殲-20戰(zhàn)機(jī)自試飛至今過(guò)去了十余年，已列裝到我國(guó)多個(gè)戰(zhàn)區(qū)，甚至網(wǎng)友都開(kāi)玩笑說(shuō)：“告訴殲20別聯(lián)系我了，我怕白帝誤會(huì)?！?/p>
但盡管如此，這種世界頂尖的戰(zhàn)斗機(jī)依舊有著多數(shù)其他國(guó)產(chǎn)武器所沒(méi)有的特殊魅力，其每個(gè)細(xì)節(jié)的變動(dòng)都吸引無(wú)數(shù)目光。更值得注意的是，該機(jī)總設(shè)計(jì)師楊偉表示：殲-20也會(huì)和其他武器一樣升級(jí)，進(jìn)而衍生出2.0版和3.0版。
▲多款太行發(fā)動(dòng)機(jī)的亮相，是本次珠海航展上又一亮點(diǎn)
過(guò)去，圍繞殲-20乃至所有中國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)的討論核心之一，就是它們的發(fā)動(dòng)機(jī)性能不但與國(guó)際先進(jìn)水平存在一定差距，甚至也沒(méi)完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。早在2018年珠海航展殲-10B大秀機(jī)動(dòng)時(shí)，就有愛(ài)好者不斷猜測(cè)殲-20何時(shí)能換裝WS-15發(fā)動(dòng)機(jī)和對(duì)應(yīng)的矢量噴管，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)F-22那樣的超機(jī)動(dòng)性，從這一點(diǎn)來(lái)看，2.0或3.0版殲-20升級(jí)的核心，就是動(dòng)力。
▲如今，殲-20已列裝到我國(guó)多個(gè)戰(zhàn)區(qū)
相比于往年航展上相對(duì)進(jìn)步有限的航發(fā)展品，今年的航發(fā)展區(qū)卻有了喜人的變化：太行系列發(fā)動(dòng)機(jī)集體亮相，尤其以三元和二元矢量推力噴管型最引人矚目。毫無(wú)疑問(wèn)，這不但證明中國(guó)戰(zhàn)機(jī)航發(fā)將徹底擺脫被“卡脖子”的命運(yùn)，也意味著殲-20的綜合機(jī)動(dòng)性將實(shí)現(xiàn)質(zhì)的全面提升。
矢量推力對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)性能有何意義？
矢量本身經(jīng)常出現(xiàn)在數(shù)學(xué)、物理和工程科學(xué)等自然學(xué)科中，其本質(zhì)是是同時(shí)具備大小和方向的幾何對(duì)象，最主要的特點(diǎn)就是能由此改變運(yùn)動(dòng)方向，因此經(jīng)常被箭頭符號(hào)用于和其他的量進(jìn)行區(qū)分。而這種特性自然也被航空動(dòng)力學(xué)所注意到，因此反映到發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口時(shí)，具體表現(xiàn)就是發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的尾流在可控前提下改變方向。
▲矢量推力的意義，已被各國(guó)航空技術(shù)人員充分重視
發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的氣流平行于飛行器軸線向后，由于發(fā)動(dòng)機(jī)本身無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，因此要想控制噴射氣流的方向，就需要在發(fā)動(dòng)機(jī)噴口增設(shè)可轉(zhuǎn)動(dòng)管子，這種管子就是矢量噴口，其最大特征就是能將發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口截面轉(zhuǎn)到和飛機(jī)軸線不垂直方向上。通過(guò)這種尾流控制，常規(guī)飛行控制面產(chǎn)生的氣動(dòng)力將會(huì)得到補(bǔ)償甚至被替代。
▲矢量推力對(duì)導(dǎo)彈設(shè)計(jì)也有很大幫助
戰(zhàn)斗機(jī)一般依靠各種舵面控制飛行方向，但在超音速機(jī)動(dòng)、大仰角等條件下，舵面控制方向的能力就會(huì)因外界氣壓氣流的變化而明顯降低，此時(shí)借助于矢量噴管，飛行姿態(tài)就會(huì)得到十分細(xì)致的調(diào)整，以至于一些十分復(fù)雜的機(jī)動(dòng)成為可能。因此，矢量動(dòng)力開(kāi)始在多個(gè)軍事強(qiáng)國(guó)得以發(fā)展，并成為衡量國(guó)家航空技術(shù)水平的又一標(biāo)桿。
▲過(guò)去廣為流傳的“眼鏡蛇機(jī)動(dòng)”在實(shí)戰(zhàn)中的意義恐怕不容高估
相比而言，普通戰(zhàn)斗機(jī)的過(guò)失速機(jī)動(dòng)是飛機(jī)超過(guò)失速仰角后按照自身氣動(dòng)特性進(jìn)行的飛行特技動(dòng)作，但這種動(dòng)作不可控。而矢量推力技術(shù)則會(huì)讓飛行員全程控制戰(zhàn)機(jī)，進(jìn)而完成同等甚至更大難度超機(jī)動(dòng)。早年間的蘇-27/蘇-30在航展上表現(xiàn)出大仰角機(jī)動(dòng)性，但其實(shí)戰(zhàn)最大仰角就要小得多；具有矢量推力技術(shù)的F-22甚至能達(dá)到60-70度仰角下的可控飛行，因此戰(zhàn)斗中迅速指向預(yù)定方向的效率好得多。
▲借助矢量推力，F(xiàn)-22這樣的戰(zhàn)機(jī)具有極好的機(jī)首指向性
對(duì)五代機(jī)而言，隱身能力至關(guān)重要，且還要和超機(jī)動(dòng)性結(jié)合，但如果只依靠舵面，那么機(jī)身即便高度優(yōu)化，飛行中舵面為適應(yīng)氣動(dòng)效應(yīng)力的變化還會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)截面因此在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生很大變化，最終增大暴露的可能性。但依靠推力矢量動(dòng)力，即可最大程度降低舵面面積，F(xiàn)-22在設(shè)計(jì)時(shí)就體現(xiàn)了這一思路，并同時(shí)將水平尾翼和主翼的位置最大優(yōu)化，機(jī)體重量也由此進(jìn)一步降低。
▲某型號(hào)的國(guó)產(chǎn)矢量噴口
目前多數(shù)戰(zhàn)機(jī)的氣動(dòng)布局多半針對(duì)亞音速狀態(tài)，因此在超音速飛行時(shí)還需要舵面修正進(jìn)行配平，這就偏離了最優(yōu)升力區(qū)間，導(dǎo)致升阻比降低。而采用矢量推力的戰(zhàn)機(jī)則會(huì)通過(guò)噴口微調(diào)極大緩解超音速配平問(wèn)題，進(jìn)入超音速巡航時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力需求也相對(duì)較低。此外，矢量推力技術(shù)還能在起降作業(yè)中通過(guò)升阻力控制進(jìn)行助力，最終降低戰(zhàn)機(jī)對(duì)起降環(huán)境的要求，這在實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下自然是一大不可忽視的助力。
矢量技術(shù)包括哪些門(mén)類(lèi)？
最初的矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)采用折流板矢量推力技術(shù)，其尾噴口處配備三片推力導(dǎo)向片，它們可以進(jìn)行正負(fù)方向各十度的偏轉(zhuǎn)，并能承受1500度高溫，初步實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)上下或左右方向的便利控制，對(duì)過(guò)失速狀態(tài)下的機(jī)動(dòng)性幫助很大，因此被X-31等驗(yàn)證機(jī)采用。但折流板矢量推力也存在阻力過(guò)大、偏轉(zhuǎn)力過(guò)高且不利于隱身的特點(diǎn)，因此逐漸被各國(guó)摒棄。
▲F-22尾部噴口特寫(xiě)
目前成熟的矢量推力技術(shù)分二元和三元兩大類(lèi)，二元矢量噴管的噴口為矩形，可在高溫高壓燃?xì)庾饔孟履軌蛏舷聝蓚€(gè)方向擺動(dòng)各20度，提供了額外俯仰控制能力，并能在該動(dòng)作時(shí)提升整體機(jī)動(dòng)性。此外，它能讓冷空氣和高溫尾流融合進(jìn)而降低紅外特征，還能盡量降低后體阻力。上世紀(jì)后期，美蘇兩國(guó)均開(kāi)始研發(fā)二元矢量噴管，但蘇聯(lián)解體后俄羅斯摒棄了該設(shè)計(jì)，因此各國(guó)目前現(xiàn)役戰(zhàn)機(jī)也只有F-22采用二元矢量噴管。
▲航展上同時(shí)亮相的三元矢量噴口
而三元矢量噴管也被稱(chēng)為軸對(duì)稱(chēng)矢量噴口，其噴口截面為圓形。不同于二元矢量噴管，三元噴管可實(shí)現(xiàn)360度全向偏轉(zhuǎn)進(jìn)而任意改變指定方向上的推力，美國(guó)在設(shè)計(jì)F-22時(shí)也曾考慮使用該技術(shù)，并完成了相當(dāng)程度的技術(shù)積累，但考慮技術(shù)難度等因素最終作罷。目前俄羅斯依舊在研發(fā)并采用了三元矢量噴管。
▲俄羅斯很早就確立了三元矢量研發(fā)路線
俄羅斯曾基于AL-31F和RD-33兩種發(fā)動(dòng)機(jī)展開(kāi)三元矢量推力研發(fā)計(jì)劃，并由此推出樣機(jī)，但這兩款真正的三元矢量發(fā)動(dòng)機(jī)卻并未量產(chǎn)列裝。如今俄羅斯量產(chǎn)的所謂三元矢量發(fā)動(dòng)機(jī)本質(zhì)上是采用軸對(duì)稱(chēng)噴口的二元矢量改進(jìn)型，其發(fā)動(dòng)機(jī)偏轉(zhuǎn)主要靠尾噴口設(shè)置獨(dú)立的整體轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)，整體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)沿著軸線上下15度和左右8度范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)幅度超過(guò)了F-22的二元矢量噴口，蘇-35等俄軍主力戰(zhàn)機(jī)均配備該設(shè)備。
▲無(wú)可否認(rèn)，蘇-35的機(jī)動(dòng)性依舊處于世界頂尖位置
盡管提升機(jī)動(dòng)性方面來(lái)看，三元設(shè)計(jì)超過(guò)二元，但俄羅斯受制于材料質(zhì)量差距，只能大量采用鎳鋼而非鈦與陶瓷材料，因此才依靠整體轉(zhuǎn)軸。但發(fā)動(dòng)機(jī)也因此出現(xiàn)長(zhǎng)度和重量提升，推重比也受到影響，具體到實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下，以蘇-35為例，雖然能在過(guò)失速機(jī)動(dòng)下迅速指向目標(biāo)，但能量損失也會(huì)很大，一旦被迫和推重比更好的對(duì)手陷入糾纏，就容易陷入不利。
中國(guó)矢量技術(shù)怎么發(fā)展起來(lái)的？
上世紀(jì)80年代開(kāi)始，中國(guó)就已開(kāi)始研究推力矢量噴口技術(shù)，甚至還在之后完成了二元推力矢量噴口的縮比樣品仿制，并在一部渦扇-6發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了地面試車(chē)。結(jié)果證明，雖然該噴口性能良好，但重量偏大，因此我國(guó)開(kāi)始將三元矢量推力作為研究重點(diǎn)，該項(xiàng)目在“九五”期間得到了國(guó)防科工委的正式批準(zhǔn)。
▲國(guó)內(nèi)最初以二元矢量噴管為研發(fā)方向
當(dāng)時(shí)的目標(biāo)，是以我國(guó)第三代主力戰(zhàn)機(jī)為平臺(tái)，突破推力矢量噴管涉及的技術(shù)，并初步完成其他地面半物理仿真模擬測(cè)試。不久后，中航工業(yè)科技局以WS-10發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，成立了飛機(jī)組和發(fā)動(dòng)機(jī)組，分別以殲-11和殲-10作為驗(yàn)證平臺(tái)，并經(jīng)歷多方面設(shè)計(jì)，但受制于技術(shù)，戰(zhàn)斗機(jī)矢量推力工程曾長(zhǎng)期停留在地面測(cè)試和機(jī)體初步測(cè)試階段。
▲中國(guó)的材料技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也是矢量技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵
當(dāng)時(shí)中俄兩國(guó)開(kāi)始相關(guān)合作，然而中方了解俄羅斯偏轉(zhuǎn)推力矢量噴管設(shè)計(jì)后認(rèn)為，這種產(chǎn)品不但存在不成熟之處，噴口尺寸和重量控制也不盡如人意。最終，中國(guó)大膽采用了擴(kuò)散段轉(zhuǎn)動(dòng)推力矢量設(shè)計(jì)，它的推力損失低，重量小，密封冷卻較為方便，因此配備改裝到現(xiàn)有機(jī)型的難度也較低。但相對(duì)而言，它的設(shè)計(jì)難度較高，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，特別是對(duì)材料工藝要求較高。
▲國(guó)產(chǎn)矢量噴管技術(shù)的成就，離不開(kāi)整體技術(shù)發(fā)展的助力
隨著中國(guó)在液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)、超級(jí)計(jì)算機(jī)、高新材料技術(shù)、大型風(fēng)洞等領(lǐng)域不斷取得突破性進(jìn)展，因此戰(zhàn)機(jī)矢量推力工程也由此大幅受益。據(jù)計(jì)算表明，中國(guó)的擴(kuò)散段轉(zhuǎn)動(dòng)推力矢量設(shè)計(jì)不但在角度偏轉(zhuǎn)幅度上明顯超過(guò)俄羅斯設(shè)計(jì)，而且偏轉(zhuǎn)時(shí)也更為平滑，進(jìn)而極大降低了發(fā)動(dòng)機(jī)推力的損失?？梢哉f(shuō)，這種成功也是中國(guó)整體技術(shù)水平大背景下的產(chǎn)物。
▲2018年珠海航展上，殲-10B一氣呵成地完成了多種高難度機(jī)動(dòng)動(dòng)作
2017年，WS-10A矢量動(dòng)力版及殲-10B試驗(yàn)機(jī)成功完成了試飛，并在2018年的珠海航展上一氣呵成地完美展示榔頭機(jī)動(dòng)、大仰角360度滾轉(zhuǎn)、眼鏡蛇、落葉飄和赫伯斯特等高難度機(jī)動(dòng)，成為最耀眼的明星，有軍迷表示：自己看到這一幕后瞬間感到蘇-35的超機(jī)動(dòng)也并沒(méi)什么了不起。由此，中國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)推力矢量技術(shù)完成了重大突破，并躋身世界先進(jìn)水平。
殲-20可能采用哪種矢量技術(shù)？
本次珠海航展同時(shí)出現(xiàn)兩種太行矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)，這意味著昔日對(duì)中國(guó)而言高不可攀的技術(shù)變得尋常化。遙想4年前的珠海航展時(shí)，部分網(wǎng)友認(rèn)為殲-10B的機(jī)動(dòng)本身也是變相向俄羅斯發(fā)出尋求進(jìn)一步合作的信號(hào)，結(jié)合當(dāng)時(shí)中國(guó)可能購(gòu)買(mǎi)蘇-57的新聞，一時(shí)間各路軍迷議論紛紛。然而從今天的情況來(lái)看，無(wú)論發(fā)動(dòng)機(jī)本身還是矢量推力技術(shù)，中國(guó)都已完全可以依靠自己。
▲種種跡象表明，殲-20更可能配備二元矢量噴管
感動(dòng)之余，關(guān)于殲-20未來(lái)動(dòng)力升級(jí)的猜測(cè)也是焦點(diǎn)。王海峰總師卻在《戰(zhàn)斗機(jī)推力矢量關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用展望》一文中指出，相對(duì)于三元矢量技術(shù)，二元矢量不但能提升飛機(jī)機(jī)動(dòng)性和常規(guī)飛行能力，還能明顯改善后體阻力和后側(cè)向隱身能力，對(duì)作戰(zhàn)效能全面提升意義重大。同時(shí)，殲-20首席試飛員李剛也表示改進(jìn)型殲-20將采用上下偏轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，即二元矢量發(fā)動(dòng)機(jī)。
▲目前，國(guó)內(nèi)已在多種戰(zhàn)機(jī)上測(cè)試了不同的矢量噴管
中國(guó)早年間就以三元矢量發(fā)動(dòng)機(jī)為發(fā)展重點(diǎn)，但種種跡象表明殲-20卻很可能換裝二元矢量發(fā)動(dòng)機(jī)，這又是為何呢？這就要從二元矢量技術(shù)的特性說(shuō)起了。盡管二元矢量噴管結(jié)構(gòu)較為笨重、重量占比較高、運(yùn)動(dòng)范圍有限，但它的雷達(dá)隱身能力卻要好得多，借助矩形結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的氣流更容易和外界冷空氣混合后降低溫度，由此降低紅外特征，進(jìn)而提升在紅外制導(dǎo)武器面前的生存率。
▲合成處理假想圖：殲-20配備二元矢量噴管
此外，二元矢量動(dòng)力布局也會(huì)帶來(lái)更大的內(nèi)部空間，進(jìn)而容納液氮噴射裝置等應(yīng)急反紅外設(shè)備。從五代重型機(jī)扁平機(jī)身結(jié)構(gòu)來(lái)看，矩形噴管也更容易與之融合進(jìn)而降低整體阻力，最終讓?xiě)?zhàn)機(jī)在超音速巡航時(shí)飛得更省油、更快。更主要的是，二元矢量技術(shù)在技術(shù)可行性方面也有速度優(yōu)勢(shì)，因此如何選擇，就要結(jié)合特定國(guó)家武器所面臨的特定環(huán)境。
▲目前，國(guó)產(chǎn)航發(fā)已可以初步實(shí)現(xiàn)自給自足
不同于相對(duì)更側(cè)重本土要地防空的蘇-57，殲-20的隱身特性好得多，這明顯是針對(duì)拒止介入戰(zhàn)略而形成的。毫無(wú)疑問(wèn)，該機(jī)未來(lái)的頭號(hào)假想戰(zhàn)場(chǎng)就是西太平洋第一島鏈，而其目標(biāo)自然也是敵作戰(zhàn)體系的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，但假想對(duì)手目前已在亞太區(qū)域部署了相當(dāng)規(guī)模的反隱身雷達(dá)和紅外探測(cè)等技術(shù)設(shè)備，殲-20若想兼顧自保和成功打擊敵節(jié)點(diǎn)，必然要將隱蔽屬性作為第一要素。
▲如今，曾質(zhì)疑殲-20動(dòng)力系統(tǒng)的聲音已幾乎徹底消失
早年間的F-22固然擁有出色的超機(jī)動(dòng)性和飛火推一體化飛控系統(tǒng)，但其矢量系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)整合程度較低，因此以今天的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看不能說(shuō)不是一大不足。盡管當(dāng)年美國(guó)曾計(jì)劃推出可偏航的更先進(jìn)第二代二元矢量噴管，但F-22卻沒(méi)有等到相應(yīng)升級(jí)。而目前中國(guó)完全可以拿出比當(dāng)年美國(guó)更好的同類(lèi)二元矢量技術(shù)，進(jìn)而讓殲-20避免F-22曾經(jīng)的彎路。
▲目前，假想對(duì)手的航發(fā)水平依舊具有明顯優(yōu)勢(shì)
隨著太行系列發(fā)動(dòng)機(jī)在功率、壽命和可靠性方面愈發(fā)成熟，新服役的殲-20近年來(lái)多次展示了其超機(jī)動(dòng)性，與早期殲-20“四平八穩(wěn)”的飛行形成了很大反差。有消息稱(chēng)，WS-10C發(fā)動(dòng)機(jī)的推力就已達(dá)到13噸，而WS-10D的推力甚至可能接近WS-15，在愈發(fā)充沛的推力和鴨翼布局加持下，改進(jìn)型殲-20很可能也無(wú)需冒著降低隱蔽性的危險(xiǎn)選擇三元矢量推力。
從殲-10B舞動(dòng)天空，再到今天兩種矢量版太行發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)亮相，足以說(shuō)明中國(guó)在該領(lǐng)域的成就之非凡。但從另一方面看，中國(guó)航發(fā)整體水平在相當(dāng)時(shí)間內(nèi)存在過(guò)大差距，而且假想對(duì)手也不斷推出推力更大、壽命更長(zhǎng)甚至完全新概念的軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)，其矢量技術(shù)的積累同樣不可小覷。因此，今天的成就自然不會(huì)就此讓中國(guó)航空技術(shù)團(tuán)隊(duì)就此高枕無(wú)憂。
▲無(wú)論哪種升級(jí)，都意味著殲-20的戰(zhàn)斗力大幅提升
此外，任何武器在設(shè)計(jì)定型時(shí)都會(huì)面臨不同參數(shù)彼此影響的局面，要想做到所有指標(biāo)都完美無(wú)瑕，幾乎是不可能的。因此最明智的選擇，莫過(guò)于結(jié)合自己的技術(shù)積累和武器本身的體系定位，進(jìn)而在平衡的前提下有所取舍，盡管殲-20在動(dòng)力方面還有一定進(jìn)步空間，但可以肯定的是，完全體版的該機(jī)無(wú)論采用什么類(lèi)型的矢量動(dòng)力，都會(huì)讓世界耳目一新。
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