文 | 諸葛兵
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為了兌現小兵兵在往期文章中對粉絲的承諾，咱今天就來聊聊兔子和鷹醬家航空發動機的那點事兒~
作為工業明珠的航空發動機發展至今，飛機發動機單純的橫向性能對比，已經無法代表最主流的發展趨勢。
況且真把枯燥繁雜的數據圖表給大家拿出來，不方便大家理解，也沒什麼可讀性，所以今天胖兵選擇了一個不同的角度。
2018年的珠海航展，殲-10B TVC（Thrust Vector Control - 矢量控制噴管）表演機，之所以能超越殲-20掛彈開艙成為人氣之王，就是因為安裝了國產矢量噴管，並作出了代表性的眼鏡蛇、J-Turn、落葉飄等特有動作，彌補了中國在這一領域的空白。
▲2018年的珠海航展殲-10B TVC做眼鏡蛇機動瞬間
推力矢量，毫無疑問是當前最為尖端的航發配套技術之一。
它能夠實現推力方向，與發動機軸線方向的偏離，並輔助甚至取代傳統氣動舵面的控制，可有效提高戰機的超音速巡航、過失速機動、短距起降等能力，是五代機達成超機動性的理想標配。
▲矢量發動機這個詞並不準確，因為實現推力矢量靠的是噴管
實現這項技術的重中之重，就是矢量噴管。
而工程師們為了將它從走偏門的特殊概念，轉變為代表未來主流的成熟裝置，足足花了數十年。
許多人都認為，最早使用矢量噴管的飛機是英國霍克·西德利公司，於20世紀60年代研製的「鷂」式攻擊機。
但這種說法並不準確。
▲英國「鷂」式攻擊機
它的確是第一種具備VTOL（垂直起飛/著陸）能力的制式戰機，但最早使用矢量噴管的，卻是更早誕生的美國的YA2F-1。
▲誕生於冷戰時期的YA2F-1
也許你從未聽聞過YA2F-1這個名字，但你一定知道《紅色警戒2》中盟軍的「入侵者」戰機。
沒錯，遊戲中「入侵者」戰機的現實原型，就是同名的A-6「入侵者」攻擊機，而這個YA2F-1就是A-6攻擊機的原型機。
它由海航機大廠格魯曼（吊打零戰的F6F「地獄貓」就出自該廠），應美國海軍全天候重型艦載攻擊機的要求專門研製。
▲美國A-6攻擊機
A-6攻擊機曾是美國航母的標配，但美國海軍有要求它可以短距起降。
於是格魯曼的工程師在機身超重、初始設計又很難修改的情況下，十分大膽的給普惠J52發動機安裝了可朝下偏轉23°的矢量噴管，變相補足短距起降時的推力需要。
▲YA2F-1的矢量噴管
雖然這項設計最終因發動機性能不足等原因未被採用，但它卻提供了一種平衡起飛載重與起降距離的新思路。
也就是說，最早的推力矢量技術是用來縮短起飛距離的。
而「鷂」式所使用的「飛馬」（這名字聽起來有點奇怪）噴管，和雅克-38所使用的R27-300都是這種思路的延伸。
只不過它們用了更先進可靠的設計方案，完善了格魯曼的突發奇想，並將短距起飛概念推進至垂直起降的新高度。
▲專為明斯克載機巡洋艦設計的雅克-38，其獨特的升力布局啟發了後來的雅克-141乃至F-35
現如今，以縮短起飛距離、弱化場地限制的推力矢量技術，應用範圍則是以航母艦載機為主。
傳統陸基空優機需要的則是矢量噴管帶來的機動性提升，兩者的側重點完全不同。
而人們經常提到的矢量技術一般泛指後者。
▲英國女王級航母裝備的F-35B
有些朋友可能認為在矢量俱樂部中，美國喜歡二元，俄羅斯獨愛三元。
但這只是兩國代表戰機使用的噴管類型不同，所造成的印象錯覺而已，實際上，美俄均在兩種噴管上花了幾十年進行探索驗證。
二元矢量方面，美國早期試驗過F-15 STOL/MTD、F-18 HARV，最終實用化的就是該領域的代表機型F-22。
▲ 採用二元矢量噴管的F-15 STOL/MTD
另一邊的俄羅斯曾給一架教練型Su-27UB的左發動機，安裝楔形二元矢量噴管進行測試，並命名為LL-UV(PS)。
雖然測試結果基本符合理論預期，也證明了這種噴管的實用價值，但俄羅斯的心思並不在於此。
▲兩臺發動機元量不一LL-UV(PS)
三元矢量，或者叫軸對稱矢量才是戰鬥民族所嚮往的，也是我們更為熟悉的一種矢量類型。
它具備二元矢量所沒有的全向偏轉能力。
代表機型有米格-29OVT驗證機、裝備117S的蘇-35和裝備「產品-30」的蘇-57。
當然那些我們耳熟能詳，又令人嘆為觀止的特技動作，也基本是俄系三元矢量噴管的主打花活。
當然，這並不代表美國就玩不了三元矢量，在美國空軍、NASA、洛馬、普惠等多家巨頭的強強聯合下，美國早在上世紀就通過給F-15和F-16安裝軸對稱噴管，測出了大量數據，代表機型有F-15 ACTIVE、F-16/MATV等。
▲能夠輕鬆做出眼鏡蛇機動的F-16/MATV
而我們中國的矢量噴管，是從上世紀90年代對俄羅斯的技術追蹤開始的。
一方面有未來主流技術的預研判斷，另一方面則是俄羅斯在蘇聯解體初期的經濟困難時，進行清倉大甩賣讓我們看到了契機。
因此中國的矢量噴管，一開始就瞄準了三元這條線。
畢竟我們的航發產品線，還有這很濃厚的俄羅斯背景，大推的裝配體系、技術特徵都以俄系技術為基礎，不太可能重開一條新線重新研發二元矢量（還有一個重要原因，先賣個關子）。
▲國產矢量噴管特寫
但這並不意味著，中國未來的矢量噴管技術就要照搬俄羅斯，畢竟我們的獨創技術已經在殲-10B TVC上得到了證明。
除了全向偏轉，國產矢量噴管的每一片葉片也可以旋轉，這是其他國家的噴管所無法做到的。
如果我們按照「只要時間和資源投入到位，就能攻克關鍵技術」的邏輯來假定。
現階段的基礎性能差距有望在未來追平，那麼中美矢量技術的區別，很大程度上也就是二元和三元在性能、特徵上的區別了。
當然矢量噴管的選用，也並非是越先進越好，而是依據具體需要和整體設計來參考。
前文我們已經講到，美國很早就開始對兩種矢量噴管進行研發和測試，最終選用二元而非三元，就是一種優劣取捨。
▲美國的二元技術，實際上就是以F-22為代表
如果單看矢量效果，全向偏轉自然要比縱軸偏轉更好，但這不是沒有代價的。
三元矢量的操控遠比二元更複雜，還面臨著嚴峻的高溫和密封考驗。
在三元矢量技術的起步階段，工程師要面臨的首要問題，就是葉片的密封性不足，氣流逸散會造成推力損失和控制不穩定。
而僅這一個難題，就消耗了俄羅斯近三十年左右的時間。
▲117S是俄羅斯最先進的矢量航發，其密封技術比美國還要先進
與此同時，三元噴管的生產、維護成本也更高，控制系統也更複雜，需要噴管外側連結多根伺服杆與套環，才能完成360°同步偏轉的控制。
但二元噴管只要兩組導流板以供上下偏轉就足夠了，結構要簡單許多。
▲看看三元矢量的控制有多複雜
最關鍵的是，美國人認為三元矢量付出這些代價後，換來的性能沒有太大實際價值。
可二元矢量的優點對於美軍來說十分有價值，那就是隱身效果好。
早期F-15 STOL/MTD所使用的2D-CD二元噴口，會造成25%的推力損失，這對於每每一牛推力都十分寶貴的航空發動機來說，根本無法接受。
▲早期的2D-CD噴口，還具備反推功能
而即便是技術進步後的今天，F-22的F-119發動機，因為矢量噴管收束造成的推力損失仍在15%以上。
但它遮蔽紅外信號的效果卻十分明顯，這對於以隱形為主打性能的五代機來說至關重要。
▲F-119進行地面臺架試車
再加上美國航發的大推力獨步天下，不需要特殊的氣動設計與推力偏離，一樣可以做到超音速巡航、過失速機動等超機動特徵。
真要玩旱地拔蔥、懸空短停這種逆天機動，F-22反而吊打Su-57。
這樣看來，全向偏轉就更顯得索然無味了（推力大，真的可以為所欲為）。
▲F-22表演短距起飛+旱地拔蔥
而美國空軍也認為，隱身明顯要比玩「特技」重要得多。
再加上那個年代的飛控技術所限，選擇二元也是情理之中。
但對於中國來說，二元矢量就未必那麼適用。
▲F-22的一體化控制
研發和裝配體系這個原因前文已經提到，再有就是國產航發沒有那麼恐怖的推力。
中國飛/火/推一體控制也沒有美俄那麼成熟。
這樣一來，我們的殲20要想也具備超機動性，就需要三元矢量的全向推力偏轉，配合鴨翼氣動才能才能完成。
▲國產矢量噴管從一開始就選定了三元路線，這是項目為系統服務的必然結果
至於隱身，國產矢量噴管的三層設計與交錯布置，可以封閉葉片之間的縫隙，從而降低雷達反射率，這個設計思路與F-35使用的F-135發動機相同，問題不大。
當然，如果單純從技術角度來看，隨著飛控技術、耐熱材料等配套技術的進步，三元矢量自然要更加先進和全面一些。
如果此時讓洛馬重新設計F-22，結果恐怕會完全不同。
[1] 中國航空新聞網：小管道大學問 航空發動機尾噴管——張靜嫻[3] 新浪軍事：矢量噴管技術50年前就有了 首款安裝的軍機竟是它——空軍之翼2020年，是不是統一臺灣的關鍵點？對於這個話題，原南京軍區副司令、中將王洪光的態度十分強硬，與臺灣學者展開激烈討論。想知道各位大咖的觀點嗎？掃描下方二維碼，回復「統一」查看詳情。· 今天，這群香港"醫護人員"的可恥表現載入歷史
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