一、其實(shí)我們在60多年前就有矢量發(fā)動機(jī)了
呃，并不是來蹭熱度的，W君在自己的頭條號“iN在”里面前陣子寫了一篇文章《PVC新風(fēng)機(jī)的管道噪聲消除，遇事不決“伯努利”》就有人問到W君到底是搞啥的，火箭專業(yè)，所以聊聊發(fā)動機(jī)其實(shí)也并不是太過于外行。而且今天我們要聊的矢量發(fā)動機(jī)，還真的就得從火箭發(fā)動機(jī)開始聊起來。
在1958年我們發(fā)射了國內(nèi)第一枚彈道導(dǎo)彈，也就是大家后來所說的東風(fēng)1短程彈道導(dǎo)彈。這枚導(dǎo)彈的復(fù)制品也就一直矗立在軍事博物館中。
如果仔細(xì)去看東風(fēng)-1導(dǎo)彈的下部，我們會發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)彈尾部噴口的位置有四個(gè)小舵片，這四個(gè)小舵片在導(dǎo)彈工作的時(shí)候會深入到高速噴出的燃?xì)庵小?/p>
一般情況下這種小舵片會采用銅鎢合金來制作。通過改變舵片的角度就可以使火箭發(fā)動機(jī)噴出的燃?xì)馔煌较蛏掀D(zhuǎn)，從而達(dá)到控制火箭飛行方向的目的。
其實(shí)，這就是最典型的矢量發(fā)動機(jī)。而我們能夠看到最早實(shí)用化的矢量發(fā)動機(jī)則是二戰(zhàn)期間的德國V-2火箭了。
當(dāng)然了，燃?xì)舛婺壳耙琅f不過時(shí)，在現(xiàn)代的很多導(dǎo)彈上依舊是一種很有效的控制方向的方式。
而且最簡單地改變?nèi)細(xì)鈿饬鞣较虻姆绞侥^于把發(fā)動機(jī)噴口的一個(gè)部分堵上。例如：
看到這里你就應(yīng)該知道矢量發(fā)動機(jī)的基本原理了。但是不要人云亦云的也管它叫“矢量發(fā)動機(jī)”，這其實(shí)是一個(gè)簡稱，全稱應(yīng)該叫做“推力矢量控制發(fā)動機(jī)”。
二、推力矢量控制的航空發(fā)動機(jī)
現(xiàn)在說一個(gè)哲學(xué)問題——是“需求”決定了“存在”，還是“存在”衍生了“需求”？
普通飛機(jī)的控制其實(shí)是用不到推力矢量發(fā)動機(jī)的。
在飛機(jī)的設(shè)計(jì)中有更高效的空氣動力學(xué)部件來控制飛機(jī)的飛行姿態(tài)，這些也就是我們常說的升降舵、方向舵、副翼、襟翼……在正常飛行的情況下矢量推進(jìn)對于飛機(jī)的控制可以說是毫無意義。
這是因?yàn)闊o論是在飛機(jī)做俯仰運(yùn)動、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動還是航向運(yùn)動的時(shí)候飛機(jī)的氣動控制面都被安排在了最大的力矩臂上，這就讓這些控制面有最高的運(yùn)作效率。
反觀推力矢量發(fā)動機(jī)的位置，我們可以看到大部分矢量發(fā)動機(jī)的噴口都是僅僅滿足于短力矩臂的問題的，即便是在某一個(gè)軸向上具有較長的力矩臂也會在某個(gè)方向上處于劣勢。而且由于發(fā)動機(jī)的推力并不以是不是“矢量”而得到提升，在保持一定的推力下，“矢量”恰恰會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)航向上的推力下降。
這樣對于飛機(jī)本身的效率是沒有任何提升的。
那么為什么存在“推力矢量控制發(fā)動機(jī)”？它存在的意義在哪里？首先我們就得看看最早用到這種發(fā)動機(jī)的地方了——火箭、導(dǎo)彈。
由于火箭、導(dǎo)彈的速度高，因此常規(guī)的機(jī)翼控制面已經(jīng)沒有什么太大的效率啦，因此才“不得不”采用推力矢量控制發(fā)動機(jī)這一個(gè)方案。
在大多數(shù)情況下飛機(jī)并不像火箭一樣，大多數(shù)飛機(jī)的飛行包線都是圍繞著飛機(jī)的氣動結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的。這就是說——飛機(jī)其實(shí)是不需要適量發(fā)動機(jī)的。
三、推力矢量控制發(fā)動機(jī)存在的合理性
既然不需要，為什么被裝在飛機(jī)上。原因在于很多的戰(zhàn)斗機(jī)其實(shí)都會飛到自己的飛行包線之外。例如當(dāng)飛機(jī)大迎角飛行的時(shí)候，這種情況下飛機(jī)的氣動控制面往往就會失去效力。
這個(gè)時(shí)候推力適量控制才真正的作為一種備用控制手段有了用武之地。它可以通過對飛機(jī)實(shí)施一定的偏轉(zhuǎn)推力讓飛機(jī)重新回到正常的飛行包線姿態(tài)內(nèi)。簡單地說——這其實(shí)就是飛機(jī)的車道保持系統(tǒng)。
除此之外，推力矢量控制發(fā)動機(jī)在飛機(jī)上的意義并不算大。它在真正的空戰(zhàn)中可以讓飛行員大膽地放手一搏，而對飛機(jī)的機(jī)動性的本質(zhì)提升其實(shí)是0。但為此要付出更多的結(jié)構(gòu)重量。
所以對于矢量發(fā)動機(jī)更多的還是在研究階段，真正的使用案例還是屈指可數(shù)的，甚至并不一定會成為未來戰(zhàn)斗機(jī)的一個(gè)發(fā)展趨勢。
