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中国歼10B推力矢量设计精巧 领先俄苏35两代技术

今年的珠海航展,中国国产歼20隐形战机成为全场最瞩目的元素,歼20编队数次在珠海机场上空来回翻飞表演,飞机迷睇完大呼过瘾。除了歼20,同样谋杀摄影师菲林的还有装配在歼10B战斗机上的推力矢量喷管。网络上大量高清图流传,让飞机迷一睹国产推力矢量喷管的真容。

歼10B的推力矢量喷管下垂图(网上图片)

歼10B的推力矢量喷管下垂图(网上图片)

不过对这项技术鲜有了解的军事迷却感到不解,为何歼10B的推力矢量喷管和原始太行发动机喷管似乎没有什么区别,两者尺寸一样,地面停机时下垂的角度也不明显,并不像俄罗斯苏35战斗机粗长的喷管那么醒目。

比较两者外表,虽然歼10B和苏35装备的都是圆柱形的喷管,其实苏35这种推力矢量喷管的设计水平并不佳,甚至可以算是世界倒数位置,只不过在俄罗斯同类发动机技术中已经算是最先进的。

苏35战机的推力矢量喷管,喷管很长,直径大约一米。(网上图片)

苏35战机的推力矢量喷管,喷管很长,直径大约一米。(网上图片)

小红圈中的是中国歼10B推力矢量设计,大红圈中的是俄罗斯苏35设计师思路,差距很大。(网上图片)

小红圈中的是中国歼10B推力矢量设计,大红圈中的是俄罗斯苏35设计师思路,差距很大。(网上图片)

推力矢量这个技术其实不是新花样,50年代开始很多导弹都开始使用,但是一直到了80年代,才开始装配在战机上。战机设计师研究发现,普通三代机由于气动舵面(水平、垂直、倾侧三个方向的操纵面)天生的特性,舵面角度从20度开始就多数会出现气流分离现象,到了30度更是几乎不可用,所以整机最大可控迎角一般不超过30度,这严重限制了飞机机动性发挥。为了提高战机的机动性能,科学家和设计师们不得不放弃在普通气动舵面控制上的技术改进,而将研究方向投射到发动机上。

三代战机机动性虽然比二代战机大大提高,但是迎角大多不超过30度。(网上图片)

三代战机机动性虽然比二代战机大大提高,但是迎角大多不超过30度。(网上图片)

从发动机着手的好处是,其安装位置靠后,而且推力巨大,稍微喷管偏转一点就可以得到很大的控制力矩,这就成了新科技的一个制高点,美国俄罗斯都耗费巨资开发推力矢量技术,扁的圆的,单方向的全方向的都有,最终F22第一个使用扁平推力矢量喷管服役,极大的提高了飞机机动性,以及隐身效能,但是带来了巨大的发动机推力损失和巨大的重量增加,即使采用了航天陶瓷技术疯狂减重,一台F119发动机推力矢量喷口加控制系统增重就超过200公斤。

F22隐形战机采用先进二元推力矢量设计,不过谁都不敢跟进,因为增重实在太多,推力损失太大。(网上图片)

F22隐形战机采用先进二元推力矢量设计,不过谁都不敢跟进,因为增重实在太多,推力损失太大。(网上图片)

在推力矢量正式应用于战机的时候,正值美俄争霸,跟风是俄罗斯人本性,但俄罗斯人在苏27上采用的扁平推力矢量技术遭到大败,高温燃起从燃烧室流动到喷口,圆形转方口推力损失高达14%-17%,而且发动机增重超过半吨,一架苏27使用两台推力矢量发动机的话,整机尾部就要增重1吨,为了配平机头也差不多增加1吨,全机增加2吨重量,这飞机完全废了,所以俄罗斯只能转向圆形推力矢量,学名叫轴对称推力矢量。

苏35推力矢量喷口运动方向是倾斜的。(网上图片)

苏35推力矢量喷口运动方向是倾斜的。(网上图片)

最终俄罗斯人采取了比较保守稳妥的设计,在AL-31F发动机上进行改进设计,型号改为AL-31FP发动机,设计特点是安装在喉道前的万向球形结构实现了俯仰偏转,这种设计的优点是,运动结构简单,容易实现,缺点是冷却和密封难度大,最终AL31FP发动机喷管转向部分使得发动机增重110公斤,长度增加0.4米!

苏35战斗机的推力矢量采用万向接头式,由面积可调的收敛扩散喷管和可偏转的球形结构框架组成,球形结构框架安装在喉道前,通过绕万向球形接头转动收敛扩散喷管整体产生偏转得到矢量推力。

AL31FP发动机推力矢量喷管偏转轴线和垂直方向成32度夹角,偏转角度仅为15度,转向速度每秒30度,通过同步动作和差动,可以让飞机得到垂直方向和侧面方向矢量推力,这种设计也延续到了苏57战斗机上,喷管控制系统媒介为封闭在发动机控制系统中的航空油料,省事省钱。

苏35发动机的推力矢量运动模式,同步动作和差动。(网上图片)

苏35发动机的推力矢量运动模式,同步动作和差动。(网上图片)

从技术来说,俄罗斯人的推力矢量技术非常非常原始,设计师不敢在发动机喷口喉道以后做动作,所以在加力燃烧室段做的铰接,距离成飞歼10B这种平衡梁式的差2代技术,歼10B推力矢量喷管技术是在每一个做动器上的喉道和扩散一起动作,先进很多。

而歼10B的推力矢量技术是作动环式的,它由矢量调节作动筒,喉道面积调节作动筒,调节环和调节环支撑机构组成,歼10B的推力矢量设计方案,和美国F110发动机上的差不多,轴对称矢量喷管有3个相互成120度的三个矢量调节作动筒,多个喉道面积调节作动筒,可以360度全方位偏转,最大偏转角速度60度每秒。

歼10B推力矢量喷口可以360度随便动作,比苏35设计更佳。(网上图片)

歼10B推力矢量喷口可以360度随便动作,比苏35设计更佳。(网上图片)

若按照一些研究表明的推力矢量设计准则,俄罗斯的设计方案完全不合格。推力矢量设计大体有以下要求:矢量偏转角度应该达到20度,偏转后发动机性能损失小,稳态和过渡态矢量对发动机节流无限制,外形尺寸小,矢量对飞机尾翼无干扰,俯仰矢量推力最大应该达到20%的发动机加力推力,偏航矢量推力最大应该达到10%加力推力,俯仰变化率最大60度每秒,偏航则为30度每秒,控制系统特性应该满足推力矢量喷管动静特性要求。

按照这个标准来说,苏35的推力矢量严重不达标,主要体现在偏转角度小,只有15度,而且外形尺寸大,高速飞行偏转带来阻力过大,俯仰变化率也不够快。

发动机推力矢量偏转角度,和偏转快慢都很有讲究。(网上图片)

发动机推力矢量偏转角度,和偏转快慢都很有讲究。(网上图片)

实际上来说,歼10B推力矢量技术完爆苏35推力矢量技术,增重预计40-50公斤,对发动机和整机影响极小,而且喷管寿命很长。

止戈堂

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