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为什么还要买苏,为什么美国F22飞机发动机用两向矢量发动机

2020-02-15 08:44

岁末苏-35:锦上添花还是雪中送炭

问:为什么美国F22飞机发动机用两向矢量发动机,而不是全向矢量发动机,哪个更出色?

专家称矢量发动机是其关键卖点

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日前,据俄罗斯塔斯社报道,中俄之间关于苏-35战机的订购大单进展顺利。未经官方证实的消息显示,本月25日,首批4架苏-35战机已经抵达河北沧州飞行训练中心,引发公众关注。

美国F-22隐形战斗机用的是二元推力矢量发动机,为什么不用全向矢量发动机(三元推力矢量发动机)?这中间有这几个原因。下面就由“天明”给大家进行分析、讲解。

被称为“俄制最强战斗机”的苏-35到底强在哪?有了四代机歼-20,我们为什么还要购买定位“三代半”的苏-35?军事专家在接受科技日报记者采访时表示,对我国空军来说,引进苏-35可以快速形成战斗力,此外该机型的矢量发动机等多项核心技术值得我们学习借鉴。

F-22没装三元推力矢量发动机的原因

一、当初美国在1981年6月,对研发先进战术战斗机时,提出的三点硬性要求:隐形、超音速巡航、短距离起飞。采用二元推力矢量发动机就能够满足F-22战机的要求所以没有必要采用全向推力矢量发动机。

二、飞机研发还是需要控制成本,在达到客户的要求情况下会尽量的降低制造的成本,全元推力矢量发动机构造,要比二元推力矢量发动机复杂,所以需要的成本会更高,所以不会采用全元推力矢量发动机。美国PW公司设计,二元尾喷口(2代)具有俯仰、偏航、反推能力,是在20世纪80年代中期才开始。

三、由于三元推力矢量发动机出世较晚,但是先进战术战斗机的提议在,80年代初期就已经提出,所以当时的技术不是特别成熟,美国是不会采用到隐形先进战术战斗机上的。设计时没有考虑换装三元推力矢量发动机(图)

发动机三维矢量喷管成就超强机动性

二元推力矢量发动机与全元推力矢量发动机谁更好?我们还是要从发动机的构造、喷口的原理、和放在飞机上产生的作用,从多方面来进行判断。

二元推力矢量发动机,一般是采用矩形的喷口,采用折流板的方式,来改变尾喷气流的方向,来实现尾喷推力矢量。这种方法简单、成本低、无需对发动机进行改装。但是由于尾喷气流推力大、温度高、对材料的结构强度要求高,所以导致折流板比较厚实沉重。后来在80年代中期采用了轴对称推力矢量喷管。一共用了3个A9调节转向作动筒、4个A8喉道面积调节作动筒、3个调节环支撑机构、喷管制控阀、耐热片等一些零件构成。

三元推力矢量发动机,它与二元矢量发动机不同。他可以延发动机轴心360°旋转。他的功能要比二元推力矢量发动机更强大。也是通过转向作动筒控制一个类似大的鱼眼轴承的机件,来调整尾喷口的转向。它不仅可以改变飞机的俯仰和偏向,而且还可以通过尾喷的方向来调整飞机在空中的飞行姿态,让飞机能有更强的机动性能,失速性能更大。

三元推力矢量发动机从性能上要比二元矢量发动机要好。但是从发动机的稳定上来讲要比二元要强。但是三元推力矢量发动机在操纵上要比二元推力矢量发动机难度要大很多。软件设计难度也较大。三元推力矢量发动机喷口,复杂结构(图)

从F-22的机体构造上想更换三元推力矢量发动机,需要改变原来的尾喷边条形状,我们可以从下图↓分析,F-22战机的尾喷边条左右留下的间隙已经不够喷口偏转的角度,如果需要切一个角出来,这样会变飞机的平衡得不偿失,所以F-22隐形战斗机不会选择装三元推力矢量发动机。

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F22战斗机作为美国空军主力隐形战机,是世界上第一款服役的五代战斗机,具备超音速巡航、超视距攻击、隐形和超机动性。不仅如此,F22更是引领了五代战斗机的发展方向,成为了五代机的业界标杆。无论是俄罗斯的苏57还是中国的歼20,都以对抗F22作为战机的设计定位。发动机作为战斗机的心脏,F22装备的F119发动机更是性能强劲,但是F119毕竟是一款二维矢量推进发动机,那么以美国的技术能力,为何不换成三维矢量发动机呢?

(F22战斗机)

(苏57战斗机)

(歼20战斗机)

目前世界上可以制造矢量发动机的国家,只有中美俄等极少数国家。矢量发动机难度之大,号称是“工程学和物理学所能实践的最高领域”,没有强大的航空工业实力根本无法制造。矢量发动机又分为二维矢量发动机和三维矢量发动机,二维矢量发动机的尾喷口只能做上下偏转,而三维矢量发动机则可以进行360°全方向偏转。矢量发动机的出现让战斗机机动能力得到了根本性改变,很多匪夷所思的机动动作都可以依靠矢量发动机完成。它也让战斗机的近距格斗空战变得越来越复杂多变,也在某种程度上改变了空战的格局。比如苏35、mig29OVT和歼10B都曾作出过的落叶飘机动。

(装备矢量发动机米格29OVT战斗机)

(使用矢量发动机的歼10B)

二维矢量发动机和三维矢量发动机其实各有优缺点。三维矢量发动机的优点在于推力强,可以全方向偏转尾喷口,这可以让战机的机动性得到很大的提升。但它的缺点在于控制系统比较复杂,结构也变得复杂精密,当然造价也随之水涨船高。而且这会让发动机尾焰变得难于遮盖,削弱隐身性能。二维矢量发动机的优点在于结构简单,采用扰流板控制尾喷口方向,造价也比较低,可以在尾喷口处设置分流层,降低尾焰的红外辐射,提高隐身能力。它的缺点在于只能上下偏转尾喷口,推力没有三维发动机强,重量也比较大。

(三维矢量发动机可以全方向360度偏转尾喷口)

(二维矢量发动机仅可以上下偏转尾喷口)

目前比较典型的二维矢量发动机为F22装备的F119发动机,其最大推力为156KN,推重比为10左右,可以上下偏转30度左右。三维矢量发动机则以俄罗斯苏57装备的AL41F发动机为代表,其最大推力为180KN,推重比可以达到11,可以全向偏转尾喷口。不过AL41F是以牺牲寿命为代价来保证推力,虽然它的推力要优于F119,但寿命却只有F119发动机的一半。F119发动机的最大寿命为1.2万小时,而AL41F仅有6000千小时左右。从综合能力上看,F22装备的F119发动机研发于上世纪八十年代,当时三维矢量发动机尚不成熟,由于F22更讲求隐身能力,二维矢量发动机结构简单、造价低,方便使用冷热分流层减小尾焰温度,提高隐身能力。三维矢量发动机虽然可以提供良好的机动性,但是因为结构复杂、技术难度大,加之当时技术并不成熟,所以F22放弃了三维矢量发动机,改用二维矢量发动机,况且它也可以满足F22的性能需要。

(F22装备的F119发动机)

(苏57装备的AL41F发动机)

在F22研发阶段,二维发动机确实很先进,不过随着三维矢量发动机技术的发展,二维发动机技术已经稍显落后。目前世界主要五代机研发国家,都计划使用三维矢量发动机。F22装备的F119二维矢量发动机也可以满足需求,与三维相比,虽然二维发动机的重量有点大,但是它的隐身能力更好。二维矢量发动机和三维矢量发动机各有各的优点,随着发动机技术的发展,会有更多性能更好的矢量发动机问世,届时将助力隐形战机发展。

(F119二维矢量发动机研发的年代,三维矢量发动机并不成熟)

能飞当然比能跑能跳来得好,但是受限于制造工艺,全向矢量就成了个华而不实的功能了。比如,F22的二元矢量喷口可以有大约180~200小时的使用寿命,而全向矢量的j20的矢量喷口最多只有50小时左右的使用寿命,这二者之间的差异就在那了。

其次,推力比不一样,f22的发动机推力比重大约是1比1.12,也就是说,f22的矢量能力足可以把战机垂直抛射起飞。而j的国产发动机推力比重也不过1比0.9,单单航发的动力就跟不上f22了,再加矢量喷口造成的衰减,那么损耗还会更大。

第三点,从使用功能上看,全向矢量的应用用途华而不实。我们都知道矢量发动机的作用就是为突然变向提供动力(其他时候根本就就用不上),那么极速转弯的时候实际上只要一个最大角度的矢量喷向就足够了,即便是全向矢量在这个时候也只会用到这个角度,这就使得全向矢量没有意义,倒不如直接使用二元矢量,这样的话制造工艺相对简单,而且也会来得更加坚固和耐用。

你好,我是冬雨AK,我来说一下我的看法,是二维矢量喷口和全向矢量喷口,F22使用二维矢量喷口,是为了尽可能的提高F22战机的隐身性能!两种矢量喷嘴各有优缺点!

目前世界上的矢量喷口分为二维和三维(全向),这两种方式都是利用控制推进器喷嘴偏转,而达到改变喷射气流方向并进而使向量改变,目前美帝的F22使用二维,毛熊的SU-57使用的是三维

2014年,苏-35首次亮相珠海航展,在飞行表演中展示“眼镜蛇机动”,其极强的机动性令全场震惊。“眼镜蛇机动”是苏-27的经典动作,而对于最大起飞重量达到34.5吨的苏-35来说,完成这个动作相当于把特技表演的“小轿车”换成了“大卡车”。

二维矢量喷嘴的优缺点

二维矢量喷嘴,只能上下活动,改变喷射气流上下的方向,所以功能相对单一一些,但是也使得结构相对比较简单,重量比较轻,同时两块改变方向的挡板,可以很好的遮蔽发动机热能信号,大幅度提升战机隐身性能,由于两块挡板需要承受高压高温气流的直接喷射,所以对材料的要求极高。而且,二维矢量喷水还会使发动机推力损失一些,好在美帝的F119一pw一100涡轮扇发动机推力十分的牛,因此损失一些推力对F22的性能影响不大

苏-35采用两台117S可变推力矢量涡扇发动机,单台最大加力推力142千牛,比苏-27系列高出16%。军事专家张召忠在接受央视采访时曾表示,大推重比的发动机达到了“大马拉小车”的效果,让苏-35具备了短距离起飞及超强机动性的优势。

三维(全向)矢量喷嘴的优缺点

三维矢量喷嘴,顾名思义,就是可以做360度的全角度改变,因此对战机的机动性能比二维矢量喷嘴帮助更大,甚至可以做出一些匪夷所思的机动动作,相应的,由于控制结构更多,所以三维矢量喷嘴的结构要更复杂,同时,红外辐射相对较高,不利于战机的隐身性能

所以,美军F22战机选择二维矢量,是为了更多的追求战机隐身性,再者其耐高压耐高温的材料技术过关,发动机推力足够强,不在乎二维矢量对推力的损失。两种矢量推进方式各有优缺点,但我认为随着科技的进步,三维矢量会成为行业潮流

矢量是既有大小又有方向的量,称为向量,在物理学中称矢量,在计算中可以无限放大永大变形。两向矢量发动机推力方向上下控制,全向矢量发动机推力方向可360度控制。

苏联研发苏27测试稳步进行,美国空军感觉到挑战,美空军高层开始下一代战机研发探讨,研发新战机,代替主力战斗机F15。于是1981年6月,美国空军发布研制招标书,该研发项目由承包商完成,硬性要求三点:隐身、超音速巡航、短距离起飞,为满足计划中提出低耗能、高速、远航等矛盾指标设计。

为省资金选择两向矢量发动机,两向矢量发动机零件数量相比全向矢量发动机少40%,容易成熟,能多输出约22%推力,如果选择全向矢量发动机,耗油、零件数量多、结构复杂、可以做到不开加力照样超音速飞行,海军部怕技术外泄,追加资金将全向矢量发动机列入技术储备。

无论两向或全向矢量发动机部件繁琐机械装置控制发动机矢量喷嘴方向转变,导致严重后果,发动机矢量推力喷嘴变换角度越多,机械操作,操控结构越复杂,容易磨损,造成寿命短、可靠性差,增加发动机寿命,唯一是研发更耐磨稀土。

两向矢量发动机和全向矢量发动机指在发动机尾喷管上安装导流系统,使高温高压燃气改变喷出方向,而改变整机推力状态,完成一系列机动。矢量喷气系统分两向和全向两种,两向发动机高温高压改变上下方向,全向发动机尾喷管全方位摆动,高温高压燃气因此能全方位改变方向。

折流板

折流板个案在飞机机尾罩外侧加装三至四块可作向内,向外径向转动的尾板,靠尾板转向来改变飞机尾气流方向,实现推力矢量。

两向矢量喷管

两向矢量喷管是飞机尾喷管能在俯仰和偏航方向偏转,使飞机能在俯仰和偏航方向上产生垂直于飞机轴线附加力矩,使飞机具有推力矢量控制能力。两向矢量喷管是矩形,或四块配套转动调节板。两向矢量喷管种类:两向收敛-扩散喷管、纯膨帐斜坡喷管、两向楔体式喷管、滑动喉道式喷管和球面收敛调节片喷管等。两向矢量喷管容易实现推力矢量化,80年代末,釆用这种矢量喷管。

两向矢量喷管缺点是结构笨重,内流特性较差。

轴对称矢量喷管

80年代中期开始轴对称推力矢量喷管研制,喷管由3个a9/转向调节作动筒、4个a8/喉道面积调节作动筒、3个调节环支承机构、喷管控制阀以及一组内热密封片等构成。

流场推力矢量喷管

特点是通过在喷管扩散段引入侧向次气流去影响主气流状态,以达到改变和控制主气流面积与方向,进而获取推力矢量目的。流场推力矢量喷管优点是节省大量实施推力矢量用机械运动件,简化结构,减轻飞机重量,降低成本。

F22要求飞机具有过失速机动能力,即大迎角下机动能力。两向矢量发动机技术恰恰提这能力,实现F22战斗机战术,技术要求必然选择。全向矢量发动机,当时技术比较陌生,结构复杂难以建造,耗能,选择全向矢量发动机很难解决隐形能力,这是不用全向矢量发动机原因。

我的分析观点是;

一,美国F22A使用的是惠普公司研制的二元矢量发动机,F119一pw一100涡轮扇发动机。

二元矢量喷管是飞机尾喷管能在俯仰和偏航方向偏转,使飞机 能在俯仰偏航方向上产生垂直于飞机轴线附加力矩,使飞机具有推力矢量控制能力。装备这种发动机可作无后燃超音速巡航,可维持该机在MaCh1.4以上巡航率,这也有助于增加作战航程和缩短迅速撤离战场能力。

二元矢量发动机,由于只能上下活动,气流也只能俯仰控制,对飞机全面调控有限。

其优点是,对密封技术,和耐高温上,F22A二元矢量发动机可达数千小时。

二,全向能矢量喷口发动机,从技术和理论上更为先进,但是,由于发动机矢量偏转喷口密封技术和耐高温材料性动局限,其成熟度反而不如F22A二元矢量发动可靠。全向能矢量偏转喷管可靠性只有100多小时左右就得更換喷口页面。

三,通过F22A的二元矢量发动机和全向能矢量喷口发动机的比较还是F22A二元矢量发动机更为出色。

总结以上矢量发动机的概况,我们军迷这能略知一二。真正航空矢量发动机,是大国竞争的必然措施。我国自主研制的太行矢量航空发动机也正着机试飞。

美国F22的F119发动机是上下二维失量喷口。这样的优势是减少尾部红外辐射。在格斗战中降低了被红外导弹的命中概率即减小了不可逃逸区。但机动性较三维矢量发动机差,同时侧面/尾部的Rcs也较三维的大些。三维矢量发动机机动性更强,正/侧尾部Rcs较二维的小,但红外特征较二维矢发强,格斗中易被红外导弹锁定,增大了不可逃逸区。但若导弹在动力射程外,三维矢发的更易靠更强机动甩掉导弹。鉴于五代机隐身都好,很容易进入格斗 故今后会有一部份二维矢发的歼20服役混编。

简单的回答你,三维矢量喷管一定要比F22的二维矢量喷管要先进!

但是武器的装备并不是一定要最先进的,而是要最适合本国军队的!

对于F22来说,推力大得变态的发动机只需配上二维矢量喷管已经够用了,足以对所有的战斗机形成优势,不管是歼20还是苏57,面对F22都没有五成的胜算,而美国在战机代差已被中俄追上的情况下,仍然可以通过预警指挥系统和电子战系统以及庞大的战机数量对敌方形成空中优势甚至是压制!

所以美国目前还暂时不需要花费巨额资金去研发三维矢量喷管!

二元矢量发动机喷管分为二元收敛-扩散喷管、纯膨胀斜坡喷管、二元楔体式喷管滑动喉道式喷管、和球面收敛调节片喷管等。

二元矢量发动机喷管通常是矩形的,或者是四块可以配套转动的调节板,发动机推力能上、下调节控制,美国的F-22是二元方形矢量喷管的代表作。

全向矢量发动机喷管并不是360无死角的调节,全向只是拿二元做比较对比,其可以调节的方向比二元更要丰富,除了具备二元上下调节控制,还具有左右调节控制自己四个方向相互之间的调节控制,以俄罗斯为代表。

至于美国为什么要使用二元矢量发动机喷管有很多的考虑。

1随着现在飞发一体化设计的成熟,现代的重型战斗机尤其是五代隐身战斗机相比以前战斗机都要扁平,没有了以前战斗机的圆润,二元矢量喷管能很和机身进行容易高度融合,二元延伸的尾喷口也可以减少飞发一体的阻力,起到减阻的效果,美国的二元矢量喷口也是美国在五代机飞发一体化独有的拿手绝活。

2二元矢量发动机喷管在隐身方面比三元矢量发动机有很大的优势,战斗机在飞行过程中其尾部喷口喷出的火焰,会很容易被对方红外制导导弹锁定,二元矢量喷管喷出的气流更容易和外界冷气流相融合,能有效的降低喷口温度,达到减少红外的影响。

据有关消息显示美国在隔热屏内部安装了可以对抗红外的装置。

二元矢量发动机喷管可以有效降低雷达反射截面积,利用平行效应将雷达波折射到其他不重要的方向,二元与三元在隐身方面的差距是不争的事实,当然东方大国后来居上弥补了这一缺陷。

三元矢量发动机喷口缺陷

三元矢量喷口优点是推力大、机动强可以进行各种非常规的规避动作,但是复杂的喷嘴设计会导致控制复杂、结构复杂、成本增加、复杂的结构故障率自然就高、而且维护成本也高。

最重要的是三元矢量发动机喷口在飞发一体中不利于雷达隐身和红外隐身。

衡量五代机的标准并不是机动性,而是隐身和超音速巡航。

美国二元矢量发动机喷管能够和隐身外形融为一体,发动机尾焰热也更易于和冷空气混合降低红外特征,还能降低战斗机飞行阻力提升升力。

俄罗斯的三元矢量发动机喷管更侧重的是推力大,机动性强(目前俄罗斯三元矢量发动机质量也进步一下降)。

美国和俄罗斯只是技术路线的不同,不能说谁领先于谁,只能说各有各的优势。

(图片来源于网络由难明我心创作)

歼20的制造工艺不仅最强,请看下图。另外,更关键的是:以现代作战来说,战斗力最强的还是歼20,得益于厚积薄发的更先进的航电系统,雷达和作战半径以及搭载更大射程的空空导弹。歼20没有机炮,但是现代化战争歼20是不可能去跟你近距离作战的,况且蜗扇-15马上服役,到时候歼20更是在发动机推力上面赶上来,战斗力更强,远远超过F22和苏57!

F22使用二维矢量喷口,是综合考虑机动性能和隐身效果所做的权衡结果。并不美国研制不出俄罗斯那种全向矢量控制尾喷。

美国上下二维控制能够提升飞机爬升和下降的机动性能,在加电传操控系统翼面配合,全向机动性能并不弱(整体机动性能稍弱于俄罗斯的飞机)。二维模式是为了尽可能的提高F22战机的后向和侧向隐身性能。

中国歼20采用俄式矢量控制发动机,所以后向隐身不如F22。但中国的隐身涂料技术目前已全面超越美俄,独树一帜。无论是隐身频谱、耐久性和隐身性能都是一流的。

苏-35实现高机动性的另一个关键是其发动机配备的矢量喷管。国家“千人计划”专家、前罗尔斯·罗伊斯公司航空发动机技术专家王光秋在接受科技日报记者采访时表示,117S使用的矢量喷管可实现360度变向。他解释说,这种技术可以让飞机发动机的尾喷口转动,增加战机的机动性和失速状态下的控制能力,三维矢量喷管就是发动机尾喷口可以360度转动,而美国的F-22战机使用的是二维矢量喷管,只可以上下转动。

基于三维矢量喷管,苏-35可完成各种“匪夷所思”的高难度动作,其机动性令F-22都相形见绌。专家指出,矢量喷管技术未来甚至可以改变人类的飞行方式。

“雪豹-E”相控阵雷达炼就火眼金睛

国防科技大学国际问题研究中心研究人员张乃千介绍,作为苏-27的升级版,苏-35的另一大优势是具备了“火眼金睛”——“雪豹-E”型相控阵雷达。

“苏-27也具备较强的高空机动性,但几个筋斗下来,它的‘眼睛’就花了,而苏-35解决了这个问题。”张召忠指出,由于装备了大型相控阵雷达,苏-35在完成机动动作后仍能锁定并命中目标,提升了战斗力。“就像一个人在翻了几个跟斗后,耳不鸣眼不花,拿起枪仍能打出十环。”他解释说。

取其精华推进国产高端战机自主研发

目前,我国周边海空安全压力非常大,而距离自主研发的新一代战机服役及批量列装形成空中覆盖能力,还将有一段时间。在这个时期,若装备苏-35战机,将起到一定的“补位”作用。张召忠指出,从三代机到四代机,可以说苏-35为我们提供了一个过渡的“小台阶”。

此外,专家认为,苏-35设计中的先进经验也有许多值得我们学习。王光秋指出,矢量喷管是俄罗斯航空发动机的技术精华,其成熟度甚至优于美国,引进苏-35,在航空发动机结构设计、材料制备等方面将带给我们很多启示,对于我国相关技术的发展意义重大。“在结合国情和具体需要的基础上,学其精华,同时对不足加以改进,才能推进国产高端战机的自主研发。”王光秋说。

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