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刷屏的矢量发动机,到底是啥?

从头说 


物理学上的矢量 


1.有些量既要有数值大小(包括有关的单位),又要有方向才能完全确定(几何对象),一般来说,在物理学中叫它矢量(vector或vector quantity),在数学中叫它向量,也就是有方向的量。 


2.直观上,矢量通常被标示为一个带箭头的线段,线段的长度表示矢量的大小,箭头所指的方向表示矢量的方向。物理学中的力、力矩、位移、线速度、加速度、动量、冲量、角速度、角动量、场强、电流密度、磁矩等,都是矢量。 


什么是矢量喷管? 


大家都学过矢量,矢量是一个既有大小又有方向的物理量,也就是说矢量可以改变方向。这个特性反映在发动机尾喷口上就是发动机的喷出的气流可以改变方向,这个气流可以看做一个矢量,有大小有方向。发动机喷出的气流平行于飞机轴线向后。而发动机是不能转动的,想要使这个气流朝其他喷就要在发动机喷口处加装一个可以转动的管子,这个管套就是矢量喷管。矢量喷管相比于常规喷管的最大外观特征就是矢量喷管能够把发动机尾喷口的截面转到与飞机轴线不垂直的方向上。就像下图这样:



我们知道飞机靠各种舵面来控制飞行方向,然而在一些特殊情况下,例如大迎角,超音速机动,尾翼等舵面控制方向的能力就会因气压,气流的变化而大幅下降,这时要想有效控制飞行姿态就需要对发动机喷流进行方向调整,这就需要矢量喷管的转向来完成。矢量喷管可以使飞机进行任意的精细姿态调整,进而做出各种机动动作,例如在空中翻筋斗,摊煎饼(以机尾为轴,机头水平方向360旋转),落叶飘(飞机一边水平旋转一边垂直下降)等。我们在各种大型航展上看到的那些“逆天”的战斗机机动动作都是由矢量喷管完成的。 


矢量喷管主要可以分为:二元矢量喷管,三元矢量喷管(轴对称矢量喷管),折流板矢量喷管。二元就是尾喷管只能作上下摆动,高温高压燃气也只能改变上下方向。三元的意思就是喷管可以360度全向偏转。从喷口形状看,二元矢量喷管的喷口是矩形的,三元轴对称矢量喷管的喷口截面是圆形的。折流板矢量喷管是靠发动机喷口处3块折流板调整喷流方向。 


二元矢量喷管



在矢量喷管的应用上,美国应用的二元矢量喷管。F22战斗机的尾喷管是典型的二元矢量喷管,可以上下调节角度。同普通的战斗机尾喷管相比,这种处理有两个优点:一是加强机动性。上下可调的矢量喷管提供了额外的控制俯仰的能力,可以在俯仰这个维度提高飞机的机动性。二是降低红外线特征。矩形喷口能够使高温尾喷流与冷空气充分混合,从而降低了飞机的红外线特征,也算是隐形的一部分。 



二元矢量喷管还有一个优势就是利于减阻,由于喷口扁平,后机身呈纵向逐渐收扁的状态(按照常识去理解,扁平的东西在空气中受到的阻力一定比圆的东西的阻力小),这样就有效地降低了超音速巡航时的后体阻力。



当然这个东西也是有缺点的,一是二元矢量喷管只能在上下两个方向上偏转,不能全向调整喷流方向,使飞机在水平方向上的机动有所欠缺。(例如空中摊煎饼的机动)。二是损失部分推力,这个很好理解,圆是一个在各方向上对称的图形,圆截面喷管里的气流流动是均匀的,四周的流速也是均匀的。而矩形截面有棱角,在棱角处气流受阻力较大,流速降低,产生的推力就会损失。 



图为F22“猛禽”战斗机二元矢量喷管上下两个偏转板,两个偏转板同时上偏或下偏可以使喷流方向向上或向下调整。两个偏转板一上一下偏转可以起到收敛扩张喷管的作用。 


F22战斗机二元矢量喷管略微向上偏转 


二元矢量喷管向下偏转 


装有二元矢量喷管的美制F119-PW100发动机(F22战斗机的发动机)喷流效果图 


三元矢量喷管 


三元矢量喷管的喷口为圆形,能够360全向偏转,任意改变推力方向。主要为俄罗斯研究并应用,因此也称为俄式矢量喷管。在这里,依据三元推力转向的机理不同,又可分为留里卡-土星式喷管和卡里莫夫式喷管。 


留里卡-土星式喷管



如图为俄罗斯留里卡-土星设计局研制的三元矢量喷管,这种喷管并不是真正意义上的三元轴对称矢量喷管。我们可以看到,这种喷管的转动轴线是倾斜的,喷管整体转动,只能在沿轴线方向上下或左右15度的范围内偏转,从本质上将是一个二元喷管。但是俄罗斯人巧妙地把喷管轴线各向外倾斜32度,使得发动机推力在沿轴线转向时产生水平方向的分量,模拟出水平转向的效果。这是一种二维仿三维的运动。 


卡里莫夫式喷管 


俄罗斯卡里莫夫设计局的三元矢量喷管则是真正意义上的全向转动的轴对称矢量喷管,与欧美在研的矢量喷管类似。美国也验证过这种全向推力转向的喷管。这种喷管的推力转向依靠的是一圈偏转片中每一个偏转片的精细偏转,因此可以使喷口全向偏转。 


折流板式矢量喷管



这种矢量喷管是问题最大最脑洞的矢量喷管。它的思路是这样的:在喷口处一圈放3个相互夹角120度的板子,靠3个板子偏转改变推力方向。如下图: 



当然我们一眼就能看出它的问题:这个喷管的封闭性太差了,大部分气流从两个板子间的空隙跑出去了,推力自然就损失了。这就像我们拿着一个布满豁口的水管子喷水一样。到目前为止,只有日本“心神”验证机,美国X31验证机使用了这种喷管。 


配矢量喷管的战机比较 


珠海航展,歼20编队一次又一次在珠海机场上空来回翻飞,而歼10B战斗机也不停的秀推力矢量喷管,谋杀了众多资深航空摄影师的快门次数,网络上大量高清大图流传,但是不少朋友还是觉得有点蒙圈,为啥看起来歼10B的推力矢量喷管和原始太行发动机喷管没啥两样,都一样尺寸,地面停机下垂也不明显,不像俄罗斯苏35战斗机粗长的喷管那么醒目。


这就是歼10B的推力矢量喷管下垂图 


这是苏35战斗机的推力矢量,从这个角度看下垂不明显,但是


这就是苏35战斗机的推力矢量喷管,很长吧,大家记住喷管直径大约1米


小红圈是中国歼10B推力矢量,大红圈是俄罗斯苏35设计师思路,差距很大 


从外表来看,都是圆柱形的喷管,有人就会觉得差不多,其实俄罗斯苏35这种推力矢量喷管水平设计太差,可以算世界倒数,当然和俄罗斯历史上推力矢量喷管来比还是强不少。 


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,战斗机设计师在70年代开始三代机格斗上得到的经验表明,普通三代机由于气动舵面天生的特性,舵面从20度大多就开始气流分离,到了30度几乎几乎不可用,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,所以科学家就放弃了普通气动舵面控制这一个路子,将目光投射到发动机上。 



典型三代机机动性虽然比二代机大大提高,但是迎角大多不差过30度 


发动机有个好处就是,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。 


美俄争霸,跟风是俄罗斯人本性,俄罗斯人在苏27上采用的扁平推力矢量技术,则遭到大败,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,要知道AL-31F发动机整机才1500公斤,几乎三分之一,一架苏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,所以俄罗斯跪了,转向圆形推力矢量,学名叫轴对称推力矢量。



F22战斗机采用先进二元推力矢量,谁都不敢跟进,增重实在太多,推力损失太大 


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!



可以看出,苏35推力矢量喷口运动方向是倾斜的 


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。



这就是苏35发动机的推力矢量运动模式,同步动作和差动 


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。 



歼10B推力矢量喷口可以360度随便动作,比苏35设计更好些 


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。



这是中国一个推力矢量方案,和歼10B大体相似稍有小小不同 


按照某些资料的说法,按照推力矢量设计准则,俄罗斯方案完全不合格,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。



发动机推力矢量偏转角度,和偏转快慢都很有讲究 


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。 


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。 


歼-10B的矢量型发动机公开,让我们看到了中国在新一代发动机的研制路程上出现的曙光,我们珠海看到这架歼-10B的精彩表演时,我们也应该想到,安装矢量喷管的新歼-20改型也许已经不用多长时间了。


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