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美国和俄罗斯五代机的尾喷管设计思路各异,究竟谁更先进
2017-9-11 20:54:00           作者: 云上的空母

F-22和苏-57作为美俄两国研发的第五代战机,均有超机动能力,但实现超机动的方案却有所不同。一个巨大区别就是尾喷管设计,F-22采取的是矩形尾喷管,而苏-57采取的圆形尾喷管,用飞机设计专业学术语言描述则是前者为二元矢量喷管,后者为轴对称矢量喷管,那么哪种喷管更好一些呢?

美国和俄罗斯五代机的尾喷管设计思路各异,究竟谁更先进

轴对称喷管按照运动机构划分可归结为两类:一是喷管整体偏转的万向接头式,这种喷管就是苏-57采取的方案,俄罗斯在苏-37上率先试验成功后开始运用于五代机计划。另外一类是喷管扩散偏转式,这种喷管在F-100战机上被使用。总体来说,整体偏转式矢量喷管结构变更比较少,但在全方位做矢量机动时需要的空间比较大,而与之相比,喷管扩散段偏转式所需要的运动空间较少,但机构相对较为复杂。

而二维矢量喷管可分为三类:只有内膨胀的二维收敛——扩散(就是喷管管道直径先变小在变大)喷管;单膨胀板式二维矢量喷管;塞式二维喷管。其中第一种二维收敛——扩散式喷管就是F-22上所用的喷管。

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两种喷管的综合评价可归结如下:

二维矢量喷管因构造为矩形,而航空发动机整体为圆形,因此必须要有一个过渡带,这使得喷管向机身外延长较大,在空气中的浸润面积增大,摩擦和空气冷却会造成推力损失,数值大约为轴对称喷管的1.5倍。

二维喷管和轴对称喷管都会产生漏气现象,但漏气损失相当,均为最大推力的1%左右。航空发动机喷管工作时一般都会产生过高现象,如不冷却,可能导致材料变形,蠕变,必须采取冷却措施,一般使用高压冷气,而二维喷管相对来说需要的冷气更多,约为轴对称矢量喷管的2倍左右。此外,二维喷管的重量也会因为构造较多而增加,一般是轴对称喷管的1.5倍。

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但二维喷管也尤其优势所在:一是二维矢量喷管的推力矢量结构比较简单,比较容易实现反推力,这在超机动中会起到一定的作用。二是二维矢量喷管有利于实现后机身和喷管一体化设计,实现平滑过渡。

三是二维矢量喷管的有效推力在不开加力的情况下,在飞行速度位于亚音速时,与轴对称喷管相当。但随着速度的增加,特别是超音速状态下,二维矢量喷管的有效推力要比轴对称喷管低1%到3%左右。一般喷管选型时并无一个硬性规定,必须从飞机的总体布局、控制、性能要求和结构重量。工艺程度几个方面选择。

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所以说综合来看,苏-57的轴对称矢量喷管就能使其机动性超越F-22。当然,这是在F-119发动机和SaturnAL-41F1单台推力在一个水平的前提下。

二维矢量喷管的设计和使用较轴对称喷管更为复杂,这是因为二维喷管的宽度和高度之比会影响隐身性能和推力性能,也影响整个发动机的全重,而轴对称喷管则不存在这一问题。二维喷管的扩散调节板切角会对推力产生一定的影响,但损失较小,可以有效利用这种特性减少调节板的冷却面积和结构重量,但轴对称喷管则完全不存在这一问题。那么为何F-22非要采取这种技术复杂却又影响机动性的设计呢?答案也很简单,为了隐身。

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轴对称喷管完全将发动机涡轮暴露在敌人雷达波照射之下,会形成一个超强的周期性RCS辐射源,令后部隐身能力几乎等于大型飞机,更谈不上隐身了。而二维喷管则利用矩形设计中的扩散调节板遮挡了大多数涡轮,雷达波无法形成直射,因为后部隐身就会较好一些,如再使用涂敷隐身涂层、S型发动机喷管等措施,能让后部实现完全隐身。此外,由于二维喷管有利于实现机身喷管一体化设计,进而让机身和喷管之间的缝隙减少,过渡平滑,对于减少飞机整体RCS也是大有裨益。

飞机的隐身还包括红外隐身,该隐身的控制关键在温度,轴对称矢量喷管直接将高温气体喷射出去,由于在空气中的浸润面积较小,冷却难度较大。而二维矢量喷管在空气中的浸润面积大,二维结构将高温气体与空气接触的面积增大,冷却难度较小。

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综上所述,苏-57和F-22采取了不同的设计思路,苏-57就是一贯的俄制超机动,一切设计围绕该目标,变态到任何人都不可能超越。而F-22则强调隐身,航电,超机动只是预备手段。

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全文完,谢谢阅读。

责任编辑: 蔚 蓝 文章来源:
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