Vectorizarea impulsului - Thrust vectoring

Duză vectorială de împingere 3D pe un Sukhoi Su-35S
Trei aeronave experimentale vectoriale de împingere în zbor; de la stânga la dreapta, F-18 HARV , X-31 și F-16 MATV

Propulsia vectorizare , de asemenea , cunoscut sub numele de control al vectorului de tracțiune ( NTG ), este capacitatea unei aeronave , rachete sau alt vehicul pentru a manipula direcția forța de tracțiune din său motor (e) sau a motorului (e) pentru a controla atitudinea sau viteza unghiulară a vehiculului.

În rachete și rachete balistice care zboară în afara atmosferei, suprafețele de control aerodinamic sunt ineficiente, astfel încât vectorizarea împingerii este principalul mijloc de control al atitudinii . Paletele de evacuare și motoarele cu cardan au fost utilizate în anii 1930 de Robert Goddard.

Pentru avioane, metoda a fost inițial prevăzută pentru a oferi o împingere verticală ascendentă ca mijloc de a oferi capacitatea de decolare și aterizare a aeronavei verticale ( VTOL ) sau scurte ( STOL ). Ulterior, s-a realizat că folosirea forței vectoriale în situații de luptă a permis aeronavelor să efectueze diverse manevre care nu sunt disponibile pentru avioanele cu motor convențional. Pentru a efectua viraje, aeronavele care nu folosesc vectorizarea tracțiunii trebuie să se bazeze doar pe suprafețe de control aerodinamice, cum ar fi eleronele sau ascensorul ; aeronavele cu vectorizare trebuie să utilizeze în continuare suprafețe de control, dar într-o măsură mai mică.

În literatura de rachete provenind din surse rusești, vectorizarea tracțiunii este adesea denumită direcție gazodinamică sau control gazodinamic .

Metode

Rachete și rachete balistice

Momente generate de unghiuri diferite ale cardanului
Animația mișcării unei rachete pe măsură ce împingerea este vectorizată prin acționarea duzei
Palete de evacuare din grafit pe duza unui motor de rachetă V-2

În mod nominal, linia de acțiune a vectorului de împingere a unei duze de rachetă trece prin centrul de masă al vehiculului , generând un moment net zero în jurul centrului de masă. Este posibil să se genereze momente de înălțime și gălăgie prin devierea vectorului principal al rachetei, astfel încât să nu treacă prin centrul de masă. Deoarece linia de acțiune este, în general, orientată aproape paralel cu axa rolei , controlul rolelor necesită de obicei utilizarea a două sau mai multe duze articulate separat sau un sistem separat, cum ar fi aripioare sau aripi în panoul de evacuare al motorului rachetei, devierea forța principală. Controlul vectorului de tracțiune (TVC) este posibil doar atunci când sistemul de propulsie creează tracțiunea; sunt necesare mecanisme separate pentru controlul atitudinii și al traseului de zbor în alte etape ale zborului.

Vectorizarea impulsului poate fi realizată prin patru mijloace de bază:

  • Motor (e) cu gimbal sau duză (e)
  • Injecție de lichid reactiv
  • Propulsoare auxiliare "Vernier"
  • Palete de evacuare, cunoscute și sub denumirea de palete cu jet

Împingere cu gimbal

Vectorizarea forței pentru multe rachete lichide se realizează prin rotirea întregului motor . Aceasta implică deplasarea întregii camere de ardere și a clopotului exterior al motorului, ca pe motoarele duble din prima etapă ale Titan II , sau chiar întregul ansamblu al motorului, inclusiv pompele de combustibil și oxidant aferente . Saturn V și Space Shuttle utilizate motoare gimbaled.

O metodă ulterioară dezvoltată pentru rachetele balistice cu propulsor solid realizează vectorizarea tracțiunii prin devierea numai a duzei rachetei folosind actuatoare electrice sau cilindri hidraulici . Duza este atașată la rachetă printr-o articulație cu bilă cu o gaură în centru sau o etanșare flexibilă dintr-un material rezistent termic, acesta din urmă necesitând în general un cuplu mai mare și un sistem de acționare a puterii mai mare. Sistemele Trident C4 și D5 sunt controlate printr-o duză acționată hidraulic. The STS SRBs utilizate duze gimbaled.

Injecție de propulsor

O altă metodă de vectorizare a împingerii utilizată pe rachetele balistice cu propulsor solid este injecția de lichid, în care este fixată duza rachetei , dar un flux este introdus în fluxul de evacuare de la injectoare montate în jurul capătului din spate al rachetei. Dacă lichidul este injectat doar pe o parte a rachetei, aceasta modifică acea parte a panoului de evacuare, rezultând o împingere diferită pe acea parte și o forță netă asimetrică asupra rachetei. Acesta a fost sistemul de control utilizat pe Minuteman II și începutul SLBMs ale Marinei Statelor Unite .

Propulsoare Vernier

Un efect similar vectorului de împingere poate fi produs cu mai multe propulsoare vernier , mici camere de ardere auxiliare care nu au turbopompe proprii și pot fi rotite pe o axă. Acestea au fost utilizate pe rachetele Atlas și R-7 și sunt încă utilizate pe racheta Soyuz , care provine din R-7, dar sunt rareori folosite pe noile modele datorită complexității și greutății lor. Acestea sunt distincte de propulsoarele sistemului de control al reacției , care sunt motoare rachete fixe și independente utilizate pentru manevrarea în spațiu.

Palete de evacuare

Una dintre cele mai vechi metode de vectorizare a tracțiunii în motoarele rachete a fost plasarea aripilor în fluxul de evacuare al motorului. Aceste palete de evacuare sau palete cu jet permit devierea tracțiunii fără a mișca nici o parte a motorului, dar reduc eficiența rachetei. Acestea au avantajul de a permite controlul rolelor doar cu un singur motor, ceea ce nu este permisă prin rotirea duzei. Cele V-2 Paletele de evacuare grafit folosit și vanele aerodinamice, așa cum a făcut Redstone , derivată din V-2. Rachetele Sapphire și Nexo ale grupului de amatori Copenhaga Suborbitals oferă un exemplu modern de palete cu jet. Paletele cu jet trebuie să fie fabricate dintr-un material refractar sau răcite în mod activ pentru a preveni topirea acestora. Safirul a folosit palete de cupru solide pentru capacitatea termică ridicată a cuprului și conductivitatea termică, iar Nexo a folosit grafit pentru punctul său de topire ridicat, dar dacă nu este răcit activ, paletele cu jet vor suferi o eroziune semnificativă. Acest lucru, combinat cu ineficiența paletelor cu jet, exclude în mare parte utilizarea lor în rachete noi.

Rachete tactice și proiectile mici

Unele rachete tactice atmosferice de dimensiuni mai mici , precum AIM-9X Sidewinder , evită suprafețele de control al zborului și folosesc în schimb palete mecanice pentru a devia evacuarea motorului într-o parte.

Vectorizarea tracțiunii este o modalitate de a reduce raza de acțiune minimă a unei rachete, înaintea căreia nu poate atinge o viteză suficient de mare pentru ca micile sale suprafețe aerodinamice să producă manevre eficiente. De exemplu, rachetele antitanc, cum ar fi Eryx și PARS 3 LR, utilizează vectorizarea de tracțiune din acest motiv.

Unele alte proiectile care utilizează vectorul de împingere:

  • 9M330
  • Runda de mortar Strix utilizează douăsprezece rachete cu propulsor lateral pentru a oferi corecții ale cursului terminal
  • AAD folosește palete cu jet
  • Astra (rachetă)
  • Akash (rachetă)
  • BrahMos
  • QRSAM folosește palete cu jet
  • MPATGM folosește palete cu jet
  • Barak 8 folosește palete cu jet
  • A-Darter folosește palete cu jet
  • ASRAAM folosește palete cu jet
  • R-73 (rachetă) folosește palete cu jet
  • HQ-9 folosește palete cu jet
  • PL-10 (ASR) folosește palete cu jet
  • MICA (rachetă) folosește palete cu jet
  • PARS 3 LR folosește palete cu jet
  • Familia de rachete Aster combină controlul aerodinamic și controlul direct al vectorului de împingere numit "PIF-PAF"
  • AIM-9X folosește patru palete cu jet în interiorul evacuării, care se mișcă pe măsură ce aripioarele se mișcă.
  • 9M96E folosește un sistem de control dinamic al gazului care permite manevrarea la altitudini de până la 35 km la forțe de peste 20 g , ceea ce permite angajarea rachetelor balistice nestatetice.
  • 9K720 Iskander este controlat pe tot parcursul zborului cu suprafețe de control gazodinamice și aerodinamice.

Avioane

Majoritatea aeronavelor cu tracțiune vectorială operaționale folosesc în prezent turboventilatoare cu duze rotative sau palete pentru a devia fluxul de evacuare. Această metodă poate devia cu succes împingerea până la 90 de grade, în raport cu linia centrală a aeronavei. Cu toate acestea, motorul trebuie să fie dimensionat pentru ridicare verticală, mai degrabă decât pentru zbor normal, ceea ce duce la o penalizare a greutății. Arderea ulterioară (sau arderea camerei în plen, PCB, în fluxul de ocolire) este dificil de încorporat și este impracticabilă pentru decolare și aterizare, pentru că evacuarea foarte fierbinte poate deteriora suprafețele pistei. Fără arderea după este greu să se atingă viteza de zbor supersonică. Un motor PCB, Bristol Siddeley BS100 , a fost anulat în 1965.

Tracțiunea vectorială a avioanelor inclinabile prin nacelele rotative ale motorului turbopropulsor . Complexitățile mecanice ale acestui design sunt destul de supărătoare, incluzând răsucirea componentelor interne flexibile și transferul de putere al arborelui de transmisie între motoare. Cele mai multe modele actuale de tiltrotor au două rotoare într-o configurație side-by-side. Dacă o astfel de ambarcațiune este zburată într-un mod în care intră într-o stare de inel de vortex , unul dintre rotoare va intra întotdeauna ușor înaintea celuilalt, determinând aeronava să efectueze o rulare drastică și neplanificată.

Dirijabilul dinaintea primului război mondial, dirijabil al armatei britanice Delta , prevăzut cu elice pivotante

Vectorizarea tracțiunii este, de asemenea, utilizată ca mecanism de control pentru dirijabile . O aplicație timpurie a fost armata britanică dirijabil Delta , care a zburat pentru prima dată în 1912. Acesta a fost folosit mai târziu HMA (Maiestății Sale Dirijabilelor) Nr 9R , un dirijabil rigid britanic care a zburat pentru prima în 1916 și din epoca anilor 1930 gemene US Navy dirijabile rigide USS Akron și USS Macon care au fost folosite ca portavioane aeriene și o formă similară de vectorizare a tracțiunii este, de asemenea, deosebit de valoroasă astăzi pentru controlul dirijabilelor moderne non-rigide . În această utilizare, cea mai mare parte a sarcinii este susținută de obicei de flotabilitate și împingerea vectorizată este utilizată pentru a controla mișcarea aeronavei. Primul dirigibil care a folosit un sistem de control bazat pe aer sub presiune a fost Omnia Dir al lui Enrico Forlanini în anii 1930.

Un design pentru un jet care încorporează vectorizarea forței a fost prezentat în 1949 Ministerului Aerian Britanic de Percy Walwyn; Desenele lui Walwyn sunt păstrate la Biblioteca Națională Aerospațială din Farnborough. Interesul oficial a fost redus atunci când s-a realizat că designerul era un pacient într-un spital de boli mintale.

În curs de cercetare, Fluidic Thrust Vectoring (FTV) deviază forța prin injecții fluidice secundare . Testele arată că aerul forțat într-un flux de evacuare a motorului cu reacție poate devia forța de până la 15 grade. Astfel de duze sunt de dorit pentru masa și costul lor mai mic (cu până la 50% mai puțin), inerția (pentru un răspuns de control mai rapid și mai puternic), complexitatea (mecanic mai simplă, mai puține sau deloc părți mobile sau suprafețe, mai puțină întreținere) și secțiunea transversală a radarului pentru stealth . Acest lucru va fi probabil utilizat în multe vehicule aeriene fără pilot (UAV) și în avioanele de vânătoare de generația a 6-a .

Duze vectoriale

Controlul zborului cu tracțiune-vectorizare (TVFC) se obține prin devierea jeturilor de aeronave în unele sau în toate direcțiile de pitch, yaw and roll. În extrem, devierea jeturilor în găleată, înălțime și rulare creează forțele și momentele dorite, permițând controlul direcțional complet al traiectului de zbor al aeronavei fără implementarea comenzilor convenționale de zbor aerodinamice (CAFC). TVFC poate fi, de asemenea, utilizat pentru a ține zborul staționar în zonele învelișului de zbor în care principalele suprafețe aerodinamice sunt blocate. TVFC include controlul aeronavelor STOVL în timpul deplasării și în timpul tranziției între viteza de deplasare și înaintare sub 50 de noduri, unde suprafețele aerodinamice sunt ineficiente.

Când controlul de împingere vectorizat utilizează un singur jet propulsor, ca și în cazul unei aeronave cu un singur motor, este posibil să nu fie posibilă capacitatea de a produce momente de rulare. Un exemplu este o duză supersonică post-arsură în care funcțiile duzei sunt zona gâtului, zona de ieșire, vectorizarea pasului și vectorizarea girației. Aceste funcții sunt controlate de patru actuatoare separate. O variantă mai simplă care utilizează doar trei servomotoare nu ar avea un control independent al zonei de ieșire.

Când TVFC este implementat pentru a completa CAFC, agilitatea și siguranța aeronavei sunt maximizate. Siguranța sporită poate apărea în caz de defecțiune CAFC ca urmare a daunelor de luptă.

Pentru a implementa TVFC se pot aplica o varietate de duze atât mecanice, cât și fluidice. Aceasta include duze convergente și convergente-divergente care pot fi fixe sau variabile geometric. De asemenea, include mecanisme variabile în interiorul unei duze fixe, cum ar fi cascade rotative și palete de ieșire rotative. În aceste duze de aeronave, geometria în sine poate varia de la bidimensională (2-D) la aximetrică sau eliptică. Numărul de duze pe o aeronavă dată pentru a realiza TVFC poate varia de la una la o aeronavă CTOL la un minim de patru în cazul aeronavelor STOVL.

Definiții

Este necesar să se clarifice unele definiții utilizate în proiectarea duzei de împingere-vectorizare.

Axisimetric
Duze cu ieșiri circulare.
Control de zbor aerodinamic convențional (CAFC)
Pitch, yaw-pitch, yaw-pitch-roll sau orice altă combinație de control al aeronavei prin devierea aerodinamică folosind cârme, clapete, ascensoare și / sau elere.
Duză convergentă-divergentă (CD)
Utilizat în general pe aeronavele cu jet supersonic unde raportul presiunii duzei (npr)> 3. Eșapamentul motorului este extins printr-o secțiune convergentă pentru a atinge Mach 1 și apoi extins printr-o secțiune divergentă pentru a atinge viteza supersonică la planul de ieșire, sau mai puțin la npr redus .
Duza convergentă
Utilizat în general pe avioanele cu reacție subsonice și transonice unde npr <3. Eșapamentul motorului este extins printr-o secțiune convergentă pentru a obține Mach 1 la planul de ieșire sau mai puțin la npr scăzut.
Unghi eficient de vectorizare
Unghiul mediu de deviere al liniei centrale a fluxului de jet în orice moment dat.
Duza fixă
O duză de împingere-vectorizare de geometrie invariantă sau una de geometrie variantă care menține un raport de zonă geometrică constantă, în timpul vectorizării. Aceasta va fi, de asemenea, denumită duză pentru aeronavă civilă și reprezintă controlul de vectorizare a împingerii duzei aplicabil pasagerilor, transportului, mărfurilor și altor aeronave subsonice.
Vectorizarea impulsului fluidic
Manipularea sau controlul debitului de evacuare cu utilizarea unei surse secundare de aer, de obicei curge aerul din compresorul sau ventilatorul motorului.
Unghiul de vectorizare geometrică
Linia centrală geometrică a duzei în timpul vectorizării. Pentru acele duze vectorizate la nivelul gâtului geometric și dincolo, aceasta poate diferi considerabil de unghiul efectiv de vectorizare.
Duza pivotantă cu trei rulmenți (3BSD)
Trei segmente unghiulare ale conductei de evacuare a motorului se rotesc una față de cealaltă în jurul liniei medii a conductei pentru a produce pasul axei de împingere a duzei și girația.
Tridimensional (3-D)
Duze cu multi-axă sau control al pasului și girației.
Vectorizarea impulsului (TV)
Devierea jetului departe de axa corpului prin implementarea unei duze flexibile, clapete, palete, mecanica auxiliară a fluidelor sau metode similare.
Controlul zborului cu tracțiune vectorială (TVFC)
Pitch, yaw-pitch, yaw-pitch-roll, sau orice altă combinație de control al aeronavei prin devierea forței de tracțiune care se emite în general de la un motor turbofan care respiră aer.
Bidimensional (2-D)
Duze cu ieșiri pătrate sau dreptunghiulare. În plus față de forma geometrică, 2-D se poate referi și la gradul de libertate (DOF) controlat, care este cu o singură axă sau numai cu pas, caz în care sunt incluse duze rotunde.
Convergent-divergent bidimensional (CD 2-D)
Duze supersonice pătrate, dreptunghiulare sau rotunde pe avioanele de vânătoare cu control numai pe pas.
Duza variabilă
O duză de împingere-vectorizare cu geometrie variabilă care menține o constantă sau permite un raport variabil, efectiv al zonei duzei, în timpul vectorizării. Aceasta va fi, de asemenea, denumită duză pentru aeronavă militară, deoarece reprezintă controlul de vectorizare a împingerii duzei aplicabil luptătorului și altor aeronave supersonice cu arsură. Secțiunea convergentă poate fi controlată complet cu secțiunea divergentă după o relație predeterminată cu zona convergentă a gâtului. Alternativ, zona gâtului și zona de ieșire pot fi controlate independent, pentru a permite secțiunii divergente să se potrivească cu starea exactă a zborului.

Metode de control al duzelor

Rapoartele zonei geometrice
Menținerea unui raport de zonă geometrică fixă ​​de la gât la ieșire în timpul vectorizării. Gâtul eficient este restrâns pe măsură ce unghiul de vectorizare crește.
Rapoarte de suprafață eficiente
Menținerea unui raport de suprafață efectiv fix de la gât la ieșire în timpul vectorizării. Gâtul geometric este deschis pe măsură ce unghiul de vectorizare crește.
Rapoarte de suprafață diferențială
Maximizarea eficienței expansiunii duzei în general prin predicția zonei eficiente optime în funcție de debitul masic.

Metode de vectorizare a tracțiunii

Tipul I
Duze al căror cadru de bază este rotit mecanic înainte de gâtul geometric.
Tipul II
Duze al căror cadru de bază este rotit mecanic la nivelul gâtului geometric.
Tipul III
Duze al căror cadru de bază nu este rotit. Mai degrabă, adăugarea paletelor sau paletelor de ieșire mecanică de deflexie permite devierea jetului.
Tipul IV
Devierea jetului prin contracurent sau co-curgere (prin controlul vectorului șocului sau prin schimbarea gâtului) fluxuri de jet auxiliare. Deflexie cu jet de fluid pe bază de injecție fluidică secundară.
Tip suplimentar
Duze ale căror conducte de evacuare în amonte sunt formate din segmente în formă de pană care se rotesc una față de cealaltă în jurul liniei medii a conductei.

Exemple operaționale

Avioane

Sea Harrier FA.2 ZA195 duză frontală (rece) de împingere vectorială

Un exemplu de vectorizare a tracțiunii 2D este motorul Rolls-Royce Pegasus utilizat în Hawker Siddeley Harrier , precum și în varianta AV-8B Harrier II .

Utilizarea pe scară largă a vectorizării de tracțiune pentru o manevrabilitate sporită în avioanele de vânătoare din modelul de producție occidental nu a avut loc până la implementarea avioanei de luptă Lockheed Martin F-22 Raptor de generația a cincea în 2005, cu arderea post-vectorială a tracțiunii 2D Pratt & Whitney F119 turbofan .

În timp ce Lockheed Martin F-35 Lightning II folosește un turboventilator convențional post-ardere (Pratt & Whitney F135) pentru a facilita funcționarea supersonică, varianta sa F-35B, dezvoltată pentru utilizarea în comun de către US Marine Corps , Royal Air Force , Royal Navy și Italian Navy , încorporează, de asemenea, un ventilator de la distanță acționat pe arbore cu presiune redusă montat vertical, care este condus printr-un ambreiaj în timpul aterizării de la motor. Atât eșapamentul de la acest ventilator, cât și ventilatorul motorului principal sunt deviate de duze vectoriale de împingere, pentru a oferi combinația adecvată de ridicare și propulsie propulsivă. Nu este conceput pentru o manevrabilitate sporită în luptă, ci doar pentru funcționarea VTOL , iar F-35A și F-35C nu folosesc deloc vectorul de tracțiune.

Suhoi Su-30MKI , produs de India sub licență de la Hindustan Aeronautics Limited , este în serviciul activ cu Air Force India . TVC face aeronava extrem de manevrabilă, capabilă să atingă viteza de aer aproape de zero la unghiuri mari de atac fără a se bloca și acrobatice dinamice la viteze mici. Su-30MKI este alimentat de două Al-31FP ardere finala turboreactoare cu flux dublu . Duzele TVC ale MKI sunt montate la 32 de grade spre axa longitudinală a motorului (adică în plan orizontal) și pot fi deviate de ± 15 grade în plan vertical. Acest lucru produce un efect de tirbușon , îmbunătățind foarte mult capacitatea de rotire a aeronavei.

Câteva studii computerizate adaugă vectorizarea propulsiei la avioanele de pasageri existente, cum ar fi Boeing 727 și 747, pentru a preveni defecțiunile catastrofale, în timp ce experimentul X-48C ar putea fi direcționat cu jet în viitor.

Alte

Exemple de rachete care utilizarea tracțiunii vectorizare includ atât sisteme mari , cum ar fi Space Shuttle Rocket Solid Booster (SRB), S-300P (SA-10) suprafață-aer rachete , UGM-27 Polaris nucleare rachete balistice și RT 23 (SS-24) rachetă balistică și arme mai mici pe câmpul de luptă, cum ar fi Swingfire .

Principiile vectorizării forței de aer au fost recent adaptate la aplicațiile militare maritime sub formă de direcție rapidă cu jet de apă care oferă super-agilitate. Exemple sunt barca de patrulare rapidă Dvora Mk-III, barca cu rachete de clasă Hamina și navele de luptă ale marinei SUA .

Lista avioanelor cu tracțiune vectorizată

Vectorizarea impulsului poate transmite două beneficii principale: VTOL / STOL și manevrabilitate mai mare. Avioanele sunt de obicei optimizate pentru a exploata la maximum un beneficiu, deși vor câștiga în celălalt.

Pentru abilitatea VTOL

Harrier primul jet -ORAȘUL lume luptator operațional cu vectorizare de presiune, permițând VTOL capacități
Duză de evacuare Vectoring axisimetrică , utilizată pe F-16 MATV

Pentru manevrabilitate mai mare

Vectorizare în două dimensiuni

Vectorizare în trei dimensiuni

Alte

Vezi si

Referințe

8. Wilson, Erich A., „O introducere la duzele de aeronave cu tracțiune”, ISBN  978-3-659-41265-3

linkuri externe