中国三代飞机需要什么样的矢量推力发动机?

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导读: 中国三代飞机需要什么样的矢量推力发动机?



空军,历来是世界各国国防的支柱性力量,是各国发展国防的重中之中。空军向来是高科技密集型军种,现代化军用飞机尤其是现代化战斗机的发展几乎凝聚了现今世界所有最新科研成果。任何一款新型现代化战斗机问世后无一例外的都会引起广大军事爱好者的浓厚兴趣和热烈讨论。而这其中就包括了对新型战机上使用的各种新技术、新设备的关注和讨论。而作为世界主要空中作战力量的中国空军新技术新装备的发展更是受到中国国内军事爱好者的广泛关注。近来,俄国相继推出苏-35和米格-35两种新型战斗机,其中的苏-35重型多用途战斗机还曾经多次向中国方面极力推销。由于苏-35和米格-35上使用了一些很前卫的高新技术尤其是最重要的推力矢量发动机技术,因此引起中国国内互联网上一些网友的热捧。这些网友先是呼吁中国空军应该直接引进俄国苏-35重型多用途战斗机并引进生产线。当这种论调遭到很多网友的批驳后,苏-35的中国发烧友们又提出一种“折中方案”。那就是他们呼吁空军应该效法俄国人的做法,用俄国技术改良目前中国国产最先进的歼-10轻型多用途战斗机和歼-11B重型多用途战斗机这两种战斗机。其中最重要的就是呼吁仿效俄国空军的做法在歼-10轻型多用途战斗机和歼-11B重型多用途战斗机上换装推力矢量发动机,因为这样可以使这两种飞机作出很多以往无法作出的高难度机动动作。换装推力矢量发动机甚至被苏-35的中国发烧友们形容为“必须的”,好像已经到了生死攸关的地步。这种言论遭到很多网友的反对,双方的争论非常激烈。那么,中国空军以歼-10和歼-11B为代表的第三代和三代半战斗是否真有必要效法俄国的做法换装推力矢量发动机呢?在三代机上使用四代机的推力矢量发动机技术对提高战斗力是否真的那样有利呢?在此,灵云欲以自己所知和网友们就此进行一下分析。因为灵云能力有限,所写的肯定有不足之处。还请网友们多多指教。

发动机推力矢量技术是航空发动机界的新兴技术。发动机推力矢量技术是指航空发动机产生的推力通过喷管的偏转产生的推力分量来替代飞机原有的操纵面或增强飞机的操纵功能,对飞机的飞行进行实时控制的技术。与传统控制技术相比,发动机推力矢量技术有多种优势。首先,能让发动机推力的一部分变成操纵力,这样就可以全面或部分代替原有相对复杂的操纵面,从而大大减少战机雷达反射面积。同时,飞机可利用矢量推力发动机产生的这部分操纵力进行操纵,这就增加了飞机的可操纵性。而且由于是发动机直接提供飞机控制操纵力,并且推力的量值和推力方向很容易改变,因而极大的增加了飞机的敏捷性,这对于提高战斗机空战机动性有巨大意义。由于发动机推力矢量技术对未来战机性能和空战形式将产生革命性影响,因此引起世界各主要军事强国的关注。美、俄等国为此投入大量人力财力进行相关研究工作,已经取得很大进展。目前相对成熟的发动机推力矢量技术项目包括折流板式、二元矢量喷管式、轴对称矢量喷管式和流场推力矢量喷管式。折流板式是在飞机的发动机尾喷口外侧加数块可作向内、向外径向转动的尾板,靠尾板的转向来改变飞机发动机喷流的方向,实现推力矢量控制。这种方法是多种技术中出现得最早的。结构最简单,而且成本低,改进难度也最少。是最早实现实用化的推力矢量控制方式。但这种方式有较大的重量和外廓尺寸,工作效率低,而且会飞机的隐身性,对四代机的超音速巡航也非常不利,所以它仅是发展推力矢量技术的一种试验验证方案而没有推广使用,典型代表就是美国空军的X-31技术验证机。二元矢量喷管是指飞机发动机的尾喷管能在俯仰和偏航方向产生角度偏转,使飞机能在俯仰和偏航方向上产生垂直于飞机轴线附加力矩,因而使飞机具有推力矢量控制能力,目前常见的二元矢量喷管基本是作成矩形。二元矢量喷管结构相对简单,技术难度小,易于实现推力矢量化。是目前使用最广的实用化发动机推力矢量控制技术。目前世界上现役最先进的美国空军F-22重型战斗机使用的就是二元矢量喷管技术。二元矢量喷管的缺点是结构比较复杂笨重。轴对称矢量喷管技术是在原有二元矢量喷管技术上发展起来的,与原型相比最大不同是发动机尾喷口旋转方向的变化角度复杂得多,可以实现360度全向推力转换。流场推力矢量喷管完全不同于前面几种传统的机械控制式推力矢量喷管,其主要特点是通过在喷管扩散段引入侧向次气流去影响主气流的状态,以达到改变和控制主气流的方向,获取推力矢量的目的。它的最主要优点是省却了大量的其他几种推力矢量技术用的复杂的机械运动控制部件,极大简化了机体结构,减轻了重量。目前,各国在发动机推力矢量技术应用最广泛的是轴对称推力矢量喷管技术。折流板方案由于相对落后已经被放弃。二元矢量喷管研究最早,是目前技术最成熟的,已经被F-22等飞机所采用。轴对称推力矢量喷管技术是在二元矢量喷管基础上发展起来的,起步晚于二元矢量喷管。但发展非常迅速,现在各国的研究发展重点就是轴对称矢量喷管上。其中最典型同时也是最有名的代表就是俄罗斯的苏-35和米格-35。而流场推力矢量喷管技术由于难度高,目前仍在研究探索阶段,离实用化尚有一段距离。但由于他摆脱了传统机械式推力矢量喷管技术结构复杂这一最大的缺点,因此将是未来推力矢量控制技术的发展方向。

与传统发动机技术和飞机控制技术相比,发动机推力矢量技术由于具有很多不可比拟的优势,因此受到各军事强国国的普遍重视。目前,掌握发动机推力矢量技术并将其实用化的主要是美国和俄罗斯。其中美国主要是将发动机推力矢量技术应用于第四代战斗机上,如著名的F-22“猛禽”和F-35“闪电II”战斗机。发动机推力矢量技术和其他技术的应用使这两种战机的作战能力比以往三代机有了质的提高。而与美国将发动机推力矢量技术应用与四代机的做法不同的是,俄罗斯将发动机推力矢量技术大量运用于对三代机的改良。其中包括出售给印度的苏-30MKI、苏-37和刚研制成功的苏-35以及米格-35。发动机推力矢量技术的应用确实大幅提高这些三代机的性能尤其是机动性。这也是这些俄国改进性飞机之所以在中国国内部分网友中备受推崇的重要原因。正是由于看到俄国改进后的三代机做出的那些复杂的高机动动作以及俄国方面的大力吹捧,导致中国国内一些网友呼吁引进俄国苏-35,或者至少引俄国进或自行研制推力矢量发动机用来改装中国空军现役三代机如歼-10和歼-11B。甚至被形容为“中国空军必须立即做的”,但灵云对此种意见不能苟同。

俄国在改进型战斗机上使用推力矢量发动机技术已经不是第一次,俄国也是目前世界上推出使用推力矢量发动机技术战机最多的国家。俄国换装推力矢量发动机的三代或三代半战机如苏-30MKI、苏-35以和米格-35,由于使用了推力矢量控制技术和其他一些如“三翼面控制技术”等技术后,其飞行机动性确实有很大提高。在一些对公开外飞行表演中做出了很多诸如“超级眼镜蛇机动”、“弗罗洛夫酒盅”和“钟摆”等在内的高难度机动。这在以往是从来没有过的。但灵云认为其究竟具备多大的实战意义目前还属于未知数。首先,在现有技术条件下,目前的已知的世界上所有战斗机用推力矢量发动机都是无一例外的是以十分复杂的机械装置来控制发动机矢量喷嘴的方向转换。这导致一个相当严重的后果。那就是发动机矢量推力喷嘴的变换角度越多,其机械操作、控制结构就越复杂。因此目前世界上现役矢量推力发动机的喷嘴寿命都比较短,而且可靠性相对较差,而俄国更是如此。俄国航空发动机自身本来就有寿命短的缺陷,而配用的矢量喷嘴由于技术并不成熟,而且结构复杂,可靠性差。直接造成目前所有俄制推力矢量发动机的寿命尤其是其最关键的矢量推力喷嘴的大修间隔寿命非常短。例如俄国出口到印度的苏-30MKI战斗轰炸机使用的AL-31FP推力矢量发动机的寿命只有300小时,而其推力矢量喷嘴的更是只有20小时!而且发动机可靠性非常差。这在目前世界军用喷气式航空发动机中是极其罕见的。而目前被俄国方面吹得震天响的“超级战斗机”苏-35重型多用途战斗机使用的的117S矢量推力发动机其实际价值同样有待商榷。117S发动机就是在印度空军苏-30MKI使用的AL-31FP推力矢量发动机改进而来的。主要改进是提高使用寿命并具备全向矢量推力功能。目前俄国宣传资料宣称117S发动机的寿命为1000小时,这与目前世界上其他军用大推力涡扇发动机的寿命相比本身就已经非常低,考虑到俄国对外宣传中一向有夸大其词的习惯,因此灵云认为117S发动机的真实寿命非常值得怀疑。以现有技术,采用机械式控制技术的推力矢量发动机的矢量喷嘴的转换角度越多,其结构就越复杂。可靠性和寿命也就越低。因此使用这种技术的发动机的战机其可靠性和出勤率都可能受到很大影响。印度空军的苏-30MKI战斗轰炸机就是由于其AL-31FP推力矢量发动机严重的质量问题导致经常停飞,甚至出现印度空军全部苏-30MKI集体“趴窝”的严重事故。这也正是俄方多次向中国空军推销其AL-31FP推力矢量发动机未果的直接原因。解决办法就是尽可能简化喷嘴机体和控制系统结构,而最实际的就是发展喷嘴电磁控制装置。但由于技术难度较大,在今后相当长一段时间内还难以取得技术突破。

最重要一点,灵云认为,目前世界上使用推力矢量发动机的除俄罗斯一些改进型三代或三代半战机外,就只有美制F-22和F/A-35这两种第四代战斗机。而西方所有其他改进型第三代或三代半战斗机如美国的F-15K、法国的“阵风”、欧洲“台风”战斗机等都没有使用推力矢量发动机。这决不是西方尤其是美国的发动机技术不如俄罗斯。灵云认为,原因就是第三代战斗机本身并不适合使用推力矢量发动机。第三代战斗机的整体气动布局设计、机载电子飞行控制系统和机体材料等方面与第四代战斗机都有巨大差异。现代战斗机对发动机的使用是在设计时就与机体气动布局、机体机构强度和材料选择以及航空电子飞行控制系统作为一个系统化的有机整体综合考虑进去的。而第三代战斗机在设计气动布局、机体结构和航电飞行控制系统以及选择机体材料时并没有考虑过使用推力矢量发动机技术,因此其气动布局计如机载武器外挂方式、机体材料和机体结构强度选择和航电飞行控制系统的性能都极大限制了推力矢量发动机功能的发挥。而第四代战斗机在设计时就将推力矢量发动机带来的高机动性等性能考虑在内,将推力矢量控制技术、航空气动布局设计技术、机体结构强度设计、机体材料选择和航空电子飞行控制系统作为一个系统化有机整体而综合考虑。如美国的F-22和F/A-35就使用了诸如内置弹仓、一体化综合航空电子飞行控制系统等技术。正是如此才能保证推力矢量发动机功能的充分、全面发挥。这也是西方所有其他改进型第三代战斗机上都没有使用推力矢量发动机技术的最根本原因。反观俄国。俄国在一系列改进型第三代战斗机如苏-35和米格-35上都使用了推力矢量发动机。这样做确实给这些飞机带来更好的机动性,最直接的表现就是在各种航展上俄国飞机都作出大量惊人的高难度动作。但所有这些表演飞机都有个通例,那就是它们都是没有携带任何外挂载荷的“裸机”,甚至为追求特级效果机内载油量也受到严格限制。而挂弹机和“裸机”两者在气动外形和整体重量上存在巨大差异。挂弹后的战机其气动布局和重量等关键指标将产生巨大变化,整机重量和飞行阻力将大幅增加。如此一来飞行条件将彻底改变,在此种状况下安装有推力矢量发动机的第三代战斗机在实战中究竟能否做出航展那些花里胡哨的高机动动作绝对是个未知数。同时,未来第四代战斗机将具备高隐身性和超视距截击能力。在这种条件下安装有推力矢量发动机的第三代战斗机在实战中由于难以用机载雷达发现对方,很可能连对手面都见不到就已经被击落,即使面对同样的第三代战斗机也是如此。而即便是三代机可以与第四代战机进入近距离格斗,由于两者在飞行品质上存在巨大差异,因此使用推力矢量控制技术的三代机与四代机近距离交战也存在相当难度。印度空军的苏-30MKI战斗轰炸机在与美国空军F-15C模拟对抗演习中是靠雷达在远距离用超视距拦击手段获胜的,并非依靠推力矢量发动机带来的高机动性。未来空战将越来越多的依靠超视距攻击,在此条件下装有推力矢量发动机的低隐身第三代战斗机将很难发挥起作用。美国空军曾经研制过使用推力二元矢量推力发动机和全动鸭翼的F-15STVOL。其特点和俄国研制的苏-30MKI基本相同,也是使用了二元矢量推力发动机和三翼面结构。试验表明F-15STVOL的机动性比原型确实有很大提高。但就是因为F-15STVOL属于典型的三代机,其机体条件等原因造成矢量推力发动机的性能受到相当影响无法得到全面发挥。因此美国在其后F-15和F-16等三代机的改进性中都没有使用矢量推力发动机技术。

通过上面的分析可以看出,俄国在现有三代或三代半战机上换装矢量推力发动机的方法并不值得中国空军借鉴。原因就是受三代或三代半战机自身条件的限制,矢量推力发动机的性能很难得到充分发挥。对战机整体性能提高的作用也非常有限。在现有三代或三代半战机上换装矢量推力发动机从某种意义上甚至可以说是对矢量推力发动机性能的“浪费”。因此,灵云认为中国空军完全没必要效法俄国人的做法,在现有三代或三代半战机上大量使用矢量推力发动机技术。中国空军要在矢量推力发动机技术方面做的应该是加强科研力度,争取尽早研制出国产新型大推力涡扇矢量推力发动机。同时要尽可能的解决相关技术问题。其中最重要的无疑就是提高国产大推力涡扇矢量推力发动机的寿命尤其是最关键的发动机矢量喷嘴的寿命和可靠性。目前的全向矢量喷嘴由于大量使用机械式造作系统,因此其寿命和可靠性都较差。解决方法就是研制电磁控制、操作装置。与传统的机械式造作系统相比,电磁控制、操作装置由于大幅简化了机体结构,因此其寿命和可靠性都有巨大提高。所以中国空军今后的国产新型大推力涡扇矢量推力发动机最重要的矢量喷嘴的长远技术方向应该是向电磁化控制发展。并且与战机的机体气动布局、机体机构强度和材料选择以及航空电子飞行控制系统作为一个系统化的有机整体进行综合考虑,来研制中国国产四代机。只有这样才能最充分的发挥矢量推力发动机的优异性能。使用矢量推力发动机改进的那些俄国三代或三代半战机的作战性能远没有俄国人宣传中的那样强。中国空军的三代机需要的是实实在在的战斗力而不决是俄国人在航展上那些花里胡哨的空中杂耍表演!中国空军根本不需要去照搬别人的方法,更不需要为此去引进俄国的苏-35而放弃国产歼—11B(灵云注:关于苏-35和歼—11B的较量详见灵云ら苍月《中华龙击败俄国鹰:论中国空军不需要苏—35!》)。相信在不久的将来,随着中国国产第四代战斗机横空出世,中国自行研制的国产新型大推力涡扇矢量推力发动机必将让世界航空界为之震撼,成为中国空军强有力的——龙心!



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