深度剖析中国航天工业矢量喷管.docx

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1、深度剖析帼航天工业矢量嵋目录1 .不仅是发动机革新12 .国产TVC能力几何？ 33 .重塑飞行方式74 .中国首款矢量发动机民营商业火箭发射成功85 .世界航天矢量尾喷管一览85. 1.前述85.2.巡航-升力矢量喷管145. 3.矩形二元矢量喷管175. 4.推力矢量偏流板205. 5.轴对称矢量喷管221 .不仅是发动机革新尽管国内航空发动机矢量喷管技术（下文简称TVC）很早就有概念模型和工程样机资料出现，但正由于这些设计出现得太早，近年来并没有太多新资料能佐证国产TVC发展到了哪一步。直到去年12月25日，一台装有全向轴对称矢量喷管的“太行”改进型涡扇发动机，随歼10B的1034号原型

2、机进行了首次飞行试验。终于有人欢呼，我们的太行，真的行了！提到“太行”的成熟过程，大家想到的更多是歼11系列飞机。但作为“太行”的“原配”，歼10系列飞机同样长期参与了 “太行”系列的测试。只是由于“太行”没有大量出现在装备歼10的作战部队里，使得这一点往往被人忽视。比如歼10的1004号原型机、歼10B的1035号原型机和几架量产型飞机，就分别测试了 “太行”的3种不同子型号。第2页共31页因此这台“太行”家族中最新亮相的成员，出现在1034号歼10B原型机上也并不奇怪。而且使用机腹进气的单发鸭式布局平台验证TVC技术，也很容易让人想到美国的X-31验证机。其实，改装后的1034号歼10B在

3、定位上更接近后来的F-16/MATV。其加长空速管、尾旋改出伞支架(首飞由于不涉及相关科目，故未安装伞体)等诸多特征也和F-16/MATV类似。毕竟X-31是全新设计的验证机，很多地方完全可以白纸新画，而歼10和F-16就没这个条件了。不过由于中国航空工业还没有“验证机文化”，所以1034号歼10B只好又当X-31又当F-16/MATV 了。2 .国产TVC能力几何？作为一款典型的三元TVC产品，这款最新亮相的国产TVC,并非“山寨”刚刚引进一年的苏-35所用117s发动机的俯仰式轴对称TVC技术，而是在典型的全向轴对称矢量喷管(AVEN)结构的基础上“百尺竿头、更进一步”。从外部看，国产TV

4、C的活动部分，从前到后可分为转向控制环和扩张调节片两大块。但每片扩张调节片末端都带有一片可以独立旋转的外调节片，是该型喷管不同于世界上其他TVC工程作品的最明显特征。光看外形，这种设计难免给人一种复杂笨重感。歼10并不是一款以推重比见长的飞机，“太行”的推力在世界同等级大推力涡扇发动机中也并不突出。很多人因此担忧，TVC的那个老生常谈的问题一一推力损失，是否会进一步影响这架验证机的测试效果。TVC推力损失的主要原因很好理解，由于TVC在工作时会在喷管内部形成弯折，导致从燃烧室喷射出来的部分高温高压燃气受阻，速度降低；而后面保持原来速度的燃气在与这部分燃气碰撞后，就形成了流场阻塞。发动机喷出燃气

5、的高压和高温两大属性，对产生推力都贡献很大，而高压就有不少在这儿白白损失了，而且压力损失的比例还会随着排气速度的增加而增加。既然要用TVC的长处，就得接受TVC的不足。TVC的工作原理决定了这种损失不可能彻底消除，只能尽可能降低，这就得从影响推力损失量级的具体因素入手。通俗的说，主要看的是弯曲区段有多长，以及喷管弯曲的程度有多大这两点。前者好解释，弯曲区段越短，“追尾”区域就越小，形成的流场阻塞影响就越低。所以国产TVC的弯曲区段，位于整个转向控制环部分已经短到很容易被忽视的地步，确实够短。那么喷管弯曲程度又该如何优化呢？对于AL.31FP这类俯仰式轴对称TVC设计来说，弯曲程度只由转向控制环

6、决定，而对于AVEN这类全向轴对称TVC来说，扩张调节片的决定权也是很重要的，而在国产TVC上，那个独立旋转的外调节片这时候也能派上用场。加上外调节片之后，国产TVC形成了双重钱接，与“弱”这类垂直/短距起降飞机发动机的三重校接悬挂装置喷管在工程上有某些互通之处。后者为了降低喷管通道内的推力损失，利用较长的空间设计了多重转动过渡区段，使得气流尽可能完成平滑转向，以在喷口提供一个稳定的推力一一这对垂直起降飞机至关重要。尽管国产TVC长度只有这种喷管的儿分之一，但通过对转动过渡区段内外部更加精细巧妙的设计（包括使内部的收敛密封片、扩张密封片在转动中不漏气少漏气），同样能使得气流在喷管内部的运动实现

7、平稳过渡。也就是说在获得同等推力矢量转动角度的情况下，这种设计能比其他TVC带来更高的推力系数。根据相关资料，这种设计理论上可以保证推力损失不大于理想推力的1%2%,是目前世界上所有TVC工程样本中效率最高的。尽管复杂的设计也要付出相应的重量和阻力代价，但考虑型号研制的具体情况，能把减重减阻的压力分摊到飞机总体设计上，也总比让发动机“把所有问题都自己扛”好些。3 .重塑飞行方式从TVC技术诞生的那天起，争议总是存在的，特别是被一些观点视为比F-22还要领先半代的F-35也没有应用该技术时，我们为此耗费的时间与成本是否值得呢？笔者这里想引用著名空军学者、国际试飞员徐勇凌先生文章中的描述，“在传统

8、飞机设计中，动力系统只是为克服飞行阻力提供了推力而对升力和飞机姿态改变的贡献微乎其微，也就是说与飞机的操控和机动飞行关系不大”。改变传统的TVC技术，对战机飞行性能以及作战能力的提升是全面的，并不仅仅是在近距离对决中才能发挥作用。“从某种意义上讲，动力飞行时代相对于空气动力飞行时代的超越，其重要性远远大于三代战机对二代战机的技术突破”。4 .中国首款矢量发动机民营商业火箭发射成功2021年11月7日15时12分，谷神星一号运载火箭在我国酒泉卫星发射中心成功首飞，并顺利将天启星座十一星送入预定轨道，这也标志着我国首款矢量发动机民营商业火箭发射成功。谷神星一号运载火箭是一款小型固体商业运载火箭，可

9、满足近地轨道微小型卫星发射需求。它是没有任何翅膀的一个火箭，采用了通体黑色的涂装，除此之外，整个箭体从头到尾呈设计成杆状，像一根铅笔，该火箭的飞行控制没有空气翼和空气舵，是靠改变发动机推力的方向来控制飞行的方向。它采用矢量变推力的发动机提供飞行动力，可以按照预定的轨道进行方向控制。发动机的尾喷管可以摆动，通过尾喷管的摆动就可以很准确的控制火箭的飞行姿态，这样其可靠性和安全性会更高，并具备24小时快速发射的能力。此次发射成功是中国民营商业火箭首次进入500km太阳同步轨道，是中国商业航天的又一次重大突破，是中国民营商业运载火箭在商业航天道路上迈出的一个里程碑，让我们为中国民营运载火箭加油。5 .

10、世界航天矢量尾喷管一览5. 1.前述最新一期的航空知识杂志一反之前保守形象，刊登了歼-10B矢量推力验证机的照片，首次曝光了该机的全新锯齿状轴对称矢量喷管。航空知识杂志是中国航空学会主办的科普性航空杂志，属于官办媒体。按照我国以往惯例，这次矢量喷管遭官媒首泄说明其研制已经成功。第35页共31页J工条号/三少说事从照片中矢量喷管较短的总体长度，以及喷管调节片之前独特的密封片看，验证机安装的是“太行”发动机。同时为了避让矢量喷管，该机垂尾根部的减速伞舱下方被切除了一小块。据媒体报道，歼-10B 1034号原型机是在去年12月25日进行了改装WS-10B “太行改”发动机和矢量推力喷管后的首次试飞，

11、成为我国首架矢量推力验证机。A国户TVC发的机结构网。上为正向推力状嬴下为矢状态,每片扩张节片末.都带有一片可以独立旋储的外网节片，以M少推力损失。刘怆/岭w段黯号/三少说事歼-10B的矢量喷管是一种全向轴对称矢量喷管(AVEN),也就是说喷管可以向任意方向偏转，而不是像俄罗斯苏-35的轴对称矢量喷管那样只能上下偏转。相对而言，全向轴对称矢量喷管的性能更优越，但研制难度也更大。这种喷管的收敛-扩散段同时兼具矢量偏转改变发动机排气方向的作用，所以如何在维持喷管轻量化的同时不对发动机和飞机进行重大改装，都是需要解决的难题。此外这种国产AVEN喷管还具有明显的隐身特征，末端鱼鳞片呈锯齿外形。显然该喷

12、管不是为歼-10B准备的，因为该机作为非隐身战斗机仅安装锯齿喷管对降低RCS的意义不大。结合去年歼-20换装国产WS-10B发动机试飞的消息看，这种锯齿AVEN喷管的装机对象只能是歼-20。歼-20隐身战斗机作为大国重器，改用国产发动机是必然。该机换装14吨推力级别的WS-10B之后不仅能提高推重比，还能摆脱对俄制AL-31F发动机的依赖。推重比的提高也为该机安装AVEN尾喷管创造了条件。WS-10B+AVEN尾喷管的组合将进一步提高歼-20的机动性能。月-n tM oona 10 89r! off axil缔咦锯齿尾喷管也将补齐歼-20在隐身性能上的最后一块拼图。喷管后缘呈锯齿状，锯齿边缘的

13、角度遵循隐身设计中最基本的边缘对齐原则，将入射雷达波向特定几个角度反射，降低歼-20后半球RCS。锯齿喷管后缘在发动机喷气时能产生喷气流涡，加速尾喷管排气与冷空气的掺混，降低红外辐射。研究表明，锯齿喷管的排气核心温度与普通喷管相同，但距离喷管出口环形边缘10厘米内出口附近喷流的温度普遍降低，红外辐射强度最多能降低10%。通过歼-10B矢量推力验证机的试飞，歼-20 “A状态”最终形态在动力系统的配置也越来越清晰，那就是抛弃俄发，改用WS-10B+全向AVEN尾喷管。纵观战斗机发展史，世界各国先后已经研究出多种矢量尾喷管，但投入服役的却寥寥无几。矢量尾喷管的设计原理虽然简单，但对制造材料和飞控控

14、制律的要求却很高，研制长寿命、高可靠性、轻重量的矢量尾喷管并不容易。下面就来盘点一下形形色色的矢量尾喷管。工条号/三少说事世界上第一种装备推力矢量喷管的军用飞机居然是A-6攻击机的原型机，该机的尾喷管在起降时可下偏产生直接升力，用于提高起降升力，降低起降速度，但最后没有被生产型采用。5.2. 巡航-升力矢量喷管英国霍克西德利公司在20世纪60年代研制的“鹤”式攻击机安装一台“飞马”涡扇发动机，具有4个旋转矢量喷管，可把发动机推力转换成升力。苏联的雅克-36也采用了类似的矢量喷管。同样的设计一直延续到了后来的雅克-38短距起飞.垂直降落战斗机上。在后来的雅克-41超音速垂直降落战斗机上，主巡航-升力发动机的矢量喷管更是发展成复杂的三轴承旋转喷管。CRUISE45 STOL90 VTOL工务号/三少说事三轴承旋转喷管(3BSD)的尾喷管分成三段，接面都呈一定角度，通过三个密封圆形轴承连接起来。外部马达通过驱动旋转段上的齿轮来让