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军事评论

【澳门vip贵宾厅】STOL/MTD验证机举行了设置推力矢量喷管后的首飞,三月3日一张歼-10B推力矢量验证机尾喷管的相片并发在网络

我国在推力矢量尾喷管方面的研究起步并不算晚,早在2003年刘大响院士就证实我国606、624所自行研制的轴对称矢量喷管已经进行了台架测试,而且运转得非常成功。我国在矢量喷管上走得路线既不是俄式简单粗暴的关节式,也不是美式貌似高大上的矩形二元式,而是轴对称全向矢量喷管路线。轴对称矢量喷管不仅保持了传统圆形截面尾喷管重量轻、推力损失小的优点,避免了矩形二元尾喷管的厚重结构和漏气缺陷?;鼓芄幌?60度任意方向偏转一定角度,不仅能提供俯仰力矩,还能提供偏航力矩,在矢量操纵上更加细腻,当然对飞控的整合能力要求也更高。最终在2017年年底,安装有国产轴对称全向矢量喷管和WS-10B发动机的歼-10B验证机飞上了天空。

澳门vip贵宾厅 ,  配装有轴对称型矢量推力尾喷管的AL-31FN涡扇发动机

下面就来盘点一下形形色色的矢量尾喷管。

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  美国F-16
VISTA曾经装备了矢量推力发动机进行了大量的试验,但最终没有出现在服役机型上。

1989年5月16日F-15
STOL/MTD验证机进行了安装推力矢量喷管后的首飞。试飞表明推力矢量喷管能使起飞滑跑距离降低25%,反推系统则可让F-15降落在500米长的跑道上,在飞行中也可能用反推系统进行快速减速,这在近距离空战中非常实用。在试飞期间F-15
STOL/MTD进行了多次推力矢量起飞,抬前轮速度低至67.6千米/时,最短的降落距离低至416米,而标准F-15的降落距离为2286千米。

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  从此前国外发展情况来看,为单发战机换装矢量推力发动机早已有之,比如美国F-16
VISTA和美德联合研制的X-31技术验证机等。但是,最终批量生产和服役的矢量推力战斗机都是双发战斗机,如F-22A、苏-30MKI以及苏-35等。而F-35B战机虽然采用了F135矢量推力发动机,却主要用于垂直和短距起降,并不能在空战中使用,因此不能算是真正的矢量推力战斗机。那么,究其原因,一方面是因为单发战斗机换装矢量推力发动机后带来的推力损失和重量增加等不利因素的影响很大,相比矢量推力所带来的较为有限的性能提升,往往有些得不偿失。另一方面,双发战斗机可以利用两个矢量推力尾喷管的差动来实现更高的滚转速度,这在空战中是非常有利的,而单发战斗机就做不到这一点。

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  再进一步说,大多数单发战斗机的近距格斗机动性能其实都很出色。比如,在我军举行的异型机近距格斗对抗中,歼-10与歼-11较量基本上是胜多败少。而中泰两国空军联合演习中,泰国空军装备的JAS-39“鹰狮”战斗机面对我国空军苏-27SK战斗机,进入到近距格斗阶段也并不吃亏。所以,换装矢量推力发动机、进一步提升格斗机动性能并不是单发战斗机所急需的。

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9月3日一张歼-10B推力矢量验证机尾喷管的照片出现在网络,引发军迷热议。该照片源自最新一期公开出版的《兵工科技》杂志,是该机轴对称矢量喷管的首张清晰照。

  从商业角度来看,作为中国军方航空发动机的主要供应商之一,俄方航空企业的这一举动也是想抢在竞争对手——中航工业之前,占得轴对称型矢量推力发动机这一市场空白的先机。但是,正如笔者在前文提到的那样,只是为常规涡扇发动机换装矢量推力尾喷管这种简单粗暴的做法未必行得通??銮?,俄方航空企业也得不到歼-10战机的样机。这就使得AL-31FN改进型矢量推力发动机有几个致命的缺陷:首先,其尾喷管前段加装了大尺寸作动筒整流罩,这一变化将导致歼-10战机的后机身要进行重新设计以满足发动机的安装要求;其次,后机身相应加粗后,歼-10战机的飞行阻力,尤其是诱导阻力将大幅增加,并且矢量推力尾喷管比常规收敛/扩散尾喷管更重,会导致机身重心有所变化,必须重新编写飞控软件;最后,实现矢量推力的调节片尺寸过长,必然会与歼-10战机的垂尾和尾锥发生干涉。

纵观战斗机发展史,世界各国先后已经研究出多种矢量尾喷管,但投入服役的却寥寥无几。矢量尾喷管的设计原理虽然简单,但对制造材料和飞控控制律的要求却很高,研制长寿命、高可靠性、轻重量的矢量尾喷管并不容易。

因此推力矢量尾喷管受到了尤为重视过失速机动性能的俄系战斗机的青睐,先后装备了苏-30SM、苏-35S和苏-57战斗机。西方国家迄今为止唯一装备矢量喷管的生产型战斗机只有F-22。

  印度引进的苏-30MKI战机采用AL-31FP矢量推力发动机

普惠随后根据F-15矩形二元矢量喷管的研制经验,为YF-22/F-22研制出了实用化的矩形二元矢量喷管。在全权限数字发动机控制系统的控制下,F-22的收敛-扩散喷管可以向上或向下偏转达20度。尾喷管不仅提高了F-22的敏捷性,还降低了飞机喷气系统的雷达和红外特征。

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  美国F-22A所采用的F119涡扇发动机采用二元收敛/扩散尾喷管

铁幕另一边的苏联也没有闲着。

推力矢量尾喷管可通过自身偏转把发动机喷流从平行于机身纵轴线引向其它方向,产生矢量方向上的侧向分力。这个侧向分力不仅可用于产生直接升力,大幅缩短战斗机的起降滑跑距离,还能不依赖气动舵面提供更直接的控制力矩,大幅提高战斗机的机动性能和过失速机动能力。

  中国矢量推力尾喷管技术的探索

在20世纪80年代末的F-15
STOL/MTD项目的第二阶段,一架F-15B的标准圆形收敛-扩散尾喷管被矩形二元推力矢量/反推喷管取代。该喷管由普惠使用化学铣削、焊接蜂窝构件制造。喷管具有上下偏转片,用于调节喷口截面积或使喷流上下偏转各20度,并在喷管上下各有一组反推叶片。

当年我国决定在歼-10战斗机上采用机匣下置版AL-31FN涡扇发动机后,该发动机的制造商——俄罗斯留里卡设计局“礼炮”公司就一直向我国推销带轴对称推力矢量尾喷管的AL-31FN改型,这种发动机模型频频出现在前几年的莫斯科和珠海航展中??上浠ㄓ幸饬魉耷?,中国空军对俄制轴对称推力矢量技术并不感兴趣,因为此时我国自行研制的轴对称推力矢量尾喷管已接近成熟。

  歼-10换装矢量推力发动机意义何在

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从照片上看,歼-10B推力矢量验证机除换装带矢量喷管的WS-10B发动机之外,还在后机身上增加了4个安装支座,用于在高难度矢量试飞科目中安装尾旋改出伞,以提高安全系数。为了避免干涉矢量喷管的向上偏转,该机减速伞舱下方的尾椎还被切除了一小块。

  也就是说,当尾喷管进行推力转向时,扩散段前调节片先偏转一个较小的角度,再由后调节片进行二次偏转,达到预想的效果。这样,不仅较为完美的解决了尾锥干涉问题,还使得作动机构的尺寸大大减小,保持了发动机后部到尾喷管直径的一致性,避免了飞行阻力增大的问题。

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美国曾在上世纪90年代利用F-16/MATV研究机对轴对称矢量喷管进行了测试,结果表明该机不仅可以轻易实现“眼镜蛇”机动,还能做86度可控迎角的飞行,要知道此时飞机是以“直立姿态”平飞的。F-16/MATV在模拟空战中充分表现出了矢量推力技术带来的机动性优势,以大比分完胜普通战斗机。

  117S两款发动机,我国引进的苏-35战机采用了这种动力。

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  我国航空工业在矢量推力尾喷管技术研发上的起步相比苏/俄和美国都要晚一些。不过,得益于同俄罗斯方面的航空技术交流,我国从一开始就将主要研发方向放在了轴对称型矢量推力尾喷管上。但是,因为研究基础较为薄弱,我国航空工业在轴对称型矢量推力尾喷管技术的研发上并不顺利、进展较为缓慢。也就在这一时期,俄罗斯方面推出了配装有轴对称型矢量推力尾喷管的AL-31FN涡扇发动机,并且频频在国内举办的北京航展和珠海航展上展出,意图获得中方的订单,将其装备在歼-10系列轻型战斗机上。

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  二元型矢量推力尾喷管的代表型号就是美国F-22A所采用的F119涡扇发动机的二元收敛/扩散尾喷管,其只能实现俯仰±20度的偏转,且重量较大、密封要求高,但是隐身性能更好。因此,在很多军事爱好者看来,未来我国歼-20战机在改进中也应该采用类似的二元收敛/扩散矢量推力尾喷管。轴对称型矢量推力尾喷管则是目前使用最为广泛的矢量推力尾喷管,主要装备在俄制苏-30MKI、苏-35、苏-57战机以及米格-29
OVT技术验证机上。

1989年,留里卡-土星科研生产联合体和苏霍伊设计局把苏-27UB“侧卫-C”战斗教练机“蓝色08号”改装成推力矢量技术测试平台。该机在改装了左侧发动机舱后,装上了尾部呈楔形的矩形二元矢量喷管,被称为LL-UV,即俄语“推力矢量技术测试机”的缩写。与F-15S/MTD不同的是,LL-UV的右发保留了标准轴对称喷管。LL-UV的试飞肯定了矢量喷管的价值,对飞机敏捷性的改善符合预期。

  反过来,从美国F-16、我国歼-10、瑞典JAS-39以及中巴联合研制的JF-17等单发战机的发展可以看到,除了继续提升航电系统的性能外,增加作战半径(解决“腿短”的问题)和有效载荷(解决挂载弹药和设备较少的问题)也是非常必要的改进内容。所以,现在我们看到歼-10B换装新型矢量推力发动机试飞,应该主要还是在于技术验证的需要。今后是否会为新生产或者已经服役的歼-10系列战机装备矢量推力发动机,还是应该看军方的需要以及实际测试结果如何,才能做出最后的决定。

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日前,安装矢量尾喷管的歼-10原型机成功首飞,标志着我国航空工业在矢量尾喷管和太行增推改型的研制上已取得重大突破。这套动力系统将能大幅增强歼-10战斗机的机动性能,尤其是过失速机动性。

  其实,苏/俄和美国都曾经对二元型、轴对称型两种矢量推力尾喷管进行过长期的技术攻关和研发。最终,两国在实用化道路上选择了两个方向:苏/俄主攻轴对称型两种矢量推力尾喷管,而美国在F-22A战机上采用二元型矢量推力尾喷管。

1987年美国NASA启动了F-18 HARV研究项目,给F-18
840号研究机尾部安装了推力矢量偏流板,每台发动机安装了一组3片勺形扰流板。在大迎角常规控制翼面失去作用时,推力矢量装置还可以可提供俯仰和偏航力矩。为了缩短扰流板所承受的力矩,NASA去掉了840号机的尾喷管,使该机无法进行超音速飞行,但对亚音速性能没有任何影响。飞控计算机也经过修改以兼容矢量扰流板。

  所以,存在以上诸多缺陷的AL-31FN改进型矢量推力发动机并没有获得中国军方的认可,自然也没有得到订单。中国军方后续采购的发动机采用常规收敛/扩散尾喷管的AL-31FN。此后,AL-31FN改进型矢量推力发动机便逐渐在中国国内航展上消失,取而代之的是配装在苏-35战机上的117S矢量推力发动机。显然,俄方航空企业又开始想借助中国军方采购苏-35战机的时机,推销117S矢量推力发动机,分得一部分歼-11系列战机甚至歼-20战机配套发动机的市场份额。

在同时期美德合作的X-31研究机项目中,矢量偏流板再次现身。该机在通用电气F404-GE-400涡扇发动机尾喷口处安装了三片推力偏流板,可作正负10度的偏转,并能长时间承受最高1500度高温。X-31用来验证推力矢量技术结合先进飞控系统的可行性,用推力矢量技术和鸭翼来实现常规飞机无法完成的大迎角机动。

  矢量推力发动机的关键技术在于矢量推力尾喷管的设计和制造,而其他部分,如风扇、压气机、燃烧室和涡轮等其实与常规涡扇发动机并没有太大的不同。由于矢量推力尾喷管是矢量推力发动机的关键部分,所以一定要进行整体布局的论证和设计,并不是随便拿来一台常规涡扇发动机装上矢量推力尾喷管就能成为可以实用化的矢量推力发动机。

凭借矢量推力,F-18
HARV达到70度的最大稳定飞行迎角。大迎角滚转最大迎角达到65度。

  在目前已经曝光的歼-10B战机所配装的新型发动机矢量推力尾喷管设计上,我们可以看到,其同样采用了类似于AL-31FN改进型的结构布局,即收敛段不动、扩散段偏转。而且为了避免与尾锥发生干涉,我国航空工业设计人员一方面对尾锥进行修型,下部很明显被削掉一块,另一方面,将原来扩散段的调节片长度缩短,并且采用两级偏转作动机构。

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  虽然俄方航空企业推销AL-31FN改进型矢量推力发动机的企图无果而终,却给国内航空发动机研发单位带来了意外之喜。因为,这型发动机所采用的矢量推力尾喷管在结构布局设计上与苏-30MKI战机使用的AL-31FP和苏-35战机使用的117S有很大的不同,更适用于单发战斗机,为国产新型发动机的矢量推力尾喷管研发提供了可借鉴的设计思路。

  AL-31FP和117S两款发动机采用的矢量推力尾喷管采用整体偏转方式,即在尾喷管与加力燃烧室之间有一个由机电液压作动机构驱动的转动环。这个转动环既是使尾喷管转动的主要动力来源,也是用于过渡和保持高温高速喷流气体密封的重要部件。而AL-31FN改进型矢量推力发动机所采用的尾喷管采用分段偏转方式,即尾喷管前端的收敛段保持不动,后部的扩散段采用偏转作动机构。与前者相比,AL-31FN改进型发动机的矢量推力尾喷管重量要小一些,偏转角度更大,而且偏转速度也更快。

  目前,国外发展的矢量推力尾喷管主要为机械调节型和流体控制型两大类。前者的技术已经比较成熟,达到了实用化要求,而后者还在原理和结构的论证探索中。不过,一旦后者能够实现实用化,那么就会很快取代前者的主流地位。而在机械调节型矢量推力尾喷管中,又继续细分为非轴对称型、二元型和轴对称型三类。非轴对称型主要采用折流板或燃气舵实现矢量推力,代表型号为美国F-18
HARV、美德X-31以及日本“心神”等技术验证机。其实,这一矢量推力技术在各型导弹所使用的固体火箭发动机中应用最为广泛。

  近日,美国《防务新闻》网站报道称,中国军事刊物首次公开披露了歼-10B已经换装新型矢量推力发动机的消息。从明显不同于俄制AL-31FN发动机的外形来看,这是第一种真正实现装机试飞的国产新型矢量推力发动机,是中国航空发展史上具有里程碑意义的事件。

  那么,这种首次装机试飞的国产新型矢量推力发动机与国外出现的型号有哪些不同?歼-10这种轻型战斗机换装矢量推力发动机又有何意义和作用?

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  当然,歼-10B战机采用的这种新型矢量推力尾喷管也不是完美无缺的。由于控制尾喷流转向主要使用的是扩散段,推力损失要比整体偏转式的矢量推力尾喷管要更大,在超音速飞行状态下尤为明显。而且,这种尾喷管所采用的两级偏转作动机构也更加复杂,虽然尺寸有所减小,但是总重可能会相应增大。这些对于歼-10B战机来说也都属于相对不利的影响,需要想办法予以克服。相信后续的改进会随着验证试飞的深入而逐步实施。

  国外矢量推力发动机的发展

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 ?。ā敖参涮副笔怯芍噬畋嗉乒疚炫确牢窨璧母鋈俗ɡ?,以客观严谨的态度,辅以活泼精炼的语言,力图“破除防务迷雾”,为读者更好地认识我国与国外在装备技术上的差距提供参考和借鉴。每周一或二倾情奉献。)

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