中國矢量噴管

高卓

2017年12月25日，一臺裝有全向軸對稱矢量噴管的“太行”改進(jìn)型渦扇發(fā)動機，隨殲10B的1034號原型機進(jìn)行了首次飛行試驗。從首架驗證機2001號曝光，到首架以“黃皮機”狀態(tài)示人、用于領(lǐng)先測試的2101號原型機亮相，再到為其驗證矢量噴管的殲10B首飛，圍繞殲20的多次里程碑事件都發(fā)生在圣誕節(jié)前后，也是很有意思的一件事。

盡管國內(nèi)航空發(fā)動機矢量噴管技術(shù)（下文簡稱TVC）很早就有概念模型和工程樣機資料出現(xiàn)，但正由于這些設(shè)計出現(xiàn)得太早，近年來并沒有太多新資料能佐證國產(chǎn)TVC發(fā)展到了哪一步。

這也導(dǎo)致最初這架國產(chǎn)TVC試驗機亮相的消息開始在網(wǎng)上流傳的時候，很多當(dāng)年也堅信過國產(chǎn)TVC很快就會裝機的朋友們，反倒不敢相信這是真的了。即使是在2017年12月24日，這架試驗機的第一張模糊照片公開之后，仍然有不少人懷疑其真實性。而在意識到這件事兒確實不像是假的之后，終于有人開始?xì)g呼，我們的發(fā)動機，真的行了！

不僅是發(fā)動機革新

提到“太行”的成熟過程，大家想到的更多是殲11系列飛機。但作為“太行”的“原配”，殲10系列飛機同樣長期參與了“太行”系列的測試。只是由于“太行”沒有大量出現(xiàn)在裝備殲10的作戰(zhàn)部隊里，使得這一點往往被人忽視。比如殲10的1004號原型機、殲10B的1035號原型機和幾架量產(chǎn)型飛機，就分別測試了“太行”的3種不同子型號。

因此這臺“太行”家族中最新亮相的成員，出現(xiàn)在1034號殲10B原型機上也并不奇怪。而且使用機腹進(jìn)氣的單發(fā)鴨式布局平臺驗證TVC技術(shù)，也很容易讓人想到美國的X-31驗證機。但主要目的是驗證大迎角控制技術(shù)而非TVC本身的X-31，出于成本考慮使用的是較簡單的折流板式TVC（與日本“心神”類似）。另外出于安全考慮，X-31刻意將鴨翼前置到形成遠(yuǎn)距耦合布局，在保證能從大迎角飛行安全改出的同時，也犧牲了鴨翼的渦流增升作用。

筆者看來，改裝后的1034號殲10B在定位上更接近后來的F-16/MATV。其加長空速管、尾旋改出傘支架（首飛由于不涉及相關(guān)科目，故未安裝傘體）等諸多特征也和F-16/MATV類似。畢竟X-31是全新設(shè)計的驗證機，很多地方完全可以白紙新畫，而殲10和F-16就沒這個條件了。不過由于中國航空工業(yè)還沒有“驗證機文化”，所以1034號殲10B只好又當(dāng)X-31又當(dāng)F-16/MATV了。

至于該機出現(xiàn)會不會意味著國產(chǎn)三代機未來的改進(jìn)型號也將應(yīng)用TVC技術(shù)，筆者認(rèn)為在推重比有限的三代半戰(zhàn)斗機上應(yīng)用TVC技術(shù)，效費比仍然存在爭議。因此對我國來說，這項技術(shù)目前更多還是給四代機準(zhǔn)備的，國產(chǎn)TVC末端有助于降低雷達(dá)信號特征的鋸齒外形也說明了這一點。使用殲10平臺為同樣采用鴨式布局的殲20測試TVC技術(shù)，有助于更好驗證TVC對殲20部分性能，如大迎角飛行性能等方面的貢獻(xiàn)。

另外由于當(dāng)年試飛手段有限，2004年定型的殲10基本型，并沒有徹底釋放其在大迎角飛行領(lǐng)域的氣動潛力，而改進(jìn)重點在航電升級方面的殲10B/C，在試飛定型時對這方面也著墨不多。通過這架驗證機的試飛，并引入新一代試飛驗證技術(shù)進(jìn)行更充分的測試，不僅有助于摸索拓展殲10的飛行包線，也為以后的型號試飛積累經(jīng)驗。

國產(chǎn)TVC能力幾何？

作為一款典型的三元TVC產(chǎn)品，這款最新亮相的國產(chǎn)TVC，并非“山寨”剛剛引進(jìn)一年的蘇-35所用117S發(fā)動機的俯仰式軸對稱TVC技術(shù)，而是在典型的全向軸對稱矢量噴管（AVEN）結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上“百尺竿頭、更進(jìn)一步”。

從外部看，國產(chǎn)TVC的活動部分，從前到后可分為轉(zhuǎn)向控制環(huán)和擴張調(diào)節(jié)片兩大塊。但每片擴張調(diào)節(jié)片末端都帶有一片可以獨立旋轉(zhuǎn)的外調(diào)節(jié)片，是該型噴管不同于世界上其他TVC工程作品的最明顯特征。

光看外形，這種設(shè)計難免給人一種復(fù)雜笨重感。殲10并不是一款以推重比見長的飛機，“太行”的推力在世界同等級大推力渦扇發(fā)動機中也并不突出。很多人因此擔(dān)憂，TVC的那個老生常談的問題——推力損失，是否會進(jìn)一步影響這架驗證機的測試效果。

TVC推力損失的主要原因很好理解，由于TVC在工作時會在噴管內(nèi)部形成彎折，導(dǎo)致從燃燒室噴射出來的部分高溫高壓燃?xì)馐茏瑁俣冉档?；而后面保持原來速度的燃?xì)庠谂c這部分燃?xì)馀鲎埠?，就形成了流場阻塞。發(fā)動機噴出燃?xì)獾母邏汉透邷貎纱髮傩裕瑢Ξa(chǎn)生推力都貢獻(xiàn)很大，而高壓就有不少在這兒白白損失了，而且壓力損失的比例還會隨著排氣速度的增加而增加。

既然要用TVC的長處，就得接受TVC的不足。TVC的工作原理決定了這種損失不可能徹底消除，只能盡可能降低，這就得從影響推力損失量級的具體因素入手。通俗的說，主要看的是彎曲區(qū)段有多長，以及噴管彎曲的程度有多大這兩點。

前者好解釋，彎曲區(qū)段越短，“追尾”區(qū)域就越小，形成的流場阻塞影響就越低。所以國產(chǎn)TVC的彎曲區(qū)段，位于整個轉(zhuǎn)向控制環(huán)部分已經(jīng)短到很容易被忽視的地步，確實夠短。那么噴管彎曲程度又該如何優(yōu)化呢？

對于AL-31FP這類俯仰式軸對稱TVC設(shè)計來說，彎曲程度只由轉(zhuǎn)向控制環(huán)決定，而對于AVEN這類全向軸對稱TVC來說，擴張調(diào)節(jié)片的決定權(quán)也是很重要的，而在國產(chǎn)TVC上，那個獨立旋轉(zhuǎn)的外調(diào)節(jié)片這時候也能派上用場。

加上外調(diào)節(jié)片之后，國產(chǎn)TVC形成了雙重鉸接，與“鷂”這類垂直/短距起降飛機發(fā)動機的三重鉸接懸掛裝置噴管在工程上有某些互通之處。后者為了降低噴管通道內(nèi)的推力損失，利用較長的空間設(shè)計了多重轉(zhuǎn)動過渡區(qū)段，使得氣流盡可能完成平滑轉(zhuǎn)向，以在噴口提供一個穩(wěn)定的推力——這對垂直起降飛機至關(guān)重要。

盡管國產(chǎn)TVC長度只有這種噴管的幾分之一，但通過對轉(zhuǎn)動過渡區(qū)段內(nèi)外部更加精細(xì)巧妙的設(shè)計（包括使內(nèi)部的收斂密封片、擴張密封片在轉(zhuǎn)動中不漏氣少漏氣），同樣能使得氣流在噴管內(nèi)部的運動實現(xiàn)平穩(wěn)過渡。也就是說在獲得同等推力矢量轉(zhuǎn)動角度的情況下，這種設(shè)計能比其他TVC帶來更高的推力系數(shù)。

根據(jù)相關(guān)資料，這種設(shè)計理論上可以保證推力損失不大于理想推力的1%～2%，是目前世界上所有TVC工程樣本中效率最高的。盡管復(fù)雜的設(shè)計也要付出相應(yīng)的重量和阻力代價，但考慮型號研制的具體情況，能把減重減阻的壓力分?jǐn)偟斤w機總體設(shè)計上，也總比讓發(fā)動機“把所有問題都自己扛”好些。

只為重塑飛行方式

從TVC技術(shù)誕生的那天起，爭議總是存在的，特別是被一些觀點視為比F-22還要領(lǐng)先半代的F-35也沒有應(yīng)用該技術(shù)時，我們?yōu)榇撕馁M的時間與成本是否值得呢？筆者這里想引用著名空軍學(xué)者、國際試飛員徐勇凌先生文章中的描述，“在傳統(tǒng)飛機設(shè)計中，動力系統(tǒng)只是為克服飛行阻力提供了推力……而對升力和飛機姿態(tài)改變的貢獻(xiàn)微乎其微，也就是說與飛機的操控和機動飛行關(guān)系不大”。

改變傳統(tǒng)的TVC技術(shù)，對戰(zhàn)機飛行性能以及作戰(zhàn)能力的提升是全面的，并不僅僅是在近距離對決中才能發(fā)揮作用?！皬哪撤N意義上講，‘動力飛行時代相對于空氣動力飛行時代的超越，其重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于三代戰(zhàn)機對二代戰(zhàn)機的技術(shù)突破”，筆者也支持這個觀點。

責(zé)任編輯：陳肖