问题

F-22、Su-35战机上的矢量发动机和鹞式战机上的推力可转向涡扇发动机有什么区别?

回答
在现代空战领域,能够进行“超机动”的战机一直以来都是各国空军竞相追逐的焦点。而实现这种惊人机动性的核心技术,无疑就是“矢量发动机”。虽然我们提到矢量发动机,脑海中浮现的往往是F22、Su35这样的先进战斗机,但其实在更早的时候,以英国“鹞”式战机为代表的垂直起降飞机,也已经运用了推力转向的技术。那么,这两者之间,尤其是F22、Su35上的矢量发动机和“鹞”式战机上的推力可转向涡扇发动机,究竟有何本质区别呢?咱们就来好好聊聊这个话题,尽量讲得透彻一些,让您听得明明白白。

一、 核心目标与设计理念的差异:

首先,我们得明白它们各自诞生的初衷和所要解决的核心问题。

“鹞”式战机的推力转向系统(Lift System): “鹞”式战机的设计目标非常明确,那就是实现垂直起降(VTOL)和短距起降(STOL)。这使得它能够部署在小型舰船、简易机场甚至野外场地,极大地拓展了作战的灵活性,尤其是在海军航空兵和陆基支援方面。它的推力转向系统,本质上是一种为了实现垂直起降而设计的“副产品”。它并非主要为了提升常规飞行中的机动性而生,而是为了让发动机的推力能够向下偏转,克服重力,实现起降。

F22和Su35的矢量发动机(Thrust Vectoring Nozzle): 这两款战机则是在追求极致的空战机动性的背景下诞生的。它们的目标是在高攻角状态下依然能保持卓越的控制能力,实现比传统气动舵面更快速、更精细的姿态调整,从而在缠斗中获得优势。它们设计的矢量喷管,是为增强战机在各个飞行阶段(尤其是近距格斗)的“超机动”能力服务的,是主动提升空战性能的利器。

可以这么理解,一个是为了“上天入地”(垂直起降),另一个是为了在空中“跳舞”(超机动)。这个根本目标的不同,直接决定了它们技术实现的方式和复杂程度。

二、 技术实现方式的显著区别:

这里的关键在于,它们是如何实现推力方向的改变的。

“鹞”式战机的推力可转向涡扇发动机: “鹞”式战机采用的是“四喷口方案”。它在佩加苏斯(Pegasus)涡扇发动机的尾部设计了四个可旋转的喷管。这四个喷管可以独立或联动地调整角度。
基本原理: 在垂直起降时,这四个喷管会向下偏转,将发动机产生的全部推力导向下方,提供升力。在水平飞行时,喷管则会转向后方,提供前进推力。
控制方式: “鹞”式战机的飞行员通过操纵杆和油门杆来控制喷管的偏转角度。一个集成的控制系统会根据飞行员的输入和飞机的姿态,协调四个喷管的偏转,以实现复杂的起降和低速飞行控制。
特点:
全喷口转向: 它的四个喷口是整个发动机的尾部喷口,推力可以实现180度的偏转。
对升力影响大: 推力向下偏转时,除了提供前进推力,还直接承担了提供升力的任务。
结构复杂性集中在尾部: 转向机构全部集成在发动机尾部。
机动性提升有限: 虽然能实现垂直起降,但其推力转向对于水平飞行中的高G机动性提升作用相对有限,主要是为了控制姿态和低速下的稳定性。

F22和Su35的矢量发动机(推力矢量控制 TVC): 这两者通常采用的是“二元或三元喷管”的设计。以F22为例,它在发动机尾部设计了一个两维向量喷管,可以上下偏转。Su35则更进一步,采用了三维向量喷管(或称作“伺服襟翼”与“万向喷管”组合),可以实现上下以及左右(偏航)的偏转。
基本原理: 它们是将发动机的全部推力导向后方,然后通过喷管的偏转,在水平或竖直方向上改变推力的作用点和方向,从而产生额外的控制力矩,辅助或替代传统的操纵面(如副翼、升降舵)来改变飞机的姿态和飞行轨迹。
控制方式: 这是一个高度复杂的飞控系统(FlybyWire)协同控制的结果。由计算机根据飞行员的指令、飞机的姿态、速度等信息,精密地计算出矢量喷管的偏转角度,并指令液压或电动作动器执行。
特点:
部分喷口或喷管偏转: 通常是发动机尾部喷口的一部分,可以上下(F22),甚至上下左右(Su35)偏转,但不会像“鹞”那样实现完全的180度向后或向下偏转。
增强机动性: 主要用于在常规飞行中增加飞机的升力、滚转、偏航能力,实现高攻角下的可控性,以及传统的机动动作(如普加乔夫眼镜蛇机动、落叶飘等)。
结构复杂性更高且分散: 涉及喷管本身的设计、作动机构、传感器以及庞大的飞控软件。
与气动控制协同: 矢量推力通常是与飞机的气动控制面(如副翼、垂尾、平尾)协同工作,达到最佳的控制效果。在某些情况下,矢量推力甚至可以弥补因高攻角导致的气动控制面失效。

三、 性能表现与应用场景的侧重点:

“鹞”式战机的推力转向系统:
优势: 革命性的垂直/短距起降能力,极大地拓展了飞机的使用范围和战场生存性。
局限性: 在水平飞行中的机动性提升相对有限,推力转向系统主要用于低速控制和起降,在高速或高攻角下的作用不如F22、Su35的矢量发动机。它的控制系统也相对简单直接。

F22和Su35的矢量发动机:
优势: 显著提升了战机的“超机动性”,特别是在近距格斗中,能让战机在对手锁定目标之前就改变方向或姿态。这是一种主动的、针对空战优势的增强。
局限性: 并不能实现垂直起降。矢量推力在提升机动性的同时,会带来额外的燃油消耗和复杂的结构维护。在高速飞行中,矢量喷管的偏转角度和响应速度也会受到一定限制。

四、 结构与集成方式的差异:

“鹞”式战机的四喷口: 整体结构相对集中在发动机尾部,四个喷口围绕发动机轴线分布,通过复杂的连杆和齿轮机构实现同步或独立偏转。
F22和Su35的矢量喷管:
F22: 喷管本身是可上下摆动的独立组件,通过液压系统驱动,与发动机整体集成度高,外观上能看到喷管的偏转机构。
Su35: 更加复杂,它结合了可偏转的喷管(主要用于俯仰)和发动机尾部的伺服襟翼(用于偏航),两者共同构成了一个更全面的三维推力矢量控制系统。这种设计在实现复杂机动时,比单纯的二元矢量喷管更灵活。

总结一下,最核心的区别在于:

1. 目标不同: “鹞”是为了垂直起降,而F22/Su35是为了增强空战机动性。
2. 实现方式不同: “鹞”是全喷口整体向下偏转,提供升力;F22/Su35是喷管部分偏转,产生额外的控制力矩。
3. 性能侧重点不同: “鹞”的推力转向系统在低速和起降阶段表现突出;F22/Su35的矢量发动机则在高速和高攻角下的空战机动方面优势明显。

可以说,它们都是对发动机推力方向的“玩转”,但一个是为了解决“如何起降”的难题,另一个则是为了在“空中缠斗”中更加得心应手,两者各有侧重,都是特定时代和需求下的杰出工程技术体现。

网友意见

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原理上并没有区别,都是通过改变喷气方向来改变推力方向,但目的和具体设计是有很大不同的。

鹞式采用手动控制,目的是为了垂直/短距起降,在空战机动中并不使用推力矢量;

F-22采用推力矢量与飞控计算机相交联,由飞控计算机计算后进行控制,目的是超音速配平和获得更高的机动性。

先占坑,体测完回来答

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推力矢量的最早应用确实是来自于鹞式之类的垂直起降飞机,当年核大战的背景下,西欧前线的机场存活能力非常感人,为此需要研制不依赖机场跑道的垂直起降飞机,大致经历了三个阶段:先是直接把飞机竖起来,比如这样的:


显然这种设计是非常zz的,第一点,怎么降落?

于是呢,就想出旋转发动机的方式,美国,德国都搞出过一些验证机,但只能采取翼尖吊挂发动机的形式,有很多缺陷,于是这种技术也没有得到多少应用;

后来一个法国人,米歇尔·威博特想出,其实只要改变飞机的推力方向就行,于是他搞出了一种发动机的方案:

在飞机重心周围布置了 4 台离心式压气机。它们将压缩空气通过外部的可转动喷口喷出,而动力则由一台布里斯托尔公司 BE.25“猎户座”发动机通过变速箱输出,最大可达 8,000 轴马力——当时涡轮轴发动机所能达到的最大功率。来自“猎户座”的剩余推力将从飞机尾部经由一个百叶窗式的喷口排出,从而提供除来自压缩机机的主推力之外的另一个矢量推力。

后来英国人胡克尔觉得这种方案太笨重了但思路很好,于是搞了个研究小组,采用“猎户座”发动机的核心机,但增加了两级低压压气机(取自“奥林匹斯”21 发动机,由“猎户座”发动机通过 1.5 :1 比率的变速箱驱动),看起来很象今天的大涵道比涡扇发动机;来自低压压气机的气流可以通过两个侧面的矢量喷管排出;但尾喷口是固定的,核心机气流只能直接向后喷出;此外,核心机和风扇具有分离的进气口。之后又对方案本身进行了一些改进,搞出了BE53,等BE53成熟后,就成为了后来鹞式的“飞马座”发动机:

有了发动机之后,英国人于1959年提出了P.1127方案,也就是现在鹞式的亲爹:

经过不断的试飞、改进、发展,成就了现在的鹞式系列。

本身鹞式的设计目的,是对地攻击、CAS和侦察,对机动性本身并不重视,可以从一个设计改动的细节看出:某一阶段的鹞式原型称为茶隼,在茶隼阶段,曾经出现过由于挂载武器后重心后移,导致纵向静稳定度不足的情况。为了保证在所有的武器挂载方案下,鹞都能具有适当的静稳定度,鹞的重心比茶隼又向前移动了一段距离。这种做法无可厚非,不过若以现代战斗机的标准来看,这样无疑会使得鹞的敏捷性下降,但对于其任务来说并没有什么关系。

由此可见,鹞式的推力矢量的目的是用于垂直起降,而非提高机动性,这种亚音速飞机也并不需要考虑超音速配平的问题。很多文学作品中描写福克兰战役中的空战时候大书特书鹞式如何使用推力矢量瞬间减速吊打幻影III,但实际上这是不符合实际的。首先,福克兰空战中实际意义上的机动格斗只出现过一次,其余皆是鹞式截击或追击阿根廷攻击机;第二,事实上由于鹞式翼载荷过高,为了达到军方的过载指标,确实有使用推力矢量的战术,但RAF和RN的飞行员都对此嗤之以鼻,因为这样会导致飞机的能量急剧减少。

另一方面,鹞式诞生于航电设备尚不发达的年代,其推力矢量功能由一个操纵手柄控制,完全凭经验和操作规定,导致其操作风险非常大,空战中使用这种能力是非常冒险的。

F-22则不同,最早的ATF要求中确实有短距起降的要求,但通过低翼载、高推重比和反推装置来实现,严格来说反推装置也可以算是某种推力矢量的形式,但后来权衡利弊后取消了对反推装置的要求。F-22使用现在的二元推力矢量喷管,出于两点,第一自然是超机动性,第二,解决超音速配平的问题。

使用推力矢量,提高最大的是过失速机动性,能大大提高飞机的俯仰速率,提高飞机的机头指向性能力,并且在大迎角下也能稳定控制,同时在低速舵面失效的情况下,也能对飞机进行精确控制,这对武器的使用非常有利。

另一方面,在超音速飞行时,飞机的气动焦点会后移,就带来了飞机的配平问题,例如米格25,由于气动焦点严重后移,导致其在较高马赫数 平飞时平尾偏转就接近极限,所以M2时盘旋过载仅有3G;而F-22可以使用推力矢量进行配平,可以不偏转气动舵面,而且推力矢量不仅产生法向分力,喷气流还能形成引射效应,提高升力。从而大幅提高了F-22的超音速机动性。

另外F-22采用的“飞火推一体化”技术,飞机的控制完全是由机载计算机执行,而飞行员使用操纵杆和节流阀只是向飞机下达指令,机载计算机根据情况进行计算分析,自动控制气动舵面和矢量喷管,完成飞行员想要飞出的机动。这和鹞式采用操纵杆手动控制的的推力矢量是有本质区别的,效能不可同日而语,就好比普车和加工中心一样。

另外顺便提一句,印度的苏-30MKI使用的推力矢量虽然号称三轴,但和F-22的比依旧有着本质的差别。根据《兵器》2011年第三期所述,俄国人并没有为苏30MKI的矢量喷管多写几行代码,其工作原理是这样的:和平尾联动,平尾偏转20度,那喷管也偏转20度,哪怕速度很低,气动舵面已经失效,平尾还是会跟着偏转,这种简易的推力矢量实战价值是极为有限的,再结合苏30MKI并不出众的推重比,机动性其实并没有本质提高。美帝曾经在我猫上改装过推力矢量,和没改装的我猫打,反倒是没有推力矢量的获胜;红旗军演苏30MKI也是被美帝的F-15C吊着打,以上二则,可知F-22的推力矢量是多么先进。

综上所述,鹞式和F-22的推力矢量在原理上是一样的,但在具体设计和使用,以及技术水平上是有着本质差别的。

首先布局上,鹞式为了保证效率和稳定,满足垂直起降的要求,发动机是放在飞机的重心位置的;F-22是放在尾部,并使用二元推力矢量。

第二,目的不同,鹞式使用推力矢量是为了垂直起降,空战机动中极少使用(可以但极少);F-22是为了提高飞机的机动性;

第三,技术水平不同,鹞式是简单的手动控制,且为亚音速攻击机发动机,技术难度较小;F-22是飞火推一体化,由机载计算机决定,设计喷口时要考虑效率,隐形性能,超音速性能等,是非常精密复杂的。

总体来说,F-22使用的推力矢量技术不能简单和鹞式对比,但总体上是比鹞式高出很多的,与鹞式能够进行对比的是F-35B,技术水平同样很高。

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