Kraftvektor - Thrust vectoring

3D-tryckmunstycke på en Sukhoi Su-35S
Tre experimentella dragkraftsflygplan i flygning; från vänster till höger, F-18 HARV , X-31 och F-16 MATV

Drivkraftstyr , även känd som tryckvektorkontroll ( TVC ), är förmågan hos ett flygplan , raket , eller annat fordon för att manipulera riktningen av dragkraften från dess motor (er) eller motor (er) för att styra den attityd eller vinkelhastigheten av fordonet.

I raket- och ballistiska missiler som flyger utanför atmosfären är aerodynamiska kontrollytor ineffektiva, så dragkraftsvektorering är det främsta sättet för attitydkontroll . Avgasfläktar och kardanmotorer användes på 1930 -talet av Robert Goddard.

För flygplan var metoden ursprungligen tänkt att ge vertikal dragning uppåt som ett sätt att ge flygplan vertikal ( VTOL ) eller kort ( STOL ) start- och landningsförmåga. Därefter insåg man att användning av vektorerad dragkraft i stridsituationer gjorde det möjligt för flygplan att utföra olika manövrar som inte var tillgängliga för konventionella motorplan. För att utföra svängar måste flygplan som inte använder någon dragkraftsvektorering bara förlita sig på aerodynamiska kontrollytor, såsom ailerons eller hiss ; flygplan med vektorering måste fortfarande använda kontrollytor, men i mindre utsträckning.

I missillitteratur som härstammar från ryska källor kallas stötvektorer ofta för gasdynamisk styrning eller gasdynamisk kontroll .

Metoder

Raketer och ballistiska missiler

Ögonblick som genereras av olika draggimbalvinklar
Animering av en rakets rörelse när dragkraften vektoreras genom att man aktiverar munstycket
Grafitavgasskovlar på en V-2 raketmotors munstycke

Nominellt den verkningslinje av tryckvektor för ett raketmunstycke passerar genom fordonets masscentrum , generera noll netto ögonblick om masscentrum. Det är möjligt att generera pitch- och gäspningsmoment genom att avböja huvudraketens tryckvektor så att den inte passerar genom masscentrum. Eftersom handlingslinjen i allmänhet är orienterad nästan parallell med rullaxeln , kräver valsstyrning vanligtvis användning av två eller flera separat gångjärniga munstycken eller ett separat system helt och hållet, såsom fenor eller skovlar i raketmotorns avgasrör, som avböjer huvudkraften. Skjutvektorstyrning (TVC) är endast möjlig när framdrivningssystemet skapar dragkraft; separata mekanismer krävs för attityd och flygvägskontroll under andra flygstadier.

Kraftvektorer kan uppnås på fyra grundläggande sätt:

  • Gimbaled motor (er) eller munstycke (r)
  • Injektion av reaktiv vätska
  • Extra "Vernier" -propellrar
  • Avgasfläktar, även kända som jetskovlar

Gimbaled -dragkraft

Kraftvektor för många flytande raketer uppnås genom att kugga hela motorn . Detta innebär att hela förbränningskammaren och den yttre motorklockan flyttas som på Titan II : s två första-stegsmotorer, eller till och med hela motorenheten inklusive tillhörande bränsle- och oxidationspumpar . Den Saturn V och rymdfärjan används kardanupphängda motorer.

En senare metod som utvecklats för fasta drivande ballistiska missiler åstadkommer dragkraftsvektorering genom att endast avleda rakets munstycke med elektriska ställdon eller hydraulcylindrar . Munstycket är fäst på missilen via en kulled med ett hål i mitten, eller en flexibel tätning av ett värmebeständigt material, det senare kräver i allmänhet mer vridmoment och ett högre effektstyrningssystem. De Trident C4 och D5 system styrs via hydrauliskt manövrerad munstycke. De STS SRB används kardanupphängda munstycken.

Drivmedel injektion

En annan metod för dragkraftsvektorisering som används på ballistiska missiler med fasta drivmedel är vätskeinsprutning, där raketmunstycket är fixerat, men en vätska införs i avgasflödet från injektorer monterade runt missilens akterände. Om vätskan injiceras på endast ena sidan av missilen, ändrar den den sidan av avgasröret, vilket resulterar i olika dragkraft på den sidan och en asymmetrisk nätkraft på missilen. Detta var det kontrollsystem som användes på Minuteman II och de tidiga SLBM: erna från United States Navy .

Vernier -thruster

En effekt som liknar tryckvektorer kan åstadkommas med flera vernier -thrusterar , små hjälpkammarkammare som saknar egna turbopumpar och kan karda på en axel. Dessa användes på Atlas- och R-7- missilerna och används fortfarande på Soyuz-raketen , som härstammar från R-7, men används sällan på nya konstruktioner på grund av deras komplexitet och vikt. Dessa skiljer sig från reaktionsstyrsystemets thrusterar, som är fasta och oberoende raketmotorer som används för att manövrera i rymden.

Avgasfläktar

En av de tidigaste metoderna för dragvektorer i raketmotorer var att placera skovlar i motorns avgasflöde. Dessa avgasskovlar eller jetskovlar gör att dragkraften kan avböjas utan att röra några delar av motorn, men minskar rakets effektivitet. De har fördelen av att tillåta rullningskontroll med bara en enda motor, vilket munstycket inte gör. De V-2 begagnade grafit avgas skövlar och aerodynamiska skövlar, som gjorde den Redstone , härlett från V-2. Sapphire- och Nexo -raketerna från amatörgruppen Copenhagen Suborbitals ger ett modernt exempel på jetskovlar. Jetskovlar måste vara gjorda av ett eldfast material eller aktivt kylda för att förhindra att de smälter. Safir använde fasta kopparvingar för koppars höga värmekapacitet och värmeledningsförmåga, och Nexo använde grafit för sin höga smältpunkt, men om den inte kyls aktivt kommer jetskovlar att genomgå betydande erosion. Detta, i kombination med jetskovlarnas ineffektivitet, utesluter mestadels deras användning i nya raketer.

Taktiska missiler och små projektiler

Några mindre atmosfäriska taktiska missiler , som AIM-9X Sidewinder , undviker flygkontrollytor och använder istället mekaniska skovlar för att avleda motoravgaser till ena sidan.

Skjutvektorering är ett sätt att minska en missils minsta räckvidd, innan den inte kan nå en hastighet som är tillräckligt hög för att dess små aerodynamiska ytor ska ge effektiv manövrering. Till exempel använder tankskyddsmissiler som Eryx och PARS 3 LR dragkraftsvektorer av detta skäl.

Några andra projektiler som använder dragvektorer:

  • 9M330
  • Strix mortelrunda använder tolv midsektion laterala thrusterraketer för att tillhandahålla korrigeringar av terminalbanan
  • AAD använder jetskovlar
  • Astra (missil)
  • Akash (missil)
  • BrahMos
  • QRSAM använder jetskovlar
  • MPATGM använder jetskovlar
  • Barak 8 använder jetskovlar
  • A-Darter använder jetskovlar
  • ASRAAM använder jetskovlar
  • R-73 (missil) använder jetskovlar
  • HQ-9 använder jetskovlar
  • PL-10 (ASR) använder jetskovlar
  • MICA (missil) använder jetskovlar
  • PARS 3 LR använder jetskovlar
  • Aster-missilfamiljen kombinerar aerodynamisk kontroll och direktkraftvektorstyrningen kallad "PIF-PAF"
  • AIM-9X använder fyra jetskovlar inuti avgaserna som rör sig när fenorna rör sig.
  • 9M96E använder ett gasdynamiskt styrsystem som möjliggör manövrering på upp till 35 km höjder vid krafter på över 20 g , vilket möjliggör inkoppling av icke-strategiska ballistiska missiler.
  • 9K720 Iskander styrs under hela flygningen med gasdynamiska och aerodynamiska kontrollytor.

Flygplan

De flesta för närvarande opererade vektordrivna flygplan använder turbofan med roterande munstycken eller skovlar för att avleda avgasflödet. Denna metod kan framgångsrikt avleda kraften genom så mycket som 90 grader, i förhållande till flygplanets mittlinje. Motorn måste dock vara dimensionerad för vertikalt lyft, snarare än normal flygning, vilket resulterar i en viktavgift. Efterbränning (eller Plenum Chamber Burning, PCB, i förbikopplingsströmmen) är svår att införliva och är opraktiskt för start och landning av dragkraftsvektorer, eftersom det mycket heta avgaserna kan skada banor. Utan efterförbränning är det svårt att nå supersoniska flyghastigheter. En PCB -motor, Bristol Siddeley BS100 , ställdes in 1965.

Tiltrotor flygplan vektor dragkraft via roterande turbopropmotorer gondoler . Den mekaniska komplexiteten i denna design är ganska besvärlig, inklusive vridning av flexibla interna komponenter och kraftöverföring av drivaxel mellan motorer. De flesta aktuella tiltrotorsdesignerna har två rotorer i en sida-vid-sida-konfiguration. Om ett sådant fartyg flygs på ett sätt där det går in i ett virvelringstillstånd kommer en av rotorerna alltid att gå in något före det andra, vilket får flygplanet att utföra en drastisk och oplanerad rulle.

Pre-World War 1, British Army airship Delta , utrustad med vridbara propellrar

Skjutvektorer används också som kontrollmekanism för luftskepp . En tidig ansökan var den brittiska arméns luftskepps Delta , som först flög 1912. Det användes senare på HMA (His Majesty's Airship) nr 9r , ett brittiskt styvt luftfartyg som först flög 1916 och tvilling 1930-eran US Navy styva luftskepp USS Akron och USS Macon som användes som luftfartygsbärare och en liknande form av tryckvektorer är också särskilt värdefulla idag för kontrollen av moderna icke-styva luftskepp . Vid denna användning stöds vanligtvis den största delen av lasten av flytkraft och vektorerad dragkraft används för att styra flygplanets rörelse. Den första luftskeppet som används ett styrsystem baserat på tryckluft var Enrico Forlanini 's Omnia Dir i 1930-talet.

En design för en jet som innefattar tryckvektor överlämnades 1949 till British Air Ministry av Percy Walwyn; Walwyns ritningar finns bevarade på National Aerospace Library i Farnborough. Officiellt intresse minskades när man insåg att designern var en patient på ett mentalsjukhus.

Nu undersöks, avleder Fluidic Thrust Vectoring (FTV) dragkraft via sekundära fluidinjektioner . Tester visar att luft som tvingas in i en avgasström från en jetmotor kan avleda tryck upp till 15 grader. Sådana munstycken är önskvärda för sin lägre massa och kostnad (upp till 50% mindre), tröghet (för snabbare, starkare kontrollrespons), komplexitet (mekaniskt enklare, färre eller inga rörliga delar eller ytor, mindre underhåll) och radartvärsnitt för smyg . Detta kommer sannolikt att användas i många obemannade flygfordon (UAV) och sjätte generationens stridsflygplan .

Vektoriserande munstycken

Flytkontroll (TVFC) för dragkraftsvektorisering erhålls genom avböjning av flygplanets strålar i vissa eller alla plan-, gungnings- och rullningsriktningar. I det yttersta, avböjning av jetplanen i gäspning, pitch och roll skapar önskade krafter och moment som möjliggör fullständig riktad kontroll av flygplanets flygbana utan implementering av konventionella aerodynamiska flygkontroller (CAFC). TVFC kan också användas för att hålla stillastående flygning i områden på flyghöljet där de huvudsakliga aerodynamiska ytorna står stilla. TVFC inkluderar kontroll av STOVL -flygplan under svävaren och under övergången mellan svävar och framåt hastigheter under 50 knop där aerodynamiska ytor är ineffektiva.

När vektorstyrd tryckstyrning använder en enda drivande jet, som med ett enmotorigt flygplan, kanske inte förmågan att producera rullande ögonblick är möjlig. Ett exempel är ett efterbrännande supersoniskt munstycke där munstycksfunktioner är halsområde, utgångsområde, tonhöjdsvektorering och gävevektorer. Dessa funktioner styrs av fyra separata ställdon. En enklare variant med endast tre ställdon skulle inte ha oberoende utgångsområdekontroll.

När TVFC implementeras för att komplettera CAFC maximeras smidigheten och säkerheten för flygplanet. Ökad säkerhet kan uppstå vid fel på CAFC till följd av stridsskador.

För att implementera TVFC kan en mängd olika munstycken appliceras både mekaniskt och fluidiskt. Detta inkluderar konvergerande och konvergent-divergerande munstycken som kan vara fixerade eller geometriskt variabla. Det inkluderar också variabla mekanismer i ett fast munstycke, såsom roterande kaskader och roterande utloppsskovlar. Inom dessa flygmunstycken kan själva geometrin variera från tvådimensionell (2-D) till axelsymmetrisk eller elliptisk. Antalet munstycken på ett visst flygplan för att uppnå TVFC kan variera från ett på ett CTOL -flygplan till minst fyra för STOVL -flygplan.

Definitioner

Det är nödvändigt att klargöra vissa definitioner som används vid tryck-vektorerande munstycksdesign.

Axisymmetrisk
Munstycken med cirkulära utgångar.
Konventionell aerodynamisk flygkontroll (CAFC)
Pitch, yaw-pitch, yaw-pitch-roll eller någon annan kombination av flygplanskontroll genom aerodynamisk avböjning med hjälp av roder, flikar, hissar och/eller ailerons.
Konvergerande-divergerande munstycke (CD)
Används vanligtvis på supersoniska jetflygplan där munstycks tryckförhållande (npr)> 3. Motoravgaserna expanderas genom en konvergerande sektion för att uppnå Mach 1 och expanderas sedan genom en divergerande sektion för att uppnå supersonisk hastighet vid utgångsplanet, eller mindre vid låg npr .
Konvergerande munstycke
Används generellt på subsoniska och transoniska jetflygplan där npr <3. Motoravgaserna expanderas genom en konvergerande sektion för att uppnå Mach 1 vid utgångsplanet, eller mindre vid låg npr.
Effektiv vektoringsvinkel
Den genomsnittliga böjningsvinkeln för jetströmens mittlinje vid ett givet tillfälle.
Fast munstycke
Ett tryck-vektorerande munstycke av invariant geometri eller en av variantgeometri som bibehåller ett konstant geometriskt areaförhållande, under vektorering. Detta kommer också att kallas ett civilt luftfartygsmunstycke och representerar munstyckets dragkraftsstyrningskontroll som är tillämplig på passagerar-, transport-, last- och andra subsoniska flygplan.
Fluidisk dragkraftsvektorisering
Manipulationen eller kontrollen av avgasflödet med användning av en sekundär luftkälla, blåser vanligtvis luft från motorns kompressor eller fläkt.
Geometrisk vektorvinkel
Geometrisk mittlinje för munstycket under vektorering. För de munstycken som vektoreras vid den geometriska halsen och därefter kan detta skilja sig avsevärt från den effektiva vektoreringsvinkeln.
Tre-lager svängbart kanalmunstycke (3BSD)
Tre vinklade segment av motorns avgaskanal roterar i förhållande till varandra kring kanalens mittlinje för att producera munstyckets axelhöjning och gungning.
Tredimensionell (3D)
Munstycken med multi-axel eller stigning och girning.
Skjutvektorer (TV)
Strålens böjning bort från kroppsaxeln genom implementering av ett flexibelt munstycke, flikar, paddlar, hjälpvätskemekanik eller liknande metoder.
Flytkontroll (TVFC)
Pitch, yaw-pitch, yaw-pitch-roll eller någon annan kombination av flygplanskontroll genom nedböjning av dragkraft som vanligtvis kommer från en luftandande turbofanmotor.
Tvådimensionell (2-D)
Munstycken med fyrkantiga eller rektangulära utgångar. Förutom den geometriska formen kan 2-D också hänvisa till den kontrollerade frihetsgraden (DOF) som är en axel, eller endast pitch, i vilket fall runda munstycken ingår.
Tvådimensionell konvergerande-divergerande (2-D CD)
Fyrkantiga, rektangulära eller runda supersoniska munstycken på stridsflygplan med pitch-only-kontroll.
Variabelt munstycke
Ett tryck-vektormunstycke med variabel geometri som upprätthåller ett konstant, eller tillåter ett variabelt, effektivt munstycksareaförhållande, under vektoreringen. Detta kommer också att kallas ett militärt flygmunstycke eftersom det representerar munstyckets dragkraftsstyrningskontroll som är tillämplig på stridsflygplan och andra överljudsflygplan med efterbränning. Den konvergerande sektionen kan kontrolleras fullt ut med den divergerande sektionen efter ett förutbestämt förhållande till det konvergerande halsområdet. Alternativt kan halsområdet och utfartsområdet styras oberoende av varandra så att den divergerande sektionen kan matcha det exakta flygtillståndet.

Metoder för munstycksstyrning

Geometriska areaförhållanden
Upprätthålla ett fast geometriskt areaförhållande från halsen till utgången under vektorering. Den effektiva halsen förträngs när vektoreringsvinkeln ökar.
Effektiva ytförhållanden
Upprätthålla ett fast effektivt areaförhållande från halsen till utgången under vektorering. Den geometriska halsen öppnas när vektoreringsvinkeln ökar.
Differentialområdesförhållanden
Maximering av munstyckeexpansionseffektivitet generellt genom att förutsäga det optimala effektiva området som en funktion av massflödeshastigheten.

Metoder för dragkraftsvektorisering

Typ I
Munstycken vars basram mekaniskt roteras före den geometriska halsen.
Typ II
Munstycken vars basram är mekaniskt roterad vid den geometriska halsen.
Typ III
Munstycken vars basram inte roteras. Tillägget av mekaniska nedböjningsskovlar efter utgång eller skovlar möjliggör snarare jetböjning.
Typ IV
Jetavböjning genom motströmmande eller samflödande (genom chockvektorstyrning eller halsförskjutning) hjälptestströmmar. Vätskebaserad jetböjning med hjälp av sekundär fluidinjektion.
Ytterligare typ
Munstycken vars uppströms avgaskanal består av kilformade segment som roterar relativt varandra kring kanalens mittlinje.

Operativa exempel

Flygplan

Sea Harrier FA.2 ZA195 främre (kalla) vektordragmunstycke

Ett exempel på 2D-tryckvektorer är Rolls-Royce Pegasus- motorn som används i Hawker Siddeley Harrier , liksom i AV-8B Harrier II- varianten.

Utbredd användning av tryckvektorer för ökad manövrerbarhet i västerländska järnvägsflygplan av produktionsmodell inträffade inte förrän utplaceringen av Lockheed Martin F-22 Raptor femte generationens stridsflygplan 2005, med efterbränning, 2D-dragkraftsvektor Pratt & Whitney F119 turbofan .

Medan Lockheed Martin F-35 Lightning II använder en konventionell efterbränningsturbofan (Pratt & Whitney F135) för att underlätta supersonisk drift, dess F-35B-variant, utvecklad för gemensam användning av US Marine Corps , Royal Air Force , Royal Navy och Italian Navy har också en vertikalt monterad lågtrycksaxeldriven fjärrfläkt, som drivs genom en koppling under landning från motorn. Både avgaserna från denna fläkt och huvudmotorns fläkt avböjs av tryckvektormunstycken för att ge en lämplig kombination av lyft och framdrivning. Det är inte tänkt för ökad manövrerbarhet i strid, bara för VTOL- drift, och F-35A och F-35C använder inte dragkraftsvektorer alls.

Den Sukhoi Su-30MKI , producerad av Indien under licens på Hindustan Aeronautics Limited är i aktiv tjänst med indiska flygvapnet . TVC gör flygplanet mycket manövrerbart, kapabelt till nästan noll hastighet vid höga angreppsvinklar utan att stanna och dynamisk aerobatik vid låga hastigheter. Den Su-30MKI drivs av två Al-31FP bränning turbofläktmotorer . TVI -munstyckena på MKI är monterade 32 grader utåt mot motorns längsgående axel (dvs i horisontalplanet) och kan avböjas ± 15 grader i det vertikala planet. Detta ger en korkskruveffekt , vilket kraftigt förbättrar flygplanets svängförmåga.

Några datoriserade studier lägger till dragkraftsvektorer till befintliga passagerarflygplan, som Boeing 727 och 747, för att förhindra katastrofala misslyckanden, medan den experimentella X-48C kan bli jetstyrd i framtiden.

Övrig

Exempel på raketer och missiler som använder dragvektorer inkluderar både stora system som rymdfärjan Solid Rocket Booster (SRB), S-300P (SA-10) yt-till-luft-missil , UGM-27 Polaris kärnkraftsballistiska missil och RT- 23 (SS-24) ballistisk missil och mindre slagfältvapen som Swingfire .

Principerna för lufttrycksvektorer har nyligen anpassats till militära havsapplikationer i form av snabb vattenstråle-styrning som ger super-smidighet. Exempel är snabbpatrullbåten Dvora Mk-III, missilbåten i Hamina-klass och US Navy's Littoral-stridsfartyg .

Lista över vektordragna flygplan

Dragvektorer kan ge två huvudsakliga fördelar: VTOL/STOL och högre manövrerbarhet. Flygplan är vanligtvis optimerade för att maximalt utnyttja en fördel, men kommer att vinna i den andra.

För VTOL -förmåga

The Harrier - världens första operativa stridsflygplan med dragkraftsvektorer, vilket möjliggör VTOL -funktioner
GE Axisymmetric Vectoring Avgasmunstycke , som används på F-16 MATV

För högre manövrerbarhet

Vektorering i två dimensioner

Vektorering i tre dimensioner

Övrig

Se även

Referenser

8. Wilson, Erich A., "An Introduction to Thrust-Vectored Aircraft Nozzles", ISBN  978-3-659-41265-3

externa länkar