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俄战机发动机矢量喷嘴为何爱用圆形?可减少推力损失

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五代战机出色的机动能力离不开推力矢量技术。这种技术除了单纯提升飞行效率外,还提供飞机失速后的机动能力。其实现的原理解释起来也很简单,无非就是通过转动发动机喷嘴或加装扰流板而已。

不过看似简单的实现过程达到应用能力是个非常漫长又充满难题的过程。那么俄罗斯的推力矢量技术究竟如何呢?

一、留里卡宗派

俄罗斯有两大机构同时研究推力矢量技术,分别是留里卡设计局和克里莫夫设计局。两个设计局的风格、想法、特色皆有很大不同,因此也被戏称为“留里卡式”和“克里莫夫式”两大宗派。

留里卡设计局研制的矢量喷嘴技术是俄罗斯最早实用化的。早在1986年,西蒙诺夫设计局在为苏27M研制新型发动机时,便要求留里卡研制矢量喷嘴。同时也是为了下一代引擎AL-41F系列做技术储备。

留里卡设计局还是有两把刷子的,他们的第一批成果应用到了AL-37系列发动机上,矢量喷嘴只为飞机尾部增重了100公斤,后来经过改装重量下降到了70公斤。而同时期应用同类技术的F15和F18,矢量喷嘴重达1000公斤,导致飞机不得不在中前部增加额外的配重。

可惜“天不逢时”,这么好的技术碰到了苏联解体,俄罗斯没有能力为留里卡设计局提供继续研发的资金,导致直到2000年印度装备苏30MKI,“留里卡式”的矢量喷嘴才正式服役,此时“世界第一”的宝座已经被F22所用的F119占据,它只能屈居第二。

“留里卡式”矢量喷嘴简而言之就是“整体联动”,即一口气让整个喷嘴活动。其运动幅度为上下15度,速度约为每秒钟30度。最大特色便是构造简单,这也是其能如此快速实用化的关键。

不过上个世纪的技术与现在相比多多少少都有些代差,“留里卡式”一代只能简单到在一个平面上活动。印度花钱引进苏30MKI后,留里卡设计局才有钱进行再度研发。

新版的两个喷嘴活动轴可以分别向外旋转32度,这样一来便能搭配出三维向量推力控制。该款矢量喷嘴已应用于苏30MKI、苏35甚至苏57身上。

这种设计虽然简单,但是实用,充满了“留里卡式”的实用性智慧。

二、克里莫夫流派

“克里莫夫”设计局研制的矢量喷嘴则与欧美的技术类似,喷嘴采用分段式设计,每个或部分喷嘴叶片通过调整来改变推力方向,活动幅度较大且运动速度更快。这种方式与“留里卡”的整体式布局是不一样的。

“克里莫夫式”喷嘴最初是为米格29所用RD33系列引擎研制,后来也用于AL-31系列发动机。喷嘴叶片在各方向的活动幅度均为16度,这与西方的研制水平大体相当。

克里莫夫设计局比留里卡设计局更精明的地方在于,两家都以AL-31系列发动机为基础研制矢量喷嘴,但后者只是老老实实的干活交工,前者更具有前瞻性。

克里莫夫设计局认为AL-31系列发动机的顶配型:AL-31F-M,极有可能升级为五代战机所使用的发动机。

AL-31系列发动机是留里卡设计局下辖的“土星”研究所开发的,竞争五代发动机失败后继续自研,由此诞生了新一代的AL-31F-M系列。

换装了这款发动机的苏27进行试飞,从每小时300公里的速度加速到1200公里,耗时减少了26秒钟。推力大了,耗油反而降低了。耗油降低还不算,大修间隔也延长了。

获得如此佳绩的土星研究所并没有放弃,相继又推出了AL-31F-M2和AL-31F-M3。其中第二代(AL-31F-M2)发动机的性能比第一代提升了10%,终于获得了苏霍伊的青睐,成为苏27SM的御用引擎。

AL-31F-M3就更不得了,由于改用3级宽叶片风扇,结构上一体成型且无扇叶间边缘隔板,性能又大幅前进了一截。专家指出其已经具备6代发动机的能力,试验版的推力就已经达到了15300公斤,要知道苏57的常规推力要求为15500公斤。

AL-31F-M3更名为AL-41F1-117S,如愿以偿地成为了俄罗斯五代战机的专用引擎。

这个催人泪下的奋斗过程,也深深感动着克里莫夫设计局的工程师们。他们选择跟着AL-31F-M系列一步步升级自己的矢量喷嘴。结果“一人得道”,苏霍伊设计局敲定发动机后,顺带选定克里莫夫设计局提供矢量喷嘴。

可惜“土星”研究所还是留里卡设计局的下辖机构,谁也不会想到能出现“灯下黑”的情况。

三、扁平式矢量喷嘴

通过图片和视频大家可以清晰的看出,F22使用的矢量喷嘴是扁平式的,俄罗斯的则是圆形的。扁平式喷嘴可以大量遮蔽涡轮叶片与后燃器,从而降低雷达与红外线讯号。

不过也有一定的缺点,就是气流从涡轮流出后将快速由圆形截面过渡到矩形,这个过程会造成一定的推力损失。

当然这不是俄罗斯使用圆形矢量喷嘴的理由。相反,克里莫夫设计局也在研发扁平式的喷口,只不过损失掉的动力高达14%至17%,导致迟迟无法试飞。

有消息指出,新技术进步后,推力的损失减到了5%至7%,已经可以满足穿透打击任务的需要。不过克里莫夫设计局还在尝试将损失降到3%。(作者署名:海空视界

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