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涡扇15关键性能已解决 — 歼20矢量推力技术(上)

时间:2018-12-08 10:57:20        来源:

 

板上钉钉 — 歼20矢量推力技术(上)

之前有网友问:有没有歼-20与F-22、苏-57的尺寸对比图。下图算是比较靠谱的数据,在三型战机歼-20的翼展最小,机长最大;歼-20的机体长度比F-22长了1.9米。

考虑到F-22的发动机离尾端的距离,F-22的机身内部空间就更小了。歼-20的机内空间要比F-22大得多,所以在弹仓的长度和深度设计上更有自由度,总体布局体现了杨伟总师强调进攻特点

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有一位网友说F-22发动机矢量喷管也可以左右偏转。我们来看看下图就很清楚:F-119的喷管只有上下是可偏转的,左右两侧是固定,所以它是二元矢量喷口

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下图是F-22尾部的特写,图中红框就是上图喷口左右两侧。显然左右没有可偏转的空间;再说了,如果左右可偏转,岂不是要把图中蓝色圆圈处给烧熔化?

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下面我们再来简单回顾目前世界上公开的其他几种矢量喷口。首先是罗斯117S二元喷口,特点的在喉部有个球面的环。因为高温燃气喷流要穿过这个球面环,需要做中空的,所以该处是明显凸起(下图)。117S矢量喷口有两个明显的缺点:一是只能二元偏转,二是球面环带动整个喷口偏转,笨拙

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俄罗斯有没有轻巧一些的全向喷管呢?有、只不过它还在试验之中。下图就是准备用于苏-57的“产品30”的全向喷管。苏-57之所以现在还没能服役,与这个喷管还没完全研制成功很大关系。

下图中有很多Y字形的拉杆,拉杆左侧铰链在一个深色的上。由于这个环是在喷管的外侧,不与高温喷流接触,不需要像117S的球面环那样的降温结构,所以尺寸较小。

偏转环的左侧是三个120°夹角分布的作动环。如果三个作动筒同步向前拉 / 向后推,那么这个环就通过Y形拉杆带动喷口的扩张 / 收缩;如果三个作动筒是差动,就带动喷口偏转。

注意看:每两个Y形拉杆之间都有一个液压的作动筒(橙色方框),也就是说外部看到有多少个扩张片,里面就有多少个这样的液压作动筒,它是控制喷管喉部截面大小,还与矢量的偏转角有关。

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为什么特别指出这一点呢,在下一篇具体解读歼-20矢量喷口结构时会做对比,我们的第三代矢量技术在该处的设计更巧妙,怎么个巧法?这里先卖个关子、等下回分解。图中还标注了Y形拉杆的铰链处、最大开口的限位拉杆等关键部件。

下图是英国设计的全向矢量喷管。粗看呢跟俄罗斯的“产品30”很像,细看还是几处明显区别:

(1)它有四个作动筒、呈90°分布;“产品30”是三个作动筒。

(2)偏转环实际上是分成上下两个半圆,断开的环在左右两处铰链(图下),左上的图中可以看到偏转环在上下没有断开,所以是上下两个半圆组成的环;“产品30”的偏转环是一个完整的环。

(3)俄罗斯“产品30”的拉杆全是Y型。英国因为是两个半环,所以同时与两个半环铰链的拉杆是呈V字型,其他处的是A形拉杆-----就是图中橙色圆圈所示的位置、多了个很短的固定横杆

(4)正因为是断开的两个半环铰接而成,所以这个偏转环需要做得比较宽。下图(右上)是4个作动筒、2个半圆、以及A形、V形拉杆的示意图。这套机构的运动以及所带动的喷口偏转原理,与俄罗斯的“产品30”相类似,换句话说这个设计还不如俄罗斯的简便。

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下图是歼-10B的全向矢量喷口。拼图(右下)是示意图,它同样是由一个偏转环(右下的红色部分),通过蓝色拉杆、带动喷管扩张片的后端偏转,产生矢量推力。拼图(上)是电脑模拟图,其中的黄色和橙色部分是陶瓷基复合材料

歼-10B的这个矢量喷管结构比较轻巧,但它是“单环”结构;只靠扩张片的后端偏转,偏转角还不够大,所以它只是第二代矢量技术,歼-20采用的是“双环”结构的第三代矢量技术。

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下图是2021号机的喷口,它的扩张片锯齿形状与拼图(下)的相似这是中航发动机公司发布的视频中截图,据说是航发动机公司根据实体机所做的CG视频。

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下图红色圆圈是发动机与飞机机身框梁的连接处;黄色方框是3个呈120°分布的作动筒;3个作动筒如果是同步 /A9环向后 / 向前,偏转环就通过拉杆带动喷口的收缩 / 扩张;如果3个作动筒是差动 / 拉,那么A9环就通过拉杆带动喷口偏转。

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歼-20的矢量喷管除了上述的A9环、还有一个A8环、以及相应的两组作动筒,两个环是如何共同作用使得喷管做更大角度的偏转,这个留待下一篇结合更多资料图片再详细说明。本篇先来讨论:为什么说目前服役的歼-20装备了矢量喷管。

10、中航发的矢量图-2.jpg

前面提到2021号机的喷管末端带有锯齿,但不代表2021号机才装矢量喷管。锯齿是为了加强隐身性能,而不是矢量推力的必要条件F-35A / C有大锯齿,却没有矢量推力功能;英国的矢量喷管和中国早期研制的矢量喷管、却没有锯齿。

下图是介绍中国研制矢量喷管的纪录片视频截图,视频中控制台上按钮的下方是中文字,说明视频中正在试验台上的发动机是中国的,该发动机的喷管扩张段与航展表演歼-20的喷管(右上)几乎相同;所以不能把是否有锯齿,作为装备矢量喷口与否的标准

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那么如何能证明目前入列的歼-20已经装备矢量喷口呢我们来看下图:这是央视新闻截图,试训中心的歼-20飞行员陈浏,鼻梁上有明显的面罩压痕空气压力还造成脸部和鼻尖发红。从视频中可知飞行员不是刚下飞机就接受采访;这说明歼20的飞行员在日常的训练当中,经常会出现高G加压供氧状态。

有读者可能会说这不算是证据。别急啊,接着往下看。这是央视介绍空1旅的歼-11B和歼-20对抗的视频截图。

在鼎新指挥部的屏幕上,蓝色代表歼-11B、红色代表歼-20,红蓝两个弧线代表两架战机的飞行轨迹。图中红色的歼-20做了一个类似与“发夹”的超机动动作,使得飞机迅速改变飞行轨迹。如果没有矢量推力是飞不出这样的轨迹

12、空1旅的歼-11B和歼-20对抗。歼-20有超机动的迹象,类似于“尾钩”.jpg

下面再看一个有趣的现象。首先是下面这幅拼图:左上的歼-10发动机喷管与蒙皮之间,明显的缝隙;歼-20的2001号验证机也一样,喷管与蒙皮之间明显的缝隙。有趣的是歼-20从2016原型机开始,喷管与蒙皮之间出现明显的缝隙

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按理说四代机应该更注重隐身性能才是,歼-20机身各处蒙皮的锯齿都衔接得非常平整,为什么唯独该处反而留出明显的缝隙呢?记得在2016号机刚出现的时候笔者大胆猜测:这是为矢量喷管的“偏转环”做动作留出的空间。

下图是2015原型机该处的蒙皮与 量产型 歼-20的区别,可以看出:

(1)图(左)的2015号机,机身蒙皮只到尾撑鼓包的前端(黄色方框);后面一截蒙皮是紧贴发动机的机身。图(右)的量产机的机身蒙皮是到尾撑鼓包的后端

(2)图(右)的两个发动机的喷管指向又差异,红框中的喷口是向“ 上 ”偏转

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下图是歼-20的2016号原型机照片放大后的机尾部特写。左右两边发动机喷管与上方的蒙皮之间,缝隙的宽度不一样,右边明显是变窄。显然此时右边喷管是向上偏转。如果此处的蒙皮是紧贴着发动机,没有这个缝隙,那么里边的A9偏转环就没有偏转的空间,矢量喷管就扭不动了。

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下图是歼-20的2017号原型机尾部特写,红色方框处的喷管紧贴着蒙皮,明显比两侧的缝隙小,说明右发动机的喷管此时是向上偏转

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我们再来对比此次航展上歼-20该处“缝隙宽度”的变化。下图78231号机正在平飞,放大图片能看到,发动机喷口四周与蒙皮之间的缝隙宽度没有差异。

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从下图的涡流可以看出,78232号机正从大坡度爬升改为平飞的一瞬间;放大图片发现,此时上方的缝隙大,而侧下的缝隙逐步变小,说明喷管是向下略微偏转,目的是加快“压机头抬机尾”的过程

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下图是另一架歼-20的清晰照,对比图中红色和黄色方框里的缝隙宽度,上宽下窄、与前面2016、2017号机的两幅图的“上窄下宽正好相反,说明发动机喷管与机尾蒙皮之间的缝隙宽度是会变化的

蒙皮肯定是不会变,那么唯一可以解释的就是喷管是可以偏转的;向哪个方向偏转、哪一侧的“缝隙”就变窄,相反方向的“缝隙”就变宽。

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下图()是去年歼-20飞行的18幅连拍图,这是个较小半径的水平侧身盘旋。下图()是此次航展歼-20做了个近似于长方形的侧身盘旋示意图。

战斗机在转弯时都是先滚转90°,因为侧着机身转弯可以减小转弯半径。有意思的是航展上歼-20转弯之后,还保持侧着身飞行很长距离,如图(下)所示的蓝色直线段

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歼-20在飞行表演中,为什么要安排这样的飞行姿态和航迹呢?一是展示歼-20的高升阻比;二是展示歼-20高超的飞行控制能力。仅仅如此吗?尤其是在有限的表演时间里,特意留出一大段这样的飞行距离,肯定是有特殊含义的。笔者找到视频,通过截图发现:

(1)歼-20在上图右侧的这两个90°转弯处,飞行轨迹的弧线很短,说明飞机的转向很灵敏,此时除了鸭翼、襟副翼的作用,是否有矢量推力参与转向呢?

(2)下面这幅图是视频中,歼-20飞到上图左侧圆圈处的截图。歼-20的喷流方向(红线)与机身纵轴线(黄线)有一个夹角。如果读者看不清喷流,可以轻微变化手机屏幕与视线的角度。歼-20正是靠着一定的攻角和略微“向下”(实为向机身左侧)的偏转,维持飞机较长距离的侧身直线飞行。

杨伟在接受记者采访时说:歼-20在表演中如何飞行需要上级批准。换句话说,在公开场合的飞行表演中,歼-20能展示什么样的飞行性能,是由上级决定的。目前歼-20的性能对外还须有所保留,不是飞行员可以尽情展示的。

但是在当前复杂国际环境下,中国又要通过歼-20的飞行表演,达到一定的威慑作用。所以表演团队就通过一些特别的安排,隐秘的展示了一些歼-20的独特性能。相信潜在对手一定会详细分析,对歼-20的性能有更多的了解。

除了上述这一段飞行表演,还有就是歼-20在飞行中,全程高速度下的动作转换,比如爬升后的急转弯、“假右实左”的S形机动、还有一个类似“锥子”动作。。。。可惜笔者无法从视频中截出清晰的图。下一篇我们将较为详细地了解读歼-20采用的第三代矢量喷管的结构,以及它是如何工作的。

作者 92JM

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