中国购买苏-35是为了获得矢量推力发动机吗？

沉宝

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前些年，中国在已经有了歼-20的情况下却又决定购买苏-35，这曾一度让很多人无法接受。在试图理解这项采购的过程中，有一个貌似很有说服力的说法就是：中国引进苏-35的主要目的是购买它的矢量发动机。然而，今年珠海航展上的歼-10B证明这个说法并不成立。

今年珠海航展上的歼-10B
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6 S; ~* ]& {( ?" A5 O歼-10B矢量发动机的局部特写

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6 e. y3 W; E5 M2 {6 D: m- K不同于普通航空发动机，矢量发动机提供的推力方向在一定范围内可调。这可以带来很多好处，比如说让飞机机动性更强，甚至在失速状态都可给飞机一个有效的控制能力，还可以缩短飞机起降滑跑距离，另外调整推力方向也可以使飞机在阻力最小的迎角下巡航以利于增大航程等。矢量推进技术发展到现在大致可以分成三类： 非对称型、矩形二元型和轴对称型。
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非对称型主要采用折流板或燃气舵实现矢量推力，代表型号有美国F-18 HARV、美德合作的X-31技术验证机和日本“心神”等。这是最早的矢量推力技术，但是一直停留在验证机水平，至今尚未实用化。
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8 Q! H$ @) r! T* ?4 W5 JX-31技术验证机


日本“心神”战斗机

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矩形二元型矢量推力的代表型号就是美国F-22A所采用的F119涡扇发动机。其二元收敛/扩散尾喷管与机身融合好，后向隐身性能很好，后段机身阻力也小。 但是重量较大、材料要求高，而且发动机推力损失大。
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采用矩形二元收敛/扩散尾喷管的F119涡扇发动机
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后向隐身性能超好

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所谓轴对称形，就是尾喷管的形状像传统发动机一样，是圆的。俄系发动机在矢量推进技术实用化的道路上选择了轴对称尾喷管，一个典型就是配装在苏-35战机上的117S矢量推力发动机，今年珠海航展上歼-10B装备的国产矢量发动机也属于这一类。但是，不要因为归在同一类下就想当然地认为两者之间存在着技术传承，魔鬼总是在细节之中。
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我们知道，喷气发动机中尾喷管的作用是将燃气中剩余的热焓充分转变为动能，使气流以高速向外喷射而产生反作用推力。根据空气动力学原理，亚音速气流在截面大处流速小，截面小处流速大。但是跨过音速后，气体的流动不再遵循这一规律，反而截面越大流速越快。发动机内部的气流是亚音速的，因此尾喷管中必然有一段收敛形流道让气体加速。当气流超过音速后，则需要扩张形流道才会进一步加速。亚音速或者跨音速的飞机，为了减轻结构重量可能采用单纯收敛形尾喷管。可是对于更高速的飞机就不合适了。例如，当飞行速度Ma=1.5时，收敛形尾喷管造成的推力损失估计为10%。这种情况下必须采用横截面积沿流向先收敛后扩散的喷管， 就是著名的“拉瓦尔喷管”。
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- w" u' I5 Z8 z; \拉瓦尔喷管原理图

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+ q4 b# p' w1 z& h. ~俄制117S发动机矢量推力实现的方法就好像是把普通发动机一刀切开，在核心机和尾喷管之间加入一段偏转弯喉。这个偏转弯喉是一个环形装置，用2对液压作动筒实现转向。原来的收敛-扩张喷管内部结构不变，作为一个整体按气流喷射方向摆动。该方案有两个重大缺陷：第一，发动机长度增加很多。这问题对苏-27系列飞机来说也许还不太严重，但对机身后端设计得很紧凑的歼-10、歼-20就很致命了。第二，整体摆动重量沉，转动惯量大。因此推力转向速度慢，对敏捷性不利。

俄制117S发动机
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117S发动机在苏-35上
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9 K, _9 s" L. {装在歼-10B上的发动机推力转向的方法则是改造收敛-扩张喷管本身。与117S相比，国产发动机的方案更接近于俄罗斯RD-33OVT发动机，或者美国F-16MATV研究项目中被改制的F110-GE-100发动机。

此种矢量推力的动态效果图
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F-16MATV研究项目

我们知道，普通发动机尾喷管也是可调节的，多个金属片像鱼鳞一样排列起来，围出气体流动的通道。金属鳞片（大名叫调节片）的活动可以改变气流通道的截面积，以期发动机在各种工作状态都获得良好的性能。而矢量推力发动机这是在此基础上加装更多的驱动机构（调节环、作动筒等），使得各个调节片能够以更复杂的方式活动，这样不仅可以改变截面积大小，而且可以使截面中心偏离发动机安装轴线一个角度，于是离开尾喷口的气流也带角度了。这么做，在发动机长度、重量上均优于俄制117S方案。敏捷性也好，最高偏转速率差不多比117S快一倍。至于飞控上矢量推力的控制与气动控制律深度交联，让各个气动舵面偏转与喷气偏转实现完美配合，tg基本上只以美国为比评对象，呵呵。
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国产矢量推力发动机控制技术

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jellobean

有的图看不了

沉宝

jellobean 发表于 2018-11-10 01:31
5 w9 u4 \. N6 Q) I1 O& X+ K有的图看不了

图省事，都是链接的。告诉我具体哪张显示不出来，我可以转到自家图库里。

大道至简

https://mp.weixin.qq.com/s/k_K4XvkGi2uiupWzVcyLQg
刚好我两天前在一个公众号“我爱飞机”上，也看到上面这篇文章。也是图文并茂，写的也挺通俗易懂的。一起分享吧

jellobean

沉宝 发表于 2018-11-10 01:45
3 Q5 _: x1 i7 x9 v5 Y- u; q! ^1 J图省事，都是链接的。告诉我具体哪张显示不出来，我可以转到自家图库里。 ...

2 z  z1 t" U) ]3 s第一张，倒数1-4张

沉宝

jellobean 发表于 2018-11-10 02:40
第一张，倒数1-4张

改好了。

原因也找到了，你的浏览器不支持WebP文件格式。

得大自在

好文！

" n" x. f8 v0 x% h8 ?* D3 j; b另外估计买苏35一方面能实物追踪、了解、掌握毛子的战斗机技术，既能知己知彼，也能做到毛子卖给阿三猴子后知道飞机性能

其次也有扶持毛子飞机工业的作用，毛子彻底趴下也不是好事