发动机是战机动力的来源。他们的出现具有划时代意。装备了它能使战斗机如虎添翼,飞出许多超机动动作,在过失速中自由穿梭。
在各种航空航天博览会和防务展中,飞行表演是最精彩也最吸引人的一个环节。为了展示其先进的性能,飞行员都会拿出看家本领,把战机的性能发挥到极致。在精彩表演中,发动机为其提供了源源不断的动力,因此被称为战斗机的心脏。
而矢量发动机在航空发动机领域具有革命性的意义。那么什么是矢量发动机呢?普通发动机的喷嘴是不能够变换方向的。如果战斗机需要做出一些高难度动作,必须要结合垂直尾翼和机翼的调整才能完成。即便是这样能做出的动作也是非常有限。而且一旦把握不好,将会造成非常严重的后果。这就是为什么王牌飞行员少之又少的原因。因为他们每做一次高难动作,无异于是在拿自己的生命作赌。
矢量发动机简单的理解为推力转向技术,也就是说发动机的喷口可以360度进行转向,摆脱了飞机的机动和操控主要由气动布局提供的局面。矢量发动机可以让战斗机轻而易举的完成短距起降、翻滚、横滚等动作。
比如垂直起降飞机在常规状态下发动机产生的推力是向后的。当发动机的喷口向下90度弯曲的时候,矢量发动机就会产生垂直向下的推力。这个时候飞机就能够垂直上升。
如果把发动机的喷口缓缓的向后改变,这个时候矢量发动机的推力就会分解成两个力,一个是向后的推力,一个是向上的升力。这两个力的总和就是矢量发动机喷口推力的大小。这就是矢量推力发动机力作用的原理。
1975年,美国率先在F15战机上做了推力矢量试验。发现他降落距离可以由原来的2260米降低到420米,充分显示了矢量技术在起降时的优势。
一般的三代机它的迎角不会超过30度,超过了以后就进入了一种失速的状态。在这种失速状态下,飞机的控制就非常困难,控制不好往往就容易出现事故。由于有了这种推力矢量的技术以后,在失速状态下即使在迎角达到60度甚至更大,飞机仍然有控制的能力。
装备了推力矢量技术的战斗机,由于具有了过失速机动能力,从而拥有极高的空中优势。美国曾经用装备了推力矢量技术的X31验证机与F18做过模拟空战,结果显示X31以极大的技术优势领先于F18。
矢量技术如此先进,也就代表了它的科技含量更高,同时也更加复杂。那么世界上都有哪些先进的矢量技术,他们又装备在了哪些战机上呢?
多元推力矢量发动机
多元推力矢量发动机也是轴对称技术,此技术应用最典型的就是俄罗斯的苏系列战机。多元推力矢量发动机最大的特点是发动机尾喷口和发动机是球形铰接,喷管可360度全范围偏转,能给飞机带来非常好的机动性。
多元推力矢量发动机机动性十分强,可以最大限度的利用发动机的功率。但是为了顾及到多元喷口,就不能对发动机的喷口进行遮掩,这样就牺牲了部分隐身能力。这对于隐形战机而言是得不偿失的。
二元矢量发动机
二元矢量发动机喷气口由圆形改为四方形,上下偏转方形喷气口的方向便是气流的方向。
不过这种喷口技术只能沿发动机轴心上下偏转,并不能做左右偏转。美国F22是第一种采用矢量推力喷管的第五代隐身战斗机。其采用的二元推力矢量喷管也是经过详细分析论证之后选择的结果。一般来说,二元矢量的技术最大优势在于隐身性能好,对于喷气式发动机的涡轮叶片有遮挡作用,并且可以降低红外特征,降低后机身阻力。
俄罗斯方面实际上也试图做过二元喷管,但是俄罗斯方面经过计算之后,认为可能会导致尾部的重量提升大概一吨。那么尾部的重量提升一吨机头配重自然要提高一吨,加起来两吨的重量。俄罗斯觉得这个对于它的研究来讲,对于它的发动机推力来讲是不可以承受的。
二元矢量发动机对于战机来讲,它的推力损失很大,再加上增重问题,这对于只有单发的歼-10B来说更是不能承受的。
战术机动
装备了矢量发动机,可以说能让战机拥有神奇的魔力,它能做出许多人们难以想象的动作。比如说震惊世界被称为无敌风火轮的弗罗洛夫轮盘。那么它的飞行轨迹是这样的。战机首先快速平飞在达到一定高度时,突然后仰昂首直立,速度几乎减为零。然后绕尾部做一个360度的快速翻转,从容回到正常姿态后继续飞行。那么这个动作在飞行员表演时,人们往往会以为是飞机出现了故障,甚至有人吓得大声尖叫,可见动作的惊险程度。在实战中这些动作具有什么样的意义呢?
眼镜蛇动作
1989年6月的巴黎航展上,前苏联著名试飞员维克多尔普加乔夫第一次在全世界面前表演了一种类似眼镜蛇出击时的激动动作,震惊全场。从此这个机动动作拥有了一个闻名遐迩的名字,普加乔夫眼镜蛇。
在这个机动过程中,飞机首先抬起机身,然后后仰至110度到120度,形成短暂的机尾在前,机头在后的平飞状态。然后机头前压再恢复到原来的水平状态。虽然这个动作看起来非常简单,但是在世界上能够做出这种动作的飞机却少之又少。因为在这一过程中,飞机处于难以操控以致极易发生事故的状态——失速中。
这种过程我们说它可以迅速的改变飞机整个飞行的速度。如果在实战当中运用实际上就是如果对方追的比较近突然采取动这种动作以后,对方如果反应不过来,很可能对方就会冲到你的前面。
赫布斯特蹬壁机动
赫布斯特蹬壁机动其实是汽车特技里的一个表演动作。利用加速急停变向的方式来个180度的大调头,然后迅速逃离现场。这一动作在大多的好莱坞电影中均可见。赫布斯特蹬壁机动曾是美军F22的绝技。有点类似于像我们游泳运动员,利用池壁来迅速的改变游泳的方向。通过在池壁上转身,然后用双腿去蹬地获得了一个前进的速度。
赫布斯特蹬壁机动首先飞机往向上爬升,失速后飞行员开始操纵飞机绕速度矢量旋转,一直沿航迹方向旋进,直到航向改变180度为止。在机头和航机的方向与初始方向相反时,利用高推重比发动机把飞机加速到高速状态。
这一机动动作必须依靠具备矢量推进功能的高推重比发动机才能做到,常规飞机仅仅依靠飞机的空气动力特性是无法达到的。
落叶飘机动
2013年9月,在第50届巴黎航展开幕当天,首次露面的苏35战机便以一系列震撼人心的飞行动作赢得满堂喝彩。
七十度爬升,快速滚转、俯冲、筋斗似乎是在藐视重力。在重温了普加乔夫眼镜蛇机动动作之外,这架飞机还表演了全新的动作——落叶飘机动。
落叶飘机动也叫直升机机动。实际上就是看起来它在空中基本上空速达到了0,而只维持一个角速度,有点像一个树叶在空中慢慢飘落一样。在演示的时候,战机首先拉起爬升到一定高度,同时收油门。在达到顶点时,飞机速度降到非常低,突然似乎飞机失去了重力,悬浮在半空中从而进入失速状态。这个时候调整推力矢量或者依靠推力差来实现左右的转动。在距离地面还有几百米的时候,战机像苏醒了一般,飞机再次拉起进入下一个动作,这就是落叶飘机动。
落叶飘机动被学术界称为无半径下降、转弯超机动。这是一种小半径的,甚至是无半径零半径的转弯机动动作,优雅而美丽,具有很强的欣赏性。目前世界上能够完美做到落叶飘机动的也只有俄罗斯的苏系列战机、美国的F22和中国的歼10B等少数几种战机。
然而就在战机依靠矢量发动机做出令人眼花缭乱、惊心动魄的机动动作时,关于这些动作在实战中真正的作用一直争论不断。有人说这些类似科幻大片一样的超级机动方式只是炫技,在与敌机缠斗躲避来袭导弹过程中超级机动动作并不具备难以比拟的优势。
其实美国也好,俄罗斯也好,都在一点一点摸索怎么样把推力矢量技术所带来的很多的动作用在实战之中。各个国家的飞行员是在一点点的去挖掘这些推力矢量技术所带来的机动性优势。
纵观武器装备的发展史,我们不难发现推力矢量技术从理论到应用的每一次突破与进步都与一些武器装备的诞生与发展有所关联。正因为有了这些武器装备上的一再验证,人类对推力矢量技术的掌握和运用才一步步走向成熟。
矢量推进技术是一项综合性很强的技术,它的研发需要尖端的航空科技作为保障,反映了一个国家的综合国力。