眼鏡蛇機動只是小兒科:有了推力矢量,殲20戰翻F-22不是夢

2021-02-13 講武堂

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最近網絡上出現了不少殲10戰鬥機的推力矢量高清大圖,這會給殲10戰鬥機提升多大能力?而推力矢量是提高機動性最佳黑科技,沒有之一,我們不禁要問,假如殲20也換裝推力矢量技術的話,飛機能有多少翻天覆地的變化?能不能一手搞定F22,F35戰鬥機?

殲10B戰鬥機終於裝上了全向推力矢量發動機

注意尾噴管分裂比較大,而且減速傘艙開了個缺口躲避發動機噴管

當然,要搞清楚這個問題,先看看美國俄羅斯推力矢量技術,究竟有多牛。

簡單一點,從中國人民的老朋友蘇27戰鬥機說起,眼鏡蛇機動就是蘇27的招牌動作,群眾津津樂道,其實這個東西華而不實,就是一個不受控的上仰自然恢復過程,飛行員在時速400公裡到過500之間平飛,飛機不帶坡度和側滑,呼啦一下將操縱杆拉到底,眼鏡蛇就起來了,起來以後飛機姿態會慢慢的自動恢復成平飛模式,不過整個過程中,飛行員必須斷開迎角限制器,否則飛機起不來。

眼鏡蛇機動的典型示範

正因為蘇27做眼鏡蛇機動的時候,限制很多,而且機頭拉起來之後,飛行員不能隨意做動作,必須等飛機自己恢復之後才能接手操縱,假如飛行員急躁了點,沒等飛機恢復就開始動作,這很可能帶來失控墜毀的悲慘結果,所以俄羅斯的眼鏡蛇操作要求很嚴格,不是一個可以正常使用的動作,做表演很賞心悅目。

在歐美一片質疑聲中,俄羅斯人並沒有停下腳步,而是跟隨美國F15和F22的步伐,給蘇27裝上了推力矢量噴管,終於讓蘇27家族飄了起來,不僅眼鏡蛇機動性,黃鼠狼機動都隨便做。

這就是眼鏡蛇機動的增強版-黃鼠狼機動性,不過速度限制還是類似的,畢竟酥27骨架脆嘛

殲20戰鬥機設計,採用了升力體鴨式布局設計,飛機具備高機動和隱身性能,核心要求超音速階段,超音速巡航擊斃敵人是非常爽的事情,亞音速不作為核心要求,雖然如此,現階段殲20戰鬥機在不採用推力矢量技術的情況下,照樣做到了60度迎角可控,這個指標趕上了美國F22。

難道殲20換了推力矢量技術之後,只能做這種眼花繚亂的黃鼠狼機動了嗎?黑科技僅僅用來作秀?

當然不是,推力矢量有巨大的收益,尤其對於空中優勢戰鬥機,這個不是單純的作秀。

採用推力矢量噴管改變噴氣流的推力方向為操縱飛機直接提供附加的力和力矩; 二是根據飛行的需要 將推力矢量控制與飛機氣動舵面控制相互協調匹配起來進行綜合控制從而滿足飛機對提高機動性能的進一步要求,這就是俗稱的飛行控制系統,火力控制系統,發動機控制系統三合一。

推力矢量,分成二元和三元,最早使用的就是F22戰鬥機,這是一種二元噴管,外表長方形, 其主要指標是 推力矢量角為正負20 度,角速度為 45 度/秒,後部外廓尺寸扁平,大大降低了尾阻和後機身阻力,使得F22不僅機動性能優良, 而且對紅外隱身有很大好處,而且利於超音速巡航,這種噴管的缺點是結構比較笨重,一個發動機增重將近200公斤,內流特性較差,高溫氣流從圓形的燃燒室轉到方形噴口,會損失3-5%的推力,外加F22的大S進氣道,相比蘇57的直通進氣道壓力恢復係數也有3%以上的損失,從結果來看,F119發動機的二元推力矢量設計,讓F22達到了無與倫比的隱身和超音速巡航,物有所值。

F22的扁平推力矢量,雷達隱身好,紅外隱身牛,就是太重,太吃推力

二元推力矢量最早批量應用,但是在流動損失和增重上,讓人完全吃不消,所以科學家又展開了更輕更好的推力矢量研究,這就是三元推力矢量,就是圓形的可動屁股,學名軸對稱矢量噴管。

軸對稱矢量噴管 有兩種方案: 第一種是俄羅斯的笨重方案,圓柱段軸線偏轉矢量噴管 其主要特點是把噴管的圓柱段分為前後兩截 在搭接處的左右兩側設置了兩個側向銷軸 這樣後段的排氣噴管(即軸對稱噴管的收斂擴散段)就可做俯仰平面內的上下擺動 從而獲得附加的操縱飛機的力矩,該裝置的優點是運動原理非常簡單, 原軸對稱收斂擴散噴管可以不做任何改動,其缺點是轉動段長度達1.3-1.7米,而且轉動部件靠前,不僅外阻很大,而且結構上受到的附加載荷很大 另外圓柱段轉動帶來密封問題,這些都使之結構較複雜,重量增大太多,除了戰鬥民族,全世界都不敢玩。

蘇35的推力矢量噴管,太長太重,嚇死人

第二種就是擴散段氣流偏轉的軸對稱矢量噴管,該方案完全保留了軸對稱收斂擴散噴管的良好氣動性能 只是在結構上擴大了擴散段的功能 使之既產生超音速氣流 ,又能按飛行需要偏轉氣流方向,由於氣流偏轉是在擴散段內實現的 所以它的氣動載荷要小得多,它的操縱動作系統可以做得比較輕巧,另外它是在出口截面上實現噴氣流偏轉的,所以新增力矩也最大作用效果最佳,該方案得到了飛機設計師和發動機設計師一致讚揚,其突出優點是飛機不需要作較大的改裝即可實施, 新舊飛機都可安裝 很容易在現役飛機上作此項技術的試驗驗證,這就是殲10B戰鬥機現在的推力矢量技術。

GE的軸對稱矢量噴管(AVEN),可任意方向偏轉17度,尾噴管偏流片成環形排列成一圈,通過以 120 度間隔布置的 3 個液壓動作器控制偏轉,動作器擁有獨立的動力單元。另外AVEN技術可用於任何一架F-16上。

我國太行發動機也有類似的改型,預計相同的技術也將應用在殲20戰鬥機上。

中國太行推力矢量控制裝置,3個活塞杆推動

推力矢量的好處在哪裡?

格鬥無敵:

推力矢量可以幾乎無限制增加飛機的可用迎角,三代機的迎角範圍大部分都是24-26度,多了就要失控,在空戰中要獲勝,就必須提高飛機的敏捷性 為飛行員快速調轉機頭,擴大使用迎角(F-l6 的使用迎角限制在 25 度 而 F-22 的則已擴大到 60 度) 則一定要採用推力矢量技術。

隱身更牛:

採用推力矢量噴管進行飛機後體與排氣系統一體化設計,可使飛機尾翼面積減小,其雷達反射截面也會相應減小,從而提高飛機的隱身性能,F-22 戰鬥機採用的二元矢量噴管與後機體進行一體化設計,其大寬高比二元噴管9可大幅度降低噴管射流的紅外輻射強度明顯地改善隱身性。

這就是美國發動機推力矢量最佳方案之一,我國太行發動機設計也類似

超音速巡航更牛:

超音速巡航,要求發動機不開加力就使得飛機具有超音速巡航能力,一方面是提高飛機的不加力推力; 二是減小超音速飛行時的阻力,提高飛機的升阻比, 採用推力矢量技術, 並與飛機進行一體化設計,可使飛機的阻力減小,重量減輕對超音速巡航有利。

推力矢量化不僅因噴流升力而提供直接升力增量,還因噴管靠近機翼後緣,噴流對機翼形成超環量而提供部分間接升力增量,飛機阻力減小,阻力減小了航程當然增大,飛機重量也可以減輕,可使有效載荷增大,美國對於採用二元推力矢量的研究,航程提高程度從2%-21%不等,假如參數選擇合理的話,收益還是很可觀的。

下面讓我們看看推力矢量的真實威力:

F15SMTD採用了帶反推裝置的二元推力矢量發動機

下面的問題來了,推力矢量這麼好,為啥美國的F15,F16不做改裝,而讓俄羅斯人拔了頭籌?

理由很簡單,不是原始設計的改裝重量代價太大,F16MATV推力矢量驗證機,尾部增加了200公斤重量,為了平衡,機頭也增加了200公斤,最終不堪重負,取消完事。

另外一個理由就是,F16原始設計沒有考慮推力矢量,所以飛機機翼機身設計都明顯笨重,採用推力矢量後,要達到最優,就要對飛機到處動手術,機翼減小,平尾垂尾要減小,後機身要加長加強,這麼一套下來,這飛機也不剩啥了,代價太大,得不償失。

推力矢量提高機動性效果還是很明顯的,尤其是格鬥,美國的X31技術驗證機,採用簡單的3擋板推力矢量技術,和F18近距離格鬥,取得了8:1的絕對優勢。

就是這麼簡陋的3塊擋板推力矢量,格鬥時直接把F18戰鬥機吃的死死的

現在世界各國戰鬥機從速度流,轉向敏捷性,其中一個主要的思路就是機頭指向必須快,機頭指向快,可以更快把飛彈射出去,而提高機頭指向性的最好辦法就是推力矢量,畢竟發動機推力大,尾噴管位置特別靠後,偏轉形成的推力矢量力矩也大,在俯仰方向偏8-10度幾乎等於舵面偏20-30的效果,而且效果更快捷.

飛機採用推力矢量後,很多特性都會有改善,由於超環量使得飛機升力增加阻力減小,特別是低速時候更明顯,由於飛機總阻力減小,航程會增加,推力矢量使得飛機的持續轉彎速度和瞬時轉彎速度增加,大大改善了飛機的敏捷性,使用推力矢量使得飛機滑跑距離明顯減小。

殲20戰鬥機,機翼面積和垂尾面積偏小,這個是考慮了推力矢量的結果

殲20戰鬥機改裝推力矢量渦扇15發動機之後,估計超音速巡航和機動性會有更好的表現,超音速巡航1.6馬赫,超音速機動5g以上不掉速度,完全和F22持平。

另外還可以優化隱身操縱模式,在不需要大機動的場合,可以減小鴨翼和襟翼舵面的偏轉角度甚至不要動,保持最佳隱身氣動外形,讓發動機噴口上下左右微動即可,提高隱身性能。

到了這個時候,橫掃F35,幹挺F22不一定是夢想。

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