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歼20完美隐身定要以损失推力为代价?美国人说了实话
2017-11-6 6:18:00           作者: 综合

  近日,歼-20与歼-16以大象漫步的形式再度展示在世人面前,气势十足。从歼-20量产服役的速度来看,该机显然得到了认可,歼-20如今还需要改善的无疑就是发动机,发动机问题的解决不仅事关飞机整体气动性能的发挥,发动机细节如何处理也事关歼-20隐身的最后一块拼图——尾部隐身。

  使用类似F-22的矩形喷嘴对于歼-20的隐身当然最好,但有些观点认为矩形喷嘴会让歼-20本就不高的推力进一步损失。那事实真的如此么?今天,就来说说美国人的经验。

歼-20使用国产“太行”发动机后使用了类似F-35的喷嘴隐身处理方式,但对于歼-20这样的双发机而言这并不完美,类似F-22的矩形喷嘴或是完美解决方案  歼-20使用国产“太行”发动机后使用了类似F-35的喷嘴隐身处理方式,但对于歼-20这样的双发机而言这并不完美,类似F-22的矩形喷嘴或是完美解决方案

  美国对矩形喷嘴的研究始于上世纪70年代,从概念设计、风洞测试到飞行测试,一步一脚印地持续发展到上世纪90年代,才产生F-22战斗机与F119发动机组合这一成果。

  从公开的资料看出,设计F-15的麦克唐纳公司与普惠公司于1975年联名发表的一篇论文中比较了NASA主推的二维内塞折流片、厂商主推的二维敛散喷嘴以及作为对照组的轴对称矢量喷嘴安装在双发战机上的效果。风洞测试结果显示各种喷嘴的推力系数差异不大,其中二维敛散喷嘴的确会有推力降低的现象,但差异不到2%,而将叶片略微延长也可将阻力降低2%。而差异最大的是机动状态的阻力,也就是速度0.9马赫,加力最大,机翼升力达到80%最大升力的高G转弯状态,利用前翼、高后掠主翼与NASA的二维内塞折流片产生14度的矢量推力综合产生的超环量效应可降低负载阻力达13%,高于轴对称矢量喷嘴的7%。

麦道公司竞标美国五代机计划的无隐身方案采用了前翼、三角翼与二维矢量喷嘴就是要利用超环流现象增进高G转弯的升阻比与持续转弯率  麦道公司竞标美国五代机计划的无隐身方案采用了前翼、三角翼与二维矢量喷嘴就是要利用超环流现象增进高G转弯的升阻比与持续转弯率

  在美国空军资助下,麦克唐纳、普惠、通用电气与NASA从1976年开始了“非轴对称喷嘴的实验评估计划”,对5种矩形喷嘴进行风洞测试。

  其成果可以参考NASA在1978年发表的论文,在不考虑矢量推力提升机动升力的情况下,测试结果显示两家发动机公司设计的二维敛散喷嘴与对照的轴对称喷嘴差异不大,推力表现在各种不同油门条件下各有高低,但差别在1%以内。

根据NASA风洞测试的数据,两种二维敛散喷嘴(三角形)与传统圆形喷嘴(圆圈)的推力系数差异不大,在高推力状态甚至会略微提高  根据NASA风洞测试的数据,两种二维敛散喷嘴(三角形)与传统圆形喷嘴(圆圈)的推力系数差异不大,在高推力状态甚至会略微提高

  非轴对称喷嘴研究计划的最后目标是要在F-15实机上安装二维喷嘴,展示其机动性能与短场起降性能的提升,也就是著名的F-15 S/MTD(短场起降与机动科技展示)试验机。而NASA在1978年发表的论文说明了如何选择哪一种二维矢量喷嘴安装在试验机上。

  文中比较了二维敛散喷嘴与两种内塞折流片的二维喷嘴,结果显示二维敛散喷嘴的推进效率最好(比传统喷嘴还高1-2%),重量增加最少(226千克vs 159千克,仅比传统喷嘴增加67千克)。其中重量虽然增加,但NASA评估轴对称喷嘴要加上矢量推力(当时评估的版本是类似俄罗斯AL-31FP的摆动机制)与逆向推力能力,其重量只会比二维敛散喷嘴更高,因此决定用二维敛散喷嘴作为短场起降与机动科技的实验品。

NASA的评估表只考虑喷嘴的推进效率,不考虑安装到飞机上的综合阻力。而内塞折流片需要较多的冷却气流,因此重量较大,推进效率也较低,以致于输给了二维敛散喷嘴  NASA的评估表只考虑喷嘴的推进效率,不考虑安装到飞机上的综合阻力。而内塞折流片需要较多的冷却气流,因此重量较大,推进效率也较低,以致于输给了二维敛散喷嘴

  受到二维喷嘴研究成果的激励,美国在发展五代机的ATF计划时,大部分厂商都加入了二维矢量喷嘴来提升超机动性短场起降性能。

  但最后空军为了降低成本,允许厂商拿掉逆向推力装置,最后成果就是我们在F-22上看到的F119发动机与二维敛散喷嘴。

F-15S/MTD试验机于1989年开始安装二维喷嘴进行飞测,其起飞距离缩短38%,降落距离缩短60%,高攻角的俯仰控制力增加110%。注意图中的喷嘴长度与传统喷嘴几乎没有差别  F-15S/MTD试验机于1989年开始安装二维喷嘴进行飞测,其起飞距离缩短38%,降落距离缩短60%,高攻角的俯仰控制力增加110%。注意图中的喷嘴长度与传统喷嘴几乎没有差别

  由此可知,矩形喷嘴在美国人眼中与圆形喷嘴的推力差异甚微,根本忽略不计。唯一的缺点是重量较大,这是因为圆形喷嘴仅需承受拉伸负载,但矩形喷嘴还加上了扭曲方向的负载,因此矩形喷嘴需要做得较厚来承受负载,即便最先进的F119也不例外。

  不过,一方面在拔掉逆向推力装置后,连带减轻了冷却系统重量,另一方面普惠使用了最新的C型高抗燃型钛合金来打造喷嘴与加力燃烧室,进一步减轻重量同时提高安全性,因此F119发动机的二维喷嘴将比F-15S/MTD使用的更轻,而后者其实也不过比传统喷嘴多了67千克。

美国人而言,矩形喷嘴在推力与长度上都与圆形喷嘴没有太大的差别,唯一的缺点是一定比较厚,造成重量的略微上扬  美国人而言,矩形喷嘴在推力与长度上都与圆形喷嘴没有太大的差别,唯一的缺点是一定比较厚,造成重量的略微上扬

  综上,以美国的经验来看,矩形喷嘴损失推力的观点并不准确。未来歼-20使用矩形喷嘴实现完美隐身,应该会是发展的方向。从美国人“看透”这个问题,我们也能得到一些启发,那就是任何技术的最终采用都需要前期大量基础研究做支撑,这也是美国人最强大的地方,非常值得我们深思。(作者署名:北国防务)

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