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《军武次位面》作者:血刃

歼-20战机自试飞至今过去了十余年,已列装到我国多个战区,甚至网友都开玩笑说:告诉歼20别联系我了,我怕白帝误会。

但尽管如此,这种世界顶尖的战斗机依旧有着多数其他国产武器所没有的特殊魅力,其每个细节的变动都吸引无数目光。更值得注意的是,该机总设计师杨伟表示:歼-20也会和其他武器一样升级,进而衍生出2.0版和3.0版。

▲多款太行发动机的亮相,是本次珠海航展上又一亮点过去,围绕歼-20乃至所有中国战斗机的讨论核心之一,就是它们的发动机性能不但与国际先进水平存在一定差距,甚至也没完全实现国产化。早在2018年珠海航展歼-10B大秀机动时,就有爱好者不断猜测歼-20何时能换装WS-15发动机和对应的矢量喷管,进而实现F-22那样的超机动性,从这一点来看,2.0或3.0版歼-20升级的核心,就是动力。

▲如今,歼-20已列装到我国多个战区相比于往年航展上相对进步有限的航发展品,今年的航发展区却有了喜人的变化:太行系列发动机集体亮相,尤其以三元和二元矢量推力喷管型最引人瞩目。毫无疑问,这不但证明中国战机航发将彻底摆脱被卡脖子的命运,也意味着歼-20的综合机动性将实现质的全面提升。

矢量推力对战斗机性能有何意义?

矢量本身经常出现在数学、物理和工程科学等自然学科中,其本质是是同时具备大小和方向的几何对象,最主要的特点就是能由此改变运动方向,因此经常被箭头符号用于和其他的量进行区分。而这种特性自然也被航空动力学所注意到,因此反映到发动机尾喷口时,具体表现就是发动机喷出的尾流在可控前提下改变方向。

▲矢量推力的意义,已被各国航空技术人员充分重视发动机喷出的气流平行于飞行器轴线向后,由于发动机本身无法转动,因此要想控制喷射气流的方向,就需要在发动机喷口增设可转动管子,这种管子就是矢量喷口,其最大特征就是能将发动机尾喷口截面转到和飞机轴线不垂直方向上。通过这种尾流控制,常规飞行控制面产生的气动力将会得到补偿甚至被替代。

▲矢量推力对导弹设计也有很大帮助战斗机一般依靠各种舵面控制飞行方向,但在超音速机动、大仰角等条件下,舵面控制方向的能力就会因外界气压气流的变化而明显降低,此时借助于矢量喷管,飞行姿态就会得到十分细致的调整,以至于一些十分复杂的机动成为可能。因此,矢量动力开始在多个军事强国得以发展,并成为衡量国家航空技术水平的又一标杆。

▲过去广为流传的眼镜蛇机动在实战中的意义恐怕不容高估相比而言,普通战斗机的过失速机动是飞机超过失速仰角后按照自身气动特性进行的飞行特技动作,但这种动作不可控。而矢量推力技术则会让飞行员全程控制战机,进而完成同等甚至更大难度超机动。早年间的苏-27/苏-30在航展上表现出大仰角机动性,但其实战最大仰角就要小得多;具有矢量推力技术的F-22甚至能达到60-70度仰角下的可控飞行,因此战斗中迅速指向预定方向的效率好得多。

▲借助矢量推力,F-22这样的战机具有极好的机首指向性对五代机而言,隐身能力至关重要,且还要和超机动性结合,但如果只依靠舵面,那么机身即便高度优化,飞行中舵面为适应气动效应力的变化还会导致雷达截面因此在短时间内发生很大变化,最终增大暴露的可能性。但依靠推力矢量动力,即可最大程度降低舵面面积,F-22在设计时就体现了这一思路,并同时将水平尾翼和主翼的位置最大优化,机体重量也由此进一步降低。

▲某型号的国产矢量喷口目前多数战机的气动布局多半针对亚音速状态,因此在超音速飞行时还需要舵面修正进行配平,这就偏离了最优升力区间,导致升阻比降低。而采用矢量推力的战机则会通过喷口微调极大缓解超音速配平问题,进入超音速巡航时对发动机的推力需求也相对较低。此外,矢量推力技术还能在起降作业中通过升阻力控制进行助力,最终降低战机对起降环境的要求,这在实战环境下自然是一大不可忽视的助力。

矢量技术包括哪些门类?

最初的矢量推力发动机采用折流板矢量推力技术,其尾喷口处配备三片推力导向片,它们可以进行正负方向各十度的偏转,并能承受1500度高温,初步实现了飞机上下或左右方向的便利控制,对过失速状态下的机动性帮助很大,因此被X-31等验证机采用。但折流板矢量推力也存在阻力过大、偏转力过高且不利于隐身的特点,因此逐渐被各国摒弃。

▲F-22尾部喷口特写目前成熟的矢量推力技术分二元和三元两大类,二元矢量喷管的喷口为矩形,可在高温高压燃气作用下能够上下两个方向摆动各20度,提供了额外俯仰控制能力,并能在该动作时提升整体机动性。此外,它能让冷空气和高温尾流融合进而降低红外特征,还能尽量降低后体阻力。上世纪后期,美苏两国均开始研发二元矢量喷管,但苏联解体后俄罗斯摒弃了该设计,因此各国目前现役战机也只有F-22采用二元矢量喷管。

▲航展上同时亮相的三元矢量喷口而三元矢量喷管也被称为轴对称矢量喷口,其喷口截面为圆形。不同于二元矢量喷管,三元喷管可实现360度全向偏转进而任意改变指定方向上的推力,美国在设计F-22时也曾考虑使用该技术,并完成了相当程度的技术积累,但考虑技术难度等因素最终作罢。目前俄罗斯依旧在研发并采用了三元矢量喷管。

▲俄罗斯很早就确立了三元矢量研发路线俄罗斯曾基于AL-31F和RD-33两种发动机展开三元矢量推力研发计划,并由此推出样机,但这两款真正的三元矢量发动机却并未量产列装。如今俄罗斯量产的所谓三元矢量发动机本质上是采用轴对称喷口的二元矢量改进型,其发动机偏转主要靠尾喷口设置独立的整体转轴实现,整体转动时沿着轴线上下15度和左右8度范围内偏转,运动幅度超过了F-22的二元矢量喷口,苏-35等俄军主力战机均配备该设备。

▲无可否认,苏-35的机动性依旧处于世界顶尖位置尽管提升机动性方面来看,三元设计超过二元,但俄罗斯受制于材料质量差距,只能大量采用镍钢而非钛与陶瓷材料,因此才依靠整体转轴。但发动机也因此出现长度和重量提升,推重比也受到影响,具体到实战环境下,以苏-35为例,虽然能在过失速机动下迅速指向目标,但能量损失也会很大,一旦被迫和推重比更好的对手陷入纠缠,就容易陷入不利。

中国矢量技术怎么发展起来的?

上世纪80年代开始,中国就已开始研究推力矢量喷口技术,甚至还在之后完成了二元推力矢量喷口的缩比样品仿制,并在一部涡扇-6发动机进行了地面试车。结果证明,虽然该喷口性能良好,但重量偏大,因此我国开始将三元矢量推力作为研究重点,该项目在九五期间得到了国防科工委的正式批准。

▲国内最初以二元矢量喷管为研发方向

当时的目标,是以我国第三代主力战机为平台,突破推力矢量喷管涉及的技术,并初步完成其他地面半物理仿真模拟测试。不久后,中航工业科技局以WS-10发动机为基础,成立了飞机组和发动机组,分别以歼-11和歼-10作为验证平台,并经历多方面设计,但受制于技术,战斗机矢量推力工程曾长期停留在地面测试和机体初步测试阶段。

▲中国的材料技术优势,也是矢量技术发展的关键当时中俄两国开始相关合作,然而中方了解俄罗斯偏转推力矢量喷管设计后认为,这种产品不但存在不成熟之处,喷口尺寸和重量控制也不尽如人意。最终,中国大胆采用了扩散段转动推力矢量设计,它的推力损失低,重量小,密封冷却较为方便,因此配备改装到现有机型的难度也较低。但相对而言,它的设计难度较高,结构更复杂,特别是对材料工艺要求较高。

▲国产矢量喷管技术的成就,离不开整体技术发展的助力随着中国在液压调节系统、超级计算机、高新材料技术、大型风洞等领域不断取得突破性进展,因此战机矢量推力工程也由此大幅受益。据计算表明,中国的扩散段转动推力矢量设计不但在角度偏转幅度上明显超过俄罗斯设计,而且偏转时也更为平滑,进而极大降低了发动机推力的损失。可以说,这种成功也是中国整体技术水平大背景下的产物。

▲2018年珠海航展上,歼-10B一气呵成地完成了多种高难度机动动作2017年,WS-10A矢量动力版及歼-10B试验机成功完成了试飞,并在2018年的珠海航展上一气呵成地完美展示榔头机动、大仰角360度滚转、眼镜蛇、落叶飘和赫伯斯特等高难度机动,成为最耀眼的明星,有军迷表示:自己看到这一幕后瞬间感到苏-35的超机动也并没什么了不起。由此,中国战斗机推力矢量技术完成了重大突破,并跻身世界先进水平。

歼-20可能采用哪种矢量技术?

本次珠海航展同时出现两种太行矢量推力发动机,这意味着昔日对中国而言高不可攀的技术变得寻常化。遥想4年前的珠海航展时,部分网友认为歼-10B的机动本身也是变相向俄罗斯发出寻求进一步合作的信号,结合当时中国可能购买苏-57的新闻,一时间各路军迷议论纷纷。然而从今天的情况来看,无论发动机本身还是矢量推力技术,中国都已完全可以依靠自己。

▲种种迹象表明,歼-20更可能配备二元矢量喷管感动之余,关于歼-20未来动力升级的猜测也是焦点。王海峰总师却在《战斗机推力矢量关键技术及应用展望》一文中指出,相对于三元矢量技术,二元矢量不但能提升飞机机动性和常规飞行能力,还能明显改善后体阻力和后侧向隐身能力,对作战效能全面提升意义重大。同时,歼-20首席试飞员李刚也表示改进型歼-20将采用上下偏转的发动机,即二元矢量发动机。

▲目前,国内已在多种战机上测试了不同的矢量喷管中国早年间就以三元矢量发动机为发展重点,但种种迹象表明歼-20却很可能换装二元矢量发动机,这又是为何呢?这就要从二元矢量技术的特性说起了。尽管二元矢量喷管结构较为笨重、重量占比较高、运动范围有限,但它的雷达隐身能力却要好得多,借助矩形结构,发动机喷出的气流更容易和外界冷空气混合后降低温度,由此降低红外特征,进而提升在红外制导武器面前的生存率。

▲合成处理假想图:歼-20配备二元矢量喷管此外,二元矢量动力布局也会带来更大的内部空间,进而容纳液氮喷射装置等应急反红外设备。从五代重型机扁平机身结构来看,矩形喷管也更容易与之融合进而降低整体阻力,最终让战机在超音速巡航时飞得更省油、更快。更主要的是,二元矢量技术在技术可行性方面也有速度优势,因此如何选择,就要结合特定国家武器所面临的特定环境。

▲目前,国产航发已可以初步实现自给自足不同于相对更侧重本土要地防空的苏-57,歼-20的隐身特性好得多,这明显是针对拒止介入战略而形成的。毫无疑问,该机未来的头号假想战场就是西太平洋第一岛链,而其目标自然也是敌作战体系的关键节点,但假想对手目前已在亚太区域部署了相当规模的反隐身雷达和红外探测等技术设备,歼-20若想兼顾自保和成功打击敌节点,必然要将隐蔽属性作为第一要素。

▲如今,曾质疑歼-20动力系统的声音已几乎彻底消失早年间的F-22固然拥有出色的超机动性和飞火推一体化飞控系统,但其矢量系统和发动机整合程度较低,因此以今天的标准来看不能说不是一大不足。尽管当年美国曾计划推出可偏航的更先进第二代二元矢量喷管,但F-22却没有等到相应升级。而目前中国完全可以拿出比当年美国更好的同类二元矢量技术,进而让歼-20避免F-22曾经的弯路。

▲目前,假想对手的航发水平依旧具有明显优势

随着太行系列发动机在功率、寿命和可靠性方面愈发成熟,新服役的歼-20近年来多次展示了其超机动性,与早期歼-20四平八稳的飞行形成了很大反差。有消息称,WS-10C发动机的推力就已达到13吨,而WS-10D的推力甚至可能接近WS-15,在愈发充沛的推力和鸭翼布局加持下,改进型歼-20很可能也无需冒着降低隐蔽性的危险选择三元矢量推力。

从歼-10B舞动天空,再到今天两种矢量版太行发动机同时亮相,足以说明中国在该领域的成就之非凡。但从另一方面看,中国航发整体水平在相当时间内存在过大差距,而且假想对手也不断推出推力更大、寿命更长甚至完全新概念的军用航空发动机,其矢量技术的积累同样不可小觑。因此,今天的成就自然不会就此让中国航空技术团队就此高枕无忧。

▲无论哪种升级,都意味着歼-20的战斗力大幅提升此外,任何武器在设计定型时都会面临不同参数彼此影响的局面,要想做到所有指标都完美无瑕,几乎是不可能的。因此最明智的选择,莫过于结合自己的技术积累和武器本身的体系定位,进而在平衡的前提下有所取舍,尽管歼-20在动力方面还有一定进步空间,但可以肯定的是,完全体版的该机无论采用什么类型的矢量动力,都会让世界耳目一新。

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