改变空战格局的推力矢量技术：战机多了一对“喷气舵面”

  电影《长空之王》，试飞员驾驶装备推力矢量发动机的国产战机，完成斜斤斗等高难度飞行动作，让影迷直呼过瘾。

  如果将常规战机比作单桨划船，推力矢量就类似于竹篙撑船——通过偏转发动机尾喷流代替战机操纵面功能，偏转力矩越大，战机姿态调整越快。当前，推力矢量技术是各国竞相发展的关键技术之一，直接推动了眼镜蛇机动、赫伯斯特机动等一系列超机动战术动作的诞生，拥有战机“喷气舵面”的美誉。

  看似简单的推力“拐弯”，背后需要巧妙的设计论证，更需要优异的制造工艺。在过去半个世纪里，不少国家在推力矢量研发技术上投入数亿美元，目前仅有少数国家具备独立研发推力矢量发动机的能力。这也足以证明，航空发动机实现推力“拐弯”并非易事。那么，推力矢量技术从何而来？这项技术难点有哪些？对未来战机发展有什么影响？本文为您一一解读。

  航空发动机，被誉为现代工业“皇冠上的明珠”，要摘下它极其困难。有分析显示，在“单位重量创造的价值比”这一数值上，船舶为1，轿车为9，而航空发动机高达1400。能够准确的看出，研制先进航空发动机是各国竞相攻克的技术难题。

  人类研制航空发动机走过漫长的腾飞之路，而推力矢量技术从理论到应用的每一次突破与进步，都与一些武器装备的诞生与发展有着非常大关联。20世纪60年代，英国“鹞”式垂直起降战机试飞成功，实现短距垂直起降、空中悬停等新功能。当时，“鹞”式垂直起降战机搭载了采用推力矢量技术的“飞马”发动机，推力矢量技术第一次成功应用，开启了战机发展的新篇章。

  从此，推力矢量技术获得推广，逐步应用到“海鹞”、AV-8B等多型战机。这些战机的喷气式发动机有共同的特点：拥有4个可以旋转的喷口，前面2个喷口喷出从压气机引出来的冷气，后面2个喷口喷出从燃烧室引出来的热气。在起降阶段，喷口旋转向下；在平飞巡航阶段，旋转向后。

  随后几十年，美苏冷战刺激了航空工业发展，具备空中作战优势的三代机成为各国空军主力战机。“鹞”式战机虽然具备垂直起降优势，但“飞马”发动机旋转喷管机构超重，战机操纵难度大，逐渐沦为战场配角。英阿马岛海战，英军损失了数十架“鹞”式战机。一时间，推力矢量技术的可行性遭受质疑。

  无巧不成书。恰逢美苏太空争霸，德国一家公司科研人员在火箭发射中找到创新灵感：火箭喷口处安装可控折流板，可以偏转喷气流从而操纵火箭飞行姿态，战机发动机能否装上这种折流板？

  科研人员很快将设想付诸实践。1990年，X-31试验机诞生，该战机发动机尾喷口装有3块碳纤维复合材料舵面。在试飞员的操纵下，X-31试验机以70度大迎角飞向蓝天，创下过失速机动能力的新纪录，一时间震惊世界。

  当时，安装折流板无需对发动机进行重新设计，在现役战机改装方面展现出独特优势。不过，科研人员很快发现加装折流板的一个致命缺陷：机械机构外廓尺寸和重量较大，导致战机在超声速飞行时推力减弱。

  如何提升推力矢量发动机效率？当时，美国和苏联给出了不同答案：美国普惠公司选择将尾喷管“捏扁”，用4块调节板打造矩形二元矢量喷口，以降低超声速飞行时的阻力；苏联留里卡设计局将周向鱼鳞片用“束带”固紧尾喷口管道，通过液压系统操作喷口全向摆动，实现柔性偏转。

  进入21世纪，美国研制出搭载扁平式矢量喷口的F-22隐身战机，俄罗斯则推出了“留里卡式”的新一代苏-35战机，机动能力更强。一时间，推力矢量发动机变成全球各国的竞逐赛场。时至今日，“美系”和“俄系”推力矢量发动机仍是各国战机仿制的主要选择。

  航空界有句话：“只要发动机足够强劲，砖头都能飞上天。”近年来，推力矢量技术所提供的额外机动性和操纵能力已取代部分舵面的功能。目前，鉴于无尾翼设计的可行性，一些国家已将简化舵面列入六代机发展计划。由此可见，推力矢量技术发展将在科学家的探索下拥有更多可能。

  一款新型推力矢量发动机的研发技术再先进、图纸设计再完美，能不能试验成功，最终取决于发动机与战机的匹配程度。

  2017年，日本国产“心神”战机在结束最后一次试飞后，宣布项目终止，前期庞大的资金投入化为乌有。有数据表明，“心神”战机所选用的XF5-1推力矢量发动机最大推力仅5吨，且超声速飞行干扰阻力过大，导致项目不得不提前“下马”。

  半个多世纪以来，世界各国在研发推力矢量发动机过程中，反复验证技术的成熟度，不断的提高发动机与战机的匹配度，直至达到定型标准。这一过程，科研人员着力解决推力矢量发动机的三大难题：

  一是排除干扰隐患。战机执行超机动飞行动作时，推力矢量发动机尾喷口产生的喷流会直接作用在飞机的扰流板上，产生扰流效应。这有几率会使战机升力分布不均匀，抗失速能力和操纵稳定性减弱，增加飞行事故风险。

  如何解决扰流问题？20世纪90年代，俄罗斯苏-30战机的设计师别出心裁地将2台AL-31F发动机搭载在机身后部与垂直尾翼相比较高的位置，使喷流远离战机扰流板；把发动机尾喷口设置为“外八字”偏转方向，有效减小扰流范围，飞行稳定性和操作安全性得到大幅增强。

  二是提升材料性能。推力矢量发动机尾喷口越灵活、越严密，越有利于提升发动机推力效果。发动机尾流的温度可达1000℃以上，且气体压力高达几百千帕，普通金属会软化变形。因此，尾喷管的材料选用至关重要。

  近年来，科研人员研发出多种新型复合材料。比如，选用高温耐火陶瓷基复合材料制作出的战机尾喷管，具备优秀能力的耐热性，能承受1500℃高温，密度只有高温合金的1/3，强度却为其2倍，且结构耐久性好。

  三是解决控制难题。众所周知，推力矢量发动机推力方向的变化会对飞机姿态产生重要影响。在飞行姿态大幅变化时，飞行员控制不好很容易造成战机失控。

  对此，欧洲空客公司与发动机制造商斯奈克玛公司强强联手，共同研发出一种能够与战机完全集成的发动机系统。这种一体化推力矢量设计实现了战机与发动机的最佳匹配、各个气动舵面偏转与尾喷管偏转的完美配合，飞行员操作难度系数减小，飞行安全性和稳定能力得以提升。

  进入新世纪，慢慢的变多的军事专家开始关注一个问题：随着空战模式转变，是不是每架战机都需要搭载推力矢量发动机？

  以F-35战机为例，考虑到推力矢量发动机在尾喷口周围的机械结构可能会影响到战机的隐身性能，以及推力矢量技术带来的机动能力并不能掩盖超声速飞行的短板，最新型F-35C战机并没有选用推力矢量发动机。

  这一现象剑指推力矢量发动机效费比问题。为适应战机隐身作战要求，推力矢量发动机化繁就简至关重要，精简偏转机构、减少调节板数量等改进措施成为升级推力矢量发动机的首选。目前，采用锯齿形和尖劈形结构的推力矢量发动机，雷达反射面积减小了一个数量级。

  尾喷管内部流场研究也十分关键。有的国家对推力矢量发动机研发提出苛刻要求：增加喷管偏转角度至20°，并满足超声速飞行要求。为此，科研人员利用先进的数值模拟和试验技术，进行流场分析优化，不断的提高推力矢量系统的效率和可靠性。比如，在过去10年里，俄罗斯多次为苏-35战机升级推力矢量喷管，提升战机的操纵性和机动性。

  比起修修补补，设计思路上的创新特别的重要。针对机械偏转结构大、成本高等问题，一些国家科研机构提出气动推力矢量理念，依靠喷管中的次流对主流的干扰产生推力矢量，用一堵“空气墙”引导气流偏转，可以使喷管减轻80%的质量，降低一半的制造成本。

  近年来，气动推力矢量技术率先在无人机上得以验证，正向大型航空发动机应用转变。在这支创新队伍中，俄、美、英等军事强国走在前列，以色列、韩国等新兴国家也在努力追赶，他们努力破解飞行器的高机动、强隐身需求与固有的操纵性和稳定能力的矛盾，着力提升大型战机的作战性能。

  放眼未来，通过一体化推力矢量设计，新型战机有望具备无尾扁平布局、全向宽频隐身等新特征，进而改变未来空战格局。