美国矢量喷管比我们强？中国这一技术，全球独有

为了兑现小兵兵在往期文章中对粉丝的承诺，咱今天就来聊聊兔子和鹰酱家航空发动机的那点事儿~

作为工业明珠的航空发动机发展至今，飞机发动机单纯的横向性能对比，已经无法代表最主流的发展趋势。

况且真把枯燥繁杂的数据图表给大家拿出来，不方便大家理解，也没什么可读性，所以今天胖兵选择了一个不同的角度。

2018年的珠海航展，歼-10B TVC（Thrust Vector Control - 矢量控制喷管）表演机，之所以能超越歼-20挂弹开舱成为人气之王，就是因为安装了国产矢量喷管，并作出了代表性的眼镜蛇、J-Turn、落叶飘等特有动作，弥补了中国在这一领域的空白。

▲2018年的珠海航展歼-10B TVC做眼镜蛇机动瞬间

推力矢量，毫无疑问是当前最为尖端的航发配套技术之一。

它能够实现推力方向，与发动机轴线方向的偏离，并辅助甚至取代传统气动舵面的控制，可有效提高战机的超音速巡航、过失速机动、短距起降等能力，是五代机达成超机动性的理想标配。

▲矢量发动机这个词并不准确，因为实现推力矢量靠的是喷管

实现这项技术的重中之重，就是矢量喷管。

而工程师们为了将它从走偏门的特殊概念，转变为代表未来主流的成熟装置，足足花了数十年。

许多人都认为，最早使用矢量喷管的飞机是英国霍克·西德利公司，于20世纪60年代研制的“鹞”式攻击机。

但这种说法并不准确。

▲英国“鹞”式攻击机

它的确是第一种具备VTOL（垂直起飞/着陆）能力的制式战机，但最早使用矢量喷管的，却是更早诞生的美国的YA2F-1。

▲诞生于冷战时期的YA2F-1

也许你从未听闻过YA2F-1这个名字，但你一定知道《红色警戒2》中盟军的“入侵者”战机。

没错，游戏中“入侵者”战机的现实原型，就是同名的A-6“入侵者”攻击机，而这个YA2F-1就是A-6攻击机的原型机。

它由海航机大厂格鲁曼（吊打零战的F6F“地狱猫”就出自该厂），应美国海军全天候重型舰载攻击机的要求专门研制。

▲美国A-6攻击机

A-6攻击机曾是美国航母的标配，但美国海军有要求它可以短距起降。

于是格鲁曼的工程师在机身超重、初始设计又很难修改的情况下，十分大胆的给普惠J52发动机安装了可朝下偏转23°的矢量喷管，变相补足短距起降时的推力需要。

▲YA2F-1的矢量喷管

虽然这项设计最终因发动机性能不足等原因未被采用，但它却提供了一种平衡起飞载重与起降距离的新思路。

也就是说，最早的推力矢量技术是用来缩短起飞距离的。

而“鹞”式所使用的“飞马”（这名字听起来有点奇怪）喷管，和雅克-38所使用的R27-300都是这种思路的延伸。

只不过它们用了更先进可靠的设计方案，完善了格鲁曼的突发奇想，并将短距起飞概念推进至垂直起降的新高度。

▲专为明斯克载机巡洋舰设计的雅克-38，其独特的升力布局启发了后来的雅克-141乃至F-35

现如今，以缩短起飞距离、弱化场地限制的推力矢量技术，应用范围则是以航母舰载机为主。

传统陆基空优机需要的则是矢量喷管带来的机动性提升，两者的侧重点完全不同。

而人们经常提到的矢量技术一般泛指后者。

▲英国女王级航母装备的F-35B

有些朋友可能认为在矢量俱乐部中，美国喜欢二元，俄罗斯独爱三元。

但这只是两国代表战机使用的喷管类型不同，所造成的印象错觉而已，实际上，美俄均在两种喷管上花了几十年进行探索验证。

二元矢量方面，美国早期试验过F-15 STOL/MTD、F-18 HARV，最终实用化的就是该领域的代表机型F-22。

▲ 采用二元矢量喷管的F-15 STOL/MTD

另一边的俄罗斯曾给一架教练型Su-27UB的左发动机，安装楔形二元矢量喷管进行测试，并命名为LL-UV(PS)。

虽然测试结果基本符合理论预期，也证明了这种喷管的实用价值，但俄罗斯的心思并不在于此。

▲两台发动机元量不一LL-UV(PS)

三元矢量，或者叫轴对称矢量才是战斗民族所向往的，也是我们更为熟悉的一种矢量类型。

它具备二元矢量所没有的全向偏转能力。

代表机型有米格-29OVT验证机、装备117S的苏-35和装备“产品-30”的苏-57。

当然那些我们耳熟能详，又令人叹为观止的特技动作，也基本是俄系三元矢量喷管的主打花活。

当然，这并不代表美国就玩不了三元矢量，在美国空军、NASA、洛马、普惠等多家巨头的强强联合下，美国早在上世纪就通过给F-15和F-16安装轴对称喷管，测出了大量数据，代表机型有F-15 ACTIVE、F-16/MATV等。

▲能够轻松做出眼镜蛇机动的F-16/MATV

而我们中国的矢量喷管，是从上世纪90年代对俄罗斯的技术追踪开始的。

一方面有未来主流技术的预研判断，另一方面则是俄罗斯在苏联解体初期的经济困难时，进行清仓大甩卖让我们看到了契机。

因此中国的矢量喷管，一开始就瞄准了三元这条线。

毕竟我们的航发产品线，还有这很浓厚的俄罗斯背景，大推的装配体系、技术特征都以俄系技术为基础，不太可能重开一条新线重新研发二元矢量（还有一个重要原因，先卖个关子）。

▲国产矢量喷管特写

但这并不意味着，中国未来的矢量喷管技术就要照搬俄罗斯，毕竟我们的独创技术已经在歼-10B TVC上得到了证明。

除了全向偏转，国产矢量喷管的每一片叶片也可以旋转，这是其他国家的喷管所无法做到的。

如果我们按照“只要时间和资源投入到位，就能攻克关键技术”的逻辑来假定。

现阶段的基础性能差距有望在未来追平，那么中美矢量技术的区别，很大程度上也就是二元和三元在性能、特征上的区别了。

当然矢量喷管的选用，也并非是越先进越好，而是依据具体需要和整体设计来参考。

前文我们已经讲到，美国很早就开始对两种矢量喷管进行研发和测试，最终选用二元而非三元，就是一种优劣取舍。

▲美国的二元技术，实际上就是以F-22为代表

如果单看矢量效果，全向偏转自然要比纵轴偏转更好，但这不是没有代价的。

三元矢量的操控远比二元更复杂，还面临着严峻的高温和密封考验。

在三元矢量技术的起步阶段，工程师要面临的首要问题，就是叶片的密封性不足，气流逸散会造成推力损失和控制不稳定。

而仅这一个难题，就消耗了俄罗斯近三十年左右的时间。

▲117S是俄罗斯最先进的矢量航发，其密封技术比美国还要先进

与此同时，三元喷管的生产、维护成本也更高，控制系统也更复杂，需要喷管外侧连结多根伺服杆与套环，才能完成360°同步偏转的控制。

但二元喷管只要两组导流板以供上下偏转就足够了，结构要简单许多。

▲看看三元矢量的控制有多复杂

最关键的是，美国人认为三元矢量付出这些代价后，换来的性能没有太大实际价值。

可二元矢量的优点对于美军来说十分有价值，那就是隐身效果好。

早期F-15 STOL/MTD所使用的2D-CD二元喷口，会造成25%的推力损失，这对于每每一牛推力都十分宝贵的航空发动机来说，根本无法接受。

▲早期的2D-CD喷口，还具备反推功能

而即便是技术进步后的今天，F-22的F-119发动机，因为矢量喷管收束造成的推力损失仍在15%以上。

但它遮蔽红外信号的效果却十分明显，这对于以隐形为主打性能的五代机来说至关重要。

▲F-119进行地面台架试车

再加上美国航发的大推力独步天下，不需要特殊的气动设计与推力偏离，一样可以做到超音速巡航、过失速机动等超机动特征。

真要玩旱地拔葱、悬空短停这种逆天机动，F-22反而吊打Su-57。

这样看来，全向偏转就更显得索然无味了（推力大，真的可以为所欲为）。

▲F-22表演短距起飞+旱地拔葱

而美国空军也认为，隐身明显要比玩“特技”重要得多。

再加上那个年代的飞控技术所限，选择二元也是情理之中。

但对于中国来说，二元矢量就未必那么适用。

▲F-22的一体化控制

研发和装配体系这个原因前文已经提到，再有就是国产航发没有那么恐怖的推力。

中国飞/火/推一体控制也没有美俄那么成熟。

这样一来，我们的歼20要想也具备超机动性，就需要三元矢量的全向推力偏转，配合鸭翼气动才能才能完成。

▲国产矢量喷管从一开始就选定了三元路线，这是项目为系统服务的必然结果

至于隐身，国产矢量喷管的三层设计与交错布置，可以封闭叶片之间的缝隙，从而降低雷达反射率，这个设计思路与F-35使用的F-135发动机相同，问题不大。

当然，如果单纯从技术角度来看，随着飞控技术、耐热材料等配套技术的进步，三元矢量自然要更加先进和全面一些。

如果此时让洛马重新设计F-22，结果恐怕会完全不同。

部分参考资料：

[1] 中国航空新闻网：小管道大学问 航空发动机尾喷管——张静娴

[2] 歼-10B与TVC（上）——温哥华的鱼

[3] 新浪军事：矢量喷管技术50年前就有了 首款安装的军机竟是它——空军之翼