推力矢量控制

推力矢量控制是按照產生控制力和控制力矩的方式定義的太空飛行器飛行控制的一種方式。太空飛行器推力矢量控制裝置是控制系統的重要組成部分。它利用不同方法改變太空飛行器發動機推力的方向，使發動機的推力在其主軸的垂直方向產生側向分力，形成控制力和控制力矩，以克服各種干擾，控制太空飛行器的質心運動和繞心運動，使之按預定彈道穩定飛行。改變發動機推力方向、產生主推力側向分量的方法有擺動主發動機、擺動遊動發動機、擺動發動機噴管和二次噴射等。

基本介紹

• 中文名：推力矢量控制
• 外文名：thrust vector control
• 解釋：對飛機的飛行進行實時控制
• 學科：機械

實現途徑

擺動噴管

這一類實現方法包括所有形式的擺動噴管及擺動出口錐的裝置。在這類裝置中，整個噴流偏轉主要有以下兩種。

①柔性噴管。它實際上就是一個通過層壓柔性接頭，裝在火箭發動機後封頭上的噴管層壓接頭。它由許多同心球形截面的彈膠層和薄金屬板組成，並彎曲形成柔性的夾層結構。這個接頭軸向剛度很大，在側向卻很容易偏轉。用它可以實現傳統的發動機封頭與最佳化噴管的對接。

②球窩噴管。其收斂段和擴散段被支撐在方向環上，該裝置可以圍繞噴管中心線上的某箇中心點轉動。延伸管或者後封頭上裝一套有球窩的筒形夾具，使收斂段和擴散段可在其中活動。球面間裝有特製的密封圈，以防高溫高壓燃氣泄漏。舵機通過方向環進行控制，以提供俯仰和偏航力矩。

流體二次噴射

在這類系統中，流體通過噴管擴散段注入發動機噴流。注入的流體在超聲速的噴管氣流中產生一個斜激波，引起壓力分布不平衡，從而使氣流偏斜。這一類實現方法主要有以下兩種。

①液體二次噴射。高壓液體噴入火箭發動機的擴散段，產生斜激波，從而引起噴流偏轉。惰性液體系統噴流的最大偏轉角為4°。液體噴射點周圍形成的激波引起推力損失，但是二次噴射液體增加了噴流和質量，使得淨力略有增加。與惰性液體相比，採用活性液體能夠略微改善側向比沖性能，但是在噴流偏轉角大於4°時，兩種系統的效率都急速下降。液體二次噴射推力矢量控制系統的主要優勢在於其工作時所需的控制系統質量小、結構簡單，因而在不需要很大噴流偏轉角的場合，液體二次噴射具有很強的競爭力。

②熱燃氣二次噴射。在這種推力矢量控制系統中，燃氣直接取自發動機燃燒室或者燃氣發生器，然後注入擴散段，由裝在發動機噴管上的閥門實現控制。

質流偏轉

在火箭發動機的噴流中設定阻礙物的系統屬於這一類，主要有以下四種。

①偏流環噴流偏轉器。它基本上是發動機噴管的管狀延長，可繞出口平面附近噴管軸線上的一點轉動。偏流環偏轉時擾動燃氣，引起氣流偏轉。這個管狀延伸件，或稱偏流環，通常支撐在一個萬向架上。伺服機構提供其在俯仰和偏航平面內的運動。

②軸向噴流偏轉器。在欠膨脹噴管的周圍安置4個偏流葉片，葉片可沿軸向運動以插入或退出發動機尾噴流，並形成激波而使噴流偏轉。葉片受線性作動筒控制，靠滾球導軌支持在外套筒上。該方法最大可以獲得7°的偏轉角。

③臂式擾流片。在火箭發動機噴管出口平面上設定的4個葉片，工作時可阻塞部分出口面積，其最大偏轉可達20°。該系統可以套用於任何正常的發動機噴臂，只有在槳葉插入時才產生推力損失，而且損力基本上是線性的，噴流每偏轉1°，大約損失1%的推力。這種系統體積小、質量輕，因而只需要較小的伺服機構，這對近距戰術飛彈是很有吸引力的。由於高溫高速的尾噴流會對擾流片造成燒蝕，燃燒時間較長的飛彈使用這種系統是不合適的。

④導流罩式致偏器。導流罩式致偏器基本上就是一個帶圓孔的半球形拱帽，圓孔位於噴管的出口平面上且大小與噴管出口直徑相等。拱帽可繞噴管軸線上的某一點轉動，該點通常位於喉部上游。這種裝置的功能和擾流片類似。當致偏器切入燃氣流時，超聲速氣流形成主激波，從而引起噴流偏斜。與擾流片相比，這種裝置能顯著地減少推力損失。對於導流罩式致偏器，噴流偏角噴口每遮蓋1%，將會產生0．52。的噴流偏轉和0．26%的軸向推力損失。

性能描述

推力矢量控制系統的性能大體上可分為4個方面：

①噴流偏轉角度，也就是噴流可能偏轉的角度；

②側向力係數，也就是側向力與未被擾動時的軸向推力之比；

③軸向推力損失，裝置工作時所引起的推力損失；

④驅動力，為達到預期回響須加在這個裝置上的總的力。

噴流偏轉角和側向力係數用以描述各種推力矢量控制系統產生側向力的能力。對於靠形成衝擊波進行工作的推力矢量控制系統來說，通常用側向力係數和等效氣流偏轉角來描述產生側向力的能力。

當確定驅動機構尺寸時，驅動力是一個必不可少的參數。此外，當進行系統研究時，用它可以方便地描述整個伺服系統和推力矢量控制裝置可能達到的最大閉環頻寬。

實際套用

目前推力矢量控制飛彈主要在以下場合得到套用：

①進行近距格鬥、離軸發射的空-空飛彈，典型型號為俄羅斯的R-73。

②目標橫越速度可能很高，初始彈道需要快速修正的地-空飛彈，典型型號為俄羅斯的C-300。

③機動性要求很高的高速飛彈，典型型號為美國的HVM。

④氣動控制顯得過於笨重的低速飛彈，特別是手動控制的反坦克飛彈，典型型號為美國的“龍”式飛彈。

⑤無須精密發射裝置，垂直發射後緊接著就快速轉彎的飛彈。垂直發射的飛彈必須在低速下以最短的時間進行方位對準，並在射面里進行轉彎控制，此時飛彈速度低，操縱效率也低，因此，不能用一般的空氣舵進行操縱。為達到快速對準和轉彎控制的目的，必須使用推力矢量舵。新一代艦空飛彈和一些地一空飛彈為改善射界、提高快速反應能力，都採用了該項技術。典型型號有美國的“標準3”。

⑥在各種海情下出水，需要彈道修正的潛艇發射飛彈，如法國的潛射飛彈“飛魚”。

⑦發射架和跟蹤器相距較遠的飛彈，獨立助推、散布問題比較突出的飛彈，如中國的HJ-73。

以上列舉的各種套用幾乎包含了適用於固體火箭發動機的所有戰術飛彈。

優點

推力矢量控制的優點是軸向推力損失小、動態回響快和可提供較大的控制作用等。者只有一台發動機，可通過發動機推力的雙向擺動完成俯仰和偏航控制，滾動則需要用其他方法控制。若有兩台或四台發動機，則可通過兩台發動機推力的分別雙向擺動或四台發動機推力的單向擺動同時完成俯仰、偏航和滾動三個通道的控制。

推力矢量控制是一種通過控制主推力相對彈軸的偏移產生改變飛彈方向所需力矩的控制技術。顯然，這種方法不依靠氣動力，即使在低速、高空狀態下(空氣稀薄)仍可產生很大的控制力矩，正因為推力矢量控制具有氣動力控制不具備的優良特性，所以在現代飛彈設計中得到了廣泛的套用。