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转空军之翼,形形色色的矢量尾喷管

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最新一期的《航空知识》杂志一反之前保守形象,刊登了歼-10B矢量推力验证机的照片,首次曝光了该机的全新锯齿状轴对称矢量喷管。《航空知识》杂志是中国航空学会主办的科普性航空杂志,属于官办媒体。按照我国以往惯例,这次矢量喷管遭官媒首泄说明其研制已经成功。

从照片中矢量喷管较短的总体长度,以及喷管调节片之前独特的密封片看,验证机安装的是“太行”发动机。同时为了避让矢量喷管,该机垂尾根部的减速伞舱下方被切除了一小块。据媒体报道,歼-10B 1034号原型机是在去年12月25日进行了改装WS-10B“太行改”发动机和矢量推力喷管后的首次试飞,成为我国首架矢量推力验证机



歼-10B的矢量喷管是一种全向轴对称矢量喷管(AVEN),也就是说喷管可以向任意方向偏转,而不是像俄罗斯苏-35的轴对称矢量喷管那样只能上下偏转。相对而言,全向轴对称矢量喷管的性能更优越,但研制难度也更大。这种喷管的收敛-扩散段同时兼具矢量偏转改变发动机排气方向的作用,所以如何在维持喷管轻量化的同时不对发动机和飞机进行重大改装,都是需要解决的难题。




此外这种国产AVEN喷管还具有明显的隐身特征,末端鱼鳞片呈锯齿外形。显然该喷管不是为歼-10B准备的,因为该机作为非隐身战斗机仅安装锯齿喷管对降低RCS的意义不大。结合去年歼-20换装国产WS-10B发动机试飞的消息看,这种锯齿AVEN喷管的装机对象只能是歼-20。

锯齿尾喷管也将补齐歼-20在隐身性能上的最后一块拼图。喷管后缘呈锯齿状,锯齿边缘的角度遵循隐身设计中最基本的边缘对齐原则,将入射雷达波向特定几个角度反射,降低歼-20后半球RCS。锯齿喷管后缘在发动机喷气时能产生喷气流涡,加速尾喷管排气与冷空气的掺混,降低红外辐射。研究表明,锯齿喷管的排气核心温度与普通喷管相同,但距离喷管出口环形边缘10厘米内出口附近喷流的温度普遍降低,红外辐射强度最多能降低10%。通过歼-10B矢量推力验证机的试飞,歼-20“A状态”最终形态在动力系统的配置也越来越清晰,那就是抛弃俄发,改用WS-10B+全向AVEN尾喷管。


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1楼2018-05-12 00:33

    纵观战斗机发展史,世界各国先后已经研究出多种矢量尾喷管,但投入服役的却寥寥无几。矢量尾喷管的设计原理虽然简单,但对制造材料和飞控控制律的要求却很高,研制长寿命、高可靠性、轻重量的矢量尾喷管并不容易。下面就来盘点一下形形色色的矢量尾喷管。



    世界上第一种装备推力矢量喷管的军用飞机居然是A-6攻击机的原型机,该机的尾喷管在起降时可下偏产生直接升力,用于提高起降升力,降低起降速度,但最后没有被生产型采用。


    巡航-升力矢量喷管



    英国霍克·西德利公司在20世纪60年代研制的“鹞”式攻击机安装一台“飞马”涡扇发动机,具有4个旋转矢量喷管,可把发动机推力转换成升力。

    苏联的雅克-36也采用了类似的矢量喷管。



    同样的设计一直延续到了后来的雅克-38短距起飞-垂直降落战斗机上。



    在后来的雅克-41超音速垂直降落战斗机上,主巡航-升力发动机的矢量喷管更是发展成复杂的三轴承旋转喷管。



    三轴承旋转喷管(3BSD)的尾喷管分成三段,接面都呈一定角度,通过三个密封圆形轴承连接起来。外部马达通过驱动旋转段上的齿轮来让尾喷管向下弯曲,在这个过程中前段和后段保持不动,只是中段旋转180度。最前端的轴承负责偏航控制,可以在垂直起降模式中对喷管进行横向偏摆。



    这种三轴承旋转矢量喷管成为F-35B实现垂直起降的核心技术。在苏联解体后的俄罗斯经济困难时期,洛克希德公司以很小代价就获得了雅克-41的技术数据。


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    2楼2018-05-12 00:42
      矩形二元矢量喷管

      在20世纪80年代末的F-15 STOL/MTD(短距起降/高机动性验证)项目的第二阶段,一架F-15B的标准圆形收敛-扩散尾喷管被矩形二元推力矢量/反推喷管取代。该喷管由普惠使用化学铣削、焊接蜂窝构件制造。喷管具有上下偏转片,用于调节喷口截面积或使喷流上下偏转各20度,并在喷管上下各有一组反推叶片。



      1989年5月16日F-15 STOL/MTD验证机进行了安装推力矢量喷管后的首飞。试飞表明推力矢量喷管能使起飞滑跑距离降低25%,反推系统则可让F-15降落在500米长的跑道上,在飞行中也可能用反推系统进行快速减速,这在近距离空战中非常实用。在试飞期间F-15 STOL/MTD进行了多次推力矢量起飞,抬前轮速度低至67.6千米/时,最短的降落距离低至416米,而标准F-15的降落距离为2286千米。


      普惠随后根据F-15矩形二元矢量喷管的研制经验,为YF-22/F-22研制出了实用化的矩形二元矢量喷管。在全权限数字发动机控制系统的控制下,F-22的收敛-扩散喷管可以向上或向下偏转达20度。尾喷管不仅提高了F-22的敏捷性,还降低了飞机喷气系统的雷达和红外特征。
      F119的二元矢量喷管采用相应的边缘平行设计,降低了喷管系统的雷达特性。此外这种喷管的喷流核心流温度区域明显减小,降低了红外特征。F-22的矢量喷管在外形上完美融合如机身曲线,内部开有小孔,能够强化发动机外涵道引气对尾喷管的冷却。

      铁幕另一边的苏联也没有闲着。1989年,留里卡-土星科研生产联合体和苏霍伊设计局把苏-27UB“侧卫-C”战斗教练机“蓝色08号”改装成推力矢量技术测试平台。该机在改装了左侧发动机舱后,装上了尾部呈楔形的矩形二元矢量喷管,被称为LL-UV(PS),即俄语“推力矢量技术测试机(偏平喷管)”的缩写。与F-15S/MTD不同的是,LL-UV(PS)的右发保留了标准轴对称喷管。LL-UV(PS)的试飞肯定了矢量喷管的价值,对飞机敏捷性的改善符合预期。


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      3楼2018-05-12 00:49
        推力矢量偏流板



        1987年美国NASA启动了F-18 HARV(大迎角研究机)研究项目,给F-18 840号研究机尾部安装了推力矢量偏流板,每台发动机安装了一组3片勺形扰流板。在大迎角常规控制翼面失去作用时,推力矢量装置还可以可提供俯仰和偏航力矩。为了缩短扰流板所承受的力矩,NASA去掉了840号机的尾喷管,使该机无法进行超音速飞行,但对亚音速性能没有任何影响。飞控计算机也经过修改以兼容矢量扰流板。



        凭借矢量推力,F-18 HARV达到70度的最大稳定飞行迎角(普通“大黄蜂”的最大迎角为55度)。大迎角滚转最大迎角达到65度(普通“大黄蜂”为40度)。



        在同时期美德合作的X-31研究机项目中,矢量偏流板再次现身。该机在通用电气F404-GE-400涡扇发动机尾喷口处安装了三片推力偏流板,可作正负10度的偏转,并能长时间承受最高1500度高温。X-31用来验证推力矢量技术结合先进飞控系统的可行性,用推力矢量技术和鸭翼来实现常规飞机无法完成的大迎角机动。


        这种矢量偏流板只是矢量喷管成熟之前的过渡设计,其设计过于简陋,偏流板之间漏气严重,矢量推力效果欠佳,属于早被淘汰的技术,没想又在日本三菱ATD-X验证机上复活了,浓浓的复古味道扑面而来


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        4楼2018-05-12 00:53

          在1993年开始的F-16MATV(多轴推力矢量)研究项目中,通用动力公司为NF-16D测试机的F110-GE-100发动机更换了轴对称矢量喷管(AVEN)。AVEN通过喷管的偏流部分使超音速喷流改变方向来实现推力矢量,与推力矢量偏流板相比,这样可以避免压力波动传导入发动机内部导致压气机失速。尾喷管偏流片成环形排列成一圈,通过以120度间隔布置的3个液压动作器控制偏转,动作器拥有独立的动力单元。



          喷管可向任何角度偏转17度,产生的轴向和侧向推力通过喷管传导到发动机。AVEN的优势是可安装在任何具有F110发动机和数字飞控的F-16上。尾喷管的3个动作器受控于矢量电子控制(VEC)单元,该单元改进自F110-GE-129的全权限数字发动机控制系统。



          NF-16D还准备安装测试普惠的俯仰/偏航平衡梁式喷管(P/YBBN)轴对称矢量喷管,这种该喷管适用于F100-PW-229发动机,具有全向推力矢量功能,最大偏转角20度,但后来取消。

          1996年,P/YBBN喷管装上F-15 STOL/MTD验证机进行了推力矢量试飞,探索超音速条件下矢量推力的应用以及使用矢量推力取代垂尾的可能性。
          20世纪90年代初,俄罗斯也开始研究轴对称喷管。克里莫夫设计局在21世纪初推出了RD-33OVT发动机,配备的轴对称三元矢量喷管具有结构简单、重量轻和容易操作的优点。尾喷管通过间隔120度的3个液压作动器来偏转,偏转速率30度/秒,能够全向偏转18度。米格-29OVT的试飞员表示该机的“眼镜蛇机动能达到150度迎角,也就是此时我实际是躺在座椅上,而且我能以这个姿势持续一段时间,然后轻松改出。”

          莫斯科礼炮航空发动机联合体也在同期为AL-31FM1发动机研制出了轴对称三元矢量喷管,并在2003年安装在苏霍伊设计局的苏-27LL验证机上进行了测试。



          这种尾喷管的目标客户据说是中国,曾多次安装在AL-31FN发动机模型上来华展示。要知道当时俄罗斯空军还未装备任何推力矢量“侧卫”战斗机,后来装备的苏-35和苏-30SM也全部使用 关节式轴对称矢量喷管。由于我国当时已经在自主研制全向轴对称矢量喷管,礼炮的如意算盘最后落空。



          俄方对这种推力矢量喷管的信息公布不多,推测结构应该和米格-29OVT的差不多。去年10月28日,莫斯科市长谢尔盖·苏比雅宁视察莫斯科礼炮航空发动机联合体时,新闻照片显示了这种尾喷管最新的锯齿隐身改型,装机对象不明 。


          我国轴对称三元矢量喷管研究起步较早,虽然官方没有公布确切时间,但公开资料显示是在21世纪初。早在2003年12月15日,工程院院士、航空动力工程专家刘大响教授就在央视《百家讲坛》栏目《飞翔的动力》中证实我国606、624所自行研制的轴对称矢量喷管已经进行台架测试,运转得非常成功,而且比国外同类产品更加灵活。


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          6楼2018-05-12 01:12

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