《軍武次位面》作者：血刃

殲-20戰(zhàn)機自試飛至今過去了十余年，已列裝到我國多個戰(zhàn)區(qū)，甚至網(wǎng)友都開玩笑說：“告訴殲20別聯(lián)系我了，我怕白帝誤會?！?/p>

但盡管如此，這種世界頂尖的戰(zhàn)斗機依舊有著多數(shù)其他國產(chǎn)武器所沒有的特殊魅力，其每個細(xì)節(jié)的變動都吸引無數(shù)目光。更值得注意的是，該機總設(shè)計師楊偉表示：殲-20也會和其他武器一樣升級，進而衍生出2.0版和3.0版。

▲多款太行發(fā)動機的亮相，是本次珠海航展上又一亮點

過去，圍繞殲-20乃至所有中國戰(zhàn)斗機的討論核心之一，就是它們的發(fā)動機性能不但與國際先進水平存在一定差距，甚至也沒完全實現(xiàn)國產(chǎn)化。早在2018年珠海航展殲-10B大秀機動時，就有愛好者不斷猜測殲-20何時能換裝WS-15發(fā)動機和對應(yīng)的矢量噴管，進而實現(xiàn)F-22那樣的超機動性，從這一點來看，2.0或3.0版殲-20升級的核心，就是動力。

▲如今，殲-20已列裝到我國多個戰(zhàn)區(qū)

相比于往年航展上相對進步有限的航發(fā)展品，今年的航發(fā)展區(qū)卻有了喜人的變化：太行系列發(fā)動機集體亮相，尤其以三元和二元矢量推力噴管型最引人矚目。毫無疑問，這不但證明中國戰(zhàn)機航發(fā)將徹底擺脫被“卡脖子”的命運，也意味著殲-20的綜合機動性將實現(xiàn)質(zhì)的全面提升。

矢量推力對戰(zhàn)斗機性能有何意義？

矢量本身經(jīng)常出現(xiàn)在數(shù)學(xué)、物理和工程科學(xué)等自然學(xué)科中，其本質(zhì)是是同時具備大小和方向的幾何對象，最主要的特點就是能由此改變運動方向，因此經(jīng)常被箭頭符號用于和其他的量進行區(qū)分。而這種特性自然也被航空動力學(xué)所注意到，因此反映到發(fā)動機尾噴口時，具體表現(xiàn)就是發(fā)動機噴出的尾流在可控前提下改變方向。

▲矢量推力的意義，已被各國航空技術(shù)人員充分重視

發(fā)動機噴出的氣流平行于飛行器軸線向后，由于發(fā)動機本身無法轉(zhuǎn)動，因此要想控制噴射氣流的方向，就需要在發(fā)動機噴口增設(shè)可轉(zhuǎn)動管子，這種管子就是矢量噴口，其最大特征就是能將發(fā)動機尾噴口截面轉(zhuǎn)到和飛機軸線不垂直方向上。通過這種尾流控制，常規(guī)飛行控制面產(chǎn)生的氣動力將會得到補償甚至被替代。

▲矢量推力對導(dǎo)彈設(shè)計也有很大幫助

戰(zhàn)斗機一般依靠各種舵面控制飛行方向，但在超音速機動、大仰角等條件下，舵面控制方向的能力就會因外界氣壓氣流的變化而明顯降低，此時借助于矢量噴管，飛行姿態(tài)就會得到十分細(xì)致的調(diào)整，以至于一些十分復(fù)雜的機動成為可能。因此，矢量動力開始在多個軍事強國得以發(fā)展，并成為衡量國家航空技術(shù)水平的又一標(biāo)桿。

▲過去廣為流傳的“眼鏡蛇機動”在實戰(zhàn)中的意義恐怕不容高估

相比而言，普通戰(zhàn)斗機的過失速機動是飛機超過失速仰角后按照自身氣動特性進行的飛行特技動作，但這種動作不可控。而矢量推力技術(shù)則會讓飛行員全程控制戰(zhàn)機，進而完成同等甚至更大難度超機動。早年間的蘇-27/蘇-30在航展上表現(xiàn)出大仰角機動性，但其實戰(zhàn)最大仰角就要小得多；具有矢量推力技術(shù)的F-22甚至能達到60-70度仰角下的可控飛行，因此戰(zhàn)斗中迅速指向預(yù)定方向的效率好得多。

▲借助矢量推力，F(xiàn)-22這樣的戰(zhàn)機具有極好的機首指向性

對五代機而言，隱身能力至關(guān)重要，且還要和超機動性結(jié)合，但如果只依靠舵面，那么機身即便高度優(yōu)化，飛行中舵面為適應(yīng)氣動效應(yīng)力的變化還會導(dǎo)致雷達截面因此在短時間內(nèi)發(fā)生很大變化，最終增大暴露的可能性。但依靠推力矢量動力，即可最大程度降低舵面面積，F(xiàn)-22在設(shè)計時就體現(xiàn)了這一思路，并同時將水平尾翼和主翼的位置最大優(yōu)化，機體重量也由此進一步降低。

▲某型號的國產(chǎn)矢量噴口

目前多數(shù)戰(zhàn)機的氣動布局多半針對亞音速狀態(tài)，因此在超音速飛行時還需要舵面修正進行配平，這就偏離了最優(yōu)升力區(qū)間，導(dǎo)致升阻比降低。而采用矢量推力的戰(zhàn)機則會通過噴口微調(diào)極大緩解超音速配平問題，進入超音速巡航時對發(fā)動機的推力需求也相對較低。此外，矢量推力技術(shù)還能在起降作業(yè)中通過升阻力控制進行助力，最終降低戰(zhàn)機對起降環(huán)境的要求，這在實戰(zhàn)環(huán)境下自然是一大不可忽視的助力。

矢量技術(shù)包括哪些門類？

最初的矢量推力發(fā)動機采用折流板矢量推力技術(shù)，其尾噴口處配備三片推力導(dǎo)向片，它們可以進行正負(fù)方向各十度的偏轉(zhuǎn)，并能承受1500度高溫，初步實現(xiàn)了飛機上下或左右方向的便利控制，對過失速狀態(tài)下的機動性幫助很大，因此被X-31等驗證機采用。但折流板矢量推力也存在阻力過大、偏轉(zhuǎn)力過高且不利于隱身的特點，因此逐漸被各國摒棄。

▲F-22尾部噴口特寫

目前成熟的矢量推力技術(shù)分二元和三元兩大類，二元矢量噴管的噴口為矩形，可在高溫高壓燃?xì)庾饔孟履軌蛏舷聝蓚€方向擺動各20度，提供了額外俯仰控制能力，并能在該動作時提升整體機動性。此外，它能讓冷空氣和高溫尾流融合進而降低紅外特征，還能盡量降低后體阻力。上世紀(jì)后期，美蘇兩國均開始研發(fā)二元矢量噴管，但蘇聯(lián)解體后俄羅斯摒棄了該設(shè)計，因此各國目前現(xiàn)役戰(zhàn)機也只有F-22采用二元矢量噴管。

▲航展上同時亮相的三元矢量噴口

而三元矢量噴管也被稱為軸對稱矢量噴口，其噴口截面為圓形。不同于二元矢量噴管，三元噴管可實現(xiàn)360度全向偏轉(zhuǎn)進而任意改變指定方向上的推力，美國在設(shè)計F-22時也曾考慮使用該技術(shù)，并完成了相當(dāng)程度的技術(shù)積累，但考慮技術(shù)難度等因素最終作罷。目前俄羅斯依舊在研發(fā)并采用了三元矢量噴管。

▲俄羅斯很早就確立了三元矢量研發(fā)路線

俄羅斯曾基于AL-31F和RD-33兩種發(fā)動機展開三元矢量推力研發(fā)計劃，并由此推出樣機，但這兩款真正的三元矢量發(fā)動機卻并未量產(chǎn)列裝。如今俄羅斯量產(chǎn)的所謂三元矢量發(fā)動機本質(zhì)上是采用軸對稱噴口的二元矢量改進型，其發(fā)動機偏轉(zhuǎn)主要靠尾噴口設(shè)置獨立的整體轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)，整體轉(zhuǎn)動時沿著軸線上下15度和左右8度范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)，運動幅度超過了F-22的二元矢量噴口，蘇-35等俄軍主力戰(zhàn)機均配備該設(shè)備。

▲無可否認(rèn)，蘇-35的機動性依舊處于世界頂尖位置

盡管提升機動性方面來看，三元設(shè)計超過二元，但俄羅斯受制于材料質(zhì)量差距，只能大量采用鎳鋼而非鈦與陶瓷材料，因此才依靠整體轉(zhuǎn)軸。但發(fā)動機也因此出現(xiàn)長度和重量提升，推重比也受到影響，具體到實戰(zhàn)環(huán)境下，以蘇-35為例，雖然能在過失速機動下迅速指向目標(biāo)，但能量損失也會很大，一旦被迫和推重比更好的對手陷入糾纏，就容易陷入不利。

中國矢量技術(shù)怎么發(fā)展起來的？

上世紀(jì)80年代開始，中國就已開始研究推力矢量噴口技術(shù)，甚至還在之后完成了二元推力矢量噴口的縮比樣品仿制，并在一部渦扇-6發(fā)動機進行了地面試車。結(jié)果證明，雖然該噴口性能良好，但重量偏大，因此我國開始將三元矢量推力作為研究重點，該項目在“九五”期間得到了國防科工委的正式批準(zhǔn)。

▲國內(nèi)最初以二元矢量噴管為研發(fā)方向

當(dāng)時的目標(biāo)，是以我國第三代主力戰(zhàn)機為平臺，突破推力矢量噴管涉及的技術(shù)，并初步完成其他地面半物理仿真模擬測試。不久后，中航工業(yè)科技局以WS-10發(fā)動機為基礎(chǔ)，成立了飛機組和發(fā)動機組，分別以殲-11和殲-10作為驗證平臺，并經(jīng)歷多方面設(shè)計，但受制于技術(shù)，戰(zhàn)斗機矢量推力工程曾長期停留在地面測試和機體初步測試階段。

▲中國的材料技術(shù)優(yōu)勢，也是矢量技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵

當(dāng)時中俄兩國開始相關(guān)合作，然而中方了解俄羅斯偏轉(zhuǎn)推力矢量噴管設(shè)計后認(rèn)為，這種產(chǎn)品不但存在不成熟之處，噴口尺寸和重量控制也不盡如人意。最終，中國大膽采用了擴散段轉(zhuǎn)動推力矢量設(shè)計，它的推力損失低，重量小，密封冷卻較為方便，因此配備改裝到現(xiàn)有機型的難度也較低。但相對而言，它的設(shè)計難度較高，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，特別是對材料工藝要求較高。

▲國產(chǎn)矢量噴管技術(shù)的成就，離不開整體技術(shù)發(fā)展的助力

隨著中國在液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)、超級計算機、高新材料技術(shù)、大型風(fēng)洞等領(lǐng)域不斷取得突破性進展，因此戰(zhàn)機矢量推力工程也由此大幅受益。據(jù)計算表明，中國的擴散段轉(zhuǎn)動推力矢量設(shè)計不但在角度偏轉(zhuǎn)幅度上明顯超過俄羅斯設(shè)計，而且偏轉(zhuǎn)時也更為平滑，進而極大降低了發(fā)動機推力的損失?？梢哉f，這種成功也是中國整體技術(shù)水平大背景下的產(chǎn)物。

▲2018年珠海航展上，殲-10B一氣呵成地完成了多種高難度機動動作

2017年，WS-10A矢量動力版及殲-10B試驗機成功完成了試飛，并在2018年的珠海航展上一氣呵成地完美展示榔頭機動、大仰角360度滾轉(zhuǎn)、眼鏡蛇、落葉飄和赫伯斯特等高難度機動，成為最耀眼的明星，有軍迷表示：自己看到這一幕后瞬間感到蘇-35的超機動也并沒什么了不起。由此，中國戰(zhàn)斗機推力矢量技術(shù)完成了重大突破，并躋身世界先進水平。

殲-20可能采用哪種矢量技術(shù)？

本次珠海航展同時出現(xiàn)兩種太行矢量推力發(fā)動機，這意味著昔日對中國而言高不可攀的技術(shù)變得尋?；?。遙想4年前的珠海航展時，部分網(wǎng)友認(rèn)為殲-10B的機動本身也是變相向俄羅斯發(fā)出尋求進一步合作的信號，結(jié)合當(dāng)時中國可能購買蘇-57的新聞，一時間各路軍迷議論紛紛。然而從今天的情況來看，無論發(fā)動機本身還是矢量推力技術(shù)，中國都已完全可以依靠自己。

▲種種跡象表明，殲-20更可能配備二元矢量噴管

感動之余，關(guān)于殲-20未來動力升級的猜測也是焦點。王海峰總師卻在《戰(zhàn)斗機推力矢量關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用展望》一文中指出，相對于三元矢量技術(shù)，二元矢量不但能提升飛機機動性和常規(guī)飛行能力，還能明顯改善后體阻力和后側(cè)向隱身能力，對作戰(zhàn)效能全面提升意義重大。同時，殲-20首席試飛員李剛也表示改進型殲-20將采用上下偏轉(zhuǎn)的發(fā)動機，即二元矢量發(fā)動機。

▲目前，國內(nèi)已在多種戰(zhàn)機上測試了不同的矢量噴管

中國早年間就以三元矢量發(fā)動機為發(fā)展重點，但種種跡象表明殲-20卻很可能換裝二元矢量發(fā)動機，這又是為何呢？這就要從二元矢量技術(shù)的特性說起了。盡管二元矢量噴管結(jié)構(gòu)較為笨重、重量占比較高、運動范圍有限，但它的雷達隱身能力卻要好得多，借助矩形結(jié)構(gòu)，發(fā)動機噴出的氣流更容易和外界冷空氣混合后降低溫度，由此降低紅外特征，進而提升在紅外制導(dǎo)武器面前的生存率。

▲合成處理假想圖：殲-20配備二元矢量噴管

此外，二元矢量動力布局也會帶來更大的內(nèi)部空間，進而容納液氮噴射裝置等應(yīng)急反紅外設(shè)備。從五代重型機扁平機身結(jié)構(gòu)來看，矩形噴管也更容易與之融合進而降低整體阻力，最終讓戰(zhàn)機在超音速巡航時飛得更省油、更快。更主要的是，二元矢量技術(shù)在技術(shù)可行性方面也有速度優(yōu)勢，因此如何選擇，就要結(jié)合特定國家武器所面臨的特定環(huán)境。

▲目前，國產(chǎn)航發(fā)已可以初步實現(xiàn)自給自足

不同于相對更側(cè)重本土要地防空的蘇-57，殲-20的隱身特性好得多，這明顯是針對拒止介入戰(zhàn)略而形成的。毫無疑問，該機未來的頭號假想戰(zhàn)場就是西太平洋第一島鏈，而其目標(biāo)自然也是敵作戰(zhàn)體系的關(guān)鍵節(jié)點，但假想對手目前已在亞太區(qū)域部署了相當(dāng)規(guī)模的反隱身雷達和紅外探測等技術(shù)設(shè)備，殲-20若想兼顧自保和成功打擊敵節(jié)點，必然要將隱蔽屬性作為第一要素。

▲如今，曾質(zhì)疑殲-20動力系統(tǒng)的聲音已幾乎徹底消失

早年間的F-22固然擁有出色的超機動性和飛火推一體化飛控系統(tǒng)，但其矢量系統(tǒng)和發(fā)動機整合程度較低，因此以今天的標(biāo)準(zhǔn)來看不能說不是一大不足。盡管當(dāng)年美國曾計劃推出可偏航的更先進第二代二元矢量噴管，但F-22卻沒有等到相應(yīng)升級。而目前中國完全可以拿出比當(dāng)年美國更好的同類二元矢量技術(shù)，進而讓殲-20避免F-22曾經(jīng)的彎路。

▲目前，假想對手的航發(fā)水平依舊具有明顯優(yōu)勢

隨著太行系列發(fā)動機在功率、壽命和可靠性方面愈發(fā)成熟，新服役的殲-20近年來多次展示了其超機動性，與早期殲-20“四平八穩(wěn)”的飛行形成了很大反差。有消息稱，WS-10C發(fā)動機的推力就已達到13噸，而WS-10D的推力甚至可能接近WS-15，在愈發(fā)充沛的推力和鴨翼布局加持下，改進型殲-20很可能也無需冒著降低隱蔽性的危險選擇三元矢量推力。

從殲-10B舞動天空，再到今天兩種矢量版太行發(fā)動機同時亮相，足以說明中國在該領(lǐng)域的成就之非凡。但從另一方面看，中國航發(fā)整體水平在相當(dāng)時間內(nèi)存在過大差距，而且假想對手也不斷推出推力更大、壽命更長甚至完全新概念的軍用航空發(fā)動機，其矢量技術(shù)的積累同樣不可小覷。因此，今天的成就自然不會就此讓中國航空技術(shù)團隊就此高枕無憂。

▲無論哪種升級，都意味著殲-20的戰(zhàn)斗力大幅提升

此外，任何武器在設(shè)計定型時都會面臨不同參數(shù)彼此影響的局面，要想做到所有指標(biāo)都完美無瑕，幾乎是不可能的。因此最明智的選擇，莫過于結(jié)合自己的技術(shù)積累和武器本身的體系定位，進而在平衡的前提下有所取舍，盡管殲-20在動力方面還有一定進步空間，但可以肯定的是，完全體版的該機無論采用什么類型的矢量動力，都會讓世界耳目一新。