中国特色的推力转向

作者:晨枫老苑

本文转载自:晨枫老苑(ID:ChenFengLaoYuan)

在2018年珠海航展上,歼-10TVC的展示引起了一片轰动,但现在几乎被人遗忘了。这是很重要的技术成就,不应该遗忘。

中国特色的推力转向

2018年珠海航展上的歼-10TVC

推力转向(也称矢量推力,简称TVC)最早是用于垂直起落的,但歼-10TVC是用于改进机动性的。歼-10TVC这样的推力转向对缩短起飞距离有一定的作用,但作用不是很大。用于短距起飞时,TVC不是向下偏转,产生额外的直接升力,而是向上偏转,提前产生足够的抬头力矩,用增加的机翼升力提前离地。即使是大推重比而且轻载起飞的战斗机,发动机的推力也勉强超过起飞重量,主要的还是用于向前推进,分出的一点额外垂直升力于事无补。但尽早抬头,增加机翼迎角,可以产生大得多的气动升力,这才是短距起飞的正道。

TVC在着陆中,也可以用于进一步加大迎角。但这时气动升力不是问题,一般擦地角才是最大的限制。过大的迎角也影响飞行员的视线。一般来说,TVC对缩短降落距离没有太大的用处。

但TVC对改善机动性是有很大作用的,歼-10TVC在珠海也展现了强悍的过失速机动能力。

在过失速状态下,常规的气动控制面的舵效大减,但TVC的作用不受失速限制,有利于恢复正常飞行状态,改出失速。至于在失速状态下用特殊机动发射导弹,这是战术价值有限的一锤子买卖,实际上很少使用。而且即使得手,自己的速度、机动性尽失,成为战场上其他敌机轻易就能收拾的靶子。

过失速时,最怕的是无控侧滑。本来机翼已经升力不足,一旦受到气流扰动发生侧滑,滑向的一侧机翼“后退”,进入更深的失速,迅速掉升力,加速侧滑。失速状态下的侧滑几乎没法改出,坠机率很高。但TVC可以顶住侧滑,恢复对称升力,在此基础上进一步改出失速。更加强悍的过失速控制还有利于起飞后马上转入大迎角爬升,而不必太担心进入失速。这对战斗机和基地航路管理也是重要的。

对于战斗机来说,TVC更大的作用在于超音速机动。超音速飞行时,尽管与过失速时机制不同,但同样舵效大减。米格-21那不成比例的超大垂尾就是早期超音速战斗机设计对舵效降低的补偿。同样,TVC的“舵效”不减,但缩小垂尾对降低重量和阻力是明显的。

中国特色的推力转向

中国特色的推力转向

亚音速的米格-17与超音速的米格-21相比较,后者的垂尾更大

传统上,TVC有二维和轴对称两大流派。

中国特色的推力转向

中国特色的推力转向

轴对称TVC,不过在苏-30MKI上,实际上也只有“上下”方向可偏转,不过带一个外倾的角度,用于降低万一两侧动作不对称的影响

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二维TVC

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AL31的轴对称TVC

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欧洲EJ200的轴对称TVC

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苏-57的目标发动机“项目30”的轴对称

很多人认为,只能上下摆动的二维TVC结构简单,可三维摆动的轴对称更加先进,这是错误的。二维TVC的上下挡板与两侧壁板之间的密封难度很高,但漏气就等于漏推力。上下挡板的材质和冷却难度也要高得多。矩形喷口的受力不是轴对称的,所以需要结构加强,带来重量代价。把本来圆形截面的喷流压扁还带来推力损失。轴对称保留了羽片的基本结构,密封和冷却都容易多了,受力简单,推力损失也小。但二维TVC扁平的形状不仅有利于压扁喷流散热,降低红外特征,还对发动机的涡轮形成一定的遮挡,有利于后向雷达隐身。不可忽视的是,扁平的后体阻力小,有利于达到超巡。这是貌似简单、实际上更加先进的TVC,但只有超强推力才能玩。

至于二维TVC只能上下摆动,这对双发战斗机来说不是大问题。过失速机动中,侧滑与横滚是连在一起的,两边的TVC差动摆动,就可实现有效的横滚控制。

另一方面,轴对称在理论上可以全向摆动,但至少在苏-30MKI和苏-35S上,只能上下摆动,只不过带一个外倾的角度,降低由于机械劳损或者故障而两侧动作不对称的影响。

在结构上,二维TVC的上下挡板是通过“根关节”摆动的,轴对称则是通过“关节套”摆动的。换句话说,前者是简单的转轴和作动器,后者则是把常规的收敛-扩散喷口的羽片结构套在一个鼓形节套上,通过旋转滑动而实现摆动的,结构重量代价显而易见,动作也不可能太灵敏。

直接把羽片结构通过“根关节”偏转是可以的。但羽片有内羽片和外羽片两层,互相重叠,但可滑动,形成密封。内羽片还不是平直的一长条,中间还带关节,可以形成缩喉的喉道,这是收敛-扩散喷口的关键,离开这个,很难实现超音速推力,因为涡轮发动机的喷流本身是亚音速的。但要对大量长羽片实现大角度偏转,机械结构复杂,可靠性也成问题。

在已经定型的TVC中,美国F-22采用二维,俄罗斯的苏-30MKI、苏-35S采用鼓式轴对称,欧洲“台风”战斗机计划换装(但现在计划实际上停摆)的EJ200TVC和苏-57的目标发动机“项目30”采用羽片轴对称。

中国走的是第三条道路:两段式,短鼓式加短羽片。这是把鼓式轴对称和羽片轴对称相结合而发展而来的,但把羽片分成两段,外段可在内段的基础上进一步偏转。这不是没事找事,更不是简单的加法。

中国特色的推力转向

中国的推力转向喷口的一圈“指头”很有特色

中国特色的推力转向

鼓式轴对称的内段加羽片轴对称的外段,构成了中国特色的两段式

相对于鼓式轴对称,羽片轴对称的重量轻,灵敏度高,但较难大角度偏转,否则羽片在滑动抽拉中错位造成的喷口变形导致推力损失过大,这一点把花园水管的龙头削掉一块就能体会了。但两段式缓解了这个问题。更重要的是,两段式平缓过渡,喷口变形小,大大降低了推力损失。鼓式则没有羽片错位的问题,而且机械上也比较简单。

两段式可偏转的角度更大,但一般不需要。过大的偏转角导致过度的推力损失,也产生超过必要的推力转向。但在相同的最终偏转角度情况下,两段式可以用更轻、更可靠的机构实现,将两种轴对称的优点最大化,同时用各自不必偏转大角度而限制其缺点。重量轻、推力损失小,这正是两段式的特点。

中国特色的推力转向

歼-10这样的单发战斗机对轴对称推力转向有最大需求,双发了反而无所谓了

两段式也是真正的轴对称,可全向摆动。EJ200TVC和“项目30”在理论上也可以全向摆动,但作为双发战斗机,不一定有这个必要,结构干扰是另一个限制。歼-10TVC这样的单发TVC才真正用得到轴对称的全向摆动能力。

随着使用经验的积累和针对性改进的推进,涡扇10还在继续增推。希望TVC成为第二代涡扇10的标配。

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