美俄第五代戰(zhàn)機“心臟”——矢量推力發(fā)動機

來源：滾動播報

（來源：中國航空報）

飛行中的F-22。

F119發(fā)動機尾噴口。

蘇-57試裝的“產品30”矢量發(fā)動機。

F-22戰(zhàn)斗機裝配的普惠F119發(fā)動機。

　　蘇-57初始版本保留了三維矢量噴口（上），最新型改為二維噴口（下）。魏岳江　　矢量技術是一種用數(shù)學公式描述圖形的方法，最大特點是無限放大不變模糊，廣泛應用于設計、地圖、動畫等領域。　　作用在飛機上的推力是一個有大小、有方向的量，這種量被稱為矢量。然而，一般的飛機上，推力都順飛機軸線朝前，方向并不能改變，所以我們?yōu)榱藦娬{這一技術中推力方向可變的特點，就將它稱為推力矢量技術或矢量飛行。　　推力矢量技術是一項綜合性很強的技術，包括推力轉向噴管技術和飛機機體推進與控制系統(tǒng)一體化技術。　　目前，世界上只有美國和俄羅斯兩國開始把這一技術應用于第五代戰(zhàn)機發(fā)動機設計上，這的確是一個有效的技術突破口，它對戰(zhàn)斗機的隱身、減阻、減重都十分有效。美俄兩國通過前期飛行試驗表明，推力矢量技術能提高戰(zhàn)術效果　　美俄等國已經進行了大量的飛行試驗，證明了利用推力矢量技術的確能達到預期的作戰(zhàn)效果。1991年4月海灣戰(zhàn)爭結束后，美國五角大樓拿出500億美元，研制不同于F-117的新型隱身飛機，推行應用矢量技術，于是就誕生了F-22戰(zhàn)斗機。俄羅斯開展隱身和推力矢量技術的應用研究重點是利用發(fā)動機向不同方向發(fā)出的氣流的反作用力來迅速改變方向。后來的研究還表明，當戰(zhàn)機在飛行速度較低時，采用推力轉向這種飛行控制裝置是絕對有利的，戰(zhàn)術效果如下：戰(zhàn)機對起飛機場跑道、環(huán)境條件、氣候變化要求低，著陸機動性、安全性加大，從而使滑跑距離大大縮短，減輕了起落架沖擊帶來的不利影響；由于戰(zhàn)機減少了雷達反射面積，增強了戰(zhàn)機突防能力、靈活性、生存率、機動性和攻擊的突然性；由于戰(zhàn)機舵面積的減少，減小了飛行中阻力，燃油消耗也隨之減小，相應航程也加大；戰(zhàn)機可控迎角擴大，大大超過了失速迎角，機頭指向能力加強，通過改變飛機的排氣流向，讓現(xiàn)代戰(zhàn)斗機快速改變飛行方向，使其在近距格斗中占據(jù)優(yōu)勢，提高了空中格斗能力和空對地的攻擊性能，命中率有所提高，投彈后規(guī)避動作也更敏捷。　　雖說矢量飛行優(yōu)勢重重，但也有其弊端：在進行矢量飛行時如果速度過慢，則會導致失速：噴管重量更大、機械結構更復雜，維護難度更高。這會增加飛機的成本，并引發(fā)可靠性問題。在高速飛行時，由于氣動作用力占主導，推力矢量的效能會顯著下降。而且，現(xiàn)代空戰(zhàn)更強調超視距作戰(zhàn)，戰(zhàn)機對極端機動性能的依賴已有所降低。2025年1月底，一段關于F-35型戰(zhàn)斗機最新事故的視頻在社交平臺上廣為流傳。從視頻中可以看到，這款第五代戰(zhàn)斗機徑直墜向阿拉斯加州的艾爾森空軍基地地面，從而引發(fā)劇烈爆炸，所幸飛行員成功彈射逃生。美軍第354戰(zhàn)斗機聯(lián)隊稱，事故發(fā)生前，飛行員遭遇了“空中機械故障”。不過，具體細節(jié)目前尚未公布。推力矢量技術關鍵是改變現(xiàn)行戰(zhàn)機設計和發(fā)動機結構，尾噴流轉向控制技術是實現(xiàn)矢量飛行的關鍵　　不采用推力矢量技術的飛機，發(fā)動機的噴流都是與飛機的軸線重合的，產生的推力也沿軸線向前，這種情況下發(fā)動機的推力只是用于克服飛機所受到的阻力，提供飛機加速的動力。　　而采用推力矢量技術的飛機，則是通過噴管偏轉，利用發(fā)動機產生的推力，獲得多余的控制力矩，實現(xiàn)飛機的姿態(tài)控制。其突出特點是控制力矩與發(fā)動機緊密相關，而不受飛機本身姿態(tài)的影響。因此，可以保證飛機作低速、大攻角機動飛行。　　把推力矢量技術運用于發(fā)動機中，就是通過偏轉發(fā)動機噴流的方向，從而獲得額外的操縱力矩。　　應用推力矢量技術所涉及的技術很多，主要有尾噴流轉向裝置，尾噴流轉向控制及其與發(fā)動機、飛機飛行控制系統(tǒng)的配合，尾噴流轉向對飛機總體性能影響的預測及飛行演示等。　　尾噴流轉向控制范圍一般在20°內，但要求快速準確，而且要與發(fā)動機的控制系統(tǒng)和飛機飛行控制系統(tǒng)相協(xié)調，因此不僅控制硬件眾多，控制軟件也非常復雜。　　國外也認為這是應用推力矢量技術的關鍵技術。控制律的研究與水平的提高還取決于所使用的氣動力數(shù)據(jù)和發(fā)動機動力模型等準確度。發(fā)動機尾噴流轉向裝置要求結構牢固、緊湊、耐用、密封性好、重量輕、轉向效益高、轉向快、阻力小。發(fā)動機應用矢量技術產生的推力，能讓其推力的一部分變成操縱力，代替或部分代替操縱面，從而大大減少了雷達反射面積；不管戰(zhàn)機迎角有多大和飛行速度有多低，其都可利用這部分操縱力來進行操縱，這就大大增加了戰(zhàn)機的可操縱性；由于直接產生操縱力，并且量值和方向易變，也就增加了戰(zhàn)機的敏捷性，減小或去掉垂尾面。這就降低飛機的可探測性和飛行中阻力。由此可見，推力矢量技術首先要解決戰(zhàn)機發(fā)動機結構設計問題。　　20世紀90年代以來，洛克希德·馬丁公司、萊特實驗室、通用電氣公司、與美空軍飛行試驗中心聯(lián)合，已完成了戰(zhàn)機多軸推力矢量（MATV）控制律的設計和評價。控制律在使飛行員能在飛機完全可控狀態(tài)下進行機動方面起到了關鍵作用。MATV控制系統(tǒng)包括幾種運行模式/狀態(tài)。設計MATV控制率的關鍵問題包括最優(yōu)縱、橫向指令結構的設計、精確可靠的迎角和側滑角計算器的研制和控制系統(tǒng)對空氣動力不確定度的穩(wěn)定性的驗證。美俄開始進行第五代戰(zhàn)機推力矢量噴管技術演示，實現(xiàn)推力矢量技術與數(shù)字飛行控制系統(tǒng)集成　　飛行演示是個綜合性技術驗證，使用推力轉向的飛機由于控制系統(tǒng)復雜，更是不可少，但飛行演示前，也可先用模擬器進行演示，或利用虛擬飛行試驗系統(tǒng)進行評估。　　目前，蘇-30、F-22、F-35、蘇-35、米格-35、蘇-30MKI等都能進行矢量飛行。　　推力矢量噴管是現(xiàn)代航空設計中最具深遠意義的技術改進之一。推力矢量技術可讓飛機改變發(fā)動機推力方向，而非單純依賴氣動控制面進行機動，以便飛機在極端飛行條件下仍保持操控權限，這使得現(xiàn)代第五代戰(zhàn)機的機動性遠超不具備該技術的前代機型。　　推力矢量噴管通過物理偏轉排氣流，產生俯仰、偏航或滾轉力矩。即便機翼上方氣流減弱或控制面失速時，該技術仍能發(fā)揮作用。這意味著它不僅能帶來靈活的機動性能，還具備安全優(yōu)勢。　　推力矢量技術主要有兩種常見構型：二維構型（僅控制俯仰）和三維構型（可控制俯仰、偏航，部分還能控制滾轉）。兩者均通過發(fā)動機排氣口的可動噴管瓣實現(xiàn)，并與數(shù)字飛行控制系統(tǒng)集成。　　推力矢量技術幾乎是五代機的專屬特征，已投入使用且搭載該技術的戰(zhàn)斗機包括：美國F-22（配備二維推力矢量系統(tǒng)，僅控制俯仰）、俄羅斯蘇-57（將三維矢量技術作為核心設計特征）。　　推力矢量技術在第五代戰(zhàn)機空戰(zhàn)中具有多重實戰(zhàn)價值。首先，它能讓飛機在大攻角狀態(tài)下保持操控；飛行員在進行劇烈機動時仍可穩(wěn)定控制飛機，避免失控，即便在極限飛行狀態(tài)下也不例外。其次，推力矢量技術支持過失速機動，使飛機在低速狀態(tài)下仍能快速調整機頭指向，甚至在近距離纏斗中實現(xiàn)絕境中的導彈發(fā)射。在能量管理方面，該技術有助于飛機從低能量狀態(tài)恢復，并提升防御機動時的生存能力。此外，它還能帶來安全與操控優(yōu)勢，改善飛機的起飛和著陸性能，以及從異常姿態(tài)中恢復的能力。　　俄羅斯第五代戰(zhàn)斗機幾乎將推力矢量技術作為彰顯機動優(yōu)勢的標志，而西方作戰(zhàn)理念更注重隱身性能、傳感器融合技術和導彈性能。　　俄羅斯聯(lián)合飛機制造公司和聯(lián)合發(fā)動機制造公司開始對第五代戰(zhàn)斗機蘇-57使用的新發(fā)動機進行飛行測試。俄羅斯國家技術集團公司新聞處發(fā)布了這一消息。消息稱，代號“產品177”的發(fā)動機加力推力為16000千克力。樣機在所有運行模式下均實現(xiàn)更低油耗和更長使用壽命。俄羅斯國家技術集團公司表示：“憑借最新技術、材料和創(chuàng)新設計方案，聯(lián)合發(fā)動機制造公司打造了一款比前代更具技術優(yōu)勢的發(fā)動機。”　　聯(lián)合發(fā)動機制造公司下屬的留利卡設計局稱：“‘產品177’是聯(lián)合發(fā)動機制造公司為戰(zhàn)役戰(zhàn)術飛機研發(fā)的尖端產品。首次飛行測試標志著與聯(lián)合飛機制造公司合作開展蘇-57試飛工作正式啟動。測試過程中，新發(fā)動機運行平穩(wěn)，在蘇-57上發(fā)揮出可靠性能。”　　蘇-57多用途戰(zhàn)斗機用于執(zhí)行廣泛作戰(zhàn)任務，它能夠全天候打擊空中、地面和海上目標，包括在惡劣氣象條件和復雜干擾環(huán)境下執(zhí)行任務。隱身能力使其即使在面對現(xiàn)代化防空系統(tǒng)時也能摧毀目標。　　俄羅斯國家技術集團公司表示：“蘇-57正在根據(jù)特別軍事行動區(qū)的作戰(zhàn)經驗進行現(xiàn)代化改造：武器和機載系統(tǒng)的功能不斷擴展。新發(fā)動機‘產品177’通過加強推力進一步增強了戰(zhàn)斗機的飛行性能，為其后續(xù)改進奠定了堅實基礎。”　　聯(lián)合飛機制造公司正在落實產能擴張計劃，這有助于提高蘇-57戰(zhàn)斗機的交付量，并積極向外國客戶推介出口版蘇-57。