云顶娱乐:飞翔的重力,盘点丨应用过推力矢量

日期:2019-10-29编辑作者:现代文学

  主讲人简介:

  原标题:“推力矢量技术”一直在进化

  刘大响,中国工程院院士,北京航空航天大学教授,第十届全国人大委员,中国航空工业第二集团科学技术委员会副主任,曾获国家科技进步特等奖。

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  内容简介:

  歼-10B推力矢量验证机(左 徐小丹摄);AV-8B“鹞式”攻击机(右上);F-16“战隼”战斗机(右下)。制图:谢啸天

  飞向天空是人类亘古以来的梦想,从古到今最经久不衰的话题。几乎世界上每一个民族都流传着各自飞天的神话和传说,寄托着人类共同的美好愿望。

  不久前,歼-10B战斗机在中国国际航空航天博览会上艳惊四座。它表演的赫伯斯特机动和眼镜蛇机动等高难度动作,令在场观众激动不已。

  那么人类怎么能够飞上天空呢?经过长期的探索和不懈的追求,终于发现实现飞上天有三种基本的途径:第一个叫做基于阿基米德浮力的原理。就是轻于空气的飞行,包括热气球、包括氢气、氦气球,包括飞艇。第二种是基于直接有升力的飞行。像火箭、垂直起落的飞机。另外一个就是基于柏努利定律,以速度换取升力的飞行。这就需要动力,如固定翼飞机、直升机、旋翼机都包括在内。

  作为我国首款单发推力矢量验证机,歼-10B在“吸粉”无数的同时,也在客观上成为“应用推力矢量技术的武器家族”中的一员。

  飞上天空需要强劲的动力,活塞式发动机使飞机终于飞上了天空,然后喷气发动机使飞机飞行的速度更快、距离更远。将来还有超微型发动机,飞机做出来像一个手掌那么大。甚至我们有纳米发动机,做出来之后,就有可能装这个发动机的飞行器也像蚊子那么大小。过去的《西游记》,孙猴子钻到铁扇公主的肚皮里面去了。将来有可能我们用那种小飞机从你的鼻子里飞下去,完了到你身体去巡视一周,检查你有什么毛病。这是将来技术的发展,21世纪我相信这一点可以实现。再一个就是新能源。我们地球上的石油资源总是要用完的,现在人类又开始在探索,如果用完了怎么办?另外还有一个环境污染问题,现在大家正在探索无辐射无污染的能源。

  纵观武器装备发展史不难发现,推力矢量技术从理论到应用的每次突破与进步,都与一些武器装备的诞生与发展有所关联。正因为有了在这些武器装备上的一再验证,人类对推力矢量技术的掌握和运用,才一步步走向成熟。

  我的结束语:纵观航空发展的历史,可以毫不夸张地说,发动机在飞机的发展中起着关键性的作用。发动机是飞机的心脏,是推动飞机快速发展的原动力。过去一百年航空动力技术已经取得了巨大的成就,极大推动了航空技术的发展,并推动了人类文明的进步。未来的一百多年,随着新的理论、方法持续发展和应用,21世纪的航空动力技术必将加速发展,取得更加辉煌的成就。希望在未来的一百年中,中国能够对世界的航空动力技术的发展做出更大的贡献。我也希望在座的朋友们,能够在这方面有新的发明创造,谢谢各位!

  本期,我们就邀请“小火箭”联合会创始人邢强博士和大家一起聊聊,盘点一下曾经应用过推力矢量技术的武器装备。

  《飞翔的动力》 (全文)

  “呆萌”立族 旁系壮大

  飞向天空是人类亘古以来的梦想,从古到今最经久不衰的话题。几乎世界上每一个民族都流传着各自飞天的神话和传说,寄托着人类共同的美好愿望。

  从德尔塔飞艇到鹞式战机

  这就是西方的小天使,长着肉的翅膀,非常可爱。这是嫦娥奔月,中国的民间神话。这是舜由于受到继母的虐待,要把他烧死,他就拿了两个“斗笠”从那儿跳下来,最后逃生了,这就是我们现在降落伞的雏形。这就是姜子牙手下的一个大将叫雷震子,他长了两个翅膀,可以从这个城堡飞到另外一个城堡去打仗,这都是我们历来的美好的神话。

  谈起推力矢量技术的应用,很多人第一反应肯定是飞机,具体一点说,是拥有过失速机动能力的现代战斗机。但是,实际上,这项技术最早应用是在飞艇上。

  早在两千多年前的楚汉时期,我国的先民就发明了风筝,这是世界上目前公认最早的重于空气的飞行器。一千多年以前的五代时期就发明了“松脂灯”。后来又叫“孔明灯”,是用于信号联络,是世界上最早的、最原始的热气球,也是现代热气球的鼻祖。

  早在100多年前,英国就在“呆萌”的德尔塔飞艇上尝试过可以调节方向的推进式螺旋桨设计。可以说,这是推力矢量技术的萌芽。

  五百多年前的文艺复兴时期,被后人公认为世界科学家的创始人之一的著名画家达芬奇,他通过长期的观察和研究鸟类的飞行,初步尝试了一些飞行的基本原理,并设计和制作了很多“扑翼机”来尝试飞行,但是由于动力的不足而告失败。他制作的“扑翼机”让他的马车夫去试飞,结果飞上去了。最后人摔下来,摔断了一条腿,说明靠人力来飞行是不可能的。

  “一战”期间,英国制造了兼具侦察和轰炸功能的新式武器——九号飞艇。作为英国的首款硬式飞艇,它能够以69千米/小时的速度飞行。

  由于没有后续的动力,一次次人类飞行失败之后,飞行便转向轻于空气的航空器:气球、飞艇、无动力的滑翔机。我们可以看看这个画面,你看它用动力,用人来飞行。

  这艘飞艇由4台180马力的活塞式发动机提供推力。硬式控制室通过转轴操控发动机,发动机则连接着硕大的螺旋桨。通过旋转转轴,控制室就能够操控螺旋桨的法线方向,最终实现推力矢量操控。

  那么人类怎么能够飞上天空呢?经过长期的探索和不懈的追求,终于发现实现飞上天有三种基本的途径:第一个叫做基于阿基米德浮力的原理。就是轻于空气的飞行,包括热气球、包括氢气、氦气球,包括飞艇。第二种是基于直接有升力的飞行。像火箭、垂直起落的飞机。另外一个就是基于柏努利定律,以速度换取升力的飞行。这就需要动力,如固定翼飞机、直升机、旋翼机都包括在内。

  当时的传统飞艇,控制起降绝大部分是通过调节充气量来实现,有的甚至还在采取抛沙袋、扔绳索的方法。九号飞艇则有所不同。在起飞阶段,它能让硕大的螺旋桨对地送风,加速起飞;在着陆阶段,还可以通过对天空吹气快速降高(这对飞艇来说至关重要,可以尽量减少暴露在对方防空火力中的时间)。这种能力,让飞艇能够在高空中稳住艇身,成为空中“航空母舰”。

  下面我们看一看利用阿基米德原理的飞行。1783年9月19日法国人蒙格尔菲兄弟受中国孔明灯的启发,研制成世界上第一个热气球。他们将一只羊、一只公鸡升到了520米的高空。这里有一个故事,就是谁来第一次上天?当时有些人提议,就是搞两个死囚犯,反正他已经判了死刑了,说摔下来摔死也没关系。但是很多科学家反对,说这么大的荣誉怎么能够给两个死囚犯呢?他们给国王上书。路易十六当时就决定,不能用死囚犯上去。最后两个勇敢的科学家爬到上面,就站在这个回廊上面,所以最后是两个年轻的科学家第一次飞上了天空。直到今天热气球仍然广泛应用于运动、娱乐和探险。到1999年由英国人琼斯和瑞典探险家皮卡尔驾驶的“布雷特林”号热气球共同完成了热气球的环球飞行。1852年法国人吉法尔发明了世界上第一个可以半操纵的气球,叫飞艇。它装了一个三马力的蒸汽机,这个大家可以看一下演示。这个蒸汽机装在这儿,人在这儿操纵。1900德国人齐白林制造了世界上第一个实用飞艇叫“齐白林”号,从1910年到1914年四年当中“齐白林”飞艇共飞行了274万公里,它运送了三万五千人而没有一个人伤亡。1929年最豪华的“齐白林伯爵”号飞艇用21天5小时完成了环球飞行。二十世纪二三十年代飞艇当时成为最方便、最快捷、最舒适的交通工具,盛极一时。这是当时飞艇的飞行情况。但是到1937年当时齐白林的学生设计一个世界上最先进、最豪华的巨型飞艇叫“兴登堡”号,在美国着火销毁,从此德国政府就宣布,以后不允许飞艇飞行,飞艇这个时代就暂告结束。飞艇发明到发展一直到没落,只有85年的历史,被认为是最短命的交通工具。现在美国、俄罗斯、英国、法国都在研究飞艇,就是准备用飞艇飞到二十公里到三十公里,作为一个空间信息的终极平台,这个现在大家可能看了这个报道。说明飞艇又重新迎来了新的发展机遇。

  不幸的是,九号飞艇命运多舛,英国军方后来放弃了采购计划。因为,英国军方认为“一战”最晚到1915年就会结束,而九号飞艇要到1916年初才能具备战斗力。

  途径之二就是我们直接给飞机提供升力,最主要就是火箭,大家都知道四大发明,其中一个就是火箭。鼻祖就是中国古代的起花,这就是起花,发明于八百多年前的宋代。在四百多年前的明代,就已经被广泛应用于军事领域。各类导弹普遍是采用火箭发动机来作为动力。

  九号飞艇采购计划虽然中止,但幸运的是,这种推力矢量技术被沿用了下来。不过,这次接棒的已不是飞艇“宗室”,而是飞艇的旁系“亲戚”——飞机。

  第三种途径就是我们现在的飞机了,那就是主要的原理就是利用柏努利定理,以速度换取升力。像这样的机翼,气流流过的时候上面的速度快,它压力就低。下面的速度慢,压强就高。这样就产生一个压差,这样就产生一个升力。所以产生升力的一个必要条件,就是飞行器与大气要有相对速度,要给它提供升力。当然也可以依靠重力飞行,而重力飞行主要是滑翔机了,那不可能持续飞行。我们可以看看滑翔机的情况,它滑一段就掉下来了。因为有重力,它没有动力飞行的话,它就只好飞一段时间就下来了。

  随着罗尔斯·罗伊斯公司研制出飞马座推力矢量喷气式发动机,战斗机的发展便进入了一个新纪元。推力矢量技术第一次成功应用,是在英国研制的鹞式短距/垂直起降战斗机上。从此,推力矢量技术开始真正发扬光大,逐步推及鹞、海鹞、AV-8B等多个系列和类型。

  第一个重于空气的无动力的载人飞行器是由德国人李林塔尔于1881年制造的,依靠重力产生的速度。1903年12月17日,这是我们一个永远应该值得纪念的日子,莱特兄弟在技师泰勒的帮助下,自己动手设计制造了活塞式汽油发动机。功率是12马力,重量是47公斤,这为人类首次有动力、稳定、可操纵的持续飞行提供了发动机,从此开创了人类飞行的新纪元。我们所纪念的一百周年也是从这一天开始。这是当年莱特兄弟试飞的很珍贵的情况。这就是当年第一架装活塞发动机的飞机。

  该飞机家族的喷气式发动机有共同的特点:拥有4个可以旋转的喷口,前面2个喷出从压气机引出来的冷气,后面2个喷出从燃烧室引出来的热气。在起降阶段,喷口转而向下;在平飞巡航阶段,转而向后。其基本原理,和“一战”时期的九号飞艇如出一辙。

  莱特兄弟的飞行,虽然是飞了26秒,短短的两百多米,但是开创了我们人类飞行的新纪元。下面我讲第二个飞机的心脏就是发动机,就是刚才讲了你要飞起来必须要有动力。这个方面我们可以看出来,作为飞机的心脏,发动机在航空技术的发展过程中起着关键性的作用。由于动力的缺乏,没有办法托起飞机自由飞行的梦想。我们知道十八世纪中叶,也就是1763年瓦特发明了蒸汽机,推动了工业革命的发展。但是由于蒸汽机太重,它没有办法装到飞机上,所以一百四十年以后莱特兄弟才把飞机飞上天。1810年英国科学家凯利发现了飞行原理,这飞行原理是很简单,它就是一句话:所谓的动力飞行,就是你给一个平板,一个动力、一个推动力,它就可以支撑一定的重量。我们现在的飞机原理就是这么一句话,就是你给它动力,一个平板就可以飞起来。

  在此之前,美国面对苏联的压力,也曾着手研发能够垂直起降的战斗机,还一度尝试过把飞机竖起来、给飞机捆绑固体火箭助推器等多种方法,但终究未能如愿。

  内燃机是1883年发明,但是这些内燃机仍然非常重,莱特兄弟经过了改进,1903年装到第一架“飞行者1号”上,最后飞上了天空,这是一个伟大的创举。这里面我们也可以看到,在过去一百年中,我们动力可以划分为两个时期,第一个就是活塞式发动机,大概是二十世纪上半叶,基本上是活塞式发动机的时代,而到二十世纪下半叶是喷气时代。两个时代是这么来划分,以动力来划分的。动力的发展使飞机飞得更快,比如活塞式发动机,它最大只能达到0.7倍英速,它的飞行速度是每小时800多公里,而海平面标准大气压声速是1224公里,涡喷发动机可以达到300声速。从高度来看,活塞式发动机大概最高可以飞到10万米,而航空发动机可以飞到30公里。航空发动机发展到今天,飞机为了飞得更快、更高、更远,它促使航天发动机向重量更轻、功率最大、使用更经济的目标迈进,不断地突破创新,发展出各类航天发动机,推动着飞机性能迅速地向前发展。

  苏联则是在1971年,也就是鹞式飞机首飞成功4年后,其海军首款实用型舰载固定翼战斗机雅克-38试飞成功。1987年,苏联研制成功了能够超声速飞行的雅克-141垂直起降战斗机。

  发动机主要有两大类,一个是活塞式发动机。大家可以看到,现在汽车上基本上用的这种,这已经把活塞发动机发展得非常完整了。另外一个叫空气喷气发动机。下面我说一下活塞式发动机主宰了二十世纪上半叶,功不可没。

  接“二”连“三” 加速发展

  我们再看看三次技术战争中,空中力量所起的作用。1991海湾战争,以美国为主的多国部队出动了1098架飞机,载弹量是23万吨。出动的次数是6万8千多次,空袭了38天。地面战斗四天,最后他只死了148个人,所以空中力量就可以把你打跨。这是1991年的事情。1999年呢,科索沃战争中美国空中的战斗机是555架。投弹2万3千多枚,空袭了48天。地面一天都没打,一个人员都没伤亡,就把这场战争打赢了。2003年伊拉克战争刚刚结束,美英联军出动了930架战斗机,870架支援任务飞机,投弹是2万9千多枚,空袭30天,地面战斗是30天,美英方加起来是死亡了115人,小小的代价就获取战斗的胜利,所以从海湾战争来看,目前装备先进发动机的空中装备,依然是现在空战中的优势力量。

  从V-2导弹到F-16战机

  下面我重点讲一下第四代发动机,第四代发动机与第三代发动机相比,它具有很多先进的、特殊的性能。主要是推力矢量、隐身性能、超声速巡航能力,它装备的第四代发动机的第四代战斗机,它的作战性能全面超过了现役的第三代战斗机。据报道美国通过计算机的演示,第四代战斗机F22与第三代战斗机F15相比,它的综合作战效能提高了10倍,那就是一架F22可以与10架F15来对抗。

  推力矢量技术在垂直/短距起降战斗机领域的应用得到一致认同。这时,有工程师提出了新的理念:既然推力矢量技术能够在起降阶段帮助战斗机快速升空或者顺利着陆,那么在其他方面也应该能发挥作用。

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