【深度】談談你所不知道的矢量航空發動機！

所謂矢量航空發動機，就是噴口可以向飛機的縱軸和縱軸以外的一定角度偏轉以產生不同方向推力的發動機

這是人類進入20世紀中期以後，出現的一種新的飛機推進和操縱技術。在此之前，無論是安裝螺旋槳發動機還是噴氣發動機的飛機，基本都是和飛機的縱向軸線一致的推進方向，只能通過機翼和尾翼操縱面的氣動變化，來獲得飛機上下和左右的機動。

而矢量發動機的出現，可以直接通過矢量反推力，使飛機獲得非常規的機動能力。通過尾噴管偏轉，利用發動機產生的推力，獲得附加的控制力矩，實現飛機的姿態變化和控制。

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矢量噴口的發動機並不能獲得額外推力，只是把經過發動機壓縮和燃燒的高溫高速混合氣流通過可以偏轉的尾噴口改變方向。理論上同樣功率的發動機運用了矢量技術，還要損失一部分推力，這也提高了矢量發動機的製造門檻，並且需要在保證可以偏轉噴口，損失主推力的情況下，用從整體上計算效率更高的發動機出力，來彌補這種損失。

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矢量發動機的二維噴口

另外，矢量發動機的尾噴口在偏轉的時候，會消耗一部分高溫高速燃氣的能量，造成發動機實際推力比理論數值低一些，如果噴氣發動機本身的推力就不大，那損失的推力就會影響到戰機整體的推重比。

這種情況下，再強行使用矢量尾噴口技術，就會得不償失。這說明小推力發動機根本就不適合改裝成矢量發動機。小鬼子最近搞出的「心神四代驗證機」安裝的兩台發動機每台加力推力只有5噸，卻「煞有介事」的安裝了矢量推力偏流板，只能是糊弄外行的「噱頭」，實際完全就是擺設——沒法用。

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心神四代驗證機

一、矢量發動機相比普通發動機，能帶來哪些獨特的好處？

首先是敏捷性

提高飛機的格鬥能力，敏捷性也包括短距離起降的概念。矢量技術今後的一個發展目的，就是短距離起降。英國的「鷂」式垂直起落戰機的飛馬發動機就是一種原始的噴流矢量技術。

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「鷂」式垂直起落戰機

其次是減重和增推

飛機的發動機功率越大，對飛機飛行越有利，但是更大功率的發動機會更重，飛機的控制系統和控制氣動力的平面也會更多更大，這會導致飛機總重增加。用了矢量發動機，能減輕操縱面的結構重量，可用相對小推力的發動機解決更強機動力的問題，這個概念和導彈的燃氣舵原理一致。

最後是有利於增益隱身效果

美國人搞F22時意識到，外形隱身很重要，而減少外形中氣動控制面的數量和面積是最佳捷徑。裝上矢量噴口的發動機，可以有效減少飛控面的數量和面積，而有利於隱身。

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F22

所以YF-22和YF-23競標時，就明確要求必須具備發動機矢量技術，沒有此技術的型號，乾脆不能獲得競標資格。

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YF-22

二、矢量發動機的製造難點：

矢量噴口的一大難點，是發動機的噴流對發動機後機體結構和材質的摧殘。噴氣發動機的推力和破壞力很恐怖，開加力的噴氣發動機的尾焰，溫度高達2000度以上，而且氣流是超音速的，比普通的乙炔焊槍強大百倍。

這種噴流，可以在幾十秒內融化數厘米厚的鋼板，這樣的高溫、高速、大推力的氣流被強制改變方向，那矢量噴口的結構強度和材質沒有絕對的抗破壞值，是做不到的。

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矢量發動機尾噴口還有一個技術難點就是如何能長期有效的工作，因為要改變噴流就要面對高溫高速燃氣，耐熱材料要過關。其次熱脹冷縮下，機械動作系統的可靠性也是一個問題。

在正常溫度範圍內運行可靠的機械偏轉機構，放在高溫高壓下，物理性質的變化會對可靠性造成影響，而耐熱、耐變形性能不過關的材料，長時間使用後會造成部件變形失效，導致發動機不能正常工作。

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三、矢量發動機當前的流派：

目前能製造實用的矢量航空發動機的，主要是美英俄三國。俄羅斯有AL系列、美國是JSF系列，英國是飛馬系列，三國在矢量發動機研發的方向上有所側重。

細分的話，還能分出四個流派：

矢量舵片技術

這個最簡單，對發動機要求也低，對輕型飛機的機動性能提高較多，不過其原理已經跟主流的發展方向分道揚鑣了。所以這個技術，美俄基本已經不再繼續深入研究，唯一還在炒冷飯的就是前面提到的小鬼子的「心神」。

二元矢量噴口技術

這個矢量力只能是垂直作用，比如美國F22A的尾噴口是四片，但是左右兩側是固定的，能動的就是上下兩片——飛機平飛，矢量力上下作用，飛機側飛時，才能進行所謂的「左右擺動「。這項技術是美國首先實際運用在F22上。

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F22A的尾部

多元矢量噴口技術

也被稱為軸對稱技術，二元矢量比擾流矢量舵片要先進，但是還是僅僅垂直擺動的水平，對飛行器的全面調控性能有限。這種技術在防空導彈上最早應用，即所謂「360度」噴口技術，主要為垂直發射的防空導彈，快速變向，更好的降低因為爬升而損失的時間及燃料，降低導彈的重量並增加攔截效率。

這種技術後來在飛機這類大型飛行器上也得到了應用，最典型的就是俄羅斯應用在蘇35戰鬥機上的117S發動機！

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雖然多元矢量噴口技術理論上更為先進，推力損失最小，但是由於發動機矢量偏轉噴口密封技術和耐高溫材料性能的局限，117S發動機的可靠性、成熟度反而不如F22A的二元矢量。

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117S發動機的偏轉噴管可靠性只有一百個小時左右，而F22A的二元偏轉噴口的可靠性，卻能長達數千小時。多元矢量噴口技術，還需要繼續改進和完善。

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噴流技術

這個是矢量技術發展的大方向，現在戰機的發動機都是從飛機尾部一兩個噴口往後噴氣，獲得反推力實現飛行，今後可能是除了主發動機外，從飛機的機身上還有N個小噴氣孔協調噴氣來任意操縱飛機，就像宇宙飛船的矢量姿態控制火箭，這個技術可以極大的減少飛機的飛行氣動控制面，更好的促進翼身融合和隱身。

中國軍工從上世紀九十年代開始全面接觸和深入研究發動機矢量技術。網路上曾經有三代核心操作控制手柄控制發動機尾噴管偏轉的公開視頻，這顯然是有關研發機構在向最高領導層展示這方面研究的階段性成果。

目前中航工業正在集中力量完善WS15發動機的矢量推進技術，作為殲20的目標動力。

國產殲20四代隱身重型殲擊機，一直面臨發動機推力不達標和發動機適配性的問題，所以整個試飛階段和首批服役的「A狀態」的批次，都沒有上矢量技術。

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但今後幾年，帶多元矢量噴口的渦扇15發動機是一定要裝上殲20的，完整狀態的殲20戰機將在2025年以前定型裝備部隊，中國空軍將獲得世界領先的空中機動戰力。最近剛剛試飛的殲31的二號機，未來也是要裝備中型多元矢量發動機，來獲得超機動能力。

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殲20

中國軍工對飛行器矢量技術的研究起步並不晚，尤其是導彈上的各種矢量控制，水平還是極高的。但是實際運用在飛機發動機上，受限於過去的國產噴氣發動機推力的普遍落後，長期以來一直是以跟蹤世界矢量技術的潮流、低水平驗證為主，沒有像美蘇英那樣，在上世紀60年代就開始籌劃專門的矢量試飛型號。

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殲31

近年來國內軍工技術大發展，研發實驗資金空前充足，終於開始集中發力，不過航空發動機是一門靠長期積累和摸索的經驗論科技，短期內大量砸錢，不代表就能立竿見影。矢量推力這種高精尖技術，還需要不斷的試錯完善，經過多年的實踐積累才能終成大器。

相信到2025年左右，中國的矢量噴氣技術，一定會進入世界第一集團的行列。

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