Tryk vektorer - Thrust vectoring

3D-trykvektordyse på en Sukhoi Su-35S
Tre eksperimentelle fremstødsvektorfly i flyvning; fra venstre mod højre, F-18 HARV , X-31 og F-16 MATV

Vectored Thrust , også kendt som trykvektorstyring ( TVC ), er evnen af et luftfartøj , raket , eller andet køretøj til at manipulere retningen af trykket fra dens motor (er) eller motoren (erne) for at styre den holdning eller vinkelhastighed af køretøjet.

I raketter og ballistiske missiler, der flyver uden for atmosfæren, er aerodynamiske kontrolflader ineffektive, så trykvektorering er det primære middel til holdningskontrol . Udstødningsskovle og motorer med tandhjul blev brugt i 1930'erne af Robert Goddard.

For fly var metoden oprindeligt planlagt til at tilvejebringe lodret tryk opad som et middel til at give flyet lodret ( VTOL ) eller kort ( STOL ) start- og landingsevne. Efterfølgende blev det indset, at ved hjælp af vektoriseret tryk i kampsituationer gjorde flyet muligt at udføre forskellige manøvrer, der ikke var tilgængelige for konventionelle motorfly. For at udføre sving skal fly, der ikke anvender nogen trykvektorer, kun stole på aerodynamiske kontrolflader, f.eks. Aileroner eller elevator ; fly med vektorering skal stadig bruge kontrolflader, men i mindre grad.

I missillitteratur, der stammer fra russiske kilder, omtales trykvektorer ofte som gasdynamisk styring eller gasdynamisk kontrol .

Metoder

Raketter og ballistiske missiler

Øjeblikke genereret af forskellige stødgimbalvinkler
Animation af en rakets bevægelse som fremdrift frembringes ved at aktivere dysen
Grafit udstødningsskovle på en V-2 raketmotordyse

Nominelt den aktionsområde af trykvektor af en raket dyse passerer gennem køretøjets tyngdepunkt , hvilket genererer nul netto øjeblik om massemidtpunktet. Det er muligt at generere tonehøjde og gabende øjeblikke ved at afbøje hovedraketens stødvektor, så den ikke passerer gennem massecentret. Fordi handlingslinjen generelt er orienteret næsten parallelt med rulleaksen , kræver rullestyring sædvanligvis brug af to eller flere separat hængslede dyser eller et separat system i det hele taget, såsom finner eller lameller i raketmotorens udstødningsrør, der afbøjer hovedkraften. Stødvektorstyring (TVC) er kun mulig, når fremdriftssystemet skaber tryk; separate mekanismer er nødvendige for holdning og flyvekontrol under andre flyvetrin.

Stødvektorering kan opnås ved fire grundlæggende midler:

  • Gimbaled motor (er) eller dyse (r)
  • Reaktiv væskeinjektion
  • Hjælpestang "Vernier"
  • Udstødningsskovle, også kendt som jetskovle

Gimbaled tryk

Stødvektorering for mange flydende raketter opnås ved at gimbalere hele motoren . Dette indebærer at flytte hele forbrændingskammeret og den ydre motorklokke som på Titan IIs to første-trins motorer eller endda hele motorenheden inklusive de tilhørende brændstof- og oxidationspumper . Den Saturn V og rumfærgen brugte kardansk ophængte motorer.

En senere metode, der er udviklet til solide ballistiske missiler til drivkraft, opnår trykvektorer ved kun at bøje rakettens dyse ved hjælp af elektriske aktuatorer eller hydrauliske cylindre . Dysen er fastgjort til missilet via en kugleled med et hul i midten eller en fleksibel tætning lavet af et termisk resistent materiale, hvor sidstnævnte generelt kræver mere drejningsmoment og et højere effektaktiveringssystem. De Trident C4 og D5 systemer styres via hydraulisk aktiveret dyse. De STS SRBS anvendes kardansk ophængte dyser.

Drivstofindsprøjtning

En anden fremgangsmåde til trykvektorering på ballistiske missiler med fast drivmiddel er væskeindsprøjtning, hvor raketdysen er fikseret, men en væske indføres i udstødningsstrømmen fra injektorer monteret omkring missilens bagende. Hvis væsken kun injiceres på den ene side af missilet, ændrer den den side af udstødningsrøret, hvilket resulterer i forskellig tryk på den side og en asymmetrisk nettokraft på missilet. Dette var det kontrolsystem, der blev brugt på Minuteman II og de tidlige SLBM'er fra den amerikanske flåde .

Vernier -thrustere

En effekt, der ligner stødvektorering, kan frembringes med flere vernier -thrustere , små hjælpeforbrændingskamre, der mangler deres egne turbopumper og kan kugle på en akse. Disse blev brugt på Atlas- og R-7- missiler og bruges stadig på Soyuz-raketten , der stammer fra R-7, men bruges sjældent på nye designs på grund af deres kompleksitet og vægt. Disse adskiller sig fra reaktionskontrolsystemets thrustere, som er faste og uafhængige raketmotorer, der bruges til manøvrering i rummet.

Udstødningsskovle

En af de tidligste metoder til trykvektorering i raketmotorer var at placere lameller i motorens udstødningsstrøm. Disse udstødningsskovle eller jetskovle tillader, at kraften afbøjes uden at bevæge nogen dele af motoren, men reducerer rakettens effektivitet. De har fordelen ved at tillade rullestyring med kun en enkelt motor, hvilket dysegimbal ikke gør. De V-2 brugte grafit udstødning skovle og aerodynamiske vinger, som gjorde Redstone , afledt fra V-2. Sapphire- og Nexo -raketterne fra amatørgruppen Copenhagen Suborbitals er et moderne eksempel på jetskovle. Jetskovle skal være fremstillet af et ildfast materiale eller aktivt afkølet for at forhindre dem i at smelte. Safir brugte solide kobbervinger til kobbers høje varmekapacitet og varmeledningsevne, og Nexo brugte grafit til sit høje smeltepunkt, men med mindre det er aktivt afkølet, vil jetskovle undergå betydelig erosion. Dette kombineret med jetskovlens ineffektivitet udelukker for det meste deres anvendelse i nye raketter.

Taktiske missiler og små projektiler

Nogle mindre taktiske taktiske missiler , såsom AIM-9X Sidewinder , undgår flyvekontroloverflader og i stedet bruger mekaniske lameller til at aflede motorudstødning til den ene side.

Stødvektorering er en måde at reducere et missils minimumsområde, inden det ikke kan nå en hastighed, der er høj nok til, at dets små aerodynamiske overflader kan producere effektiv manøvrering. For eksempel bruger anti-tank missiler såsom Eryx og PARS 3 LR trykvektorering af denne grund.

Nogle andre projektiler, der bruger trykvektorer:

Fly

De fleste i øjeblikket operationelle vektorstyrede trykfly anvender turbofan med roterende dyser eller skovle til at aflede udstødningsstrømmen. Denne metode kan med succes afbøje tryk gennem hele 90 grader i forhold til flyets midterlinje. Motoren skal dog være dimensioneret til lodret løft frem for normal flyvning, hvilket resulterer i en vægtstraf. Efterafbrænding (eller Plenum Chamber Burning, PCB, i bypass-strømmen) er vanskelig at inkorporere og er upraktisk til start og landing af stødvektorer, fordi den meget varme udstødning kan beskadige banens overflader. Uden efterforbrænding er det svært at nå supersoniske flyvehastigheder. En printkortmotor, Bristol Siddeley BS100 , blev aflyst i 1965.

Tiltrotor fly vektor stak via roterende turboprop motor naceller . De mekaniske kompleksiteter ved dette design er ret besværlige, herunder vridning af fleksible interne komponenter og kraftoverførsel af drivaksel mellem motorer. De fleste nuværende tiltrotormotiver har to rotorer i en side-by-side konfiguration. Hvis et sådant fartøj flyves på en måde, hvor det går ind i en hvirvelringstilstand , vil en af ​​rotorerne altid komme lidt ind før det andet, hvilket får flyet til at udføre en drastisk og uplanlagt rulle.

Før Første Verdenskrig, britiske hærs luftskib Delta , udstyret med drejelige propeller

Stødvektorering bruges også som kontrolmekanisme for luftskibe . En tidlig ansøgning var den britiske hær luftskibet Delta , der først fløj i 1912. Det blev senere brugt på HMA (Hans Majestæts Airship) nr 9R , en britisk stiv luftskib, der først fløj i 1916, og den dobbelte 1930'erne-æra US Navy stive luftskibe USS Akron og USS Macon, der blev brugt som luftbårne hangarskibe , og en lignende form for trykvektorering er også særlig værdifuld i dag til kontrol af moderne ikke-stive luftskibe . Ved denne brug understøttes det meste af belastningen normalt af opdrift, og vektoriseret tryk bruges til at kontrollere flyets bevægelse. Den første luftskib, der anvendes et styresystem baseret på trykluft var Enrico Forlanini 's Omnia Dir i 1930'erne.

Et design til en jet, der inkorporerede trykvektorer, blev indsendt i 1949 til det britiske luftministerium af Percy Walwyn; Walwyns tegninger er bevaret på National Aerospace Library i Farnborough. Den officielle interesse blev indskrænket, da det blev indset, at designeren var en patient på et psykiatrisk hospital.

Nu ved at blive undersøgt, afleder Fluidic Thrust Vectoring (FTV) kraften via sekundære fluidinjektioner . Test viser, at luft, der tvinges ind i en jetmotors udstødningsstrøm, kan aflede tryk på op til 15 grader. Sådanne dyser er ønskelige for deres lavere masse og omkostninger (op til 50% mindre), inerti (for hurtigere, stærkere kontrolrespons), kompleksitet (mekanisk enklere, færre eller ingen bevægelige dele eller overflader, mindre vedligeholdelse) og radartværsnit for stealth . Dette vil sandsynligvis blive brugt i mange ubemandede luftfartøjer (UAV'er) og 6. generations jagerfly .

Vektoriserende dyser

Stødvektorisk flyvekontrol (TVFC) opnås ved afbøjning af flyets jetfly i nogle eller alle pitch-, yaw- og roll-retningerne. I yderste konsekvens skaber afbøjning af jetflyene i gab, pitch og roll ønskede kræfter og øjeblikke, der muliggør fuldstændig retningsbestemt kontrol af flyets flyvebane uden implementering af de konventionelle aerodynamiske flykontroller (CAFC). TVFC kan også bruges til at holde stationær flyvning i områder af flyvekonvolutten, hvor de vigtigste aerodynamiske overflader er gået i stå. TVFC inkluderer kontrol af STOVL -fly under svæveren og under overgangen mellem svæve- og fremadgående hastigheder under 50 knob, hvor aerodynamiske overflader er ineffektive.

Når vektorstyret trykstyring bruger en enkelt fremdrivende jet, som med et enkeltmotorfly, er evnen til at producere rullende øjeblikke muligvis ikke mulig. Et eksempel er en efterforbrændende supersonisk dyse, hvor dysefunktioner er halsområde, udgangsområde, pitchvektorering og yaw -vektorering. Disse funktioner styres af fire separate aktuatorer. En enklere variant, der kun anvender tre aktuatorer, ville ikke have uafhængig kontrol af udgangsområdet.

Når TVFC implementeres for at supplere CAFC, maksimeres fleksibilitet og sikkerhed for flyet. Øget sikkerhed kan forekomme i tilfælde af funktionsfejl i CAFC som følge af slagskader.

For at implementere TVFC kan der anvendes forskellige dyser, både mekaniske og fluidiske. Dette inkluderer konvergerende og konvergent-divergerende dyser, der kan være faste eller geometrisk variable. Det inkluderer også variable mekanismer inden for en fast dyse, såsom roterende kaskader og roterende udgangsskovle. Inden for disse flydyser kan selve geometrien variere fra todimensionel (2-D) til aksesymmetrisk eller elliptisk. Antallet af dyser på et givet fly for at opnå TVFC kan variere fra en på et CTOL -fly til mindst fire i tilfælde af STOVL -fly.

Definitioner

Det er nødvendigt at præcisere nogle definitioner, der anvendes i tryk-vektorerende dysedesign.

Axisymmetrisk
Dyser med cirkulære udgange.
Konventionel aerodynamisk flyvekontrol (CAFC)
Pitch, yaw-pitch, yaw-pitch-roll eller enhver anden kombination af flystyring gennem aerodynamisk afbøjning ved hjælp af ror, flaps, elevatorer og/eller ailerons.
Konvergerende-divergerende dyse (CD)
Generelt brugt på supersonisk jetfly, hvor dysetrykforhold (npr)> 3. Motorudstødningen ekspanderes gennem en konvergerende sektion for at opnå Mach 1 og udvides derefter gennem en divergerende sektion for at opnå supersonisk hastighed ved udgangsplanet eller mindre ved lav npr .
Konvergerende dyse
Generelt brugt på subsoniske og transoniske jetfly, hvor npr <3. Motorudstødningen udvides gennem en konvergerende sektion for at opnå Mach 1 ved udgangsplanet, eller mindre ved lav npr.
Effektiv vektoringsvinkel
Den gennemsnitlige afbøjningsvinkel for jetstrømens midterlinje på et givet tidspunkt.
Fast dyse
En tryk-vektorerende dyse af invariant geometri eller en af ​​variantgeometri, der opretholder et konstant geometrisk arealforhold under vektorering. Dette vil også blive omtalt som en civil luftfartøjsdyse og repræsenterer dysens stødvektorstyring, der gælder for passager-, transport-, fragt- og andre subsoniske fly.
Fluidisk trykvektor
Manipulationen eller styringen af ​​udstødningsstrømmen ved brug af en sekundær luftkilde, typisk udluftning af luft fra motorens kompressor eller ventilator.
Geometrisk vektoringsvinkel
Dysens geometriske midterlinje under vektorering. For de dyser, der er vektoreret ved den geometriske hals og videre, kan dette adskille sig betydeligt fra den effektive vektoringsvinkel.
Tre-bærende svingbar kanaldyse (3BSD)
Tre vinklede segmenter af motorens udstødningskanal roterer i forhold til hinanden omkring kanalens midterlinje for at frembringe dyse og dyse i aksen.
Tredimensionel (3-D)
Dyser med multi-akse eller pitch og yaw kontrol.
Stødvektorering (tv)
Nedbøjning af strålen væk fra kropsaksen gennem implementering af en fleksibel dyse, klapper, skovle, hjælpevæskemekanik eller lignende metoder.
Stødvektorisk flyvekontrol (TVFC)
Pitch, yaw-pitch, yaw-pitch-roll eller enhver anden kombination af luftfartøjskontrol gennem nedbøjning af tryk, der generelt udledes fra en luftåndende turbofanmotor.
To-dimensionel (2-D)
Dyser med firkantede eller rektangulære udgange. Ud over den geometriske form kan 2-D også referere til den styrede frihedsgrad (DOF), som er en enkelt akse eller kun pitch, i hvilket tilfælde runde dyser er inkluderet.
To-dimensionel konvergerende-divergerende (2-D CD)
Firkantede, rektangulære eller runde supersoniske dyser på jagerfly med pitch-only kontrol.
Variabel dyse
En tryk-vektorerende dyse med variabel geometri, der opretholder et konstant eller tillader et variabelt, effektivt dysearealforhold under vektorering. Dette vil også blive omtalt som en militær flydyse, da den repræsenterer dysens stødvektorstyring, der gælder for jagerfly og andre supersoniske fly med efterbrænding. Den konvergente sektion kan kontrolleres fuldstændigt med den divergerende sektion efter et på forhånd bestemt forhold til det konvergente halsområde. Alternativt kan halsområdet og udgangsområdet kontrolleres uafhængigt for at tillade den divergerende sektion at matche den nøjagtige flytilstand.

Metoder til dysestyring

Geometriske arealforhold
Opretholdelse af et fast geometrisk arealforhold fra halsen til udgangen under vektorering. Den effektive hals indsnævres, når vektoreringsvinklen stiger.
Effektive arealforhold
Opretholdelse af et fast effektivt arealforhold fra halsen til udgangen under vektorering. Den geometriske hals åbnes, når vektoreringsvinklen stiger.
Differentialearealforhold
Maksimering af dyseudvidelseseffektivitet generelt ved at forudsige det optimale effektive område som en funktion af massestrømningshastigheden.

Metoder til trykvektorering

Type I
Dyser, hvis bundramme mekanisk drejes før den geometriske hals.
Type II
Dyser, hvis bundramme er mekanisk roteret ved den geometriske hals.
Type III
Dyser, hvis bundramme ikke drejes. Tilsætning af mekaniske afbøjningsskovle efter udgang eller skovle muliggør snarere jetudbøjning.
Type IV
Jetafbøjning gennem modstrømmende eller co-flydende (ved stødvektorstyring eller halsskift) hjælpestrømme. Væskebaseret jetudbøjning ved hjælp af sekundær fluidinjektion.
Yderligere type
Dyser, hvis udstrømningskanal opstrøms består af kileformede segmenter, der roterer i forhold til hinanden omkring kanalens midterlinje.

Operationelle eksempler

Fly

Sea Harrier FA.2 ZA195 front (kold) vektordyser

Et eksempel på 2D-trykvektorer er Rolls-Royce Pegasus- motoren, der bruges i Hawker Siddeley Harrier , samt i AV-8B Harrier II- varianten.

Udbredt brug af trykvektorer til øget manøvredygtighed i vestlige kampfly med produktionsmodeller fandt ikke sted før implementeringen af Lockheed Martin F-22 Raptor femtegenerations jetjager i 2005 med dens efterbrænding, 2D-trykvektorer Pratt & Whitney F119 turbofan .

Mens Lockheed Martin F-35 Lightning II bruger en konventionel efterbrænding turbofan (Pratt & Whitney F135) for at lette supersonisk drift, dens F-35B variant, udviklet til fælles brug af US Marine Corps , Royal Air Force , Royal Navy og italiensk Navy , indeholder også en lodret monteret, lavtryks akseldrevet fjernventilator, som drives gennem en kobling under landing fra motoren. Både udstødningen fra denne blæser og hovedmotorens blæser afbøjes af trykvektorer, der giver den passende kombination af løft og fremdrift. Det er ikke beregnet til øget manøvredygtighed i kamp, ​​kun til VTOL- drift, og F-35A og F-35C bruger slet ikke trykvektorer.

Den Sukhoi Su-30MKI , produceret af Indien under licens på Hindustan Aeronautics Limited , er i aktiv tjeneste med indiske luftvåben . TVC gør flyet meget manøvredygtigt, i stand til nær nul lufthastighed i høje angrebsvinkler uden at gå i stå, og dynamisk aerobatik ved lave hastigheder. Den Su-30MKI er drevet af to Al-31FP efterbrænding turbofans . TVC -dyserne på MKI er monteret 32 ​​grader udad i længderetningen på motoraksen (dvs. i vandret plan) og kan afbøjes ± 15 grader i det lodrette plan. Dette giver en proptrækker -effekt, hvilket i høj grad forbedrer flyets drejeevne.

Et par computeriserede undersøgelser tilføjer trykvektorer til eksisterende passagerfly, f.eks. Boeing 727 og 747, for at forhindre katastrofale fejl, mens den eksperimentelle X-48C muligvis vil blive jetstyret i fremtiden.

Andet

Eksempler på raketter og missiler der brug Vectored Thrust omfatter både store systemer såsom Space Shuttle Solid Rocket Booster (SRB), S-300P (SA-10) overflade-til-luft missiler , UGM-27 Polaris nuklear ballistiske missiler og RT- 23 (SS-24) ballistiske missiler og mindre slagmarkens våben såsom Swingfire .

Principperne for lufttrykvektorering er for nylig blevet tilpasset til militære søapplikationer i form af hurtig vandstrålestyring, der giver super smidighed. Eksempler er den hurtige patruljebåd Dvora Mk-III, missilbåden i Hamina-klasse og US Navy's Littoral kampskibe .

Liste over vektorstyrede skydefly

Stødvektorering kan overføre to hovedfordele: VTOL/STOL og højere manøvredygtighed. Fly er normalt optimeret til maksimalt at udnytte den ene fordel, men vil vinde i den anden.

For VTOL -evne

The Harrier - verdens første operationelle kampfly med trykvektorer, der muliggør VTOL -kapacitet
GE Axisymmetric Vectoring Exhaust Nozzle , brugt på F-16 MATV

For større manøvredygtighed

Vectoring i to dimensioner

Vectoring i tre dimensioner

Andet

Se også

Referencer

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

eksterne links