中美俄五代戰機矢量推力技術誰領風騷？且看我國如何突破

2019-08-10

推力矢量技術，簡單來說就是偏轉發動機推力方向得到操縱力矩的一種辦法，在戰斗機上採用推力矢量技術的歷史並不太長。現代四代五代機中蘇-30、蘇35、蘇57、F-22都是其中代表，從世界發展潮流來看，推力矢量技術五代機已是基本配置，對於正在研製的六代機來說，需要提高隱身效果而弱化或取消平尾，此時矢量推力就是必由之路。

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美國二元矢量推力的F-22戰斗機

矢量推力的價值

有了矢量推力後，可以提高戰機的飛行性能。通過全機的飛推火一體化綜合控制，改善全機氣動力特性。可以一定程度上降低飛行阻力，從而提高加速能力，提高航程。推力矢量技術還可以在起降時通過控制發動機的偏轉，大大縮短飛機起降滑跑距離，降低起降速度需求。有利於戰時快速出動和前沿部署，減少對機場及跑道的依賴。

加裝矢量推力的殲-10B戰斗機

在近戰時，推力矢量技術可以大幅度提高機頭的快速指向能力，快速發射鎖定敵人快速發射導彈，在被攻擊時能夠快速擺脫敵機的追擊。尤其在緊急關頭，提前鎖定目標發射導彈是戰術核心，而這就是為什麼飛機強調最大盤旋角速度的原因之一，推力矢量技術能讓戰機瞬間獲得最大角速度。美國人的試驗結果表明，在同一種戰機中加裝矢量推力技術，格鬥幾乎呈現一邊倒的大比例優勢，比如加裝矢量推力的X-31空戰 F-18，虐到F-18飛行員把飛行經驗寫進美國飛行員培訓資料中，讓所有戰斗機飛行員認知這一常識，面對矢量戰機，盡量迴避。要知道X-31驗證機採用的還是導流片這種原始的矢量推力技術就已經獲得巨大成功。

美德聯合驗證機X-31及 F-18戰斗機

推力矢量技術還可以極大地改善飛行安全性。它可以僅僅依賴於發動機正常工作，在任何不利的飛行姿態下都可以提供足夠高的控制力矩，從而迅速改出危險狀態，實現過失速機動飛行，並挖掘飛機極限飛行能力。美國研究顯示，中程導彈對付直線飛行的波音737飛機可以做到80-100公裡的射程，但假如對付一種接到預警且做9G機動的戰斗機，射程可能降低到20-30公裡，而且命中率嚴重下降。按照美國AIM-120空空導彈的實戰數據，對付高G機動的戰斗機，命中率不到5成。

高G機動的殲-20戰斗機

機械偏轉式矢量推力技術詳解

推力矢量的鼻祖是導彈和火箭上的燃氣舵，而飛機的燃氣舵設計，就是機尾罩外側加裝向內、向外徑向轉動的尾板，靠尾板的轉向來改變機尾氣流的方向，實現推力矢量。其優點是結構簡單、成本超低，但存在重量和外廓尺寸大、氣動效率低等固有缺陷。

從推力矢量實現方法來看，分為兩大類。一種是射流式，一種是機械偏轉式。射流式機構簡單，但是效率偏低，所以長期以來不受重視，而偏轉式方興未艾，大行其道。隨便提一句，日本的五代機“心神”技術驗證機採用的也是X-31這種比較原始的技術。

採用原始矢量推力技術的日本五代“心神”機

實用化的推力矢量技術是機械偏轉式，可以分為二元和三元，從外觀看，扁噴口是二元式，圓噴口是三元式。這兩種噴口各有千秋，二元推力矢量噴管笨重復雜、發動機從圓柱形加力燃燒室往後折轉到扁口，大體會有10%左右的流動損失。俄羅斯使用的蘇27改裝二元噴口的測試結果顯示推力損失達14%-17%，而美方堅稱F-22的損失不到10%，為了實現二元噴口，俄羅斯採用高溫金屬材料，使蘇27增重500千克。導致俄羅斯最終放棄了二元噴口。F-22採用了航天飛機的耐沖刷陶瓷技術，所以增重有限，只有260千克，在衡量了隱身及後體阻力上有足夠的收益之後，美國人義無反顧採用了二元矢量推力技術。

F-22二元推力矢量噴管相當笨重復雜

F-22二元矢量噴口

三元推力矢量技術也稱為軸對稱推力矢量技術，這種技術主要分兩大類：單向偏轉和全向偏轉。俄羅斯蘇30、蘇35以及蘇57採用了單向偏轉方案。發動機噴管分為關節段和收擴段。關節段負責驅動收擴段偏轉，收擴段負責常規的噴口收擴調節。優點是噴管可不做任何改動，喉道與出口也無需改動，改動簡單，在噴管前裝一個關節就搞定。但這大大縮短了發動機矢量推力的偏轉力臂，而且可轉噴管部分笨重，動作機構重量很大。由於轉動部分太長，造成迎風面積大幅度增加，速度越高阻力越大，實際上得不償失。所以除了俄羅斯，其他國家都放棄了這種設計。

早期採用笨重矢量推力發動機的蘇27

俄羅斯矢量發動機噴管偏轉效果

全向偏轉軸對稱推力矢量技術是世界發展主流，也是中國殲10B推力矢量驗證機使用的技術，包括研製成功的渦扇10改進型發動機以及投入使用的渦扇15五代機矢量推力發動機。在這種技術路線下，噴管擴張段同時承擔偏轉與收擴雙重功能，收縮段保持原有結構不變。優點是幾乎不改變發動機性能，由於偏轉段特別靠後，推力矢量相對於重心力臂更大，所以在同樣偏轉角下產生的力矩更大。而且由於偏轉部分更短更輕，同樣的操縱功率下，偏轉速度更快，甚至可以高達60度每秒，而單向偏轉方案只能達到這個數據的一半。全向偏轉軸對稱增加的迎風面積極小，使得推力矢量工作時後體阻力更小，但對發動機機構、材料與控制提出了非常高的要求。