殲20的矢量推力技術（下）
近來，網絡上有關殲20的消息越來越少，甚至有人懷疑是不是停產了？理由是殲20在等最能滿足四代機性能的渦扇15發動機，有人看到某院士的一番話就望文生義的說殲20的渦扇15發動機還要再等3-5年，按照這個推理殲20很可能處於近乎停產的狀態在等適合自己的先進四代發動機。
這種想當然的說法是沒有任何根據，某院士說的是另外一種四代中推渦扇19發動機，與殲20已經用著的渦扇15根本不是一種發動機。
2018年珠海航展上，殲-10B成功換裝矢量發動機，意味著中國已基本解決這方面的技術難題。在被問到“殲-20未來是否會換裝矢量發動機”時，楊偉表示，“你的問題是什麼時候可以用上，但你怎麼知道沒有用上呢？”這個回答贏得全場的熱烈鼓掌。
楊偉院士認真嚴肅又不失幽默的回答，其實已經證實殲20裝備的就是具有推力矢量噴管的渦扇15發動機，而渦扇15發動機在設計上本身就具備推力矢量，所以，殲20是不是停產等待發動機的謠言不攻自破。
上篇我們對比了F-22和蘇35的二元矢量推力技術，也談到歐洲的單環（兩個半環）全向矢量推力技術。本期我們來探討殲-20的
雙環全向矢量推力技術。之所以拖了這麼長時間，除了忙、主要是整理完圖片，覺得要寫的東西太過於技術化、比較枯燥，估計沒多少讀者願意看，所以就一直拖著。本期筆者在文章最後畫了一幅示意圖，雖不完全準確，但可以簡化該矢量技術的工作原理，希望能幫助讀者更好理解“該獨特技術帶來的好處--------輕巧且偏轉角大”。
在具體討論雙環全向矢量推力的工作原理之前，我們來看兩幅殲-20尾部的拼圖，它們的共同之處都是噴口的方向與殲-20機身的縱軸線不一致。（點擊放大圖片可能會看得更清楚）
有的讀者可能會說，那是拍攝角度造成的視覺誤差。沒關係，信不信都不影響後面對矢量噴口的結構和工作原理的介紹，耐心看完總會有收穫。
殲-20的總師楊偉院士在多個場合都表達過：殲-20是進攻性很強的武器，它是通過“進攻性”得到戰場優勢（下圖）。要具備進攻性很強的性能，除了比對手有更高的敵我態勢感知能力之外，還必須具備比對手機更高的機動性，以便更快佔據攻擊陣位。否則像F-35那樣的機動性能，即使感知到戰場態勢也只能乾著急。
鼎新的殲-20飛行員說過，一到超音速區就是殲-20的天下；換句更明白的話就是，在超音速區殲-20的機動優勢超強，與三代機對壘時能利用自身的超音速機動性，在戰場上完全佔據主動權。三代機即使配上推力矢量，因氣動和動力所限，也無法做到超音速機動。
由於國家對殲-20現在還處於保密階段，在航展上能飛什麼動作都有嚴格限制，更別說設計師和飛行員能隨便洩密。所以他們面對媒體只能點到為止，正所謂“聽話聽音”，結合楊偉和飛行員的話，實際上是在強調：殲-20具備超音速機動能力；沒有矢量推力的幫助，即使動力強勁也做不到“超音速機動”。
沒有矢量推力的四代機是瘸腿的。矢量推力對四代機為什麼這麼重要。我們來看下面這個論文截圖，圖中的縱軸表示飛機所處的高度，橫軸表示飛行速度。該圖表示的是矢量推力在不同高度和速度區，所表現出的各種優點。
（1）縮短起降的滑跑距離 ，這點好理解，因為矢量推力增加了一個向上的分力，抵消一小部分重力，起降所需的最小升力比無矢量的要小，所以起降所需的最小速度較小，滑跑距離也就更短。
（2）在全飛行高度上，具有較高的瞬時轉彎速率，說白了就是有很高的機動性和敏捷性。
（3）圖中有幾處都提到可以減少控制面的面積和阻力。如果是在較高的速度下，又要做到機動敏捷，那控制翼面的面積就要設計得較大，偏轉的角度要大，兩者都會大大增加飛行阻力。而且控制翼面的結構強度要大大增強，這樣就增重還影響隱身。即使都做到了，也會因阻力過大很快降到亞音速區。
殲-20採用較低的垂尾、又具備高機動敏捷性能，裝備矢量推力是原因之一。關於殲-20的尾部翼面在機動時的氣動影響，有機會再畫圖細說。我們繼續討論矢量推力的優點。
（4）在低速區和超音速區改善發動機熄火的可恢復性，以及改出渦旋失速的可恢復性。因為渦旋失速時控制翼面不起作用，靠矢量推力能迅速改變飛行姿態。
（5）減少配平阻力，並放寬了超音速機翼的設計限制。這方面解釋起來很複雜，我們只說最簡單的。
飛機在未投彈和油量變化不大的狀態下，其重心是基本不變的，但是在不同的飛行速度下，其升力中心是會前後移動的。戰機要想提高敏捷性，都會把飛機設計成高不穩定性（飛機重心與升力中心距離較遠）。
上述矢量推力的優點，在美國一篇關於F-15S/MTD機動驗證機的試驗論文裡都有描述（下圖），特別是“有利於超音速巡航”，為什麼這麼說？
由於重心與升力中心不重合，而且升力中心會隨著飛行速度不同而位移，這就需要對飛機進行配平。如果沒有矢量推力，這個配平工作就全部由控制翼面來承擔，而且整機的翼面設計只能偏重於照顧低速或高速，而無法做到兩者都兼顧。這就是不同的三代機，都有其自身較弱勢的速度區域的主要原因。
因為設計師在機翼設計時要突出某個速度的優勢，必然無法兼顧相反的速度區域。如果有矢量推力，就可以承擔部分配平工作，機翼以及各控制翼面的設計限制就會放寬。下圖（上）是F-16矢量試驗機的研究報告，在以1.8M.進行超音速機動時，使用矢量噴管可提升7%的轉彎速率。
上圖（下）是另一篇論文的配圖，圖中可知在超音速飛行時，升力中心是在重心之後。先看右邊的F-22，此時它的尾翼需要產生一個向下的力來平衡，升力 — 配平力 = 重力，造成主翼的升力要大於重力。同一架飛機產生的升力越大，翼面的阻力也越大。
再看左邊的殲-20，超音速時同樣是升力中心在重力之後。由於前面有鴨翼，而且可以產生向上的配平力，這樣的結果是：升力 + 配平力 = 重力，即升力小於重力，此時主翼的巡航阻力就較小（省油）。
由於殲-20鴨翼離主翼的距離比F-22尾翼離主翼的距離大，相同的配平效果由於力臂更長，所需的配平力就更小，因配平而產生的阻力也就較小（省油）。
所以在高速區域，殲-20具備多方面的優勢
：（1）省油，（2）較大機動時減速不明顯；（3）矢量推力與鴨翼前後差動，帶來更高的機動敏捷性，相比之下F-22和蘇-57就沒這個優勢；（4）高速飛行時矢量的配平任務不重，又是全向偏轉，可以迅速向需要的方向偏轉，F-22和蘇-35此時就要複雜得多。高速飛行中能敏捷地改變飛行軌跡、以及機頭迅速指向目標，這都是具有比對手更強空戰能力的表現。下圖是一篇分析三四代戰機空戰的論文配圖，圖的上半部分是四代機在不改變飛行軌跡的狀態下，機頭迅速轉向、瞄準鎖定目標。圖的下半部分是四代機在感知對方的威脅時，通過矢量推力迅速改變飛行軌跡，擺脫敵機的跟蹤瞄準。
前面說得可能有些複雜，沒關係，只要知道一點就可以了。在飛行的全高度、全速度範圍內，矢量推力都能起到獨特的作用，尤其是在高速區域。沒有矢量推力的四代機，無法發揮“超音速機動”的特點，只能算是一架隱形的三代半戰機，最多也只是一架瘸腿的四代機。那麼中國軍方能讓這樣的殲-20量產嗎？
下面是2014年西工大一篇對比各種類型矢量推力技術的論文截圖，表格中列出了對不同噴管方案的優缺點評估。左邊第一列的2DCD是F-22那種二元噴管，第二列SCFN是蘇-35那種帶球面偏轉環的噴管，AVEN是矢量特性優異的軸對稱全向噴管。
從表中的評估結果來看，AVEN各項指標的評分較高，總分排名第一（680分）；FIVN 的技術更先進、重量和成本更優，但可靠性不及AVEN，技術風險更是各方案中最差的，所以有待於進一步完善之後有可能用於下一代戰機，目前四代機採用軸對稱的AVEN方案是最佳選擇。
下面就來具體介紹軸對稱的AVEN。下圖是有關AVEN的論文截圖，圖中標註的“10”實際上不是噴管內部的收斂擴張片，只是“
外調節片”，相當於噴管的外部片狀蒙皮，並不接觸火焰。因此以它的外形像AL-31為依據，是不能殲-20的發動機是AL-31。下圖這種矢量噴管的特點是有兩個偏轉環（A8和A9），所以有相對應的兩組液壓作動筒（圖中的“2”和“3”）。靠外側的A9偏轉環是由三個呈120°分佈的作動筒控制，這個在上篇已經畫圖介紹過，三個作動筒同步運動能改變噴口的直徑，如果是差動則帶動擴張片的偏轉。
在內側的A8偏轉環是由五個呈72°分佈的作動筒控制，帶動噴管喉部收斂片的角度變化。A8和A9分別是3個和5個作動筒，所以殲-20的發動機噴口是15 個外調節片。由於收斂段也可以偏轉，使得後端的擴張段的偏轉角度更大，這一點留待後面畫圖再詳細解釋。
下圖是這種噴管的剖示圖：比如圖中最上層的A9環工作機理是：作動筒水平推 / 拉圓環結構，圓環再通過連桿來實現擴張片的偏轉。比如作動筒向右推A9調節環，通過拉桿將擴張調節片向下壓；如果圖中底部的A9作動筒是
同時向右運動，噴口的直徑就是縮小；如果此時底部的A9作動筒是反向運動，噴口就向下偏轉。所以AVEN的噴口偏轉時，噴口擴張片的角度分佈不是圍繞矢量軸對稱，噴口平面不是正圓形。
圖中靠內層的是A8環的控制機構，它沒有拉桿，而是收斂片上有一個凸輪。A8環的偏轉角度不同，環上的滾子與凸輪接觸的位置就不同，導致收斂片圍成的噴管喉部收斂或偏轉。
下面兩幅圖是AVEN矢量噴口結構各部件位置的示意圖，注意觀察A8和A9調節環以及各自作動筒的相對位置。圖中分別用綠色和紅色方框標註。
下圖中A9作動筒與其左右相鄰的兩個A8作動筒的距離（相隔的角度）不同，說明：（1）A9與A8作動筒的個數不相等；（2）A8作動筒的個數要比A9的作動筒多；（3）兩個調節環是可以相互差動（異步）的，這樣不僅比單環的噴口偏轉角度更大，而且偏轉更靈活（偏轉的速率更高）。
下圖是將噴管的其中一組收斂、擴張片放大，顯示其偏轉控制結構各部件之間的工作關係。圖中用綠色和紅色箭頭分別表示A8和A9的運動方向，以及所帶來的噴口收斂調節片 和 擴張調節片的偏轉方向。
A9調節環通過拉桿帶動擴張片偏轉，這點從示意圖上比較容易理解。那麼A8調節環的偏轉，又是如何通過凸輪帶動收斂片的偏轉呢？下圖是這部分機構的三維模型圖。
圖中紅色的A8環不動，每個收斂片有一個作動筒與A8環相連，通過綠色作動筒的水平伸縮，使得綠色滾子與黃色的半圓形凸輪的接觸位置不同。如果接觸點是在半圓的最高點，則收斂程度最大；如果接觸點是在半圓的兩端，則收斂程度最小。
如果幾個作動筒是異步差動，那麼各個滾子與凸輪的接觸點就不同，這樣每個收斂片的收斂程度就不同，使得收斂片圍成的噴管喉部偏轉。當然，這個A8環不動的模型是比較初級的方案，實際上是像上圖那樣，由五個作動筒帶動A8調節環偏轉，偏轉環上的滾子通過凸輪帶動收斂片偏轉，這樣的重量更輕。
如果對前面的敘述還不好理解的話，那麼請看下面這幅示意圖。紫色和咖啡色代表偏轉的A8和A9調節環，它們分別通過黃色的凸輪和橙色的拉桿，帶動每個收斂—擴展片向不同方向和角度偏轉，使得發動機的噴流產生偏轉。
由於多了一個A8偏轉環，上圖（上）中黑色粗線的收斂片也可以偏轉，這樣綠色粗線的擴展片就像一個蹺蹺板。根據現有論文顯示：噴口的最大加力矢量角達到了21°，熱態矢量循環數10026次。
如果只有A9偏轉環，那麼綠色的擴展片是整片繞著與收斂片鏈接的一端進行偏轉，噴口的偏轉角就不如雙環結構的大，見上圖（下）的偏轉角對比。
最後把三幅不同的示意圖拼在一起，就能更清楚兩套作動筒、兩個偏轉環、對應的拉桿、凸輪、收斂和擴展片的位置，以及它們之間的聯動關係。
總之，一個結論：殲-20採用的是目前世界上最先進而且成熟的、雙環結構的全向矢量噴管，所以具備很高機動敏捷性。加上先進的戰場感知能力，使得殲-20具有超強的空戰能力。
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關鍵字: 殲-1 F-35閃電II戰鬥攻擊機 設計
