Управление вектором тяги , также известное как управление вектором тяги ( УВТ ), представляет собой способность самолета , ракеты или другого транспортного средства манипулировать направлением тяги от своего двигателя (ей) или моторов для управления положением или угловой скоростью транспортного средства. [1] [2] [3]
В ракетной технике и баллистических ракетах , которые летают за пределами атмосферы, аэродинамические поверхности управления неэффективны, поэтому основным средством управления ориентацией является управление вектором тяги . Выхлопные лопатки и двигатели с карданным подвесом использовались в 1930-х годах Робертом Годдардом .
Для самолетов этот метод изначально предполагался для обеспечения вертикальной тяги вверх как средства для обеспечения возможности вертикального ( VTOL ) или короткого ( STOL ) взлета и посадки самолета. Впоследствии было установлено, что использование векторной тяги в боевых ситуациях позволяет самолету выполнять различные маневры, недоступные самолетам с обычным двигателем. Для выполнения поворотов самолеты, не использующие вектор тяги, должны полагаться только на аэродинамические поверхности управления, такие как элероны или руль высоты ; самолеты с вектором должны по-прежнему использовать поверхности управления, но в меньшей степени.
В литературе по ракетам, исходящей из российских источников, управление вектором тяги именуется газодинамическим рулевым управлением или газодинамическим управлением . [4]
Номинально линия действия вектора тяги сопла ракеты проходит через центр масс транспортного средства , создавая нулевой крутящий момент вокруг центра масс. Можно генерировать моменты тангажа и рыскания , отклоняя основной вектор 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 шарнирных сопел или вообще отдельной системы, такой как плавники или лопатки в выхлопной струе ракетного двигателя, отклоняющие основную тягу. 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: [5] [6]
Управление вектором тяги для многих жидкостных ракет достигается за счет карданного подвеса всего двигателя . Это включает в себя перемещение всей камеры сгорания и внешнего колокола двигателя, как на двух двигателях первой ступени Titan II , или даже всего узла двигателя, включая соответствующие топливные и окислительные насосы. Saturn V и Space Shuttle использовали карданные двигатели. [5]
Более поздний метод, разработанный для твердотопливных баллистических ракет, обеспечивает управление вектором тяги путем отклонения только сопла ракеты с помощью электрических приводов или гидравлических цилиндров . Сопло крепится к ракете с помощью шарового шарнира с отверстием в центре или гибкого уплотнения, изготовленного из термостойкого материала, причем последнее обычно требует большего крутящего момента и более мощной системы привода. Системы Trident C4 и D5 управляются с помощью гидравлического сопла. STS SRB использовали карданные сопла. [7]
Другим методом управления вектором тяги, используемым на твердотопливных баллистических ракетах, является впрыск жидкости, при котором сопло ракеты зафиксировано, однако жидкость вводится в выхлопной поток из инжекторов, установленных вокруг кормовой части ракеты. Если жидкость впрыскивается только с одной стороны ракеты, она изменяет эту сторону выхлопного шлейфа, что приводит к различной тяге с этой стороны, таким образом, к асимметричной чистой силе на ракете. Это была система управления, используемая на Minuteman II и ранних SLBM ВМС США .
Эффект, аналогичный вектору тяги, может быть получен с помощью нескольких верньерных двигателей , небольших вспомогательных камер сгорания, которые не имеют собственных турбонасосов и могут вращаться на одной оси. Они использовались на ракетах Atlas и R-7 и до сих пор используются на ракете Soyuz , которая произошла от R-7, но редко используется в новых конструкциях из-за их сложности и веса. Они отличаются от двигателей реактивной системы управления , которые являются фиксированными и независимыми ракетными двигателями, используемыми для маневрирования в космосе.
Одним из самых ранних методов управления вектором тяги в ракетных двигателях было размещение лопаток в выхлопном потоке двигателя. Эти выхлопные лопатки или реактивные лопатки позволяют отклонять тягу без перемещения каких-либо частей двигателя, но снижают эффективность ракеты. Они имеют то преимущество, что позволяют управлять креном с помощью только одного двигателя, чего не позволяет карданный подвес сопла. V-2 использовал графитовые выхлопные лопатки и аэродинамические лопатки, как и Redstone , созданный на основе V-2. Ракеты Sapphire и Nexo любительской группы Copenhagen Suborbitals представляют собой современный пример реактивных лопаток. Реактивные лопатки должны быть изготовлены из огнеупорного материала или активно охлаждаться, чтобы предотвратить их плавление. Sapphire использовал цельные медные лопатки из-за высокой теплоемкости и теплопроводности меди, а Nexo использовал графит из-за его высокой температуры плавления, но без активного охлаждения реактивные лопатки будут подвергаться значительной эрозии. Это, в сочетании с неэффективностью реактивных лопаток, в основном исключает их использование в новых ракетах.
Некоторые атмосферные тактические ракеты меньшего размера , такие как AIM-9X Sidewinder , не имеют поверхностей управления полетом и вместо этого используют механические лопатки для отклонения выхлопа ракетного двигателя в одну сторону.
Используя механические лопасти для отклонения выхлопа ракетного двигателя ракеты, ракета может управлять собой даже вскоре после запуска (когда ракета движется медленно, до того, как она достигла высокой скорости). Это происходит потому, что даже если ракета движется с низкой скоростью, выхлоп ракетного двигателя имеет достаточно высокую скорость, чтобы обеспечить достаточные силы на механических лопастях. Таким образом, вектор тяги может уменьшить минимальную дальность полета ракеты. Например, противотанковые ракеты, такие как Eryx и PARS 3 LR, используют вектор тяги по этой причине. [8]
Некоторые другие снаряды, использующие вектор тяги:
Большинство современных самолетов с векторной тягой используют 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 VTOL, двигатель должен быть рассчитан на вертикальный подъем, а не на нормальный полет, что приводит к потере веса. Форсаж (или сжигание в камере сгорания, PCB, в обводном потоке) трудно внедрить, и он непрактичен для взлетно-посадочного вектора тяги, поскольку очень горячий выхлоп может повредить поверхности взлетно-посадочной полосы. Без форсажа трудно достичь сверхзвуковой скорости полета. Двигатель PCB, Bristol Siddeley BS100 , был отменен в 1965 году.
Конвертоплан вектор тяги самолета через вращающиеся гондолы турбовинтовых двигателей . Механические сложности этой конструкции довольно хлопотны, включая скручивание гибких внутренних компонентов и передачу мощности приводного вала между двигателями. Большинство современных конструкций конвертопланов имеют два ротора в конфигурации бок о бок. Если такой аппарат летать таким образом, что он входит в состояние вихревого кольца , один из роторов всегда будет входить немного раньше другого, заставляя самолет выполнять резкий и незапланированный крен.
Вектор тяги также используется в качестве механизма управления для дирижаблей . Ранним применением был британский армейский дирижабль Delta , который впервые поднялся в воздух в 1912 году. [15] Позднее он был использован на HMA (His Majesty's Airship) No. 9r , британском жестком дирижабле, который впервые поднялся в воздух в 1916 году [16] и двух жестких дирижаблях ВМС США 1930-х годов USS Akron и USS Macon , которые использовались в качестве воздушных авианосцев , и подобная форма вектора тяги также особенно ценна сегодня для управления современными нежесткими дирижаблями . При таком использовании большая часть нагрузки обычно поддерживается плавучестью , а вектор тяги используется для управления движением самолета. Первым дирижаблем, который использовал систему управления на основе сжатого воздуха, был Omnia Dir Энрико Форланини в 1930-х годах.
Проект реактивного самолета с управляемым вектором тяги был представлен в 1949 году в Министерство авиации Великобритании Перси Уолвином; чертежи Уолвина хранятся в Национальной аэрокосмической библиотеке в Фарнборо. [17] Официальный интерес был угас, когда выяснилось, что конструктор был пациентом психиатрической больницы. [ необходима цитата ]
В настоящее время исследуется Fluidic Thrust Vectoring (FTV), отклоняющий тягу посредством вторичных жидкостных впрысков. [18] Испытания показывают, что воздух, нагнетаемый в выхлопной поток реактивного двигателя, может отклонять тягу до 15 градусов. Такие сопла желательны из-за их меньшей массы и стоимости (до 50% меньше), инерции (для более быстрого, более сильного реагирования на управление), сложности (механически проще, меньше или нет движущихся частей или поверхностей, меньше обслуживания) и эффективной поверхности рассеяния для скрытности . Это, вероятно, будет использоваться во многих беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) и истребителях 6-го поколения .
Управление полетом с вектором тяги (TVFC) достигается путем отклонения струй самолета в некоторых или всех направлениях тангажа, рыскания и крена. В крайнем случае отклонение струй в рыскании, тангаже и крене создает желаемые силы и моменты, позволяющие полностью контролировать траекторию полета самолета без внедрения обычных аэродинамических средств управления полетом (CAFC). TVFC также может использоваться для удержания стационарного полета в областях диапазона полета, где основные аэродинамические поверхности сваливаются. [19] TVFC включает управление самолетом STOVL во время висения и во время перехода между висением и скоростью поступательного полета ниже 50 узлов, где аэродинамические поверхности неэффективны. [20]
Когда векторное управление тягой использует один реактивный двигатель, как в случае с одномоторным самолетом, способность создавать вращающиеся моменты может быть невозможна. Примером является сверхзвуковое сопло с форсажем, где функциями сопла являются область горла, область выхода, вектор тангажа и вектор рыскания. Эти функции контролируются четырьмя отдельными приводами. [19] Более простой вариант, использующий только три привода, не будет иметь независимого управления областью выхода. [19]
Когда TVFC внедряется в дополнение к CAFC, маневренность и безопасность самолета максимизируются. Повышение безопасности может произойти в случае неисправности CAFC в результате боевых повреждений. [19]
Для реализации TVFC могут применяться различные сопла, как механические, так и жидкостные. Сюда входят сходящиеся и сходящиеся-расходящиеся сопла, которые могут быть фиксированными или геометрически изменяемыми. Сюда также входят переменные механизмы внутри фиксированного сопла, такие как вращающиеся каскады [21] и вращающиеся выходные лопатки. [22] Внутри этих сопел самолета сама геометрия может варьироваться от двумерной (2-D) до осесимметричной или эллиптической. Количество сопел на данном самолете для достижения TVFC может варьироваться от одного на самолете CTOL до минимум четырех в случае самолета STOVL. [20]
Примером 2D-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 западных серийных истребителях не происходило до развертывания истребителя пятого поколения Lockheed Martin F-22 Raptor в 2005 году с его турбовентиляторным двигателем Pratt & Whitney F119 с форсажной камерой и 2D-вектором тяги . [27]
В то время как Lockheed Martin F-35 Lightning II использует обычный турбовентиляторный двигатель с форсажной камерой (Pratt & Whitney F135) для обеспечения сверхзвуковой работы, его вариант F-35B, разработанный для совместного использования Корпусом морской пехоты США , Королевскими военно-воздушными силами , Королевским военно-морским флотом и ВМС Италии , также включает в себя вертикально установленный, низконапорный выносной вентилятор с приводом от вала, который приводится в действие через муфту во время посадки от двигателя. Как выхлоп из этого вентилятора, так и вентилятор основного двигателя отклоняются соплами управления вектором тяги, чтобы обеспечить надлежащее сочетание подъемной силы и пропульсивной тяги. Он не задуман для повышения маневренности в бою, а только для работы VTOL , а F-35A и F-35C вообще не используют управление вектором тяги.
Самолет Су-30МКИ , произведенный Индией по лицензии на заводе Hindustan Aeronautics Limited , находится на вооружении ВВС Индии . УВТ делает самолет очень маневренным, способным развивать близкую к нулю скорость полета на больших углах атаки без сваливания и выполнять динамичный пилотаж на малых скоростях. Су-30МКИ оснащен двумя турбовентиляторными двигателями с форсажной камерой Al-31FP . Сопла УВТ МКИ установлены на 32 градуса наружу от продольной оси двигателя (т. е. в горизонтальной плоскости) и могут отклоняться на ±15 градусов в вертикальной плоскости. Это создает эффект штопора , значительно повышая поворотливость самолета. [28]
Несколько компьютерных исследований добавляют управление вектором тяги к существующим пассажирским авиалайнерам, таким как Boeing 727 и 747, чтобы предотвратить катастрофические отказы, в то время как экспериментальный X-48C может быть оснащен реактивным управлением в будущем. [29]
Примерами ракет и снарядов [30] , которые используют вектор тяги, являются как крупные системы, такие как твердотопливный ракетный ускоритель (SRB) космического челнока, ракета класса «земля-воздух» С-300П (SA-10) , ядерная баллистическая ракета UGM-27 Polaris и баллистическая ракета РТ-23 (SS-24), так и более мелкие боевые системы, такие как Swingfire .
Принципы управления вектором воздушной тяги были недавно адаптированы к военно-морским применениям в форме быстрого управления водометами, которые обеспечивают сверхманевренность. Примерами являются быстроходный патрульный катер Dvora Mk-III , ракетный катер класса Hamina и боевые корабли ВМС США Littoral . [29]
Управление вектором тяги может принести два основных преимущества: VTOL/STOL и более высокую маневренность. Самолеты обычно оптимизируются для максимального использования одного преимущества, хотя и выигрывают в другом.
8. Уилсон, Эрих А., «Введение в сопла самолетов с управляемым вектором тяги», ISBN 978-3-659-41265-3
Медиа, связанные с вектором тяги на Wikimedia Commons