矢量推力发动机已成为五代战机标配，“落叶飘”为何体现了优秀的机动水平？

要分辨一型五代战机的优劣，除了强大的隐身技术、优异的气动外形，还有一项关键技术——矢量推力发动机。F-22配备的F-119发动机、歼20未来的目标发动机涡扇-15，还有俄罗斯苏-57的产品30，矢量推力发动机已经成为五代机的标配。那什么是矢量发动机？技术原理是什么？相比传统发动机又有哪些优势呢？

标量是只有大小没有方向的量，而矢量是既有大小，又有方向的量。传统发动机只能产生水平方向的推力，尾喷口方向不能变换，而矢量发动机采用了推力转向技术，通过控制发动机尾喷流方向为飞机的机动飞行提供直接力。

相信大家都在电影《真实的谎言》中看过这经典的一幕，影星施瓦辛格驾驶固定翼的AV-8B战斗机像直升机一样，实现了空中悬停，它能够空中悬停的关键就是发动机的喷口转向地面，产生垂直向上的推力抵消了飞机的重力，这种能够喷口转向的发动机就是矢量推力发动机。其实矢量推力发动机并不是随着五代机一起出现的新技术，早在冷战期间，为了在中轻型航母和两栖攻击舰上部署固定翼作战飞机，英国研制了短距起飞垂直着陆的“鹞”式战机，前苏联与之竞争也研制了类似的雅克-36。“鹞”式战机装备的“飞马”发动机是推力矢量技术第一次成功应用。鹞式战机垂直起降时，四个主喷口朝下，在发动机高压压气机旁边开一口，引出一小部分通过四个导气管，分别通向机头、机尾和翼尖，向下喷气，用以调整飞机姿态；转入平飞状态时，四个喷口逐渐向后转，提供水平方向推力。依靠矢量推力发动机，鹞式战机不仅可以像直升机那样垂直起降、空中悬停，甚至可以空中倒飞。

而到了五代机上，装备矢量推力发动机最大的好处，就是在近距空战中获得优异的过失速机动能力。这里，我们得先了解一下近距空战原理:如果说超视距空战比拼的是雷达、航电和导弹，那么近距空战拼的就是超机动能力。而战机的机动，可以归纳到一个更宏大的概念中——能量。在能量机动理论中，飞机的空战机动就是对动能和势能的综合运用，能量占有优势的一方在空战中能保持态势优势。衡量战机能量大小的指标就是“单位重量剩余推力”，具体表征包括战机的上升性能、加速性能和转弯机动性能，其中转弯机动性能可以通过稳定盘旋角速度和瞬时盘旋角速度两个量来反映。例如，在水平机动空战中，不管是纯追踪还是前置追踪，瞬时盘旋角速度占优势的一方显然总能在单圈或双圈机动中保持咬住目标的主动态势。这一能力的关键，除了战机气动设计外，矢量推力发动机可以发挥重要的作用。

飞机平飞时，需要保持一定的迎角使机翼产生升力平衡飞机的重力；但是，如果战斗机需要作曲线飞行或复杂机动，就需要通过偏转机翼上的副翼或使水平尾翼差动，产生俯仰、横侧和偏航力矩。但是随着迎角的增大，在增大升力系数的同时，也会增大阻力系数。当迎角增大至等于或大于临界迎角时，升力系数不仅不会增大，反而将会减小，飞机将出现抖动，操纵舵面的气动效率急剧下降，这种状态称为“失速”。在这种情况下，如果要操纵飞机进行机动飞行，就需要额外的直接力去替代舵面偏转产生的操纵力，矢量推力发动机通过调整尾喷口角度，就能把一部分推力变为操纵力，全部或部分代替气动操纵面。无论迎角多大，飞行速度多低，飞机都可以进行操纵，极大改善了飞机的操纵性，从而可以使战机不依靠气动舵面进行机动，这就是“过失速机动能力”。

装备矢量推力发动机后，五代机就能做出类似弗罗洛夫轮盘、钟摆、眼镜蛇、落叶飘等不可思议的机动动作，在近距空战中拥有更大的转弯角速度，可以更快完成机头转向咬住敌机，再配合大离轴角全向攻击能力的近距格斗导弹，以超机动实现对敌机的能量机动优势。

除此之外，战机起飞时，矢量推力发动机通过尾喷口偏转，提供部分升力，可以大大提高五代机的短距起降能力。比如F-35B配备的F-135-PW-600型发动机，尾喷口采用三轴承旋转模块，并安装升力风扇，尾喷口偏转产生升力，与升力风扇配合，可以让F-35B在两栖攻击舰上实现短距起飞。在垂直着陆时模式，尾喷口向下偏转，再通过传动轴驱动升力风扇，抵消飞机的重力，实现F-35B垂直缓慢降落。需要调整着陆位置时，偏转喷口，可以控制飞机前后左右的平移。

目前，矢量推力发动机主要分为:折流板矢量推力、二元矢量推力和轴对称矢量推力。其中，折流板矢量推力是通过在发动机尾喷口安装推力导向片，比如日本的“心神”验证机，但这种方案阻力巨大，推力损失大，而且偏转效率不高，而且不利于隐身，所以目前比较成熟实用的推力矢量技术主要是二元矢量推力和轴对称矢量推力。

其中，二元矢量推力的代表就是F-22战机装备的F-119发动机，发动机喷口可上下偏转。二元矢量推力发动机的优点在于有利于隐身，特别在红外隐身方面优势明显，矩形喷口喷出的气流更容易与外界冷空气快速掺混，从而迅速降低温度，减少红外特征。此外，二元矩形矢量喷管在飞机一体化设计上也有优势。现代战机普遍机身扁平，与矩形喷口较容易融合，可以起到优化综合减阻的效果。但二元矢量推力的缺点是结构比较笨重，内流特性较差，推力损失大。这是因为涡扇发动机涵道是圆形的，但二元矢量喷管截面是矩形的，这会导致圆柱形高温高压气流，经过喷管时，会转变为截面呈矩形的气流，过程中有较大推力损失，比如F-119发动机因采用了二元矢量技术，推力损失不低于3%。而且二元矢量推力只具备俯仰能力，不具备偏航能力。只能通过发动机左右差动，来实现有限的转弯机动控制，使得其机动性大大低于轴对称矢量喷管。

而轴对称矢量推力的代表，就是苏-35战机的117S发动机和苏57目标发动机——产品30。轴对称矢量推力可以上下左右360度偏转，机动性更好，而且相比二元矢量推力，轴对称矢量喷管结构重量轻，推力损失小，但缺点是不利于降低尾流红外信号，为了提高隐身能力，轴对称矢量尾喷口会采用锯齿设计，一方面可以促进高温尾气和外部气流充分混合，降低红外信号；另一方面也可以提高雷达隐身效果。

总之，二元矢量推力和轴对称矢量推力各有所长，各国在实际应用时会根据自身情况自主选择。2018年，换装矢量推力发动机的歼10B在珠海航展首次公开表演，标志着我国在相关领域已处于世界先进水平，未来歼20换装涡扇15矢量推力发动机后，不仅机动性将获得进一步提高，而且将具备更强的超音速巡航能力，战斗力更上一层楼。

出品:科普中国

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