刷屏的矢量發動機,到底是啥?

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為什麼眼鏡蛇這麼牛？

從頭說

物理學上的矢量

1.有些量既要有數值大小（包括有關的單位），又要有方向才能完全確定（幾何對象），一般來說，在物理學中叫它矢量（vector或vector quantity），在數學中叫它向量，也就是有方向的量。

 

2.直觀上，矢量通常被標示為一個帶箭頭的線段，線段的長度表示矢量的大小，箭頭所指的方向表示矢量的方向。物理學中的力、力矩、位移、線速度、加速度、動量、衝量、角速度、角動量、場強、電流密度、磁矩等，都是矢量。

什麼是矢量噴管？

大家都學過矢量，矢量是一個既有大小又有方向的物理量，也就是說矢量可以改變方向。這個特性反映在發動機尾噴口上就是發動機的噴出的氣流可以改變方向，這個氣流可以看做一個矢量，有大小有方向。發動機噴出的氣流平行於飛機軸線向後。而發動機是不能轉動的，想要使這個氣流朝其他噴就要在發動機噴口處加裝一個可以轉動的管子，這個管套就是矢量噴管。矢量噴管相比於常規噴管的最大外觀特徵就是矢量噴管能夠把發動機尾噴口的截面轉到與飛機軸線不垂直的方向上。就像下圖這樣：

我們知道飛機靠各種舵面來控制飛行方向，然而在一些特殊情況下，例如大迎角，超音速機動，尾翼等舵面控制方向的能力就會因氣壓，氣流的變化而大幅下降，這時要想有效控制飛行姿態就需要對發動機噴流進行方向調整，這就需要矢量噴管的轉向來完成。矢量噴管可以使飛機進行任意的精細姿態調整，進而做出各種機動動作，例如在空中翻筋鬥，攤煎餅(以機尾為軸，機頭水平方向360旋轉），落葉飄（飛機一邊水平旋轉一邊垂直下降）等。我們在各種大型航展上看到的那些「逆天」的戰鬥機機動動作都是由矢量噴管完成的。

矢量噴管主要可以分為：二元矢量噴管，三元矢量噴管（軸對稱矢量噴管），折流板矢量噴管。二元就是尾噴管只能作上下擺動,高溫高壓燃氣也只能改變上下方向。三元的意思就是噴管可以360度全向偏轉。從噴口形狀看，二元矢量噴管的噴口是矩形的，三元軸對稱矢量噴管的噴口截面是圓形的。折流板矢量噴管是靠發動機噴口處3塊折流板調整噴流方向。

在矢量噴管的應用上，美國應用的二元矢量噴管。F22戰鬥機的尾噴管是典型的二元矢量噴管，可以上下調節角度。同普通的戰鬥機尾噴管相比，這種處理有兩個優點：一是加強機動性。上下可調的矢量噴管提供了額外的控制俯仰的能力，可以在俯仰這個維度提高飛機的機動性。二是降低紅外線特徵。矩形噴口能夠使高溫尾噴流與冷空氣充分混合，從而降低了飛機的紅外線特徵，也算是隱形的一部分。

二元矢量噴管還有一個優勢就是利於減阻，由於噴口扁平，後機身呈縱向逐漸收扁的狀態（按照常識去理解，扁平的東西在空氣中受到的阻力一定比圓的東西的阻力小），這樣就有效地降低了超音速巡航時的後體阻力。

當然這個東西也是有缺點的，一是二元矢量噴管只能在上下兩個方向上偏轉，不能全向調整噴流方向，使飛機在水平方向上的機動有所欠缺。（例如空中攤煎餅的機動）。二是損失部分推力，這個很好理解，圓是一個在各方向上對稱的圖形，圓截面噴管裡的氣流流動是均勻的，四周的流速也是均勻的。而矩形截面有稜角，在稜角處氣流受阻力較大，流速降低，產生的推力就會損失。

圖為F22「猛禽」戰鬥機二元矢量噴管上下兩個偏轉板，兩個偏轉板同時上偏或下偏可以使噴流方向向上或向下調整。兩個偏轉板一上一下偏轉可以起到收斂擴張噴管的作用。

裝有二元矢量噴管的美制F119-PW100發動機（F22戰鬥機的發動機）噴流效果圖

三元矢量噴管的噴口為圓形，能夠360全向偏轉，任意改變推力方向。主要為俄羅斯研究並應用，因此也稱為俄式矢量噴管。在這裡，依據三元推力轉向的機理不同，又可分為留裡卡-土星式噴管和卡裡莫夫式噴管。

如圖為俄羅斯留裡卡-土星設計局研製的三元矢量噴管，這種噴管並不是真正意義上的三元軸對稱矢量噴管。我們可以看到，這種噴管的轉動軸線是傾斜的，噴管整體轉動，只能在沿軸線方向上下或左右15度的範圍內偏轉，從本質上將是一個二元噴管。但是俄羅斯人巧妙地把噴管軸線各向外傾斜32度，使得發動機推力在沿軸線轉向時產生水平方向的分量，模擬出水平轉向的效果。這是一種二維仿三維的運動。

俄羅斯卡裡莫夫設計局的三元矢量噴管則是真正意義上的全向轉動的軸對稱矢量噴管，與歐美在研的矢量噴管類似。美國也驗證過這種全向推力轉向的噴管。這種噴管的推力轉向依靠的是一圈偏轉片中每一個偏轉片的精細偏轉，因此可以使噴口全向偏轉。

這種矢量噴管是問題最大最腦洞的矢量噴管。它的思路是這樣的：在噴口處一圈放3個相互夾角120度的板子，靠3個板子偏轉改變推力方向。如下圖：

當然我們一眼就能看出它的問題：這個噴管的封閉性太差了，大部分氣流從兩個板子間的空隙跑出去了，推力自然就損失了。這就像我們拿著一個布滿豁口的水管子噴水一樣。到目前為止，只有日本「心神」驗證機，美國X31驗證機使用了這種噴管。

配矢量噴管的戰機比較

珠海航展，殲20編隊一次又一次在珠海機場上空來回翻飛，而殲10B戰鬥機也不停的秀推力矢量噴管，謀殺了眾多資深航空攝影師的快門次數，網絡上大量高清大圖流傳，但是不少朋友還是覺得有點蒙圈，為啥看起來殲10B的推力矢量噴管和原始太行發動機噴管沒啥兩樣，都一樣尺寸，地面停機下垂也不明顯，不像俄羅斯蘇35戰鬥機粗長的噴管那麼醒目。

這就是殲10B的推力矢量噴管下垂圖

這是蘇35戰鬥機的推力矢量，從這個角度看下垂不明顯，但是

這就是蘇35戰鬥機的推力矢量噴管，很長吧，大家記住噴管直徑大約1米

小紅圈是中國殲10B推力矢量，大紅圈是俄羅斯蘇35設計師思路，差距很大

從外表來看，都是圓柱形的噴管，有人就會覺得差不多，其實俄羅斯蘇35這種推力矢量噴管水平設計太差，可以算世界倒數，當然和俄羅斯歷史上推力矢量噴管來比還是強不少。

推力矢量這個技術其實不是新花樣，50年代開始很多飛彈都開始使用，但是一直到了80年代，戰鬥機設計師在70年代開始三代機格鬥上得到的經驗表明，普通三代機由於氣動舵面天生的特性，舵面從20度大多就開始氣流分離，到了30度幾乎幾乎不可用，整機最大可控迎角一般不超過30度，這嚴重限制了飛機機動性發揮，所以科學家就放棄了普通氣動舵面控制這一個路子，將目光投射到發動機上。

典型三代機機動性雖然比二代機大大提高，但是迎角大多不差過30度

發動機有個好處就是，安裝位置靠後，而且推力巨大，稍微噴管偏轉一點就可以得到很大的控制力矩，這就成了新科技的一個制高點，美國俄羅斯都耗費巨資開發推力矢量技術，扁的圓的，單方向的全方向的都有，最終F22第一個使用扁平推力矢量噴管服役，極大的提高了飛機機動性，以及隱身效能，但是帶來了巨大的發動機推力損失和巨大的重量增加，即使採用了航天陶瓷技術瘋狂減重，一臺F119發動機推力矢量噴口加控制系統增重就超過200公斤。

美俄爭霸，跟風是俄羅斯人本性，俄羅斯人在蘇27上採用的扁平推力矢量技術，則遭到大敗，高溫燃起從燃燒室流動到噴口，圓形轉方口推力損失高達14%-17%，而且發動機增重超過半噸，要知道AL-31F發動機整機才1500公斤，幾乎三分之一，一架蘇27使用兩臺推力矢量發動機的話，整機尾部就要增重1噸，為了配平機頭也差不多增加1噸，全機增加2噸重量，這飛機完全廢了，所以俄羅斯跪了，轉向圓形推力矢量，學名叫軸對稱推力矢量。

F22戰鬥機採用先進二元推力矢量，誰都不敢跟進，增重實在太多，推力損失太大

最終俄羅斯人採取了比較保守穩妥的設計，在AL-31F發動機上進行改進設計，型號改為AL-31FP發動機，設計特點是安裝在喉道前的萬向球形結構實現了俯仰偏轉，這種設計的優點是，運動結構簡單，容易實現，缺點是冷卻和密封難度大，最終AL31FP發動機噴管轉向部分使得發動機增重110公斤，長度增加0.4米！

可以看出，蘇35推力矢量噴口運動方向是傾斜的

蘇35戰鬥機的推力矢量採用萬向接頭式，由面積可調的收斂擴散噴管和可偏轉的球形結構框架組成，球形結構框架安裝在喉道前，通過繞萬向球形接頭轉動收斂擴散噴管整體產生偏轉得到矢量推力。

AL31FP發動機推力矢量噴管偏轉軸線和垂直方向成32度夾角，偏轉角度僅為15度，轉向速度每秒30度，通過同步動作和差動，可以讓飛機得到垂直方向和側面方向矢量推力，這種設計也延續到了蘇57戰鬥機上，噴管控制系統媒介為封閉在發動機控制系統中的航空油料，省事省錢。

這就是蘇35發動機的推力矢量運動模式，同步動作和差動

從技術來說，俄羅斯人的推力矢量技術非常非常原始，設計師不敢在發動機噴口喉道以後做動作，所以在加力燃燒室段做的鉸接，距離成飛殲10B這種平衡梁式的差2代技術，殲10B推力矢量噴管技術是在每一個做動器上的喉道和擴散一起動作，先進很多。

殲10B推力矢量噴口可以360度隨便動作，比蘇35設計更好些

而殲10B的推力矢量技術是作動環式的，它由矢量調節作動筒，喉道面積調節作動筒，調節環和調節環支撐機構組成，殲10B的推力矢量設計方案，和美國F110發動機上的差不多，軸對稱矢量噴管有3個相互成120度的三個矢量調節作動筒，多個喉道面積調節作動筒，可以360度全方位偏轉，最大偏轉角速度60度每秒。

這是中國一個推力矢量方案，和殲10B大體相似稍有小小不同

按照某些資料的說法，按照推力矢量設計準則，俄羅斯方案完全不合格，推力矢量設計大體有以下要求：

矢量偏轉角度應該達到20度，偏轉後發動機性能損失小，穩態和過渡態矢量對發動機節流無限制，外形尺寸小，矢量對飛機尾翼無幹擾，俯仰矢量推力最大應該達到20%的發動機加力推力，偏航矢量推力最大應該達到10%加力推力，俯仰變化率最大60度每秒，偏航則為30度每秒，控制系統特性應該滿足推力矢量噴管動靜特性要求。

發動機推力矢量偏轉角度，和偏轉快慢都很有講究

按照這個標準來說，蘇35的推力矢量嚴重不達標，主要體現在偏轉角度小，只有15度，而且外形尺寸大，高速飛行偏轉帶來阻力過大，俯仰變化率也不夠快。

實際上來說，殲10B推力矢量技術完爆蘇35推力矢量技術，增重預計40-50公斤，對發動機和整機影響極小，而且噴管壽命很長。

殲-10B的矢量型發動機公開，讓我們看到了中國在新一代發動機的研製路程上出現的曙光，我們珠海看到這架殲-10B的精彩表演時，我們也應該想到，安裝矢量噴管的新殲-20改型也許已經不用多長時間了。

（公開網絡資料整理）

來源：軍購資訊，航空知識，我愛飛機