Управление вектором тяги , также известное как управление вектором тяги ( TVC ), представляет собой способность самолета , ракеты или другого транспортного средства манипулировать направлением тяги своего двигателя ( двигателей) или двигателя (двигателей) для управления ориентацией или угловой скоростью автомобиль.
В ракетной технике и баллистических ракетах , летающих вне атмосферы, аэродинамические рули неэффективны, поэтому основным средством ориентации является управление вектором тяги . Выхлопные лопатки и карданные двигатели использовались в 1930-х годах Робертом Годдардом .
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, не использующие 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, [1] управление вектором тяги часто называют газодинамическим рулевым управлением или газодинамическим управлением .
Номинально линия действия вектора тяги сопла ракеты проходит через центр масс транспортного средства , создавая нулевой чистый крутящий момент вокруг центра масс. Моменты тангажа и рыскания можно создать 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; для управления ориентацией и траекторией полета на других этапах полета требуются отдельные механизмы .
Управление вектором тяги может быть достигнуто четырьмя основными способами: [2] [3]
Управление вектором тяги во многих жидкостных ракетах достигается за счет подвески всего двигателя . Это предполагает перемещение всей камеры сгорания и внешнего колпака двигателя, как на сдвоенных двигателях первой ступени Титана II , или даже всего узла двигателя, включая соответствующие топливные насосы и насосы окислителя . « Сатурн-5» и « Спейс шаттл» использовали карданные двигатели. [2]
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. [4]
Другой метод изменения вектора тяги, используемый на твердотопливных баллистических ракетах, - это впрыск жидкости, при котором сопло ракеты неподвижно, но 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 и асимметричной результирующей 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, у которых нет собственных турбонасосов 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.
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 лопатках. 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. [5]
Некоторые другие снаряды, использующие вектор тяги:
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 обводном 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.
Вектор тяги конвертоплана через вращающиеся гондолы турбовинтовых двигателей . 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.
Вектор тяги также используется в качестве механизма управления дирижаблями . Первым применением был дирижабль « Дельта» британской армии , который впервые поднялся в воздух в 1912 году. [12] Позже он использовался на HMA (Дирижабль Его Величества) № 9r , британском жестком дирижабле, который впервые поднялся в воздух в 1916 году [13] и его близнеце в 1930-х годах. жесткие дирижабли ВМС США 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 Omnia Dir Энрико Форланини в 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. [14] Официальный интерес утих, когда выяснилось, что дизайнер был пациентом психиатрической больницы. [ нужна цитата ]
В настоящее время исследуется технология Fluidic Thrust Vectoring (FTV), которая отклоняет тягу посредством вторичных впрысков жидкости . [15] Испытания показывают, что воздух, попадающий в поток 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, меньше или совсем нет движущихся частей или поверхностей, меньше обслуживания) и радиолокационной площади сечения для скрытность . Вероятно, он будет использоваться во многих беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) и истребителях 6-го поколения .
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. [16] TVFC включает управление самолетом STOVL во время висения и во время перехода между висением и движением вперед на скорости ниже 50 узлов, когда аэродинамические поверхности неэффективны. [17]
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. [16] Более простой вариант, использующий только три привода, не будет иметь независимого контроля зоны выхода. [16]
Когда TVFC реализуется в дополнение к CAFC, маневренность и безопасность самолета максимальны. Повышенная безопасность может возникнуть в случае неисправности CAFC в результате боевых повреждений. [16]
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 изменяемые механизмы внутри неподвижного сопла, такие как вращающиеся каскады [18] и вращающиеся выходные лопатки. [19] 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. [17]
Примером двумерного вектора тяги является двигатель Rolls-Royce Pegasus, используемый в Hawker Siddeley Harrier , а также в варианте AV-8B Harrier II .
Широкое использование вектора тяги для повышения маневренности в серийных западных моделях истребителей не наблюдалось до тех пор, пока в 2005 году не был развернут реактивный истребитель пятого поколения Lockheed Martin F-22 Raptor с его форсажной системой управления вектором тяги 2D Pratt & Whitney F119. турбовентиляторный . [24]
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 ВВС , 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 и тяговой 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 высокоманевренным, способным развивать околонулевую скорость на больших углах атаки без сваливания и выполнять динамичный пилотаж на малых скоростях. Су -30МКИ оснащен двумя ТРДДД Ал -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. [25]
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. [26]
Примеры ракет и ракет, использующих вектор тяги, включают обе большие системы, такие как твердотопливный ракетный ускоритель космического корабля "Шаттл" (SRB), ракету класса "земля-воздух" С-300П (SA-10) , ядерную баллистическую ракету UGM-27 Polaris и ракету RT- 27. 23 (SS-24) и меньшее боевое оружие, такое как Swingfire .
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 и боевые корабли ВМС США Littoral . [26]
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.
8. Уилсон, Эрих А., «Введение в авиационные сопла с вектором тяги», ISBN 978-3-659-41265-3 .
СМИ, связанные с векторизацией тяги, на Викискладе?