改變空戰(zhàn)格局的推力矢量技術：戰(zhàn)機多了一對“噴氣舵面”

改變空戰(zhàn)格局的推力矢量技術——

戰(zhàn)機多了一對“噴氣舵面”

■姜子晗　宋  鵬　李博涵

裝備推力矢量發(fā)動機的蘇-35戰(zhàn)機。資料照片

電影《長空之王》，試飛員駕駛裝備推力矢量發(fā)動機的國產(chǎn)戰(zhàn)機，完成斜斤斗等高難度飛行動作，讓影迷直呼過癮。

如果將常規(guī)戰(zhàn)機比作單槳劃船，推力矢量就類似于竹篙撐船——通過偏轉(zhuǎn)發(fā)動機尾噴流代替戰(zhàn)機操縱面功能，偏轉(zhuǎn)力矩越大，戰(zhàn)機姿態(tài)調(diào)整越快。當前，推力矢量技術是各國競相發(fā)展的關鍵技術之一，直接推動了眼鏡蛇機動、赫伯斯特機動等一系列超機動戰(zhàn)術動作的誕生，擁有戰(zhàn)機“噴氣舵面”的美譽。

看似簡單的推力“拐彎”，背后需要巧妙的設計論證，更需要優(yōu)異的制造工藝。在過去半個世紀里，不少國家在推力矢量技術研發(fā)上投入數(shù)億美元，目前僅有少數(shù)國家具備獨立研發(fā)推力矢量發(fā)動機的能力。這也足以證明，航空發(fā)動機實現(xiàn)推力“拐彎”并非易事。那么，推力矢量技術從何而來？這項技術難點有哪些？對未來戰(zhàn)機發(fā)展有什么影響？本文為您一一解讀。

推力“拐彎”，走過漫長的進化之路

航空發(fā)動機，被譽為現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”，要摘下它極其困難。有分析顯示，在“單位重量創(chuàng)造的價值比”這一數(shù)值上，船舶為1，轎車為9，而航空發(fā)動機高達1400?？梢钥闯觯兄葡冗M航空發(fā)動機是各國競相攻克的技術難題。

人類研制航空發(fā)動機走過漫長的騰飛之路，而推力矢量技術從理論到應用的每一次突破與進步，都與一些武器裝備的誕生與發(fā)展有著很大關聯(lián)。20世紀60年代，英國“鷂”式垂直起降戰(zhàn)機試飛成功，實現(xiàn)短距垂直起降、空中懸停等新功能。當時，“鷂”式垂直起降戰(zhàn)機搭載了采用推力矢量技術的“飛馬”發(fā)動機，推力矢量技術第一次成功應用，開啟了戰(zhàn)機發(fā)展的新篇章。

從此，推力矢量技術得到推廣，逐步應用到“海鷂”、AV-8B等多型戰(zhàn)機。這些戰(zhàn)機的噴氣式發(fā)動機有共同的特點：擁有4個可以旋轉(zhuǎn)的噴口，前面2個噴口噴出從壓氣機引出來的冷氣，后面2個噴口噴出從燃燒室引出來的熱氣。在起降階段，噴口旋轉(zhuǎn)向下；在平飛巡航階段，旋轉(zhuǎn)向后。

隨后幾十年，美蘇冷戰(zhàn)刺激了航空工業(yè)發(fā)展，具備空中作戰(zhàn)優(yōu)勢的三代機成為各國空軍主力戰(zhàn)機。“鷂”式戰(zhàn)機雖然具備垂直起降優(yōu)勢，但“飛馬”發(fā)動機旋轉(zhuǎn)噴管機構超重，戰(zhàn)機操縱難度大，逐漸淪為戰(zhàn)場配角。英阿馬島海戰(zhàn)，英軍損失了數(shù)十架“鷂”式戰(zhàn)機。一時間，推力矢量技術的可行性遭受質(zhì)疑。

無巧不成書。恰逢美蘇太空爭霸，德國一家公司科研人員在火箭發(fā)射中找到創(chuàng)新靈感：火箭噴口處安裝可控折流板，可以偏轉(zhuǎn)噴氣流從而操縱火箭飛行姿態(tài)，戰(zhàn)機發(fā)動機能否裝上這種折流板？

科研人員很快將設想付諸實踐。1990年，X-31試驗機誕生，該戰(zhàn)機發(fā)動機尾噴口裝有3塊碳纖維復合材料舵面。在試飛員的操縱下，X-31試驗機以70度大迎角飛向藍天，創(chuàng)下過失速機動能力的新紀錄，一時間震驚世界。

當時，安裝折流板無需對發(fā)動機進行重新設計，在現(xiàn)役戰(zhàn)機改裝方面展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。不過，科研人員很快發(fā)現(xiàn)加裝折流板的一個致命缺陷：機械機構外廓尺寸和重量較大，導致戰(zhàn)機在超聲速飛行時推力減弱。

如何提升推力矢量發(fā)動機效率？當時，美國和蘇聯(lián)給出了不同答案：美國普惠公司選擇將尾噴管“捏扁”，用4塊調(diào)節(jié)板打造矩形二元矢量噴口，以降低超聲速飛行時的阻力；蘇聯(lián)留里卡設計局將周向魚鱗片用“束帶”固緊尾噴口管道，通過液壓系統(tǒng)操縱噴口全向擺動，實現(xiàn)柔性偏轉(zhuǎn)。

進入21世紀，美國研制出搭載扁平式矢量噴口的F-22隱身戰(zhàn)機，俄羅斯則推出了“留里卡式”的新一代蘇-35戰(zhàn)機，機動能力更強。一時間，推力矢量發(fā)動機成為世界各國的競逐賽場。時至今日，“美系”和“俄系”推力矢量發(fā)動機仍是各國戰(zhàn)機仿制的主要選擇。

航空界有句話：“只要發(fā)動機足夠強勁，磚頭都能飛上天?！苯陙?，推力矢量技術所提供的額外機動性和操縱能力已取代部分舵面的功能。目前，鑒于無尾翼設計的可行性，一些國家已將簡化舵面列入六代機發(fā)展計劃。由此可見，推力矢量技術發(fā)展將在科學家的探索下?lián)碛懈嗫赡堋?/p>

“心臟”移植，實現(xiàn)戰(zhàn)機和發(fā)動機最佳匹配

一款新型推力矢量發(fā)動機的研發(fā)技術再先進、圖紙設計再完美，能不能試驗成功，最終取決于發(fā)動機與戰(zhàn)機的匹配程度。

2017年，日本國產(chǎn)“心神”戰(zhàn)機在結束最后一次試飛后，宣布項目終止，前期龐大的資金投入化為烏有。有數(shù)據(jù)表明，“心神”戰(zhàn)機所選用的XF5-1推力矢量發(fā)動機最大推力僅5噸，且超聲速飛行干擾阻力過大，導致項目不得不提前“下馬”。

半個多世紀以來，世界各國在研發(fā)推力矢量發(fā)動機過程中，反復驗證技術的成熟度，不斷提升發(fā)動機與戰(zhàn)機的匹配度，直至達到定型標準。這一過程，科研人員著力解決推力矢量發(fā)動機的三大難題：

一是排除干擾隱患。戰(zhàn)機執(zhí)行超機動飛行動作時，推力矢量發(fā)動機尾噴口產(chǎn)生的噴流會直接作用在飛機的擾流板上，產(chǎn)生擾流效應。這可能會導致戰(zhàn)機升力分布不均勻，抗失速能力和操縱穩(wěn)定性減弱，增加飛行事故風險。

如何解決擾流問題？20世紀90年代，俄羅斯蘇-30戰(zhàn)機的設計師別出心裁地將2臺AL-31F發(fā)動機搭載在機身后部與垂直尾翼相比較高的位置，使噴流遠離戰(zhàn)機擾流板；將發(fā)動機尾噴口設置為“外八字”偏轉(zhuǎn)方向，有效減小擾流范圍，飛行穩(wěn)定性和操作安全性得到大幅增強。

二是提升材料性能。推力矢量發(fā)動機尾噴口越靈活、越嚴密，越有利于提升發(fā)動機推力效果。發(fā)動機尾流的溫度可達1000℃以上，且氣體壓力高達幾百千帕，普通金屬會軟化變形。因此，尾噴管的材料選用至關重要。

近年來，科研人員研發(fā)出多種新型復合材料。比如，選用高溫耐火陶瓷基復合材料制作出的戰(zhàn)機尾噴管，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，可以承受1500℃高溫，密度只有高溫合金的1/3，強度卻為其2倍，且結構耐久性好。

三是解決控制難題。眾所周知，推力矢量發(fā)動機推力方向的變化會對飛機姿態(tài)產(chǎn)生重要影響。在飛行姿態(tài)大幅變化時，飛行員控制不好很容易造成戰(zhàn)機失控。

對此，歐洲空客公司與發(fā)動機制造商斯奈克瑪公司強強聯(lián)手，共同研發(fā)出一種能夠與戰(zhàn)機完全集成的發(fā)動機系統(tǒng)。這種一體化推力矢量設計實現(xiàn)了戰(zhàn)機和發(fā)動機的最佳匹配、各個氣動舵面偏轉(zhuǎn)與尾噴管偏轉(zhuǎn)的完美配合，飛行員操作難度系數(shù)減小，飛行安全性和穩(wěn)定性得以提升。

追求高效，推力矢量技術一直在升級

進入新世紀，越來越多的軍事專家開始關注一個問題：隨著空戰(zhàn)模式轉(zhuǎn)變，是不是每架戰(zhàn)機都需要搭載推力矢量發(fā)動機？

以F-35戰(zhàn)機為例，考慮到推力矢量發(fā)動機在尾噴口周圍的機械結構可能會影響到戰(zhàn)機的隱身性能，以及推力矢量技術帶來的機動能力并不能掩蓋超聲速飛行的短板，最新型F-35C戰(zhàn)機并沒有選用推力矢量發(fā)動機。

這一現(xiàn)象劍指推力矢量發(fā)動機效費比問題。為適應戰(zhàn)機隱身作戰(zhàn)要求，推力矢量發(fā)動機化繁就簡至關重要，精簡偏轉(zhuǎn)機構、減少調(diào)節(jié)板數(shù)量等改進措施成為升級推力矢量發(fā)動機的首選。目前，采用鋸齒形和尖劈形結構的推力矢量發(fā)動機，雷達反射面積減小了一個數(shù)量級。

尾噴管內(nèi)部流場研究也十分關鍵。有的國家對推力矢量發(fā)動機研發(fā)提出苛刻要求：增加噴管偏轉(zhuǎn)角度至20°，并滿足超聲速飛行要求。為此，科研人員利用先進的數(shù)值模擬和試驗技術，進行流場分析優(yōu)化，不斷提升推力矢量系統(tǒng)的效率和可靠性。比如，在過去10年里，俄羅斯多次為蘇-35戰(zhàn)機升級推力矢量噴管，提升戰(zhàn)機的操縱性和機動性。

比起修修補補，設計思路上的創(chuàng)新尤為重要。針對機械偏轉(zhuǎn)結構大、成本高等問題，一些國家科研機構提出氣動推力矢量理念，依靠噴管中的次流對主流的干擾產(chǎn)生推力矢量，用一堵“空氣墻”引導氣流偏轉(zhuǎn)，可以使噴管減輕80%的質(zhì)量，降低一半的制造成本。

近年來，氣動推力矢量技術率先在無人機上得以驗證，正向大型航空發(fā)動機應用轉(zhuǎn)變。在這支創(chuàng)新隊伍中，俄、美、英等軍事強國走在前列，以色列、韓國等新興國家也在努力追趕，他們努力破解飛行器的高機動、強隱身需求與固有的操縱性和穩(wěn)定性的矛盾，著力提升大型戰(zhàn)機的作戰(zhàn)性能。

放眼未來，通過一體化推力矢量設計，新型戰(zhàn)機有望具備無尾扁平布局、全向?qū)掝l隱身等新特征，進而改變未來空戰(zhàn)格局。