дельта» с поворотными винтами.
Вектор тяги также используется в качестве механизма управления дирижаблями . Первым применением был дирижабль «Дельта» британской армии , совершивший первый полет в 1912 году. [ 15 ] Позже он был использован на HMA (Дирижабль Его Величества) № 9r , британском жестком дирижабле, который впервые поднялся в воздух в 1916 году. [ 16 ] и двойные жесткие дирижабли ВМС США 1930-х годов USS Akron и USS Macon , которые использовались в качестве авианосцев , и подобная форма вектора тяги также особенно ценна сегодня для управления современными нежесткими дирижаблями . При таком использовании большая часть нагрузки обычно поддерживается за счет плавучести , а векторная тяга используется для управления движением самолета. Первым дирижаблем, в котором использовалась система управления на основе сжатого воздуха, был Энрико Форланини в Omnia Dir 1930-х годах.
Проект реактивного самолета с управлением вектором тяги был представлен в 1949 году Министерству авиации Великобритании Перси Уолвином; Рисунки Уолвина хранятся в Национальной аэрокосмической библиотеке в Фарнборо. [ 17 ] Официальный интерес утих, когда выяснилось, что дизайнер был пациентом психиатрической больницы. [ нужна ссылка ]
В настоящее время исследуется технология Fluidic Thrust Vectoring (FTV), которая отклоняет тягу посредством вторичных впрысков жидкости . [ 18 ] Испытания показывают, что воздух, попадающий в струю выхлопных газов реактивного двигателя, может отклонять тягу до 15 градусов. Такие сопла желательны из-за их меньшей массы и стоимости (меньше до 50%), инерции (для более быстрого и сильного реагирования на управление), сложности (механически проще, меньшее количество или отсутствие движущихся частей или поверхностей, меньшее техническое обслуживание) и радиолокационной площади сечения для скрытность . Вероятно, он будет использоваться во многих беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) и истребителях 6-го поколения .
Сопло регулировки вектора тяги реактивного двигателя
Управление полетом с вектором тяги (TVFC) достигается за счет отклонения струй самолета в некоторых или во всех направлениях тангажа, рыскания и крена. В крайнем случае, отклонение струй при рыскании, тангаже и крене создает желаемые силы и моменты, позволяющие полностью контролировать траекторию полета самолета без использования обычных аэродинамических средств управления полетом (CAFC). TVFC также может использоваться для удержания стационарного полета в зонах полета, где основные аэродинамические поверхности свалены. [ 19 ] TVFC включает в себя управление самолетом STOVL во время висения и во время перехода между висением и движением вперед на скорости ниже 50 узлов, когда аэродинамические поверхности неэффективны. [ 20 ]
Когда в управлении векторной тягой используется один реактивный двигатель, как в случае с одномоторным самолетом, создание моментов качения может оказаться невозможным. Примером может служить сверхзвуковое сопло с дожиганием, в котором функциями сопла являются площадь горловины, зона выхода, вектор тангажа и вектор рыскания. Эти функции контролируются четырьмя отдельными исполнительными механизмами. [ 19 ] Более простой вариант, использующий только три привода, не будет иметь независимого управления зоной выхода. [ 19 ]
Когда TVFC реализуется в дополнение к CAFC, маневренность и безопасность самолета максимальны. Повышенная безопасность может возникнуть в случае неисправности CAFC в результате боевых повреждений. [ 19 ]
Для реализации TVFC можно использовать различные форсунки, как механические, так и жидкостные. Сюда входят сужающиеся и сужающиеся-расширяющиеся насадки, которые могут быть фиксированными или геометрически изменяемыми. Он также включает в себя регулируемые механизмы внутри фиксированного сопла, такие как вращающиеся каскады. [ 21 ] и вращающиеся выходные лопатки. [ 22 ] Сама геометрия этих авиационных сопел может варьироваться от двумерной (2-D) до осесимметричной или эллиптической. Количество сопел на конкретном самолете для достижения TVFC может варьироваться от одного на самолете CTOL до минимум четырех в случае самолета STOVL. [ 20 ]
Традиционное аэродинамическое управление полетом (CAFC)
Тангаж, рыскание-тангаж, рыскание-тангаж-крен или любая другая комбинация управления самолетом посредством аэродинамического отклонения с использованием рулей направления, закрылков, рулей высоты и/или элеронов.
Сужающееся-расширяющееся сопло (СД)
Обычно используется на сверхзвуковых реактивных самолетах, где степень давления в сопле (npr) > 3. Выхлоп двигателя расширяется через сужающуюся секцию для достижения скорости 1 Маха, а затем расширяется через расширяющуюся секцию для достижения сверхзвуковой скорости в выходной плоскости или меньше при низком npr. . [ 23 ]
Сужающееся сопло
Обычно используется на дозвуковых и трансзвуковых реактивных самолетах, где npr < 3. Выхлоп двигателя расширяется через сужающуюся секцию для достижения скорости 1 Маха в выходной плоскости или меньше при низком npr. [ 23 ]
Эффективный угол векторизации
Средний угол отклонения осевой линии реактивной струи в любой данный момент времени.
Фиксированная насадка
Сопло вектора тяги инвариантной геометрии или одного из вариантов геометрии, сохраняющее постоянное соотношение геометрических площадей во время векторизации. Оно также будет называться соплом гражданского самолета и представляет собой систему управления вектором тяги сопла, применимую к пассажирским, транспортным, грузовым и другим дозвуковым самолетам.
Гидравлическое управление вектором тяги
Манипулирование или контроль потока выхлопных газов с использованием вторичного источника воздуха, обычно откачивающего воздух из компрессора или вентилятора двигателя. [ 24 ]
Геометрический угол векторизации
Геометрическая осевая линия сопла во время векторизации. Для сопел, ориентированных на геометрическое горловину и за ее пределами, этот угол может значительно отличаться от эффективного угла векторизации.
Три угловых сегмента выхлопного канала двигателя вращаются относительно друг друга вокруг центральной линии канала, создавая наклон и рысканье оси тяги сопла. [ 25 ]
Трехмерный (3-D)
Сопла с многоосным управлением или управлением по тангажу и рысканию. [ 19 ]
Вектор тяги (ТВ)
Отклонение струи от оси тела за счет применения гибкого сопла, закрылков, лопастей, вспомогательной гидромеханики или аналогичных методов.
Управление полетом с вектором тяги (TVFC)
Тангаж, рыскание-тангаж, рыскание-тангаж-кренение или любая другая комбинация управления самолетом за счет отклонения тяги, обычно исходящей от турбовентиляторного двигателя с воздушным дыханием.
Двумерный (2-D)
Форсунки с квадратными или прямоугольными выходами. В дополнение к геометрической форме 2-D может также относиться к управляемой степени свободы (ГРИП), которая является одной осью или только по шагу, и в этом случае включены круглые сопла. [ 19 ]
Двумерные сходящиеся-расходящиеся (2-D CD)
Квадратные, прямоугольные или круглые сверхзвуковые сопла на истребителях с управлением только по тангажу.
Переменная насадка
Сопло с изменяемым вектором тяги, поддерживающее постоянное или допускающее переменное соотношение эффективной площади сопла во время векторизации. Его также будут называть соплом военного самолета, поскольку оно представляет собой систему управления вектором тяги сопла, применимую к истребителям и другим сверхзвуковым самолетам с дожиганием. Сходящаяся секция может полностью управляться с помощью расширяющейся секции, следуя заданному отношению к сходящейся области горловины. [ 19 ] Альтернативно, зона горла и зона выхода могут управляться независимо, чтобы позволить расширяющейся секции точно соответствовать условиям полета. [ 19 ]
Поддержание фиксированного соотношения геометрических площадей от горловины до выхода во время векторизации. Эффективное горло сужается по мере увеличения угла векторизации.
Коэффициент эффективной площади
Поддержание фиксированного соотношения эффективной площади от горловины до выхода во время векторизации. Геометрическое горло открывается при увеличении угла векторизации.
Дифференциальные соотношения площадей
Максимизация эффективности расширения сопла, как правило, за счет прогнозирования оптимальной эффективной площади в зависимости от массового расхода.
Форсунки, опорная рама которых механически вращается перед геометрическим горлом.
Тип II
Форсунки, опорная рама которых механически вращается в геометрическом проходе.
Тип III
Форсунки, опорная рама которых не вращается. Скорее, добавление механических отклоняющих послевыходных лопаток или лопастей обеспечивает отклонение струи.
Тип IV
Отклонение струи за счет противотока или прямотока (за счет управления вектором удара или смещением горловины) [ 24 ] вспомогательные струйные течения. Отклонение струи на основе жидкости с использованием вторичного впрыска жидкости. [ 24 ]
Дополнительный тип
Форсунки, у которых входной выхлопной канал состоит из сегментов клиновидной формы, вращающихся относительно друг друга вокруг осевой линии канала. [ 20 ] [ 25 ] [ 26 ]
В то время как Lockheed Martin F-35 Lightning II использует обычный турбовентиляторный двигатель с форсажной камерой (Pratt & Whitney F135) для облегчения работы на сверхзвуке, его вариант F-35B, разработанный для совместного использования Корпусом морской пехоты США , Королевскими военно-воздушными силами , Королевским флотом и итальянскими Navy , также включает в себя вертикально установленный выносной вентилятор низкого давления с приводом от вала, который при посадке приводится в движение через муфту от двигателя. И выхлопы этого вентилятора, и вентилятора главного двигателя отклоняются соплами изменения вектора тяги, чтобы обеспечить соответствующее сочетание подъемной силы и тяги. Он не задуман для повышения маневренности в бою, только для работы в режиме вертикального взлета и посадки , а F-35A и F-35C вообще не используют вектор тяги.
Су -30МКИ , производимый Индией по лицензии компании Hindustan Aeronautics Limited , находится на вооружении ВВС Индии . ТВЦ делает самолет высокоманёвренным, способным развивать околонулевую скорость на больших углах атаки без сваливания и выполнять динамичный пилотаж на малых скоростях. Су -30МКИ оснащен двумя Ал- ТРДДД 31ФП . Сопла ТВК МКИ установлены под углом 32 градуса наружу к продольной оси двигателя (т.е. в горизонтальной плоскости) и могут отклоняться на ±15 градусов в вертикальной плоскости. Это создает эффект штопора , значительно улучшая поворачиваемость самолета. [ 28 ]
Несколько компьютеризированных исследований добавляют вектор тяги к существующим пассажирским авиалайнерам, таким как Боинг 727 и 747, для предотвращения катастрофических отказов, в то время как экспериментальный X-48C может быть управляемым реактивным двигателем в будущем. [ 29 ]
Принципы управления вектором тяги воздуха были недавно адаптированы для военно-морских применений в виде быстрого водометного рулевого управления, обеспечивающего сверхманевренность. Примерами являются быстроходный патрульный катер Dvora Mk-III , ракетный катер класса Hamina ВМС США и боевые корабли Littoral . [ 29 ]
Управление вектором тяги может дать два основных преимущества: вертикальный/вертикальный взлет и повышение маневренности. Самолеты обычно оптимизируются так, чтобы максимально использовать одно преимущество, но при этом выигрывают и от другого.
^ Перейти обратно: а б с д и ж г час «Сопло векторизации тяги для современных военных самолетов» Дэниел Иказа, ITP, представлено на симпозиуме научно-исследовательской организации НАТО, Брауншвейг, Германия, 8–11 мая 2000 г.
^ Перейти обратно: а б с д «Разработка комплексного управления движением самолета F-35B» Уокер, Вюрт, Фуллер, AIAA 2013-44243, AIAA Aviation, 12–14 августа 2013 г., Лос-Анджелес, Калифорния, Международная конференция по подъемной силе с механическим приводом, 2013 г.
^ "X-Planes, Джей Миллер, Aerofax Inc. для Orion Books, ISBN 0-517-56749-0 , Глава 18, Колокол X-14
^ «Силовая установка для самолетов с вертикальным и коротким взлетом и посадкой» Бевилаква и Шумперт, патент США № 5 209 428
^ Перейти обратно: а б «Выбор сопла и критерии проектирования» Гэмбелл, Террелл, ДеФранческо, AIAA 2004-3923
Arc.Ask3.Ru Номер скриншота №: 5acdbebc375793577307ef943fdd867b__1723059360 URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/5a/7b/5acdbebc375793577307ef943fdd867b.html Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1: Thrust vectoring - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)
СМИ, связанные с векторизацией тяги, на Викискладе? 