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【深度】谈谈你所不知道的矢量航空发动机!

2017-1-10 08:13| 发布者: admin| 查看: 59| 评论: 0

摘要: 所谓矢量航空发动机,就是喷口可以向飞机的纵轴和纵轴以外的一定角度偏转以产生不同方向推力的发动机

这是人类进入20世纪中期以后,出现的一种新的飞机推进和操纵技术。在此之前,无论是安装螺旋桨发动机还是喷气发动机的飞机,基本都是和飞机的纵向轴线一致的推进方向,只能通过机翼和尾翼操纵面的气动变化,来获得飞机上下和左右的机动。


而矢量发动机的出现,可以直接通过矢量反推力,使飞机获得非常规的机动能力。通过尾喷管偏转,利用发动机产生的推力,获得附加的控制力矩,实现飞机的姿态变化和控制。

 


矢量喷口的发动机并不能获得额外推力,只是把经过发动机压缩和燃烧的高温高速混合气流通过可以偏转的尾喷口改变方向。理论上同样功率的发动机运用了矢量技术,还要损失一部分推力,这也提高了矢量发动机的制造门槛,并且需要在保证可以偏转喷口,损失主推力的情况下,用从整体上计算效率更高的发动机出力,来弥补这种损失。

 

矢量发动机的二维喷口


另外,矢量发动机的尾喷口在偏转的时候,会消耗一部分高温高速燃气的能量,造成发动机实际推力比理论数值低一些,如果喷气发动机本身的推力就不大,那损失的推力就会影响到战机整体的推重比。


这种情况下,再强行使用矢量尾喷口技术,就会得不偿失。这说明小推力发动机根本就不适合改装成矢量发动机。小鬼子最近搞出的“心神四代验证机”安装的两台发动机每台加力推力只有5吨,却“煞有介事”的安装了矢量推力偏流板,只能是糊弄外行的“噱头”,实际完全就是摆设——没法用。

 

心神四代验证机


一、矢量发动机相比普通发动机,能带来哪些独特的好处?


首先是敏捷性


提高飞机的格斗能力,敏捷性也包括短距离起降的概念。矢量技术今后的一个发展目的,就是短距离起降。英国的“鹞”式垂直起落战机的飞马发动机就是一种原始的喷流矢量技术。

 

“鹞”式垂直起落战机


其次是减重和增推


飞机的发动机功率越大,对飞机飞行越有利,但是更大功率的发动机会更重,飞机的控制系统和控制气动力的平面也会更多更大,这会导致飞机总重增加。用了矢量发动机,能减轻操纵面的结构重量,可用相对小推力的发动机解决更强机动力的问题,这个概念和导弹的燃气舵原理一致。


最后是有利于增益隐身效果


美国人搞F22时意识到,外形隐身很重要,而减少外形中气动控制面的数量和面积是最佳捷径。装上矢量喷口的发动机,可以有效减少飞控面的数量和面积,而有利于隐身。

 

F22


所以YF-22和YF-23竞标时,就明确要求必须具备发动机矢量技术,没有此技术的型号,干脆不能获得竞标资格。

 YF-22


二、矢量发动机的制造难点:


矢量喷口的一大难点,是发动机的喷流对发动机后机体结构和材质的摧残。喷气发动机的推力和破坏力很恐怖,开加力的喷气发动机的尾焰,温度高达2000度以上,而且气流是超音速的,比普通的乙炔焊枪强大百倍。


这种喷流,可以在几十秒内融化数厘米厚的钢板,这样的高温、高速、大推力的气流被强制改变方向,那矢量喷口的结构强度和材质没有绝对的抗破坏值,是做不到的。 

 

矢量发动机尾喷口还有一个技术难点就是如何能长期有效的工作,因为要改变喷流就要面对高温高速燃气,耐热材料要过关。其次热胀冷缩下,机械动作系统的可靠性也是一个问题。


在正常温度范围内运行可靠的机械偏转机构,放在高温高压下,物理性质的变化会对可靠性造成影响,而耐热、耐变形性能不过关的材料,长时间使用后会造成部件变形失效,导致发动机不能正常工作。


三、矢量发动机当前的流派:


目前能制造实用的矢量航空发动机的,主要是美英俄三国。俄罗斯有AL系列、美国是JSF系列,英国是飞马系列,三国在矢量发动机研发的方向上有所侧重。


细分的话,还能分出四个流派:


矢量舵片技术


这个最简单,对发动机要求也低,对轻型飞机的机动性能提高较多,不过其原理已经跟主流的发展方向分道扬镳了。所以这个技术,美俄基本已经不再继续深入研究,唯一还在炒冷饭的就是前面提到的小鬼子的“心神”。


二元矢量喷口技术


这个矢量力只能是垂直作用,比如美国F22A的尾喷口是四片,但是左右两侧是固定的,能动的就是上下两片——飞机平飞,矢量力上下作用,飞机侧飞时,才能进行所谓的“左右摆动“。这项技术是美国首先实际运用在F22上。

 

F22A的尾部


多元矢量喷口技术


也被称为轴对称技术,二元矢量比扰流矢量舵片要先进,但是还是仅仅垂直摆动的水平,对飞行器的全面调控性能有限。这种技术在防空导弹上最早应用,即所谓“360度”喷口技术,主要为垂直发射的防空导弹,快速变向,更好的降低因为爬升而损失的时间及燃料,降低导弹的重量并增加拦截效率。


这种技术后来在飞机这类大型飞行器上也得到了应用,最典型的就是俄罗斯应用在苏35战斗机上的117S发动机!

 


虽然多元矢量喷口技术理论上更为先进,推力损失最小,但是由于发动机矢量偏转喷口密封技术和耐高温材料性能的局限,117S发动机的可靠性、成熟度反而不如F22A的二元矢量。

 

117S发动机的偏转喷管可靠性只有一百个小时左右,而F22A的二元偏转喷口的可靠性,却能长达数千小时。多元矢量喷口技术,还需要继续改进和完善。

 


喷流技术


这个是矢量技术发展的大方向,现在战机的发动机都是从飞机尾部一两个喷口往后喷气,获得反推力实现飞行,今后可能是除了主发动机外,从飞机的机身上还有N个小喷气孔协调喷气来任意操纵飞机,就像宇宙飞船的矢量姿态控制火箭,这个技术可以极大的减少飞机的飞行气动控制面,更好的促进翼身融合和隐身。


中国军工从上世纪九十年代开始全面接触和深入研究发动机矢量技术。网络上曾经有三代核心操作控制手柄控制发动机尾喷管偏转的公开视频,这显然是有关研发机构在向最高领导层展示这方面研究的阶段性成果。


目前中航工业正在集中力量完善WS15发动机的矢量推进技术,作为歼20的目标动力。国产歼20四代隐身重型歼击机,一直面临发动机推力不达标和发动机适配性的问题,所以整个试飞阶段和首批服役的“A状态”的批次,都没有上矢量技术。

 


但今后几年,带多元矢量喷口的涡扇15发动机是一定要装上歼20的,完整状态的歼20战机将在2025年以前定型装备部队,中国空军将获得世界领先的空中机动战力。最近刚刚试飞的歼31的二号机,未来也是要装备中型多元矢量发动机,来获得超机动能力。

 

歼20


中国军工对飞行器矢量技术的研究起步并不晚,尤其是导弹上的各种矢量控制,水平还是极高的。但是实际运用在飞机发动机上,受限于过去的国产喷气发动机推力的普遍落后,长期以来一直是以跟踪世界矢量技术的潮流、低水平验证为主,没有像美苏英那样,在上世纪60年代就开始筹划专门的矢量试飞型号。

 歼31


近年来国内军工技术大发展,研发实验资金空前充足,终于开始集中发力,不过航空发动机是一门靠长期积累和摸索的经验论科技,短期内大量砸钱,不代表就能立竿见影。矢量推力这种高精尖技术,还需要不断的试错完善,经过多年的实践积累才能终成大器。


相信到2025年左右,中国的矢量喷气技术,一定会进入世界第一集团的行列。



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