改變空戰格局的推力矢量技術——戰機多瞭一對“噴氣舵面”

　　電影《長空之王》，試飛員駕駛裝備推力矢量發動機的國產戰機，完成斜斤鬥等高難度飛行動作，讓影迷直呼過癮。

　　如果將常規戰機比作單槳劃船，推力矢量就類似於竹篙撐船——通過偏轉發動機尾噴流代替戰機操縱面功能，偏轉力矩越大，戰機姿態調整越快。當前，推力矢量技術是各國競相發展的關鍵技術之一，直接推動瞭眼鏡蛇機動、赫伯斯特機動等一系列超機動戰術動作的誕生，擁有戰機“噴氣舵面”的美譽。

　　看似簡單的推力“拐彎”，背後需要巧妙的設計論證，更需要優異的制造工藝。在過去半個世紀裡，不少國傢在推力矢量技術研發上投入數億美元，目前僅有少數國傢具備獨立研發推力矢量發動機的能力。這也足以證明，航空發動機實現推力“拐彎”並非易事。那麼，推力矢量技術從何而來？這項技術難點有哪些？對未來戰機發展有什麼影響？本文為您一一解讀。

　　推力“拐彎”，走過漫長的進化之路

　　航空發動機，被譽為現代工業“皇冠上的明珠”，要摘下它極其困難。有分析顯示，在“單位重量創造的價值比”這一數值上，船舶為1，轎車為9，而航空發動機高達1400。可以看出，研制先進航空發動機是各國競相攻克的技術難題。

　　人類研制航空發動機走過漫長的騰飛之路，而推力矢量技術從理論到應用的每一次突破與進步，都與一些武器裝備的誕生與發展有著很大關聯。20世紀60年代，英國“鷂”式垂直起降戰機試飛成功，實現短距垂直起降、空中懸停等新功能。當時，“鷂”式垂直起降戰機搭載瞭采用推力矢量技術的“飛馬”發動機，推力矢量技術第一次成功應用，開啟瞭戰機發展的新篇章。

　　從此，推力矢量技術得到推廣，逐步應用到“海鷂”、AV-8B等多型戰機。這些戰機的噴氣式發動機有共同的特點：擁有4個可以旋轉的噴口，前面2個噴口噴出從壓氣機引出來的冷氣，後面2個噴口噴出從燃燒室引出來的熱氣。在起降階段，噴口旋轉向下；在平飛巡航階段，旋轉向後。

　　隨後幾十年，美蘇冷戰刺激瞭航空工業發展，具備空中作戰優勢的三代機成為各國空軍主力戰機。“鷂”式戰機雖然具備垂直起降優勢，但“飛馬”發動機旋轉噴管機構超重，戰機操縱難度大，逐漸淪為戰場配角。英阿馬島海戰，英軍損失瞭數十架“鷂”式戰機。一時間，推力矢量技術的可行性遭受質疑。

　　無巧不成書。恰逢美蘇太空爭霸，德國一傢公司科研人員在火箭發射中找到創新靈感：火箭噴口處安裝可控折流板，可以偏轉噴氣流從而操縱火箭飛行姿態，戰機發動機能否裝上這種折流板？

　　科研人員很快將設想付諸實踐。1990年，X-31試驗機誕生，該戰機發動機尾噴口裝有3塊碳纖維復合材料舵面。在試飛員的操縱下，X-31試驗機以70度大迎角飛向藍天，創下過失速機動能力的新紀錄，一時間震驚世界。

　　當時，安裝折流板無需對發動機進行重新設計，在現役戰機改裝方面展現出獨特優勢。不過，科研人員很快發現加裝折流板的一個致命缺陷：機械機構外廓尺寸和重量較大，導致戰機在超聲速飛行時推力減弱。

　　如何提升推力矢量發動機效率？當時，美國和蘇聯給出瞭不同答案：美國普惠公司選擇將尾噴管“捏扁”，用4塊調節板打造矩形二元矢量噴口，以降低超聲速飛行時的阻力；蘇聯留裡卡設計局將周向魚鱗片用“束帶”固緊尾噴口管道，通過液壓系統操縱噴口全向擺動，實現柔性偏轉。

　　進入21世紀，美國研制出搭載扁平式矢量噴口的F-22隱身戰機，俄羅斯則推出瞭“留裡卡式”的新一代蘇-35戰機，機動能力更強。一時間，推力矢量發動機成為世界各國的競逐賽場。時至今日，“美系”和“俄系”推力矢量發動機仍是各國戰機仿制的主要選擇。

　　航空界有句話：“隻要發動機足夠強勁，磚頭都能飛上天。”近年來，推力矢量技術所提供的額外機動性和操縱能力已取代部分舵面的功能。目前，鑒於無尾翼設計的可行性，一些國傢已將簡化舵面列入六代機發展計劃。由此可見，推力矢量技術發展將在科學傢的探索下擁有更多可能。

　　“心臟”移植，實現戰機和發動機最佳匹配

　　一款新型推力矢量發動機的研發技術再先進、圖紙設計再完美，能不能試驗成功，最終取決於發動機與戰機的匹配程度。

　　2017年，日本國產“心神”戰機在結束最後一次試飛後，宣佈項目終止，前期龐大的資金投入化為烏有。有數據表明，“心神”戰機所選用的XF5-1推力矢量發動機最大推力僅5噸，且超聲速飛行幹擾阻力過大，導致項目不得不提前“下馬”。

　　半個多世紀以來，世界各國在研發推力矢量發動機過程中，反復驗證技術的成熟度，不斷提升發動機與戰機的匹配度，直至達到定型標準。這一過程，科研人員著力解決推力矢量發動機的三大難題：

　　一是排除幹擾隱患。戰機執行超機動飛行動作時，推力矢量發動機尾噴口產生的噴流會直接作用在飛機的擾流板上，產生擾流效應。這可能會導致戰機升力分佈不均勻，抗失速能力和操縱穩定性減弱，增加飛行事故風險。

　　如何解決擾流問題？20世紀90年代，俄羅斯蘇-30戰機的設計師別出心裁地將2臺AL-31F發動機搭載在機身後部與垂直尾翼相比較高的位置，使噴流遠離戰機擾流板；將發動機尾噴口設置為“外八字”偏轉方向，有效減小擾流范圍，飛行穩定性和操作安全性得到大幅增強。

　　二是提升材料性能。推力矢量發動機尾噴口越靈活、越嚴密，越有利於提升發動機推力效果。發動機尾流的溫度可達1000℃以上，且氣體壓力高達幾百千帕，普通金屬會軟化變形。因此，尾噴管的材料選用至關重要。

　　近年來，科研人員研發出多種新型復合材料。比如，選用高溫耐火陶瓷基復合材料制作出的戰機尾噴管，具有優異的熱穩定性，可以承受1500℃高溫，密度隻有高溫合金的1/3，強度卻為其2倍，且結構耐久性好。

　　三是解決控制難題。眾所周知，推力矢量發動機推力方向的變化會對飛機姿態產生重要影響。在飛行姿態大幅變化時，飛行員控制不好很容易造成戰機失控。

　　對此，歐洲空客公司與發動機制造商斯奈克瑪公司強強聯手，共同研發出一種能夠與戰機完全集成的發動機系統。這種一體化推力矢量設計實現瞭戰機和發動機的最佳匹配、各個氣動舵面偏轉與尾噴管偏轉的完美配合，飛行員操作難度系數減小，飛行安全性和穩定性得以提升。

　　追求高效，推力矢量技術一直在升級

　　進入新世紀，越來越多的軍事專傢開始關註一個問題：隨著空戰模式轉變，是不是每架戰機都需要搭載推力矢量發動機？

　　以F-35戰機為例，考慮到推力矢量發動機在尾噴口周圍的機械結構可能會影響到戰機的隱身性能，以及推力矢量技術帶來的機動能力並不能掩蓋超聲速飛行的短板，最新型F-35C戰機並沒有選用推力矢量發動機。

　　這一現象劍指推力矢量發動機效費比問題。為適應戰機隱身作戰要求，推力矢量發動機化繁就簡至關重要，精簡偏轉機構、減少調節板數量等改進措施成為升級推力矢量發動機的首選。目前，采用鋸齒形和尖劈形結構的推力矢量發動機，雷達反射面積減小瞭一個數量級。

　　尾噴管內部流場研究也十分關鍵。有的國傢對推力矢量發動機研發提出苛刻要求：增加噴管偏轉角度至20°，並滿足超聲速飛行要求。為此，科研人員利用先進的數值模擬和試驗技術，進行流場分析優化，不斷提升推力矢量系統的效率和可靠性。比如，在過去10年裡，俄羅斯多次為蘇-35戰機升級推力矢量噴管，提升戰機的操縱性和機動性。

　　比起修修補補，設計思路上的創新尤為重要。針對機械偏轉結構大、成本高等問題，一些國傢科研機構提出氣動推力矢量理念，依靠噴管中的次流對主流的幹擾產生推力矢量，用一堵“空氣墻”引導氣流偏轉，可以使噴管減輕80%的質量，降低一半的制造成本。

　　近年來，氣動推力矢量技術率先在無人機上得以驗證，正向大型航空發動機應用轉變。在這支創新隊伍中，俄、美、英等軍事強國走在前列，以色列、韓國等新興國傢也在努力追趕，他們努力破解飛行器的高機動、強隱身需求與固有的操縱性和穩定性的矛盾，著力提升大型戰機的作戰性能。

　　放眼未來，通過一體化推力矢量設計，新型戰機有望具備無尾扁平佈局、全向寬頻隱身等新特征，進而改變未來空戰格局。