中国战机矢量喷管的原理是什么?能否有图解?

迟到的早晨

图来了!

这是我们的WS-15发动机的矢量喷管运行状态。

其实啊,矢量喷管并不是什么新的技术,在老老年间导弹上面都是用类似的功能的,只不过矢量喷管将这项技术更加精细化了。

早期导弹为了控制方向用了一种技术叫做燃气舵。通过在火箭发动机喷管位置的3-4个挡片控制火箭发动机喷射气流达到转向目的。如果有兴趣的话,可以到军博去看看军博里面的DF-2导弹的喷管,里面就是有燃气舵的。

各种导弹单纯依靠舵面的不同角度就可以控制导弹的飞行轨迹了。后来燃气舵又逐渐的在飞机发动机上开始试验——例如X-31。X-31技术验证机的矢量推进从本质上还是燃气舵的推进方式。

燃气舵的使用可以比较粗旷的改变发动机气流的方向,但由于大家所看到的燃气舵舵片之间存在着巨大的空隙,因此燃气舵的效率实际上并不高。


矢量喷管就是在燃气舵的基础上将整个喷管进行封闭。这样推力的损失就降低到最低点了。


如果从原理上来说实际上就是机械原理了,通过轴球片将喷口做成可动效果。在外侧依靠液压传动装置控制喷口的指向,例如前面动图中可以看到大量的液压杆在不断的伸缩操作。

而这里的矢量喷管还要注意区别于F-35的可转向喷口。

F-35上面的动作实际上并不是矢量发动机动作。F-35是利用了斜面管道将喷口转至垂直于地面的,这个动作本身除了垂直地面的操作外并无其他方向的矢量控制能力。


至于网络上还有一个图片,演示的也不是矢量动作

这张图片显示的是发动机改变口径从而改变喷出气流速度的演示。

就矢量发动机来说目前俄国做的最好,我们其次。

不过以目前的WS-15的矢量发动机技术来说我们的战斗机够用。再大的矢量动作,恐怕我们的战机承受不住类似于上图的过载了。


军武数据库

图注:中国的推力矢量技术走的是隐身轴对称柔性矢量喷管技术,目前已经在歼-11战机上完成了初期试飞

推力矢量技术是指发动机推力通过喷管或尾喷流的偏转产生的推力分量,来替代原飞机的操纵面或增强飞机的操纵功能,从而对飞机的飞行进行实时控制的技术。

我国的推力矢量技术走的是与美国和俄罗斯都不太相同的道路,我国走的是轴对称柔性矢量喷管技术。柔性喷管技术顾名思义,即要求喷管偏转时偏折处尽量圆滑过渡。我国的技术路线是让尾喷管每一个调节片均可向其截面圆径向的内、外方向偏转,通过调节各个片相对偏转方向和角度,实现尾喷管的全向偏转,使飞机获得三维空间多自由度矢量控制能力。该喷管偏转角度可达到十几度,推力损失理论上可以小于2%,实际工程中也可以做到5%左右。

相比于美国的二元矢量喷管技术和俄罗斯的非隐身轴对称刚性矢量喷管技术,该喷管较好地克服了二元矢量喷管体积重量较大的缺点,也弥补了非隐身轴对称刚性矢量喷管偏转较为生硬,推力损失较大的不足,具有诸多优点。但该喷管控制机构复杂,对元器件小型化和可靠性要求很高,对控制率要求苛刻。

尽管面对巨大的技术挑战,我国科技人员仍实现了突破:该矢量喷管近年已在歼-11飞机上完成了初期试飞,成熟程度较高,目前在单发的歼-10B飞机上试飞。从用于单发飞机试飞的情况来看,其可靠性已经相当高,接近可装备状态。该喷管未从歼-11直接转移到歼-20飞机上试飞,主要原因是常规布局歼-11的火/飞/推一体化控制规律和鸭式布局歼-20差别较大,以同为鸭式布局的歼-10B过渡更稳妥。目前歼-20已经配装太行发动机批产,近期该喷管必然用于该机。


兵工科技

我国歼-10B战斗机上测试的矢量喷管是一种轴对称全向矢量喷管(AVEN),也就是说能向任意方向偏转,而不是和苏-57和F-22的尾喷管一样仅能上下偏转,网传国产矢量喷管的最大偏转角度达25度。

典型的AVEN喷管都是通过同步环结构来实现矢量偏转的,如果不出意外的话,我国的这种矢量喷管同样采用该结构。

以普惠公司研制的的俯仰/偏航平衡梁式喷管(P/YBBN)为例(虽然这种喷管有个拗口的名字,但实质上仍然属于AVEN喷管),该喷管通过一系列环绕发动机壳体的动作筒来驱动一个同步环结构,而同步环又与尾喷管的每一片封严片呈刚性连接。

当动作筒同步驱动同步环向发动机前部移动时,就拉动封严片呈扩散运动,使喷管截面积增加。

当动作筒同步驱动同步环向发动机后部移动时,就推动封严片呈收敛运动,使喷管截面积减小。

当动作筒异步驱动同步环使其向一个方向倾斜时,封严片也会被带动向同一方向整体倾斜,从而实现尾喷管向任意方面的矢量偏转。此时动作筒仍能够整体前后移动来调整尾喷管的截面积。

从EJ200 AVEN喷管的动图中,可以明显看到这个同步环结构。

从歼-10B矢量推力验证机的矢量喷管看,我国AVEN喷管在设计上非常注重隐身设计,后缘呈锯齿状,外部整流片为两段式设计,中间有铰链可以横向旋转,能使整流片更加贴合尾喷管的矢量偏转,维持隐身外形。因此,这种喷管是为歼-20战斗机的WS-10B发动机准备的。


航空爱好者AMR

之前J-10上实验的矢量喷管在分类上属于AVEN矢量喷管。

AVEN也就是轴对称矢量喷管,不过并不是所有的圆形喷口的矢量喷管都是轴对称喷管。其末端鱼鳞片有锯齿特征,很明显是照顾到隐身设计的。该型喷管很显然是给J-20准备的。WS-15+AVEN矢量喷管会给就J-20的性能带来长足的进步。

结构如图所示,当然最后实际应用中的轴对称喷管的结构肯定比这要复杂一些,常见的AVEN喷管的运动构件就超过200个。

在扩张段增加铰链或者采用球铰,保持收敛段结构不变,只对扩张段进行偏转。其中机匣(1)用于支撑整体结构,调节片与密封片交错布置。(密封片就是用于在喷管偏转时堵上缝隙的),喷管转动由摇臂拉杆带动。喷管的最大偏转角度为17-20度。

AVEN喷管是在常规的机械式收扩喷管上发展来的,就技术上讲,作为一种内推力矢量喷管技术,其具有简单,轻量化,风险低的特点,平台本身的适应性改装工作量小。虽然AVEN喷管在技术上不是太先进,但是其技术性能非常适合用于单发飞机。

外推力矢量技术就是在喷管外面加上调节片,通过调节片改变发动机喷出的高温气流的方向实现推力矢量。不过外推力矢量技术早就被淘汰了。

目前国内的AVEN喷管还处于实验状态,其最主要的目的是为以后的二元喷管(2D-C/D)

乃至于更先进的球面收敛片矢量喷管(SCFN)积累经验。

就技术性能上来讲,J-10B实验的AVEN矢量喷管要比俄罗斯的关节式轴对称矢量喷管更复杂,因为关节式轴对称矢量喷管只能上下偏转,而且重量较大。Su-30MKI的AL-31FP就只能上下偏转15度。


贞观防务

去掉外壳后的矢量发动机,其内部的作动筒和密封片设计一目了

矢量发动机可更加灵活的改变飞机动力的方向,使飞机的操控性更强,可以完成更高难度战术动作。

我国的涡扇——10B、涡扇——15发动机在2002年连续216小时的极限运行国产矢量喷管。隔热密闭条件下的极高温度气流偏转控制,是矢量尾喷管的技术攻关点。

中国歼——20的涡扇——15也装了国产矢量喷管,是完全国产的矢量发动机。


浦江县职业技术学校

中国战斗机的情况不知道。这是军事秘密。

知道我也不会说的


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