[科普中國]-千呼萬喚始出來，談?wù)劇笆噶繗?0”那些事兒

出品：科普中國

作者：李小白

策劃：畢孝斌

監(jiān)制：光明網(wǎng)科普事業(yè)部

今年的中國國際航空航天博覽會(簡稱中國航展)是中國航展迄今規(guī)模最大的一次，此次航展亮相了大量的尖端武器裝備，涵蓋了海、陸、空、天各個作戰(zhàn)領(lǐng)域。殲-20與運-20以“20時代”的主題震撼展出，“八一”與“紅鷹”兩支飛行表演隊強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手同臺亮相。其中最引人注目的當(dāng)屬中航工業(yè)的殲-10B推力矢量試驗機(jī)。

航展上進(jìn)行眼鏡蛇機(jī)動的殲-10B TVC(文章圖片轉(zhuǎn)載自網(wǎng)絡(luò)，感謝原作者)

在航展的第一天上午，殲-10B推力矢量驗證機(jī)(殲-10B TVC)首次公開亮相，此次表演十分驚艷，甚至被人們稱作是“建國以來最具含金量的飛行表演”。表演內(nèi)容主要為過失速機(jī)動飛行，展示了著名的“眼鏡蛇”、“赫伯斯特”與“落葉飄”等一系列高難度機(jī)動動作，同時，裝有國產(chǎn)矢量發(fā)動機(jī)噴口的殲-10B也標(biāo)志著中國在推力矢量技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展。筆者在此將圍繞殲-10B TVC展開對“眼鏡蛇機(jī)動”與推力矢量技術(shù)相關(guān)內(nèi)容的討論。

眼鏡蛇機(jī)動

眼鏡蛇機(jī)動是世界著名的過失速機(jī)動動作，最早由前蘇聯(lián)蘇-27戰(zhàn)斗機(jī)做出。1989年6月，388號蘇-27戰(zhàn)機(jī)首次飛抵巴黎參加巴黎航展，飛行員普加喬夫在飛行表演的最后以“動態(tài)剎車”結(jié)束，震撼全場。該動作酷似眼鏡蛇進(jìn)攻時的動作，后來被人們稱為“普加喬夫眼鏡蛇機(jī)動”。在眼鏡蛇機(jī)動中，機(jī)頭上仰，形成短暫的機(jī)頭在后、機(jī)尾在前，飛機(jī)速度驟減，緊接著飛行員操作飛機(jī)使飛機(jī)恢復(fù)到水平狀態(tài)。

蘇-27系列戰(zhàn)機(jī)采用升力體布局，更具完成眼鏡蛇機(jī)動的“天賦”

眼鏡蛇機(jī)動可以使飛機(jī)瞬間完成減速制動，因此不少人認(rèn)為眼鏡蛇機(jī)動擁有較高的實戰(zhàn)價值，能夠在空中格斗中扭轉(zhuǎn)局面，從被動一方轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?。也有人認(rèn)為，現(xiàn)代空中是遠(yuǎn)距離、高速度下的能量型空戰(zhàn)，眼鏡蛇機(jī)動的速度較低，會使飛機(jī)處于低能量狀態(tài)，容易喪失強(qiáng)勁的機(jī)動性能，容易陷入劣勢。盡管人們對眼鏡蛇機(jī)動的實戰(zhàn)意義看法不一，但它卻能夠權(quán)威地說明飛機(jī)的機(jī)動性與可操控性能。殲-10B TVC能夠輕松完成眼鏡蛇機(jī)動等動作，足以證明其機(jī)動性與可操控性能達(dá)到了十分先進(jìn)的水平。

推力矢量技術(shù)

推力矢量技術(shù)是通過改變發(fā)動機(jī)噴管方向使飛機(jī)獲得各方向的操縱力矩的技術(shù)，推力矢量技術(shù)對航空材料、發(fā)動機(jī)推力以及飛行控制的要求非常高，目前僅有極少數(shù)國家能夠掌握。推力矢量技術(shù)同樣是航空器發(fā)展的一個方向，美國與俄羅斯的下一代戰(zhàn)機(jī)都裝備了矢量發(fā)動機(jī)。矢量發(fā)動機(jī)的噴口上下偏轉(zhuǎn)，可以起到操縱面的作用，明顯改善飛機(jī)的可操控性，從而大幅度提高飛機(jī)的機(jī)動性與敏捷性。同時，可以減少飛機(jī)尾翼或前翼的面積和偏轉(zhuǎn)角度，可以減小飛機(jī)的飛行阻力，優(yōu)化隱身性能。

矢量發(fā)動機(jī)的地面測試

目前，美國F-22戰(zhàn)斗機(jī)與俄羅斯蘇-35戰(zhàn)斗機(jī)是最具代表性的推力矢量技術(shù)應(yīng)用實例，其中F-22戰(zhàn)機(jī)采用的是F-119發(fā)動機(jī)，配備二元矢量噴管，蘇-35戰(zhàn)機(jī)采用的是117S發(fā)動機(jī)，配備全向的軸對稱矢量噴管。二元矢量噴管可以使機(jī)尾過渡平緩，減小機(jī)尾產(chǎn)生的飛行阻力，并可以降低機(jī)尾的紅外特征。缺點則是噴管重量大，并且損失的推力較大。軸對稱矢量噴管對技術(shù)要求較低，噴管可轉(zhuǎn)動的范圍較大，損失的推力也較小。矢量推力可以大幅度提高對飛機(jī)的控制，減小飛機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑，提高飛機(jī)在機(jī)動動作中的反應(yīng)能力。

美國人曾對二元矢量噴管與軸對稱矢量噴管進(jìn)行了深入研究，最終決定采用綜合性能更為出色的二元矢量噴管

殲-10B TVC使用的就是軸對稱矢量發(fā)動機(jī)，具公開資料顯示，中國對于矢量發(fā)動機(jī)技術(shù)的研發(fā)在很多年前就啟動了。隨著國產(chǎn)WS-10“太行”渦扇發(fā)動機(jī)的逐步穩(wěn)定，國產(chǎn)推力矢量技術(shù)距離實用階段更進(jìn)了一步。相比俄羅斯的矢量發(fā)動機(jī)，國產(chǎn)矢量發(fā)動機(jī)的矢量噴口較短，在每片擴(kuò)張調(diào)節(jié)片的末端都帶有一片可以獨立旋轉(zhuǎn)的小型調(diào)節(jié)片，來減少推力的損失。另外，空軍從俄羅斯進(jìn)口了蘇-35戰(zhàn)斗機(jī)，通過對蘇-35的研究，也可以積累矢量發(fā)動機(jī)的使用與研發(fā)經(jīng)驗。

蘇-35戰(zhàn)斗機(jī)的矢量發(fā)動機(jī)噴口

現(xiàn)代軍用飛機(jī)的氣動設(shè)計與飛行控制技術(shù)

推力矢量技術(shù)不僅僅是只有矢量發(fā)動機(jī)，而是建立在整款先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)平臺基礎(chǔ)上的一整套復(fù)雜系統(tǒng)。只有良好的氣動布局設(shè)計與先進(jìn)的飛行控制技術(shù)，才能夠有效發(fā)揮推力矢量技術(shù)的效能?，F(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計愈發(fā)激進(jìn)，多采用靜不穩(wěn)定設(shè)計，飛機(jī)具有天生不穩(wěn)定的特征。靜不穩(wěn)定設(shè)計的好處是可以有效提升飛機(jī)的機(jī)動性與敏捷性，但技術(shù)門檻較高，需要采用現(xiàn)代化的電傳操控系統(tǒng)實現(xiàn)。

隨著電傳操控系統(tǒng)的發(fā)展，越來越多的戰(zhàn)機(jī)采用更加“活躍”的氣動布局。例如無尾三角翼布局、鴨翼布局甚至飛翼布局，在機(jī)身局部設(shè)計上，出現(xiàn)了能夠增升的邊條等先進(jìn)設(shè)計。而電傳操控則是通過計算機(jī)操控飛機(jī)，在接收到飛行員的干預(yù)操控后對飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行精確計算，再對飛機(jī)進(jìn)行靈敏的操控。震驚全場的殲-10B TVC并不只是依靠先進(jìn)的矢量發(fā)動機(jī)和靜不穩(wěn)定的鴨翼布局，還離不開將發(fā)動機(jī)控制與氣動舵面控制融合的飛行操控系統(tǒng)。

美國B-2隱身轟炸機(jī)采用技術(shù)難度極高的飛翼布局，需要尖端的氣動布局設(shè)計與飛行控制系統(tǒng)

需要說明的是，電傳操控系統(tǒng)的發(fā)展并非一日之寒。在美國、俄羅斯、歐洲的現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)研發(fā)過程中，都出現(xiàn)過操控系統(tǒng)缺陷導(dǎo)致的相關(guān)事故，不論是哪個國家，飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展都是靠科研、試飛人員默默奉獻(xiàn)托起的。尤其是在試飛過程中，試飛員需要一次次摸索、挖掘飛機(jī)的飛行極限，通過無數(shù)次飛行來查漏電傳操控系統(tǒng)的不足。只有對飛機(jī)在各種復(fù)雜氣動條件下的性能具有清晰全面的掌握后，才能夠根據(jù)飛機(jī)出現(xiàn)的反應(yīng)對飛機(jī)進(jìn)行精細(xì)的高效控制，獲得驚人的機(jī)動性，在不同特征的飛行動作中自由變換，飛出令人振奮的飛行表演。

殲-10B TVC的矢量發(fā)動機(jī)是中國航空工業(yè)多年來積累發(fā)展的成果

從殲-10B TVC在航展中的驚艷亮相來看，國內(nèi)不僅在推力矢量方面取得了可喜的成果，而是在現(xiàn)代尖端戰(zhàn)斗機(jī)總體研發(fā)設(shè)計方面取得的成績。通過殲-10系列、殲-11系列以及殲-20戰(zhàn)斗機(jī)的研發(fā)使用，國內(nèi)戰(zhàn)斗機(jī)研發(fā)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。在國產(chǎn)推力矢量技術(shù)達(dá)到實用標(biāo)準(zhǔn)后，將裝備殲-20甚至新一代隱身艦載戰(zhàn)斗機(jī)，強(qiáng)大的飛行操控系統(tǒng)與動力系統(tǒng)將會賦予戰(zhàn)機(jī)世界一流的機(jī)動性與敏捷性，全方位提高飛機(jī)的作戰(zhàn)性能。

未來換用矢量發(fā)動機(jī)后，殲-20的機(jī)動性將更上一層樓