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歼-10为啥突然变神奇?

时间:11-09 00:00 阅读:5103次 转载来源:战略前沿技术

远望智库:与智者同行,为创新加速

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歼-10为啥突然变神奇?

远望智库技术预警中心 国豪

11月6日上午,第十二届中国国际航空航天博览会正式拉开大幕。安装了推力矢量发动机的歼-10B推力矢量验证机进行了精彩的飞行表演,在15分钟的表演时间里,3次做出震撼的“眼镜蛇”机动,迎角达到了100度左右。

歼-10B推力矢量验证机在珠海航展上表演

不仅如此,歼-10B推力矢量验证机的“落叶飘”机动表演更加炫目,表演中,歼-10B好像进入了“螺旋”,但和“螺旋”不同的是,歼-10B像落叶一样下飘的动作是那么地从容、可控,旋转几圈后,又从容地改平。歼-10B的表演,让观众目睹了推力矢量发动机给战斗机机动性能带来的巨大提高。

一、啥是推力矢量航空发动机

推力矢量发动机是指将原只能扩散、收敛的尾喷管改成了既可扩散、收敛,还可上下或左右偏转的尾喷管,通过一体化飞机发动机控制系统控制,来控制发动机尾喷流方向,以利用发动机的推力获得附加控制力矩,来补充或取代常规飞行控制面产生的气动力,实现飞机的姿态变化控制。也就是指,加装了推力矢量喷管系统的航空发动机。

二、国外战斗机发动机装备推力矢量喷管情况

航空发动机推力矢量喷管国际上主要有二元推力矢量喷管、轴对称矢量喷管和偏流板矢量喷管3种。其中,二元矢量喷管和偏流板矢量喷管发展较早,而二元矢量喷管目前技术最成熟,已被F-22的F119-PW-100发动机采用;偏流板矢量喷管只在日本第五代战斗机验证机“心神”的XF5-1发动机上有所应用。轴对称推力矢量喷管是在二元矢量喷管基础上发展起来的,起步晚但发展非常迅速,已成为现在各国的研究发展重点,已成功应用到印度苏-30MKI的AL-31FP发动机、苏-35的AL-41F-1S发动机和米格-35的RD-33MK发动机上。

F-22战斗机,可见其尾喷管情况

(一)F119-PW-100发动机推力矢量喷管

F119-PW-100发动机为美国空军F-22A战斗机的动力装置,其推力矢量喷管为二元扩散/收敛矢量喷管,采用第三代双余度全权限数字电子控制系统控制,喷管可以向上或向下偏转20度,从+20度到-20度的行程只需1秒。其结构比轴对称推力矢量喷管简单,隔热和密封要求比较低,故而寿命要长。二元扩散/收敛推力矢量喷管的采用,使F-22A的飞行迎角最大可达60度,具有了过失速机动能力,提高了F-22的敏捷性。同时,推力矢量喷管调节片进行了雷达隐身设计和冷却处理,可减小雷达散射截面积和红外信号特征。

F119-PW-100发动机

(二)F135-PW-600发动机推力矢量喷管

F135-PW-600发动机为F-35B战斗机配套研制,集成了罗·罗公司的三轴承偏转轴对称收敛/扩散喷管。喷管由三节连接在一起的管道组成,每节管道均为钛合金材料制成,都通过环形轴承与其他喷管连接。喷管2.5秒内可以平滑下弯95度而无需改变发动机运行状态,能在F-35B悬停以及悬停与平飞间过渡时进行偏航控制,在升力风扇、滚转喷管的配合下,使F-35B具有了短距起飞垂直降落能力。喷管端口为低可探测锯齿状结构,可提高F-35B战斗机隐身性能。

F135-PW-600发动机

(三)AL-31FP发动机推力矢量喷管

AL-31FP发动机是AL-31F发动机的矢量版,装备在印度从俄罗斯进口的苏-30MKI战斗机上。尾喷管和发动机为球形铰接,结构较复杂,喷管裙口的收扩部分及里面的球铰部分采用耐高温合金,内表面有隔热涂覆层,靠外部气流散热,当隔热涂覆层不可靠时需更换维修。推力矢量喷管可以做上下15度的偏转调整,可差动。2个推力矢量喷管的转轴有32度夹角,喷管差动偏转时,能够同时在俯仰和偏航方向上形成力矩。矢量喷管使用寿命为500小时。

(四)XF5-1发动机推力矢量喷管

XF5-1为日本第五代战斗机验证机“心神”装备的发动机,尾喷管采用了燃气舵式推力矢量技术,三块勺形推力矢量偏流板可向内、向外转动,以改变发动机喷流方向,实现推力矢量机动。折流板是推力矢量技术中出现最早的,结构最简单,成本低,技术难度小。缺点是死重大、尺寸大,对隐身和超音速巡航不利,特别是偏流板会导致推力严重损失。

“心神”第五代战斗机验证机,可见尾喷管情况

三、推力矢量发动机给战斗机带来的优势

普通发动机的尾喷流是与飞机的轴线重合的,产生的推力沿轴线向前,发动机的推力只是用于克服飞机所受到的阻力,提供飞机加速的动力。而采用推力矢量喷管技术的飞机,尾喷管是可偏转的活动部件,可将推力方向做垂直或水平调整,对于提高战斗机的技战术性能具有十分重要作用。

(一)可有效增加飞机的机动性, 提升飞机的空战能力

推力矢量的作用,使飞机在尾翼失速的情况下仍能有效操纵,飞机的飞行迎角可大大扩展;俯仰速率、转弯速率大大提高,使战斗机可快速实现大迎角飞行,大大减小转弯半径,使机头快速指向目标,提高武器的使用机会。F-22战斗机可进行60度最大迎角过失速机动。在迎角20°时的最大滚转角速度,F-22战斗机可由每秒65度提高到每秒110度,滚转360度的时间由10.5秒减少到5.7 秒。甚至有的战斗机可具有超机动性能。苏-35S“摊煎饼”机动令人瞠目结舌,水平方向不减速,几米范围3秒内实现静高度360度转向,这让“转弯半径”的传统概念几乎退出历史舞台,使苏-35S更能瞬间把握战机,运用红外制导导弹从敌尾后攻击。一般战斗机每次以45度或60度倾角盘旋需要1.5至2分钟,而苏-35的速度快得多。

俄罗斯苏式战机的“眼镜蛇”机动

(二)可有效改善起降性能, 实现短距起降

在起飞过程中,战斗机可使用推力矢量来增加升力,使滑跑距离大大缩短,可降低战斗机对机场的要求和减少对机场的依赖程度,提高飞机的可部署能力和快速反应能力。1991年美国试飞的F-15S/NTD推力矢量喷管技术试验机,推力矢量喷管下偏转15度后,起飞滑跑距离由原来的1200米缩短到460米,效果是非常显著的。美国F-35B战斗机推力矢量喷管向下旋转95°后,在升力风扇、滚转喷管的配合下,具有了短距起飞垂直降落能力。  

(三)可提高飞机的隐身性能,增加飞机的航程

推力矢量对飞机控制效率的提高,可使飞机的垂尾和平尾等气动控制面大大缩小,可有效降低垂直尾翼对雷达波反射,降低垂尾和平尾形成的角反射器效应。有的尾喷管鱼鳞片末端具有锯齿边缘,即人字形尖端,不仅降低了喷管的雷达特征,还有助于在尖端产生旋涡,促使灼热喷气流与较冷的环境空气快速混合,减小飞机的红外特征。同时,垂尾和平尾的缩小,可以减轻飞机的重量,降低飞行阻力,减小燃油消耗,增大飞机航程。

(四)可提高飞机的操作效率,改善飞机的操纵品质

采用推力矢量喷管的飞机,因其喷管距飞机重心远,推力矢量提供的纵向、横向操纵力矩更大,并不随迎角、姿态而变化。在推力矢量喷管用于横航向操纵时,低速操纵效率可提高1倍,大迎角时尤为显著,有利于飞机的敏捷性、亚声速和超声速机动能力的提高。

四、航空发动机推力矢量喷管关键技术

一是需要解决推力矢量喷管与发动机燃烧室之间的密封和连接问题。从燃烧室喷出的燃气流在2000度和7个大气压以上,矢量喷管偏转过程中必须保证绝对密封,喷管壁在强大热喷流冲刷下要保持结构完整,不能在接缝处出现漏气现象。

二是推力矢量喷管会给发动机增加一定的结构重量,但增重要限制在一个可接受的范围内。这个重量集中在飞机的尾部,为了保持飞机的重心位置不变,要在机身上增加配重。

三是飞机、发动机、尾喷管要进行一体化控制,即发动机推力控制系统与飞机的电传操纵系统要进行一体化设计,实现推力矢量喷管的控制与战机的飞行控制系统的良好整合,使飞机的平尾、方向舵、襟副翼、前缘襟翼和发动机喷管等部件的操纵达到最佳化,使普通飞行员都可以方便使用。

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