美俄第五代戰機“心臟”——矢量推力發動機

來源：滾動播報

（來源：中國航空報）

飛行中的F-22。

F119發動機尾噴口。

蘇-57試裝的“產品30”矢量發動機。

F-22戰斗機裝配的普惠F119發動機。

　　蘇-57初始版本保留了三維矢量噴口（上），最新型改為二維噴口（下）。魏岳江　　矢量技術是一種用數學公式描述圖形的方法，最大特點是無限放大不變模糊，廣泛應用于設計、地圖、動畫等領域。　　作用在飛機上的推力是一個有大小、有方向的量，這種量被稱為矢量。然而，一般的飛機上，推力都順飛機軸線朝前，方向并不能改變，所以我們為了強調這一技術中推力方向可變的特點，就將它稱為推力矢量技術或矢量飛行。　　推力矢量技術是一項綜合性很強的技術，包括推力轉向噴管技術和飛機機體推進與控制系統一體化技術。　　目前，世界上只有美國和俄羅斯兩國開始把這一技術應用于第五代戰機發動機設計上，這的確是一個有效的技術突破口，它對戰斗機的隱身、減阻、減重都十分有效。美俄兩國通過前期飛行試驗表明，推力矢量技術能提高戰術效果　　美俄等國已經進行了大量的飛行試驗，證明了利用推力矢量技術的確能達到預期的作戰效果。1991年4月海灣戰爭結束后，美國五角大樓拿出500億美元，研制不同于F-117的新型隱身飛機，推行應用矢量技術，于是就誕生了F-22戰斗機。俄羅斯開展隱身和推力矢量技術的應用研究重點是利用發動機向不同方向發出的氣流的反作用力來迅速改變方向。后來的研究還表明，當戰機在飛行速度較低時，采用推力轉向這種飛行控制裝置是絕對有利的，戰術效果如下：戰機對起飛機場跑道、環境條件、氣候變化要求低，著陸機動性、安全性加大，從而使滑跑距離大大縮短，減輕了起落架沖擊帶來的不利影響；由于戰機減少了雷達反射面積，增強了戰機突防能力、靈活性、生存率、機動性和攻擊的突然性；由于戰機舵面積的減少，減小了飛行中阻力，燃油消耗也隨之減小，相應航程也加大；戰機可控迎角擴大，大大超過了失速迎角，機頭指向能力加強，通過改變飛機的排氣流向，讓現代戰斗機快速改變飛行方向，使其在近距格斗中占據優勢，提高了空中格斗能力和空對地的攻擊性能，命中率有所提高，投彈后規避動作也更敏捷。　　雖說矢量飛行優勢重重，但也有其弊端：在進行矢量飛行時如果速度過慢，則會導致失速：噴管重量更大、機械結構更復雜，維護難度更高。這會增加飛機的成本，并引發可靠性問題。在高速飛行時，由于氣動作用力占主導，推力矢量的效能會顯著下降。而且，現代空戰更強調超視距作戰，戰機對極端機動性能的依賴已有所降低。2025年1月底，一段關于F-35型戰斗機最新事故的視頻在社交平臺上廣為流傳。從視頻中可以看到，這款第五代戰斗機徑直墜向阿拉斯加州的艾爾森空軍基地地面，從而引發劇烈爆炸，所幸飛行員成功彈射逃生。美軍第354戰斗機聯隊稱，事故發生前，飛行員遭遇了“空中機械故障”。不過，具體細節目前尚未公布。推力矢量技術關鍵是改變現行戰機設計和發動機結構，尾噴流轉向控制技術是實現矢量飛行的關鍵　　不采用推力矢量技術的飛機，發動機的噴流都是與飛機的軸線重合的，產生的推力也沿軸線向前，這種情況下發動機的推力只是用于克服飛機所受到的阻力，提供飛機加速的動力。　　而采用推力矢量技術的飛機，則是通過噴管偏轉，利用發動機產生的推力，獲得多余的控制力矩，實現飛機的姿態控制。其突出特點是控制力矩與發動機緊密相關，而不受飛機本身姿態的影響。因此，可以保證飛機作低速、大攻角機動飛行。　　把推力矢量技術運用于發動機中，就是通過偏轉發動機噴流的方向，從而獲得額外的操縱力矩。　　應用推力矢量技術所涉及的技術很多，主要有尾噴流轉向裝置，尾噴流轉向控制及其與發動機、飛機飛行控制系統的配合，尾噴流轉向對飛機總體性能影響的預測及飛行演示等。　　尾噴流轉向控制范圍一般在20°內，但要求快速準確，而且要與發動機的控制系統和飛機飛行控制系統相協調，因此不僅控制硬件眾多，控制軟件也非常復雜。　　國外也認為這是應用推力矢量技術的關鍵技術。控制律的研究與水平的提高還取決于所使用的氣動力數據和發動機動力模型等準確度。發動機尾噴流轉向裝置要求結構牢固、緊湊、耐用、密封性好、重量輕、轉向效益高、轉向快、阻力小。發動機應用矢量技術產生的推力，能讓其推力的一部分變成操縱力，代替或部分代替操縱面，從而大大減少了雷達反射面積；不管戰機迎角有多大和飛行速度有多低，其都可利用這部分操縱力來進行操縱，這就大大增加了戰機的可操縱性；由于直接產生操縱力，并且量值和方向易變，也就增加了戰機的敏捷性，減小或去掉垂尾面。這就降低飛機的可探測性和飛行中阻力。由此可見，推力矢量技術首先要解決戰機發動機結構設計問題。　　20世紀90年代以來，洛克希德·馬丁公司、萊特實驗室、通用電氣公司、與美空軍飛行試驗中心聯合，已完成了戰機多軸推力矢量（MATV）控制律的設計和評價。控制律在使飛行員能在飛機完全可控狀態下進行機動方面起到了關鍵作用。MATV控制系統包括幾種運行模式/狀態。設計MATV控制率的關鍵問題包括最優縱、橫向指令結構的設計、精確可靠的迎角和側滑角計算器的研制和控制系統對空氣動力不確定度的穩定性的驗證。美俄開始進行第五代戰機推力矢量噴管技術演示，實現推力矢量技術與數字飛行控制系統集成　　飛行演示是個綜合性技術驗證，使用推力轉向的飛機由于控制系統復雜，更是不可少，但飛行演示前，也可先用模擬器進行演示，或利用虛擬飛行試驗系統進行評估。　　目前，蘇-30、F-22、F-35、蘇-35、米格-35、蘇-30MKI等都能進行矢量飛行。　　推力矢量噴管是現代航空設計中最具深遠意義的技術改進之一。推力矢量技術可讓飛機改變發動機推力方向，而非單純依賴氣動控制面進行機動，以便飛機在極端飛行條件下仍保持操控權限，這使得現代第五代戰機的機動性遠超不具備該技術的前代機型。　　推力矢量噴管通過物理偏轉排氣流，產生俯仰、偏航或滾轉力矩。即便機翼上方氣流減弱或控制面失速時，該技術仍能發揮作用。這意味著它不僅能帶來靈活的機動性能，還具備安全優勢。　　推力矢量技術主要有兩種常見構型：二維構型（僅控制俯仰）和三維構型（可控制俯仰、偏航，部分還能控制滾轉）。兩者均通過發動機排氣口的可動噴管瓣實現，并與數字飛行控制系統集成。　　推力矢量技術幾乎是五代機的專屬特征，已投入使用且搭載該技術的戰斗機包括：美國F-22（配備二維推力矢量系統，僅控制俯仰）、俄羅斯蘇-57（將三維矢量技術作為核心設計特征）。　　推力矢量技術在第五代戰機空戰中具有多重實戰價值。首先，它能讓飛機在大攻角狀態下保持操控；飛行員在進行劇烈機動時仍可穩定控制飛機，避免失控，即便在極限飛行狀態下也不例外。其次，推力矢量技術支持過失速機動，使飛機在低速狀態下仍能快速調整機頭指向，甚至在近距離纏斗中實現絕境中的導彈發射。在能量管理方面，該技術有助于飛機從低能量狀態恢復，并提升防御機動時的生存能力。此外，它還能帶來安全與操控優勢，改善飛機的起飛和著陸性能，以及從異常姿態中恢復的能力。　　俄羅斯第五代戰斗機幾乎將推力矢量技術作為彰顯機動優勢的標志，而西方作戰理念更注重隱身性能、傳感器融合技術和導彈性能。　　俄羅斯聯合飛機制造公司和聯合發動機制造公司開始對第五代戰斗機蘇-57使用的新發動機進行飛行測試。俄羅斯國家技術集團公司新聞處發布了這一消息。消息稱，代號“產品177”的發動機加力推力為16000千克力。樣機在所有運行模式下均實現更低油耗和更長使用壽命。俄羅斯國家技術集團公司表示：“憑借最新技術、材料和創新設計方案，聯合發動機制造公司打造了一款比前代更具技術優勢的發動機。”　　聯合發動機制造公司下屬的留利卡設計局稱：“‘產品177’是聯合發動機制造公司為戰役戰術飛機研發的尖端產品。首次飛行測試標志著與聯合飛機制造公司合作開展蘇-57試飛工作正式啟動。測試過程中，新發動機運行平穩，在蘇-57上發揮出可靠性能。”　　蘇-57多用途戰斗機用于執行廣泛作戰任務，它能夠全天候打擊空中、地面和海上目標，包括在惡劣氣象條件和復雜干擾環境下執行任務。隱身能力使其即使在面對現代化防空系統時也能摧毀目標。　　俄羅斯國家技術集團公司表示：“蘇-57正在根據特別軍事行動區的作戰經驗進行現代化改造：武器和機載系統的功能不斷擴展。新發動機‘產品177’通過加強推力進一步增強了戰斗機的飛行性能，為其后續改進奠定了堅實基礎。”　　聯合飛機制造公司正在落實產能擴張計劃，這有助于提高蘇-57戰斗機的交付量，并積極向外國客戶推介出口版蘇-57。