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

改變空戰(zhàn)格局的推力矢量技術(shù)——

戰(zhàn)機(jī)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(jī)的蘇-35戰(zhàn)機(jī)。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(jī)的國產(chǎn)戰(zhàn)機(jī)，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(jī)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(jī)尾噴流代替戰(zhàn)機(jī)操縱面功能，偏轉(zhuǎn)力矩越大，戰(zhàn)機(jī)姿態(tài)調(diào)整越快。當(dāng)前，推力矢量技術(shù)是各國競相發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接推動了眼鏡蛇機(jī)動、赫伯斯特機(jī)動等一系列超機(jī)動戰(zhàn)術(shù)動作的誕生，擁有戰(zhàn)機(jī)“噴氣舵面”的美譽(yù)。

看似簡單的推力“拐彎”，背后需要巧妙的設(shè)計論證，更需要優(yōu)異的制造工藝。在過去半個世紀(jì)里，不少國家在推力矢量技術(shù)研發(fā)上投入數(shù)億美元，目前僅有少數(shù)國家具備獨(dú)立研發(fā)推力矢量發(fā)動機(jī)的能力。這也足以證明，航空發(fā)動機(jī)實現(xiàn)推力“拐彎”并非易事。那么，推力矢量技術(shù)從何而來？這項技術(shù)難點有哪些？對未來戰(zhàn)機(jī)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(jìn)化之路

航空發(fā)動機(jī)，被譽(yù)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(jī)高達(dá)1400?？梢钥闯?，研制先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)是各國競相攻克的技術(shù)難題。

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

從此，推力矢量技術(shù)得到推廣，逐步應(yīng)用到“海鷂”、AV-8B等多型戰(zhàn)機(jī)。這些戰(zhàn)機(jī)的噴氣式發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)成為各國空軍主力戰(zhàn)機(jī)?！苞_”式戰(zhàn)機(jī)雖然具備垂直起降優(yōu)勢，但“飛馬”發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)噴管機(jī)構(gòu)超重，戰(zhàn)機(jī)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(jī)。一時間，推力矢量技術(shù)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(jī)發(fā)動機(jī)能否裝上這種折流板？

科研人員很快將設(shè)想付諸實踐。1990年，X-31試驗機(jī)誕生，該戰(zhàn)機(jī)發(fā)動機(jī)尾噴口裝有3塊碳纖維復(fù)合材料舵面。在試飛員的操縱下，X-31試驗機(jī)以70度大迎角飛向藍(lán)天，創(chuàng)下過失速機(jī)動能力的新紀(jì)錄，一時間震驚世界。

當(dāng)時，安裝折流板無需對發(fā)動機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計，在現(xiàn)役戰(zhàn)機(jī)改裝方面展現(xiàn)出獨(dú)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(jī)械機(jī)構(gòu)外廓尺寸和重量較大，導(dǎo)致戰(zhàn)機(jī)在超聲速飛行時推力減弱。

如何提升推力矢量發(fā)動機(jī)效率？當(dāng)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(shè)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(jìn)入21世紀(jì)，美國研制出搭載扁平式矢量噴口的F-22隱身戰(zhàn)機(jī)，俄羅斯則推出了“留里卡式”的新一代蘇-35戰(zhàn)機(jī)，機(jī)動能力更強(qiáng)。一時間，推力矢量發(fā)動機(jī)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(jī)仍是各國戰(zhàn)機(jī)仿制的主要選擇。

航空界有句話：“只要發(fā)動機(jī)足夠強(qiáng)勁，磚頭都能飛上天。”近年來，推力矢量技術(shù)所提供的額外機(jī)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(shè)計的可行性，一些國家已將簡化舵面列入六代機(jī)發(fā)展計劃。由此可見，推力矢量技術(shù)發(fā)展將在科學(xué)家的探索下?lián)碛懈嗫赡堋?/p>

“心臟”移植，實現(xiàn)戰(zhàn)機(jī)和發(fā)動機(jī)最佳匹配

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

2017年，日本國產(chǎn)“心神”戰(zhàn)機(jī)在結(jié)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(jī)所選用的XF5-1推力矢量發(fā)動機(jī)最大推力僅5噸，且超聲速飛行干擾阻力過大，導(dǎo)致項目不得不提前“下馬”。

半個多世紀(jì)以來，世界各國在研發(fā)推力矢量發(fā)動機(jī)過程中，反復(fù)驗證技術(shù)的成熟度，不斷提升發(fā)動機(jī)與戰(zhàn)機(jī)的匹配度，直至達(dá)到定型標(biāo)準(zhǔn)。這一過程，科研人員著力解決推力矢量發(fā)動機(jī)的三大難題：

一是排除干擾隱患。戰(zhàn)機(jī)執(zhí)行超機(jī)動飛行動作時，推力矢量發(fā)動機(jī)尾噴口產(chǎn)生的噴流會直接作用在飛機(jī)的擾流板上，產(chǎn)生擾流效應(yīng)。這可能會導(dǎo)致戰(zhàn)機(jī)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(fēng)險。

如何解決擾流問題？20世紀(jì)90年代，俄羅斯蘇-30戰(zhàn)機(jī)的設(shè)計師別出心裁地將2臺AL-31F發(fā)動機(jī)搭載在機(jī)身后部與垂直尾翼相比較高的位置，使噴流遠(yuǎn)離戰(zhàn)機(jī)擾流板；將發(fā)動機(jī)尾噴口設(shè)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(qiáng)。

二是提升材料性能。推力矢量發(fā)動機(jī)尾噴口越靈活、越嚴(yán)密，越有利于提升發(fā)動機(jī)推力效果。發(fā)動機(jī)尾流的溫度可達(dá)1000℃以上，且氣體壓力高達(dá)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(guān)重要。

近年來，科研人員研發(fā)出多種新型復(fù)合材料。比如，選用高溫耐火陶瓷基復(fù)合材料制作出的戰(zhàn)機(jī)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(qiáng)度卻為其2倍，且結(jié)構(gòu)耐久性好。

三是解決控制難題。眾所周知，推力矢量發(fā)動機(jī)推力方向的變化會對飛機(jī)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(jī)失控。

對此，歐洲空客公司與發(fā)動機(jī)制造商斯奈克瑪公司強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，共同研發(fā)出一種能夠與戰(zhàn)機(jī)完全集成的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)。這種一體化推力矢量設(shè)計實現(xiàn)了戰(zhàn)機(jī)和發(fā)動機(jī)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(shù)一直在升級

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

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

這一現(xiàn)象劍指推力矢量發(fā)動機(jī)效費(fèi)比問題。為適應(yīng)戰(zhàn)機(jī)隱身作戰(zhàn)要求，推力矢量發(fā)動機(jī)化繁就簡至關(guān)重要，精簡偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、減少調(diào)節(jié)板數(shù)量等改進(jìn)措施成為升級推力矢量發(fā)動機(jī)的首選。目前，采用鋸齒形和尖劈形結(jié)構(gòu)的推力矢量發(fā)動機(jī)，雷達(dá)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(guān)鍵。有的國家對推力矢量發(fā)動機(jī)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(jìn)的數(shù)值模擬和試驗技術(shù)，進(jìn)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(jī)升級推力矢量噴管，提升戰(zhàn)機(jī)的操縱性和機(jī)動性。

比起修修補(bǔ)補(bǔ)，設(shè)計思路上的創(chuàng)新尤為重要。針對機(jī)械偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)大、成本高等問題，一些國家科研機(jī)構(gòu)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(dǎo)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(shù)率先在無人機(jī)上得以驗證，正向大型航空發(fā)動機(jī)應(yīng)用轉(zhuǎn)變。在這支創(chuàng)新隊伍中，俄、美、英等軍事強(qiáng)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(jī)動、強(qiáng)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(jī)的作戰(zhàn)性能。

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