추력 벡터링

Thrust vectoring
수호이 Su-35S의 3D 스러스트 벡터링 노즐
비행 중인 3대의 실험 추력 벡터링 항공기; 왼쪽에서 오른쪽으로 F-18 HARV, X-31, F-16 MATV

추력 벡터 제어(TVC)라고도 알려진 추력 벡터링항공기, 로켓 또는 기타 차량이 차량의 자세 또는 각 속도를 제어하기 위해 엔진 또는 모터로부터 추력의 방향을 조작하는 능력이다.

대기권 밖을 비행하는 로켓탄도 미사일에서는 공기역학적 제어 표면이 비효율적이기 때문에 스러스트 벡터링이 자세 제어의 주요 수단이다.배기 베인과 짐벌 엔진은 1930년대에 로버트 고다드에 의해 사용되었다.

항공기의 경우, 이 방법은 원래 항공기 수직(VTOL) 또는 짧은(STOL) 이착륙 능력을 제공하기 위한 수단으로 상향 수직 추력을 제공할 것으로 예상되었다.그 후 전투 상황에서 벡터 추력을 사용하면 항공기가 재래식 엔진 비행기에서 사용할 수 없는 다양한 기동을 수행할 수 있다는 것이 실현되었다.회전을 수행하기 위해 추력 벡터링을 사용하지 않는 항공기는 보조기 또는 엘리베이터와 같은 공기역학적 제어 표면에만 의존해야 하며, 벡터링을 사용하는 항공기는 여전히 제어 표면을 사용해야 하지만 그 정도는 덜해야 한다.

러시아 [1]출처에서 유래한 비산물 문헌에서 추력 벡터링은 종종 기체-동적 조향 또는 기체-동적 제어로 언급된다.

방법들

로켓 및 탄도 미사일

서로 다른 스러스트 짐벌 각도로 인해 발생하는 모멘트
노즐을 작동시켜 스러스트에 의한 로켓 움직임의 애니메이션
V-2 로켓 모터 노즐의 흑연 배기 베인

명목상, 로켓 노즐의 추력 벡터의 작용선은 차량의 질량 중심을 통과하여 질량 중심 주위에 0의 순 모멘트를 생성한다.주 로켓 추력 벡터가 질량 중심을 통과하지 않도록 편향시킴으로써 피치 및 요 모멘트를 발생시킬 수 있다.작용선이 일반적으로 롤 축과 거의 평행한 방향으로 배치되기 때문에 롤 제어는 일반적으로 2개 이상의 개별 힌지 노즐 또는 주 추력을 편향시키는 로켓 엔진의 배기 플룸의 핀 또는 베인과 같은 별도의 시스템을 사용해야 한다.추력 벡터 제어(TVC)는 추진 시스템이 추력을 발생시킬 때만 가능하다. 비행의 다른 단계에서의 자세와 비행 경로 제어를 위해 별도의 메커니즘이 필요하다.

추력 벡터링은 다음 네 가지 기본적인 [2][3]방법으로 달성할 수 있다.

  • 짐벌 엔진 또는 노즐
  • 반응성 유체 분사
  • 보조 "버니어" 스러스터
  • 배기 베인(제트 베인이라고도 함)

짐벌드 스러스트러스트

많은 액체 로켓의 추력 벡터링은 전체 엔진짐벌링함으로써 달성됩니다.여기에는 Titan II의 트윈 1단 모터와 같이 연소실 전체와 외부 엔진 벨을 이동하거나 관련 연료 및 산화제 펌프를 포함한 전체 엔진 어셈블리를 이동하는 작업이 포함됩니다.새턴 V와 우주왕복선은 짐벌 [2]엔진을 사용했다.

고체추진제 탄도미사일위해 개발된 최신 방법은 전기 액추에이터 또는 유압 실린더를 사용하여 로켓의 노즐만을 편향시킴으로써 추력 벡터링을 실현한다.노즐은 중앙에 구멍이 있는 조인트 또는 내열성 재료로 만들어진 유연한 씰을 통해 비산물에 부착되며, 일반적으로 더 많은 토크와 더 높은 동력 작동 시스템이 필요합니다.Trident C4D5 시스템은 유압식 노즐을 통해 제어됩니다.STS SRB에서는 짐벌 노즐이 [4]사용되었습니다.

추진제 주입

고체 추진제 탄도 미사일에 사용되는 또 다른 추력 벡터링 방법은 액체 주입이다. 액체 주입은 로켓 노즐을 고정시키지만 유체는 미사일 뒤쪽 끝에 장착된 분사기에서 배기 흐름으로 유입된다.만약 액체가 비산물의 한쪽 면에만 주입된다면, 그것은 배기 플룸의 측면을 수정하여, 그 면에 다른 추력을 발생시키고 비산물에 비대칭적인 순 힘을 발생시킨다.이것은 Minuteman II와 미국 해군초기 SLBM에 사용된 제어 시스템이었다.

버니어 스러스터

스러스트 벡터링과 유사한 효과는 여러 버니어 스러스터, 자체 터보펌프가 부족하고 한 축에 짐벌할 수 있는 작은 보조 연소실에서 발생할 수 있습니다.이것들은 아틀라스 미사일과 R-7 미사일에 사용되었고 여전히 R-7의 후손인 소유즈 로켓에 사용되고 있지만, 그 복잡성과 무게 때문에 새로운 설계에는 거의 사용되지 않는다.이것들은 우주에서의 조종에 사용되는 고정적이고 독립적인 로켓 엔진인 반응 제어 시스템 스러스터와는 구별된다.

배기 베인

로켓 엔진에서 추력 벡터링의 가장 초기 방법 중 하나는 엔진의 배기 흐름에 베인을 배치하는 것이었다.이러한 배기 베인 또는 제트 베인은 엔진의 어떤 부분도 움직이지 않고 추력을 꺾을 수 있지만 로켓의 효율은 감소시킵니다.단일 엔진만으로 롤 제어를 할 수 있다는 장점이 있지만, 노즐 짐벌링은 그렇지 않습니다.V-2는 흑연 배기 베인과 공기역학적 베인을 사용했고, 레드스톤은 V-2에서 파생되었다.아마추어 그룹 코펜하겐 서브보비탈의 사파이어와 넥소 로켓은 제트 베인의 현대적인 예를 제공한다.제트 베인은 내화재로 제작하거나 용융을 방지하기 위해 능동적으로 냉각해야 합니다.사파이어는 구리의 높은 열용량과 열전도성을 위해 고체 구리 베인을, 넥소는 높은 녹는점을 위해 흑연을 사용했지만 적극적으로 냉각되지 않으면 제트 베인은 상당한 침식을 겪을 수 있다.이것은 제트 베인의 비효율성과 결합되어, 대부분 새로운 로켓에 제트 베인의 사용을 막는다.

전술 미사일 및 소형 발사체

AIM-9X 사이드와인더와 같은 일부 소형 대기 전술 미사일은 비행 제어면을 피하고 대신 기계식 베인을 사용하여 로켓 모터의 배기가스를 한쪽으로 꺾는다.

기계식 베인을 사용하여 미사일의 로켓 모터의 배기가스를 꺾음으로써 미사일은 발사 직후에도 스스로 방향을 잡을 수 있다(비산물이 느리게 움직일 때, 고속에 도달하기 전).이는 비록 미사일이 느린 속도로 움직이고 있지만 로켓 모터의 배기가스는 기계 베인에 충분한 힘을 공급할 만큼 충분히 빠른 속도를 가지고 있기 때문이다.따라서 추력 벡터링은 비산물의 최소 사거리를 줄일 수 있다.예를 들어, EricxPARS 3 LR과 같은 대전차 미사일은 이러한 [5]이유로 스러스트 벡터링을 사용합니다.

스러스트 벡터링을 사용하는 다른 발사체:

항공기

현재 운용 중인 대부분의 벡터 추력 항공기는 배기 흐름을 편향시키기 위해 회전 노즐 또는 베인이 있는 터보팬을 사용한다.이 방법은 항공기 중심선을 기준으로 최대 90도까지 추력을 성공적으로 꺾을 수 있다.그러나 엔진은 정상 비행이 아닌 수직 상승에 맞게 사이즈를 조정해야 하며, 이로 인해 중량 패널티가 발생합니다.애프터 연소(또는 바이패스 스트림의 플레넘 챔버 연소, PCB)는 통합이 어렵고 매우 뜨거운 배기가스가 활주로 표면을 손상시킬 수 있기 때문에 이착륙 스러스트 벡터링에 실용적이지 않습니다.애프터 연소 없이는 초음속 비행 속도에 도달하기 어렵다.PCB 엔진인 Bristol Siddeley BS100은 1965년에 취소되었다.

회전 터보프롭 엔진 나셀을 통한 틸트로터 항공기 벡터 추력.이 설계의 기계적 복잡성은 유연한 내부 구성 요소의 비틀림 및 엔진 의 구동축 동력 전달 등 상당히 까다롭습니다.대부분의 현재 틸트로터 설계에는 두 개의 로터가 나란히 배치되어 있습니다.이러한 기체가 소용돌이 링 상태로 들어가는 방식으로 비행할 경우, 회전 장치 중 하나가 항상 다른 회전 장치보다 약간 먼저 진입하여 항공기가 급격하게 계획되지 않은 구르기를 하게 됩니다.

제1차 세계대전 전 영국 육군 비행선 델타, 회전식 프로펠러 장착

스러스트 벡터링은 비행선의 제어 메커니즘으로도 사용됩니다.초기 적용은 1912년에 [12]처음 비행한 영국 육군 비행선 델타였다.이후 1916년 처음[13] 비행한 영국의 경질비행선인 HMA(Hy Majesty's Flightship) 9r과 1930년대 미 해군 경질비행선 애크런마콘 두 척의 항공모함으로 사용됐으며, 이와 유사한 형태의 추력 벡터링도 오늘날 비경질비행선 조종에 특히 중요하다.이 사용에서, 대부분의 하중은 보통 부력에 의해 지지되며, 벡터 추력은 항공기의 움직임을 제어하기 위해 사용된다.가압 공기에 기초한 제어 시스템을 사용한 최초의 비행선은 1930년대 엔리코 포를라니니옴니아 디르였다.

추력 벡터링을 포함하는 제트기의 디자인은 1949년 Percy Walwyn에 의해 영국 항공부에 제출되었다. Walwyn의 그림은 Farnborough에 [14]있는 국립 항공우주 도서관에 보존되어 있다.디자이너가 정신병원의 [citation needed]환자라는 사실이 알려지면서 공식적인 관심은 줄어들었다.

현재 연구 중인 FTV(Fluidic Thrust Vectoring)는 2차 유체 [15]주입을 통해 추력을 전환합니다.테스트 결과 제트 엔진 배기 흐름으로 유입되는 공기가 최대 15도까지 추력을 꺾을 수 있는 것으로 나타났습니다.이러한 노즐은 질량과 비용을 낮추고(최대 50% 절감), 관성(빠르고 강력한 제어 응답을 위해), 복잡성(기계적으로 단순하며 움직이는 부품이나 표면이 적거나 유지보수가 적음), 레이더 단면을 스텔스하기 위해 바람직하다.이는 많은 무인항공기(UAV)와 6세대 전투기에 사용될 것으로 보인다.

벡터링 노즐

추력-벡터 비행 제어(TVFC)는 항공기 제트의 피치, 요 및 롤링 방향의 일부 또는 전부를 편향함으로써 얻을 수 있다.극단적으로, 요, 피치 및 롤에서의 제트 편향은 기존의 공기역학 비행 제어(CAFC)를 이행하지 않고도 항공기 비행 경로의 완전한 방향 제어를 가능하게 하는 원하는 힘과 모멘트를 생성한다.TVFC는 또한 주요 공기역학적 표면이 [16]정지된 비행 외피 영역에서 정지 비행을 유지하는 데 사용될 수 있다.TVFC는 공기역학적 표면이 [17]비효율적인 경우 호버 및 50노트 미만의 호버 및 전진 속도 전환 중 STOVL 항공기의 제어를 포함한다.

벡터 추력 제어가 단일 추진 제트를 사용하는 경우 단일 엔진 항공기와 같이 롤링 모멘트를 생성하는 기능이 불가능할 수 있다.예를 들어 후연소 초음속 노즐은 노즐의 기능이 목구멍 영역, 출구 영역, 피치 벡터링 및 요 벡터링입니다.이러한 기능은 4개의 [16]개별 액추에이터에 의해 제어됩니다.3개의 액추에이터만 사용하는 더 단순한 모델에는 독립적인 출구 영역 [16]제어 기능이 없습니다.

CAFC를 보완하기 위해 TVFC를 구현하면 항공기의 민첩성과 안전성이 극대화된다.전투 [16]손상의 결과로 CAFC가 오작동할 경우 안전성이 향상될 수 있다.

TVFC를 구현하기 위해 기계식 및 유체식 노즐을 다양하게 적용할 수 있습니다.여기에는 고정 또는 기하학적으로 가변적인 컨버전스 및 컨버전스-디버전스 노즐이 포함됩니다.또한 회전 캐스케이드[18] 및 회전 출구 [19]베인과 같은 고정 노즐 내의 가변 메커니즘도 포함됩니다.이러한 항공기 노즐 내에서 기하학 자체는 2차원(2-D)에서 축대칭 또는 타원형까지 다양할 수 있다.TVFC를 달성하기 위해 주어진 항공기의 노즐 수는 CTOL 항공기의 1개에서 STOVL [17]항공기의 경우 최소 4개까지 다양할 수 있다.

정의들

축대칭
원형 출구가 있는 노즐.
기존 공기역학 비행 제어(CAFC)
방향타, 플랩, 엘리베이터 및/또는 보조기(Aileron)를 이용한 공기역학적 편향에 의한 항공기 제어의 피치, 요 피치, 요 피치 롤 또는 기타 조합.
집속-분사 노즐(C-D
일반적으로 노즐 압력비(npr)가 3 이상인 초음속 제트 항공기에 사용됩니다.엔진 배기 가스는 수렴 구간을 통해 확장되어 마하 1에 도달한 후 발산 구간을 통해 확장되어 출구 평면에서 초음속을 달성하거나 낮은 npr에서 [20]초음속을 달성합니다.
수렴 노즐
일반적으로 npr < 3인 아음속 및 트랜스오닉 제트 항공기에 사용된다.엔진 배기 가스는 수렴 섹션을 통해 확장되어 출구 평면에서 마하 1에 도달하거나 낮은 [20]npr에서 마하 1에 도달합니다.
유효 벡터링 각도
주어진 시점에 제트 스트림 중심선의 평균 편향 각도.
고정 노즐
벡터링 중에 일정한 기하학적 면적비를 유지하는 불변 형상 또는 변형 형상 중 하나의 스러스트 벡터링 노즐.이는 민간 항공기 노즐이라고도 하며 승객, 운송, 화물 및 기타 아음속 항공기에 적용되는 노즐 추력 벡터링 제어를 나타냅니다.
유체 추력 벡터링
일반적으로 엔진 컴프레서 또는 팬에서 [21]공기를 블리딩하는 2차 공기원을 사용하여 배기 흐름을 조작 또는 제어합니다.
기하학적 벡터링 각도
벡터링 중 노즐의 기하학적 중심선.기하학적 목구멍 이상에서 벡터링된 노즐은 유효 벡터링 각도와 상당히 다를 수 있다.
3베어링 스위블 덕트 노즐(3BSD[17])
엔진 배기 덕트의 세 개의 각진 세그먼트가 덕트 중심선을 기준으로 서로 회전하여 노즐 추력 축 피치와 [22]요를 생성합니다.
3차원(3-D)
다중 축 또는 피치 및 요 [16]제어 기능이 있는 노즐.
추력 벡터링(TV)
유연한 노즐, 플랩, 패들, 보조 유체 역학 또는 이와 유사한 방법의 구현을 통해 제트가 차체 축으로부터 멀어지는 것.
스러스트 벡터 비행 제어(TVFC)
일반적으로 공기 배출 터보팬 엔진에서 발생하는 추력의 편향을 통한 피치, 요 피치, 요 피치 롤 또는 기타 항공기 제어 조합.
2차원(2-D)
사각형 또는 직사각형 출구가 있는 노즐.2-D는 기하학적 형상 외에도 단일 축 또는 원형 노즐을 [16]포함하는 피치 전용으로 제어되는 자유도(DOF)를 참조할 수 있다.
2차원 수렴 분산(2-D C-D)
피치 전용 제어 기능이 있는 전투기의 사각, 직사각형 또는 원형 초음속 노즐.
가변 노즐
벡터링 중에 일정하게 유지하거나 가변 유효 노즐 면적비를 허용하는 가변 형상 스러스트 벡터링 노즐.이 노즐은 전투기 및 기타 애프터소싱 초음속 항공기에 적용되는 노즐 추력 벡터링 제어를 나타내므로 군용 항공기 노즐이라고도 한다.수렴 섹션은 수렴 슬로트 [16]영역에 대한 사전 결정된 관계에 따라 발산 섹션으로 완전히 제어될 수 있다.또는 발산 구간이 정확한 비행 [16]조건과 일치하도록 목 영역과 출구 영역을 독립적으로 제어할 수 있다.

노즐 제어 방법

기하학적 면적비
벡터링 중에 목에서 출구까지의 기하학적 면적비를 일정하게 유지합니다.유효 인후는 벡터링 각도가 증가함에 따라 수축됩니다.
유효 면적비
벡터링 시 목구멍에서 출구까지의 유효 면적 비율을 일정하게 유지한다.기하학적 목구멍은 벡터링 각도가 증가함에 따라 열립니다.
차분 면적비
일반적으로 질량 유량의 함수로서 최적의 유효 면적을 예측함으로써 노즐 팽창 효율을 극대화한다.

추력 벡터링 방법

타입 I
기하학적 목구멍보다 먼저 베이스프레임이 기계적으로 회전하는 노즐.
타입 II
기하학적 목구멍에서 베이스프레임이 기계적으로 회전하는 노즐.
타입 III
베이스 프레임이 회전하지 않는 노즐.오히려 기계적 편향 후 베인 또는 패들을 추가하면 제트 편향이 가능합니다.
타입 IV
역류 또는 공류(충격 벡터 제어 또는 목구멍 시프트에 의한)[21] 보조 제트 기류를 통한 제트 편향.2차 유체 [21]주입을 사용한 유체 기반 제트 편향
추가 유형
상류 배기 덕트가 덕트 중심선을 [17][22][23]중심으로 서로 상대적으로 회전하는 쐐기 모양의 세그먼트로 구성된 노즐.

운용 예

항공기

Sea Harrier FA.2 ZA195 프론트(콜드) 벡터 스러스트 노즐

2D 스러스트 벡터링의 예로는 Hawker Siddeley Harrier 및 AV-8B Harrier II 모델에 사용된 Rolls-Royce Pegasus 엔진이 있습니다.

2005년 록히드 마틴 F-22 랩터 5세대 전투기가 배치되고 2D 추력 벡터링 프랫 & 휘트니 F119 터보팬이 [24]장착되기 전까지는 서방 생산형 전투기에 추력 벡터링이 널리 사용되지 않았다.

반면 F-35라이트닝 II초음속 작업을 촉진하기 위해 재래식afterburning 터보 팬 엔진(프랫 &, 휘트니 F135)을 사용하면, 그 F-35B 변형, 미국 해병대, 공군, 해군, 이탈리아 해군의 공동 사용법 지침 또한 i.는 수직적으로 장착된 저압shaft-driven 원격 팬을 통합해 개발했다sdr엔진에서 착륙할 때 클러치를 통과한다.이 팬의 배기 가스 및 메인 엔진의 팬은 모두 스러스트 벡터링 노즐에 의해 편향되어 리프트와 추진 추력의 적절한 조합을 제공합니다.전투 시 기동성을 높이기 위해 고안된 것은 아니며, VTOL 운용만을 위한 것이며, F-35A와 F-35C는 추력 벡터링을 전혀 사용하지 않는다.

인도 힌두스탄 항공유한공사 면허로 생산된 수호이 Su-30MKI인도 공군에 현역으로 복무 중이다.TVC는 항공기를 매우 기동성 있게 만들고, 높은 각도에서 정지하지 않고 거의 0에 가까운 비행 속도를 낼 수 있으며, 저속에서는 역동적인 곡예비행을 할 수 있게 한다.Su-30MKI는 2개의 Al-31FP 애프터버닝 터보팬에 의해 구동됩니다.MKI의 TVC 노즐은 종방향 엔진 축(즉, 수평면)에 32도 바깥쪽으로 장착되며 수직면에서 ±15도 꺾일 수 있습니다.이는 코르크따개 효과를 발생시켜 [25]항공기의 회전 능력을 크게 향상시킨다.

몇몇 컴퓨터화된 연구는 치명적인 고장을 방지하기 위해 보잉 727과 747과 같은 현존하는 여객기에 추력 벡터링을 추가하며,[26] 실험적인 X-48C는 미래에 제트 조종될 것이다.

다른.

추력 벡터링을 사용하는 로켓과 미사일의 예로는 우주왕복선 고체 로켓 부스터(SRB), S-300P(SA-10) 지대공 미사일, UGM-27 폴라리스탄도 미사일, RT-23(SS-24) 탄도 미사일, 스윙파이어와 같은 소형 전장 무기 등이 있다.

에어 스러스트 벡터링의 원리는 최근 초연성을 제공하는 고속 워터제트 스티어링의 형태로 군용 해상 애플리케이션에 적용되고 있다.고속정 드보라 Mk-III, 하미나급 미사일정, 미 해군의 연안 전투함 [26]등이 대표적이다.

벡터 추력 항공기 목록

추력 벡터링은 VTOL/STOL과 높은 기동성의 두 가지 주요 이점을 제공할 수 있다.항공기는 일반적으로 한 편익을 최대한 활용하도록 최적화되어 있지만 다른 편익은 얻을 수 있다.

VTOL 기능의 경우

Harrier - VTOL 기능을 지원하는 세계 최초의 스러스트 벡터링 기능을 갖춘 운용 전투기
GE 축대칭 벡터링 배기 노즐, F-16 MATV에 사용

높은 조작성을 실현합니다.

2차원 벡터링

3차원 벡터링

다른.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크