形形色色的矢量尾噴管
原創： Armstrong 空軍之翼
2018-05-18
最新一期的《航空知識》雜誌一反之前保守形象，刊登了殲-10B矢量推力驗證機的照片，首次曝光了該機的全新鋸齒狀軸對稱矢量噴管。《航空知識》雜誌是中國航空學會主辦的科普性航空雜誌，屬於官辦媒體。按照我國以往慣例，這次矢量噴管遭官媒首洩說明其研製已經成功。
從照片中矢量噴管較短的總體長度，以及噴管調節片之前獨特的密封片看，驗證機安裝的是“太行”發動機。同時為了避讓矢量噴管，該機垂尾根部的減速傘艙下方被切除了一小塊。據媒體報道，殲-10B 1034號原型機是在去年12月25日進行了改裝WS-10B“太行改”發動機和矢量推力噴管後的首次試飛，成為我國首架矢量推力驗證機。
殲-10B的矢量噴管是一種全向軸對稱矢量噴管（AVEN），也就是說噴管可以向任意方向偏轉，而不是像俄羅斯蘇-35的軸對稱矢量噴管那樣只能上下偏轉。相對而言，全向軸對稱矢量噴管的性能更優越，但研製難度也更大。這種噴管的收斂-擴散段同時兼具矢量偏轉改變發動機排氣方向的作用，所以如何在維持噴管輕量化的同時不對發動機和飛機進行重大改裝，都是需要解決的難題。
此外這種國產AVEN噴管還具有明顯的隱身特徵，末端魚鱗片呈鋸齒外形。顯然該噴管不是為殲-10B準備的，因為該機作為非隱身戰鬥機僅安裝鋸齒噴管對降低RCS的意義不大。結合去年殲-20換裝國產WS-10B發動機試飛的消息看，這種鋸齒AVEN噴管的裝機對象只能是殲-20。
殲-20隱身戰鬥機作為大國重器，改用國產發動機是必然。該機換裝14噸推力級別的WS-10B之後不僅能提高推重比，還能擺脫對俄製AL-31F發動機的依賴。推重比的提高也為該機安裝AVEN尾噴管創造了條件。WS-10B+AVEN尾噴管的組合將進一步提高殲-20的機動性能。
鋸齒尾噴管也將補齊殲-20在隱身性能上的最後一塊拼圖。噴管後緣呈鋸齒狀，鋸齒邊緣的角度遵循隱身設計中最基本的邊緣對齊原則，將入射雷達波向特定幾個角度反射，降低殲-20後半球RCS。鋸齒噴管後緣在發動機噴氣時能產生噴氣流渦，加速尾噴管排氣與冷空氣的摻混，降低紅外輻射。研究表明，鋸齒噴管的排氣核心溫度與普通噴管相同，但距離噴管出口環形邊緣10釐米內出口附近噴流的溫度普遍降低，紅外輻射強度最多能降低10%。通過殲-10B矢量推力驗證機的試飛，殲-20“A狀態”最終形態在動力系統的配置也越來越清晰，那就是拋棄俄發，改用WS-10B+全向AVEN尾噴管。
縱觀戰鬥機發展史，世界各國先後已經研究出多種矢量尾噴管，但投入服役的卻寥寥無幾。矢量尾噴管的設計原理雖然簡單，但對製造材料和飛控控制律的要求卻很高，研製長壽命、高可靠性、輕重量的矢量尾噴管並不容易。下面就來盤點一下形形色色的矢量尾噴管。
世界上第一種裝備推力矢量噴管的軍用飛機居然是A-6攻擊機的原型機，該機的尾噴管在起降時可下偏產生直接升力，用於提高起降升力，降低起降速度，但最後沒有被生產型採用。
巡航-升力矢量噴管
英國霍克·西德利公司在20世紀60年代研製的“鷂”式攻擊機安裝一臺“飛馬”渦扇發動機，具有4個旋轉矢量噴管，可把發動機推力轉換成升力。
蘇聯的雅克-36也採用了類似的矢量噴管。
同樣的設計一直延續到了後來的雅克-38短距起飛-垂直降落戰鬥機上。
在後來的雅克-41超音速垂直降落戰鬥機上，主巡航-升力發動機的矢量噴管更是發展成複雜的三軸承旋轉噴管。
三軸承旋轉噴管（3BSD）的尾噴管分成三段，接面都呈一定角度，通過三個密封圓形軸承連接起來。外部馬達通過驅動旋轉段上的齒輪來讓尾噴管向下彎曲，在這個過程中前段和後段保持不動，只是中段旋轉180度。最前端的軸承負責偏航控制，可以在垂直起降模式中對噴管進行橫向偏擺。
這種三軸承旋轉矢量噴管成為F-35B實現垂直起降的核心技術。在蘇聯解體後的俄羅斯經濟困難時期，洛克希德公司以很小代價就獲得了雅克-41的技術數據。
矩形二元矢量噴管
在20世紀80年代末的F-15 STOL/MTD（短距起降/高機動性驗證）項目的第二階段，一架F-15B的標準圓形收斂-擴散尾噴管被矩形二元推力矢量/反推噴管取代。該噴管由普惠使用化學銑削、焊接蜂窩構件製造。噴管具有上下偏轉片，用於調節噴口截面積或使噴流上下偏轉各20度，並在噴管上下各有一組反推葉片。
1989年5月16日F-15 STOL/MTD驗證機進行了安裝推力矢量噴管後的首飛。試飛表明推力矢量噴管能使起飛滑跑距離降低25%，反推系統則可讓F-15降落在500米長的跑道上，在飛行中也可能用反推系統進行快速減速，這在近距離空戰中非常實用。在試飛期間F-15 STOL/MTD進行了多次推力矢量起飛，抬前輪速度低至67.6千米/時，最短的降落距離低至416米，而標準F-15的降落距離為2286千米。
普惠隨後根據F-15矩形二元矢量噴管的研製經驗，為YF-22/F-22研製出了實用化的矩形二元矢量噴管。在全權限數字發動機控制系統的控制下，F-22的收斂-擴散噴管可以向上或向下偏轉達20度。尾噴管不僅提高了F-22的敏捷性，還降低了飛機噴氣系統的雷達和紅外特徵。
F119的二元矢量噴管採用相應的邊緣平行設計，降低了噴管系統的雷達特性。此外這種噴管的噴流核心流溫度區域明顯減小，降低了紅外特徵。F-22的矢量噴管在外形上完美融合如機身曲線，內部開有小孔，能夠強化發動機外涵道引氣對尾噴管的冷卻。
鐵幕另一邊的蘇聯也沒有閒著。1989年，留裡卡-土星科研生產聯合體和蘇霍伊設計局把蘇-27UB“側衛-C”戰鬥教練機“藍色08號”改裝成推力矢量技術測試平臺。該機在改裝了左側發動機艙後，裝上了尾部呈楔形的矩形二元矢量噴管，被稱為LL-UV（PS），即俄語“推力矢量技術測試機（偏平噴管）”的縮寫。與F-15S/MTD不同的是，LL-UV（PS）的右發保留了標準軸對稱噴管。LL-UV（PS）的試飛肯定了矢量噴管的價值，對飛機敏捷性的改善符合預期。
推力矢量偏流板
1987年美國NASA啟動了F-18 HARV（大迎角研究機）研究項目，給F-18 840號研究機尾部安裝了推力矢量偏流板，每臺發動機安裝了一組3片勺形擾流板。在大迎角常規控制翼面失去作用時，推力矢量裝置還可以可提供俯仰和偏航力矩。為了縮短擾流板所承受的力矩，NASA去掉了840號機的尾噴管，使該機無法進行超音速飛行，但對亞音速性能沒有任何影響。飛控計算機也經過修改以兼容矢量擾流板。
憑藉矢量推力，F-18 HARV達到70度的最大穩定飛行迎角（普通“大黃蜂”的最大迎角為55度）。大迎角滾轉最大迎角達到65度（普通“大黃蜂”為40度）。
在同時期美德合作的X-31研究機項目中，矢量偏流板再次現身。該機在通用電氣F404-GE-400渦扇發動機尾噴口處安裝了三片推力偏流板，可作正負10度的偏轉，並能長時間承受最高1500度高溫。X-31用來驗證推力矢量技術結合先進飛控系統的可行性，用推力矢量技術和鴨翼來實現常規飛機無法完成的大迎角機動。
這種矢量偏流板只是矢量噴管成熟之前的過渡設計，其設計過於簡陋，偏流板之間漏氣嚴重，矢量推力效果欠佳，屬於早被淘汰的技術，沒想又在日本三菱ATD-X驗證機上覆活了，濃濃的復古味道撲面而來。
軸對稱矢量噴管
所謂軸對稱噴管也就是傳統的圓形噴管，這種外形的矢量噴管分為兩類，一種是隻能上下偏轉的關節式噴管（以俄羅斯“側衛”系列戰鬥機為代表），另一種是可做全向偏轉AVEN噴管。
關節式軸對稱矢量噴管是俄羅斯留裡卡-土星科研生產聯合體的獨創，通過在普通尾噴管前端增加一個俯仰轉軸就實現了矢量偏轉。這種噴管雖然結構簡單，但比較笨重。軸對稱二元矢量噴管首先出現在蘇-27M 711號原型機（蘇-37）的AL-37FU發動機上，這種發動機是AL-31F的改型，具有新的風扇、新的壓氣機和推力矢量噴管，可上下偏轉各15度。
蘇-27M被取消後，該機的尖端技術被應用在了印度的蘇-30MKI（如相控陣雷達和三翼面氣動佈局）上，其中也包括推力矢量系統。蘇-30MKI的AL-31FP渦扇發動機配備了二元矢量噴管，可上下偏轉各15度。噴管的水平軸線向內偏轉32度，使噴管可以在一個V形相交平面內偏轉，這個設計使寬間距噴管在推力矢量和差動操作中能同時提供縱向和橫向控制，噴管既可以與平尾同步偏轉也可以獨立偏轉。
最終，軸對稱二元矢量噴管被蘇-35的產品117S發動機和蘇-57的產品117發動機/產品30發動機所繼承，沿用著相同的結構和設計。產品30發動機的尾噴管具有鋸齒隱身設計，尾噴管魚鱗片末端具有鋸齒邊緣，也就是人字形尖端。這些鋸齒不僅降低了噴管的雷達特徵（避免出現直邊），還有助於在尖端產生旋渦，這些旋渦能促使灼熱噴氣流與較冷的環境空氣更快混合，可減小噴氣羽流和飛機的紅外特徵。 去年12月5日，產品30發動機終於裝上蘇-57戰鬥機開始試飛。
在1993年開始的F-16MATV（多軸推力矢量）研究項目中，通用動力公司為NF-16D測試機的F110-GE-100發動機更換了軸對稱矢量噴管（AVEN）。AVEN通過噴管的偏流部分使超音速噴流改變方向來實現推力矢量，與推力矢量偏流板相比，這樣可以避免壓力波動傳導入發動機內部導致壓氣機失速。尾噴管偏流片成環形排列成一圈，通過以120度間隔佈置的3個液壓動作器控制偏轉，動作器擁有獨立的動力單元。
噴管可向任何角度偏轉17度，產生的軸向和側向推力通過噴管傳導到發動機。AVEN的優勢是可安裝在任何具有F110發動機和數字飛控的F-16上。尾噴管的3個動作器受控於矢量電子控制（VEC）單元，該單元改進自F110-GE-129的全權限數字發動機控制系統。
NF-16D還準備安裝測試普惠的俯仰/偏航平衡梁式噴管（P/YBBN）軸對稱矢量噴管，這種該噴管適用於F100-PW-229發動機，具有全向推力矢量功能，最大偏轉角20度，但後來取消。
1996年，P/YBBN噴管裝上F-15 STOL/MTD驗證機進行了推力矢量試飛，探索超音速條件下矢量推力的應用以及使用矢量推力取代垂尾的可能性。
20世紀90年代初，俄羅斯也開始研究軸對稱噴管。克里莫夫設計局在21世紀初推出了RD-33OVT發動機，配備的軸對稱三元矢量噴管具有結構簡單、重量輕和容易操作的優點。尾噴管通過間隔120度的3個液壓作動器來偏轉，偏轉速率30度/秒，能夠全向偏轉18度。米格-29OVT的試飛員表示該機的“眼鏡蛇機動能達到150度迎角，也就是此時我實際是躺在座椅上，而且我能以這個姿勢持續一段時間，然後輕鬆改出。”
莫斯科禮炮航空發動機聯合體也在同期為AL-31FM1發動機研製出了軸對稱三元矢量噴管，並在2003年安裝在蘇霍伊設計局的蘇-27LL驗證機上進行了測試。
這種尾噴管的目標客戶據說是中國，曾多次安裝在AL-31FN發動機模型上來華展示。要知道當時俄羅斯空軍還未裝備任何推力矢量“側衛”戰鬥機，後來裝備的蘇-35和蘇-30SM也全部使用 關節式軸對稱矢量噴管。由於我國當時已經在自主研製全向軸對稱矢量噴管，禮炮的如意算盤最後落空。
俄方對這種推力矢量噴管的信息公佈不多，推測結構應該和米格-29OVT的差不多。去年10月28日，莫斯科市長謝爾蓋·蘇比雅寧視察莫斯科禮炮航空發動機聯合體時，新聞照片顯示了這種尾噴管最新的鋸齒隱身改型，裝機對象不明 。
歐洲發動機公司為EJ200研製了軸對稱三元矢量噴管，和普惠的P/YBBN尾噴管一樣是通過驅動一個同步環來同時實現收斂-擴散和偏轉動作。但由於“颱風”戰鬥機的客戶都沒有上矢量的需求，所以這種發動機的研製目前處於停滯狀態。
我國軸對稱三元矢量噴管研究起步較早，雖然官方沒有公佈確切時間，但公開資料顯示是在21世紀初。早在2003年12月15日，工程院院士、航空動力工程專家劉大響教授就在央視《百家講壇》欄目《飛翔的動力》中證實我國606、624所自行研製的軸對稱矢量噴管已經進行臺架測試，運轉得非常成功，而且比國外同類產品更加靈活。
本文轉載自空軍之翼，已標註原作者，旨在用於學術交流
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