Векторное управление тягой

Векторное управление тягой (ВУТ) — это способ изменения направления реактивной струи (газов, плазмы или истекающей жидкости) двигательной установки для создания управляющих моментов и сил, действующих на летательный аппарат (ракету, самолёт, космический аппарат) или иное транспортное средство. В отличие от традиционных аэродинамических рулей, которые работают только при наличии набегающего потока воздуха, ВУТ позволяет маневрировать в разрежённых слоях атмосферы, в стратосфере и в безвоздушном пространстве, а также существенно повышает манёвренность на малых скоростях полёта и на больших углах атаки.

История развития

Ранние эксперименты

Первые попытки управления полётом с помощью отклонения реактивной струи относятся к началу XX века. В 1930-х годах в Германии и СССР проводились эксперименты с газодинамическими рулями — небольшими пластинами, размещаемыми непосредственно в потоке выхлопных газов ракетного двигателя. Такие рули устанавливались на баллистической ракете «Фау-2» (A-4) для управления в верхних слоях атмосферы, где аэродинамические рули были неэффективны.

Послевоенный период и эра реактивной авиации

В 1950-1960-х годах, с развитием зенитных ракетных комплексов и истребителей с большими углами атаки, возникла необходимость в более эффективных системах управления. В СССР и США были разработаны первые образцы двигателей с поворотным соплом для ракет-носителей и баллистических ракет. Например, в советской ракете Р-7 (1957 год) для управления использовались газодинамические рули, а в американской ракете «Титан» — поворотные камеры сгорания.

Современный этап

С 1980-х годов ВУТ стало ключевым элементом сверхманёвренных истребителей четвёртого и пятого поколений. Первым серийным самолётом с управляемым вектором тяги стал советский Су-27 (модификация Су-27М), оснащённый двигателями АЛ-31Ф с отклоняемыми соплами. Впоследствии системы ВУТ были внедрены на истребителях Су-30, Су-35, МиГ-29М, а также на американских F-22 Raptor и F-35 Lightning II.

Классификация

Системы векторного управления тягой классифицируются по нескольким признакам.

По типу привода

• Газодинамические рули — пластины из жаропрочного материала, установленные в потоке газов за соплом. Отклоняя рули, изменяют направление струи. Просты, но создают потери тяги (до 5-10%) и подвержены эрозии.
• Поворотное сопло — всё сопло или его часть отклоняется относительно оси двигателя. Обеспечивает минимальные потери тяги, но требует сложной конструкции и мощных гидравлических или электромеханических приводов.
• Поворотная камера сгорания — отклоняется весь двигатель или его камера сгорания вместе с соплом. Применялась на некоторых ракетах (например, «Титан»), но для авиации слишком громоздка.
• Вдув газа в сопло — впрыск вторичного газа (воздуха, пара) в определённую зону сопла, что вызывает асимметрию потока и отклонение струи. Используется в некоторых экспериментальных системах и в ракетной технике.

По направлению отклонения

• Одноплоскостное (одноосевое) — отклонение только в одной плоскости (например, вверх-вниз). Характерно для некоторых ракет.
• Всеракурсное (трёхосевое) — отклонение в любом направлении (вверх-вниз, влево-вправо, а также комбинированные углы). Используется на современных сверхманёвренных истребителях (например, Су-35, F-22).

По способу управления

• Механическое — управление с помощью гидравлических или электрических приводов по командам от системы управления полётом.
• Электродистанционное — управление по цифровым каналам с использованием компьютеров, что позволяет реализовать сложные алгоритмы стабилизации и манёвра.

Устройство и принцип действия

Основными элементами типичной системы ВУТ на авиационном двигателе являются:

• Поворотное сопло — обычно состоит из двух частей: неподвижного корпуса и подвижного насадка, который может отклоняться на угол до ±20° (на некоторых образцах до ±30°).
• Приводы — гидроцилиндры или электромеханические актуаторы, обеспечивающие отклонение сопла.
• Система управления — принимает сигналы от бортового компьютера (системы управления полётом) и преобразует их в команды для приводов.
• Датчики обратной связи — измеряют фактическое положение сопла и передают данные в систему управления.

Принцип действия основан на законе сохранения импульса: отклонение струи газов создаёт реактивную силу, направленную противоположно отклонению. Эта сила, приложенная к хвостовой части летательного аппарата, создаёт вращающий момент вокруг центра масс, что позволяет изменять угол тангажа, рыскания или крена.

Применение

В авиации

ВУТ применяется на истребителях для достижения сверхманёвренности — способности выполнять манёвры на углах атаки, превышающих критические (например, «кобра Пугачёва» на Су-27, «колокол» на МиГ-29). Это даёт преимущество в ближнем воздушном бою, позволяя быстро менять направление полёта и выходить на позицию для атаки. Кроме того, ВУТ улучшает взлётно-посадочные характеристики: сокращает длину разбега и пробега, позволяет выполнять взлёт с коротких полос.

В ракетной технике

ВУТ используется на баллистических ракетах (например, «Тополь-М», «Ярс») для коррекции траектории в верхних слоях атмосферы и в космосе, а также на зенитных ракетах (например, ЗРК С-400 «Триумф») для обеспечения высокой манёвренности при перехвате целей. В космических аппаратах ВУТ применяется для ориентации и стабилизации, а также для коррекции орбиты.

В других областях

• Водомётные движители — на судах с водомётным движителем поворот сопла позволяет изменять направление движения, обеспечивая высокую манёвренность на малых скоростях.
• Экспериментальные летательные аппараты — например, вертикально взлетающие и садящиеся самолёты (СВВП) используют ВУТ для перехода от вертикального к горизонтальному полёту.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Возможность управления на всех скоростях полёта, включая нулевую (режим висения).
• Сверхманёвренность на больших углах атаки, недоступная для аэродинамических рулей.
• Снижение радиолокационной заметности (за счёт отказа от традиционных рулей и стабилизаторов).
• Улучшение взлётно-посадочных характеристик.

Недостатки

• Усложнение и удорожание конструкции двигателя и системы управления.
• Увеличение массы и габаритов силовой установки.
• Потери тяги (до 5-10%) при отклонении сопла или использовании газодинамических рулей.
• Повышенные требования к жаропрочности материалов и надёжности приводов.

Примеры реализации

В России

• Су-35С — оснащён двигателями АЛ-41Ф1С (изделие 117С) с всеракурсным управляемым вектором тяги. Отклонение сопла в двух плоскостях обеспечивает уникальную манёвренность.
• Су-57 — истребитель пятого поколения, оснащённый двигателями АЛ-41Ф1 (изделие 117) с управляемым вектором тяги, что позволяет выполнять сверхманёвренные манёвры на сверхзвуковых скоростях.
• МиГ-35 — модернизированный истребитель с двигателями РД-33МК, имеющими управляемый вектор тяги.

В США

• F-22 Raptor — первый в мире серийный истребитель пятого поколения с двигателями Pratt & Whitney F119, оснащёнными двухосевым управляемым вектором тяги (отклонение в вертикальной и горизонтальной плоскостях).
• F-35 Lightning II — использует двигатель Pratt & Whitney F135, который имеет только вертикальное отклонение сопла (для короткого взлёта и вертикальной посадки в варианте F-35B).

В других странах

• Eurofighter Typhoon — европейский истребитель, оснащённый двигателями EJ200, которые могут быть оборудованы системой управления вектором тяги (в некоторых модификациях).
• Sukhoi Su-30MKI — экспортная версия, поставляемая в Индию, с двигателями АЛ-31ФП, имеющими управляемый вектор тяги.

Интересные факты

• Первым серийным самолётом с управляемым вектором тяги был советский Су-27М (1988 год), который совершил первый полёт с двигателями АЛ-31Ф, оснащёнными отклоняемыми соплами.
• ВУТ позволяет выполнять фигуры высшего пилотажа, недоступные для обычных самолётов, например, «кобру Пугачёва» (резкий задир носа на угол до 120° с последующим возвратом) и «колокол» (вертикальный набор высоты с последующим сваливанием на хвост).
• В ракетной технике ВУТ используется для управления на этапе разгона и входа в атмосферу, когда аэродинамические рули неэффективны из-за низкой плотности воздуха.

Источники

• «Аэродинамика и динамика полёта летательных аппаратов» / Под ред. Г.С. Бюшгенса. — М.: Наука, 2004.
• «Теория и расчёт авиационных двигателей» / В.И. Бакулев, В.А. Голубев. — М.: Машиностроение, 2005.
• «Ракетные двигатели» / Е.Б. Волков, В.П. Глушко. — М.: Воениздат, 1969.
• «Истребители пятого поколения: F-22 и Су-57» / А.В. Колесников. — М.: Эксмо, 2018.
• Патент РФ № 2158865 «Способ управления вектором тяги реактивного двигателя» (2000).