《出鞘》2016-04-18：方圆之间见雌雄——歼20换装矢量喷口面临哪些问题

源济

方圆之间见雌雄:歼20换装矢量喷口面临哪些问题
新浪军事  2016年04月18日 12:03

发动机矢量推力（TVC），泛指发动机推力方向与机身轴线不一致的推力控制方式，目前主要有两种实现方式：轴对称矢量喷管与二元矢量喷管。通俗讲就是发动机喷管是方还是圆。很多网友都对J20没有矢量喷管而遗憾，那么究竟哪种喷管更适合J20呢？本期出鞘，将为您详尽分析。





首先来看一下美军的几款“方形”喷管战机。在美军现役军机中，最有代表性的方口矢量喷管当属F22战机的F119喷管。简单来说，方口矢量喷管只有一个好处：可以只向某些特定的角度反射雷达波，即方形喷管有更好的隐身特性。而圆喷管则是散射到各个方向，因此隐身性较差。





以飞行中的F22战机为例，通过图片我们可以看到F22战机的方形尾喷管与后机身和尾撑完美的融合到一起，这种布局可以大大降低发动机的红外特征与雷达反射面积。





而上图所示的则是B2隐形轰炸机的方形喷管，或者说是其发动机排气出口，由于B2使用4台不带加力后燃器的发动机，因此不需要可动喷管，仅在机身上开一个锯齿形的排气出口即可，这种设计可以大幅度降低发动机的红外特征，但是固定喷管同时发动机也将不具备推力矢量。





从布局上看美军的YF23战机与B2发动机喷口的设计源自同一理念，只是YF23的发动机喷管下边缘更长，上边缘是一个可开闭的阀门，这样设计可以阻挡来自下方的红外探测器。当然，YF23的喷管也是不具备推力矢量的，这也许就是YF23与YF22竞争落败的原因之一。





而中俄两国尽管在方形发动机喷管方面都有所研究，但都没有实际产品服役。作为AL-41F竞争对手，莫斯科联盟航空发动机科技集团的R179-300发动机是为垂直起飞歼击机雅克141研制的R-79V-300发动机的改进型号，也曾是俄5代机的机的备选动力方案。





而相比起步较晚的中俄，美国在80年代末就开始在F15上研究矢量喷管，最初进行的试验是F-15 STOL/MTD（短距起飞/高机动性技术展示）项目。该项目的主要课题是利用2维矢量喷管来增强飞机的机动性。





F-15STOL/MTD项目的验证机在90年代初转交给NASA去完成另一个大名鼎鼎的项目：F-15ACTIVE（综合媒介高级控制技术）。从1993-1999年，该项目主要验证轴对称矢量喷管技术。在轴对称矢量喷管帮助下，该机也可以做出眼镜蛇机动。





而美军的F16战机也曾有过类似的矢量喷管验证项目。首先是F-16MATV项目，这个项目的核心就是在一台F110-GE100发动机上安装AVEN轴对称矢量喷管，该喷管最大偏转角度17度。图中的F16战机为防止该机进入尾旋，还特地在机尾安装了一套恢复尾旋的降落伞。





1996年，F-16LOAN项目在一台F-100-PW200发动机上安装新设计的带锯齿尾喷管，该尾喷管除可降低雷达反射面，还使用降温系统可使喷管寿命延长1倍，大大降低了发动机的使用维护费用。做为圆形喷管隐身技术，该项目的成果为后续F35的尾喷管研发铺平道路。

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F35在圆口喷管的环状结构上增加了锯齿，以此降低反射面。还有一种说法称这是为满足F35的垂直起降要求，方形喷口无法使用。使用圆形喷管对发动机减重和提高推力是有帮助的，而这对于单发的F35尤其重要。随着时间推移，即便是当年研制F22的洛马也开始重拾圆形喷管技术。





而俄罗斯的T50战机也同样采用了轴对称的圆形矢量喷管，不过却没有任何与F135发动机一样的环状锯齿等隐身措施。因此可判断T50战机的隐身仅针对其前半球，对于后半球的隐身则是没有考虑的，在设计上是典型的“顾头不顾尾”。





不过目前服役的典型轴对称矢量喷管机型仍然当属苏35。在TVC发动机矢量推力控制设计术语中，“轴对称”代表的就是圆形的出口喷管。这种喷管相比方形喷管的好处就是可以在360度方向提供矢量推力。





苏35的轴对称喷管除了可在俯仰方向提供推力，还可以在偏航方向提供推力，这样就可以为飞机提供了除机翼之外的控制力矩。矢量推力控制与飞控交联后，可以使飞机做出更敏捷的机动动作。





欧洲联合研制的台风战机所装备的是EuroJet EJ-200发动机的矢量尾喷口改进型号，我们从图中可以看出，该发动机的轴对称矢量喷口是通过复杂的机械传动装置来实现360度方向偏转的。





上图是美国一名网友从芝加哥去爱荷华州路程中，在一个高速入口附近拍摄到的半挂车拖着一架F22的骨架。我们可以看到F22的尾撑向机身后延伸的部分较长，为安装F119发动机的2维矢量喷管预留了较大空间。





而从该骨架的正后方也能看到F22机体为二维矢量喷管预留的巨大的安装空间，因此，J20战机如果考虑安装二维喷管，必须要考虑后机身的安装空间问题。





顺便说一句，其实这架编号为91-4001的F22骨架是曾经在位于犹他州的希尔空军基地作为飞机战斗损伤修复训练来使用的，后来被送到了俄亥俄州代顿市的美国空军博物馆。前面的拖车图应该是其在高速路运输过程中被拍摄到的，并不是国内谣传的被击落的F22战机残骸。





除了较大的安装空间，F119发动机的二维矢量喷管体积、重量过大，势必造成推重比下降，加上方形喷管造成的推力损失，因此非常不适合我国发动机水平较低的现状。





此外，由于F119发动机本身是圆形的，因此在安装时还需要一个圆转方的过渡段来配合方形喷管。在这个过程中，又不可避免的会产生不必要的推力损失。

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因此，二维矢量喷管主要缺点就是重量过大，及圆转方造成的推力损失。假定某发动机安装圆形固定喷管时推重比为10，安装2维矢量喷管后导致增重10%，同时假设方形喷管造成推力损失也在10%，经计算可知安装2维喷管后推重比将降为8.2，相当于从4代机降到了3代机的水平。





而如果J20战机安装2维矢量喷管的话，还需要将两个尾撑向后延长，以增大二维喷管的安装空间，向机身中线延长与二维喷管外缘融合，同时发动机喷管位置也要抬高。此外，整个后机身都要根据二维喷管而做出修改。





因此，当前J20的后机身明显更适于合安装轴对称矢量喷管，如果安装方形喷管，机身改动较大，同时发动机的推力损失以及重量的增加将导致推比下降。由此，我们可以推测，J20在短期内，甚至未来很长一段时间，应不会考虑安装二维矢量喷管。今天的出鞘就到这里，我们下期再见。

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