全球最复杂的矢量喷管！解析歼-20“完全体”的新法宝

首飞场景还原，感谢新浪微博@飞舞的摩羯 绘图

12月25日，一台装有全向轴对称矢量喷管的“太行”某型涡扇发动机随歼-10B的1034号原型机进行了首次飞行试验。从首架验证机2001号的曝光、到首架以“黄皮机”状态示人、用于领先测试的2101号原型机亮相，再到配套矢量喷管验证机首飞，围绕歼-20的多次里程碑事件都发生在圣诞节前后。这一切究竟是机缘巧合，还是冥冥之中。。。。。。别想多了，节点到了。

作为和整体式座舱盖、电磁弹射器等曾一起被称作“中国什么时候才能搞出来的XXX”之一，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。

想想这也是十五年前的图咯~

这也导致这架国产TVC试验机最初以漫画的形式在网上曝光的时候，很多当年也坚信过国产TVC很快就会装机的朋友反倒不敢认了。即使是24号晚上，试验机的第一张模糊照片公开之后，仍然有不少人怀疑其真实性。而在意识到这件事儿确实是真的之后，终于有人开始欢呼，我们的发动机，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。但作为“太行”的“原配”，歼-10系列同样长期参与了“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号原型机以及最后两架量产型就分别测试了“太行”的三种不同子型号。

最早测试“太行”单发装机版本的歼-10 1004号原型机

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，而且使用单发平台验证TVC。。。。。。你们一定也想到了强敌的X-31对不对！毕竟看上去都是机腹进气+鸭式布局（但X-31出于安全考虑，刻意将鸭翼前置，在保证能从大迎角飞行安全改出的同时，牺牲了鸭翼的涡流增升作用），大差不差。

X-31验证机使用的是较简单的折流板TVC，主要目的是验证大迎角控制技术

不过在我看来，改装后的1034号歼-10B其实在定位上更接近后来的F-16/MATV，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试验机就没这个条件了。当然，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。毕竟这种高档技术暂时还只是给四代机准备的，所以由技术成熟的三代机平台测试也很合理。

歼-10B试验机上也有F-16/MATV的加长空速管、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

X-31和F-16/MATV的研发试飞说明一个道理，把一台带有TVC的发动机装在验证机上，和把一台发动机装在发动机飞行试验台上完全是两码事。后者只需要单独测试发动机本身的工作情况，而前者则是需要综合考虑气动、动力和飞控多方面条件的一项综合验证试飞工作。

所以有些朋友看到国产TVC的照片有些失望，“为啥不是F-22那种方方的二元TVC，那样多酷啊”。二元TVC不仅确实酷，还能降低雷达和红外信号特征。然而这种由于必须让气流走一个“从圆入方”的流程，导致这种在转接管道内部的推力/压力损失比例明显高于轴对称（三元）TVC的设计（不合国情啊），优缺点都十分突出；而随着现代轴对称TVC不断进行技术革新，二元TVC的低信号特征优势也没那么明显了。发动机毕竟是服务于飞机整体而存在的，自己再酷也没用。

通过在与发动机对称轴成32度夹角的方位上俯仰转动喷管，117S发动机以较低的重量成本实现了TVC，但其综合效能并不能完全满足四代机的要求

然而不酷并不代表着土。不需要多么清楚的图片就能看出，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”。

一种AVEN的早期研究方案，实际产品更加复杂

从外部看，国产TVC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小型调节片，是该型喷管不同于世界上其他TVC工程作品的最明显特征。

大概就是这么个意境

光看外形，感觉就一个字：“这得多沉啊！”大家都知道，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。很多人也因此担忧TVC的那个老生常谈的问题——推力损失，是否会影响这架验证机的测试效果。

不需要多么高深的专业知识，也能想象得出TVC推力损失的来源：燃烧室喷出来的这个高温高压的气儿啊，本来好不容易“拧成一股绳”，正朝着直通通的喷口杀将而去，突然之间喷口打了个弯儿，这气儿一下子就不平了，还没等冲出喷口产生推力呢，自己先内乱了。

有的气儿被喷管打弯的地方挡上，速度减慢了，后面的气儿就跟他们撞一块儿“追尾”了，形成了流场阻塞。对于喷气发动机来说，喷流的高压和高温两大属性对产生推力都贡献很大，结果高压就有不少在这儿白白损失了，而且损失的比例还随着排气速度的增加而增加。这就是TVC推力损失的主要来源。

既然要用TVC的长处，就得接受TVC的不足。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，主要看的是通道形状（喷管弯曲的程度有多大），以及弯曲区段有多长这两点。

后者好解释，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。所以我们回头看国产TVC的弯曲区段，整个转向控制环部分已经短到即使在高清图片中都很容易被忽视的地步，确实够短。

尽管只是一个结构原理简图，但也说明喷管内部的弯曲结构要比外面看着更复杂

而如何优化这个弯曲程度可就费点事儿了。咱们顺着喷口结构一点点看，从外面瞅，气流从喷管固定段进入活动段的位置，叫做入口截面；从里面瞅，稍往后一点，气流从收敛调节段进入扩张调节段的位置，叫做临界截面；而入口截面和临界截面的比值越大，气流进来的速度就越低，前面咱们说了排气速度越低，推力损失的比例越小。所以减小临界截面面积是个增效的法子。

这还没完，气流才刚进入扩张调节段呢，但凡见过发动机开加力的都知道，这时候菊花不仅直往外喷火、还张得可开了，甭管是不是TVC都不能违反这个客观规律，而TVC如果加力状态不能用。。。。。。那还装它干啥。

此图曾被误认为国产TVC，实为NF-16 VISTA测试其TVC

所以扩张调节片这时候没得选，必须张开，也就意味着喷管出口截面积变大了。而根据计算和实验研究数据，在TVC喷管长度不变的情况下，反而是喷管出口截面面积越小，推力系数才越高。。。。。。

如果您看完并看懂了这一串正比例反比例关系，估计会有一种上了TVC这条贼船就是按下葫芦浮起瓢的感觉：无论优化哪个部位以降低推力损失，总意味着又会跳出来一个或多个破坏推力系数的捣蛋鬼。

那个独立旋转的小型调节片这时候就发挥用场了。在扩张调节片张开以保持更大的推力的同时，小型调节片的独立收敛能够调控出口截面面积，尽可能保持推力系数。

滑行中的米格-29OVT，注意TVC与平尾的交联，以及不断变化的喷口面积

它的贡献还不止于此，前面说了，喷管的弯曲程度越小、推力损失就越小；而小型调节片形成的独立弯曲段很短，又在喷管末端，对喷管整体弯度的贡献值比其独立转动角度还要小；但它对实际气流转动角度的影响程度却不需要复杂计算就能得出——它多转几度、气流就多转几度。也就是说，在同等推力损失的情况下，这种设计能比其他TVC带来更大的气流转动角度。

国产TVC喷管的这种设计，与垂直/短距起降飞机发动机常用的三重铰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——这对垂直起降飞机至关重要。

而长度只有这种喷管几分之一的国产TVC，就必须将转动过渡区段设计得更加精细巧妙才行。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，但考虑国情，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。具体到这架验证机上，就可以拆掉与TVC综合试验无关的部分机载设备，尽可能优化重量和重心的指标。

F-15 ACTIVE，主要用于验证双发飞机的TVC控制技术、飞行包线与后体减阻设计

还好国情也是在慢慢进步的，如果说过去“摸着苏修过河”还需“慎之又慎”，那么如今我们在部分领域已经有了“摸着强敌过河”的资格。参照强敌在X-31和F-16/MATV等诸多验证型号后不久开始的F-15 ACTIVE项目，国内相关厂所已经具备在由歼-11BS改装的发动机先进技术试验平台上进行TVC后续测试的能力。

常言道，好饭不怕晚。中国第一款上机试飞的TVC就敢于挑战最复杂的设计，即使有着后发优势，也注定需要在三代机平台上经过长时间的测试与改进；之后还要与配套发动机磨合成熟，才能和“完全体”歼-20亲密接触。然而能在本以为饭还没上灶的时候，却闻到了米粒儿的香气，谁又能不叫上一声好呢？（作者署名：扬基帧察站）

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