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中国这一技术,全球独有

2020-02-08 08:32 主页 来源:未知
中国这一技术,全球独有
美国矢量喷管比我们强?中国这一技术,全球独有

作为工业明珠的航空发动机发展至今,飞机发动机单纯的横向性能对比,已经无法代表最主流的发展趋势。
 
况且真把枯燥繁杂的数据图表给大家拿出来,不方便大家理解,也没什么可读性,所以今天胖兵选择了一个不同的角度。
 
2018年的珠海航展,歼-10B TVC(Thrust Vector Control - 矢量控制喷管)表演机,之所以能超越歼-20挂弹开舱成为人气之王,就是因为安装了国产矢量喷管,并作出了代表性的眼镜蛇、J-Turn、落叶飘等特有动作,弥补了中国在这一领域的空白。
 
推力矢量,毫无疑问是当前最为尖端的航发配套技术之一。
 
它能够实现推力方向,与发动机轴线方向的偏离,并辅助甚至取代传统气动舵面的控制,可有效提高战机的超音速巡航、过失速机动、短距起降等能力,是五代机达成超机动性的理想标配。
 
实现这项技术的重中之重,就是矢量喷管。
 
而工程师们为了将它从走偏门的特殊概念,转变为代表未来主流的成熟装置,足足花了数十年。
 
许多人都认为,最早使用矢量喷管的飞机是英国霍克·西德利公司,于20世纪60年代研制的“鹞”式攻击机。
 
但这种说法并不准确。
 
它的确是第一种具备VTOL(垂直起飞/着陆)能力的制式战机,但最早使用矢量喷管的,却是更早诞生的美国的YA2F-1。
 
也许你从未听闻过YA2F-1这个名字,但你一定知道《红色警戒2》中盟军的“入侵者”战机。
 
没错,游戏中“入侵者”战机的现实原型,就是同名的A-6“入侵者”攻击机,而这个YA2F-1就是A-6攻击机的原型机。
 
它由海航机大厂格鲁曼(吊打零战的F6F“地狱猫”就出自该厂),应美国海军全天候重型舰载攻击机的要求专门研制。
 
A-6攻击机曾是美国航母的标配,但美国海军有要求它可以短距起降。
 
于是格鲁曼的工程师在机身超重、初始设计又很难修改的情况下,十分大胆的给普惠J52发动机安装了可朝下偏转23°的矢量喷管,变相补足短距起降时的推力需要。
 
虽然这项设计最终因发动机性能不足等原因未被采用,但它却提供了一种平衡起飞载重与起降距离的新思路。
 
也就是说,最早的推力矢量技术是用来缩短起飞距离的。
 
而“鹞”式所使用的“飞马”(这名字听起来有点奇怪)喷管,和雅克-38所使用的R27-300都是这种思路的延伸。
 
只不过它们用了更先进可靠的设计方案,完善了格鲁曼的突发奇想,并将短距起飞概念推进至垂直起降的新高度。
 
现如今,以缩短起飞距离、弱化场地限制的推力矢量技术,应用范围则是以航母舰载机为主。
 
传统陆基空优机需要的则是矢量喷管带来的机动性提升,两者的侧重点完全不同。
 
而人们经常提到的矢量技术一般泛指后者。
 
有些朋友可能认为在矢量俱乐部中,美国喜欢二元,俄罗斯独爱三元。
 
但这只是两国代表战机使用的喷管类型不同,所造成的印象错觉而已,实际上,美俄均在两种喷管上花了几十年进行探索验证。
 
二元矢量方面,美国早期试验过F-15 STOL/MTD、F-18 HARV,最终实用化的就是该领域的代表机型F-22。
 
另一边的俄罗斯曾给一架教练型Su-27UB的左发动机,安装楔形二元矢量喷管进行测试,并命名为LL-UV(PS)。
 
虽然测试结果基本符合理论预期,也证明了这种喷管的实用价值,但俄罗斯的心思并不在于此。
 
三元矢量,或者叫轴对称矢量才是战斗民族所向往的,也是我们更为熟悉的一种矢量类型。
 
它具备二元矢量所没有的全向偏转能力。
 
代表机型有米格-29OVT验证机、装备117S的苏-35和装备“产品-30”的苏-57。
 
当然那些我们耳熟能详,又令人叹为观止的特技动作,也基本是俄系三元矢量喷管的主打花活。
 
当然,这并不代表美国就玩不了三元矢量,在美国空军、NASA、洛马、普惠等多家巨头的强强联合下,美国早在上世纪就通过给F-15和F-16安装轴对称喷管,测出了大量数据,代表机型有F-15 ACTIVE、F-16/MATV等。
 
而我们中国的矢量喷管,是从上世纪90年代对俄罗斯的技术追踪开始的。
 
一方面有未来主流技术的预研判断,另一方面则是俄罗斯在苏联解体初期的经济困难时,进行清仓大甩卖让我们看到了契机。
 
因此中国的矢量喷管,一开始就瞄准了三元这条线。
 
毕竟我们的航发产品线,还有这很浓厚的俄罗斯背景,大推的装配体系、技术特征都以俄系技术为基础,不太可能重开一条新线重新研发二元矢量(还有一个重要原因,先卖个关子)。
 
但这并不意味着,中国未来的矢量喷管技术就要照搬俄罗斯,毕竟我们的独创技术已经在歼-10B TVC上得到了证明。
 
除了全向偏转,国产矢量喷管的每一片叶片也可以旋转,这是其他国家的喷管所无法做到的。
 
如果我们按照“只要时间和资源投入到位,就能攻克关键技术”的逻辑来假定。
 
现阶段的基础性能差距有望在未来追平,那么中美矢量技术的区别,很大程度上也就是二元和三元在性能、特征上的区别了。
 
当然矢量喷管的选用,也并非是越先进越好,而是依据具体需要和整体设计来参考。
 
前文我们已经讲到,美国很早就开始对两种矢量喷管进行研发和测试,最终选用二元而非三元,就是一种优劣取舍。
 
如果单看矢量效果,全向偏转自然要比纵轴偏转更好,但这不是没有代价的。
 
三元矢量的操控远比二元更复杂,还面临着严峻的高温和密封考验。
 
在三元矢量技术的起步阶段,工程师要面临的首要问题,就是叶片的密封性不足,气流逸散会造成推力损失和控制不稳定。
 
而仅这一个难题,就消耗了俄罗斯近三十年左右的时间。
 
与此同时,三元喷管的生产、维护成本也更高,控制系统也更复杂,需要喷管外侧连结多根伺服杆与套环,才能完成360°同步偏转的控制。
 
但二元喷管只要两组导流板以供上下偏转就足够了,结构要简单许多。
 
最关键的是,美国人认为三元矢量付出这些代价后,换来的性能没有太大实际价值。
 
可二元矢量的优点对于美军来说十分有价值,那就是隐身效果好。
 
早期F-15 STOL/MTD所使用的2D-CD二元喷口,会造成25%的推力损失,这对于每每一牛推力都十分宝贵的航空发动机来说,根本无法接受。
 
而即便是技术进步后的今天,F-22的F-119发动机,因为矢量喷管收束造成的推力损失仍在15%以上。
 
但它遮蔽红外信号的效果却十分明显,这对于以隐形为主打性能的五代机来说至关重要。
 
再加上美国航发的大推力独步天下,不需要特殊的气动设计与推力偏离,一样可以做到超音速巡航、过失速机动等超机动特征。
 
真要玩旱地拔葱、悬空短停这种逆天机动,F-22反而吊打Su-57。
 
这样看来,全向偏转就更显得索然无味了(推力大,真的可以为所欲为)。
 
而美国空军也认为,隐身明显要比玩“特技”重要得多。
 
再加上那个年代的飞控技术所限,选择二元也是情理之中。
 
但对于中国来说,二元矢量就未必那么适用。
 
研发和装配体系这个原因前文已经提到,再有就是国产航发没有那么恐怖的推力。
 
中国飞/火/推一体控制也没有美俄那么成熟。
 
这样一来,我们的歼20要想也具备超机动性,就需要三元矢量的全向推力偏转,配合鸭翼气动才能才能完成。
 
至于隐身,国产矢量喷管的三层设计与交错布置,可以封闭叶片之间的缝隙,从而降低雷达反射率,这个设计思路与F-35使用的F-135发动机相同,问题不大。
 
当然,如果单纯从技术角度来看,随着飞控技术、耐热材料等配套技术的进步,三元矢量自然要更加先进和全面一些。
 
如果此时让洛马重新设计F-22,结果恐怕会完全不同。