蘇-57的遺憾，模仿F-22二元矢量發動機噴口為何這麼難？

俄羅斯社交媒體近日曝光了蘇57戰機的新型濕量推力發動機噴嘴 酷似美軍的F22戰機 然而 大家如果還記得蘇57戰機的早期型 就知道蘇57並非是首次模仿F22 只是呢 當時的模仿並未成功 蘇57量產型號還是使用了所謂的俯仰式舟堆成濕量噴管 也就是那兩個大圓筒 那麼 俄羅斯為什麼始終對F22風格的發動機噴口不死心呢 這種設計又究竟好在哪裡呢 今天我們就來聊一聊 所謂的濕量噴嘴 其實也就是TVC推力濕量控制技術 在戰機製造領域衍生出來的表現形式 無論是火箭以及其他飛行器 都有著控制發動機推力方向以影響自身飛行姿態或腳速度的需求 這種技術最初呢 被引入到戰鬥機領域 主要是由於垂直起降戰機和短距起降戰鬥機的研發 通過濕量發動機噴嘴技術可以引導推力方向的改變 幫助戰機獲得垂直於地面方向的升力 從而使戰機獲得直上直下的能力 但隨著相關研究的深入 即使是不需要垂直起降能力的戰機 也能夠通過濕量噴嘴技術 完成之前無法完成的機動動作 進行短距起降操作也會變得非常輕鬆 例如F22戰機 通過二元濕量噴嘴的推力方向調整 它的撫養機動能力十分出色 只需要420公尺左右的起飛距離就能夠升空作戰 在極限狀態下 甚至還能夠將這個距離壓縮到240公尺的水平 但同樣是濕量發動機噴嘴 如今也存在著二元與三元區分 F22使用的二元矩形噴嘴 在隱形能力上明顯強於蘇57使用的三元噴管 因為前者的多邊形線條更容易融入五代機的總體隱身設計中 其上下兩個調節片的耐熱結構也更有利於削弱尾焰的紅外信號 而蘇57量產型使用的所謂撫養式軸對稱濕量噴管 雖然已經是俄羅斯航空工業的精心之作 能夠通過噴口整體運動的方式實現上下15度範圍內的偏轉和三維活動能力 但是還是存在隱身能力不足的缺陷 這種傳統的圓形噴口設計雖然構造簡單 運行速度也比較快 能夠以30度每秒的速度進行噴口活動 從某種程度上還能節省戰機造價 但是無法有效地減少機身發動機噴口釋放的雷達反射信號與紅外特徵 由於發動機工作時產生的大量熱量 在紅外探測設備面前 戰機本身就像是一盞黑暗裡的明燈 而其中最亮的燈泡就是發動機噴口 紅外製導空空導彈最喜歡這種目標 即使不考慮發動機噴口釋放的熱量 發動機噴口自身開口外場的形狀以及內部構造複雜的零部件 都會對照射進來的雷達波形成強烈反射 這些問題都與傳統噴氣式戰機或許還顯得不是那麼重要 可一旦要是研製隱身戰機 如何通過優化發動機噴口設計來降低紅外輻射特徵 以及雷達反射面積就成了俄羅斯方面繞不開的問題 不過對於蘇霍伊公司而言 解決問題的方案呢其實並不難找 蘇57戰機的初始設計工作直到2002年才開始 而美國F22戰機在1997年就已經首飛了 其所使用的二元適量噴口已經亮相 可以說是將答案的最終面貌送到了俄羅斯面前 只是解題的過程呢還需要慢慢摸索 而蘇霍伊乾脆一次就準備了兩份答案 一份是量產型戰機上使用的圓形噴口 而另一份答案就是部分蘇57戰機早期原型機搭載的傾斜式二元適量噴口 就以近日在社交媒體上曝光的編號052戰機為例 其在左側安裝了傾斜式二元適量噴口 而右側發動機噴口仍然是傳統圓形 帶有明顯的實驗性質 而這架編號052的戰機正是蘇57的第二架原型機 最早名字就是T502 早在2017年12月 052原型機就作為蘇57M研發計劃的一部分 開始搭載產品30發動機 也就是AL51F1型發動機進行測試 測試新發動機不僅是為了追求動力改善 配套的新式發動機噴口也是重頭戲 根據公開資料 蘇57的新發動機噴嘴使用了IGV玻璃纖維塑料材質 噴嘴本身也做了鋸齒狀修邊 能夠像F22戰機的發動機噴口那樣減少戰機釋放的雷達與紅外信號 但細心的朋友都會發現 蘇57的新噴嘴與F22相比完全不是一回事 不論是052戰機近期流出的測試畫面 還是早期測試過程中展示的二元適量噴口 蘇57的發動機噴嘴都是傾斜狀 矩形噴口以內高外低的形式擺放 就像是一個八字寫在戰機的尾部 頗有些做鬼臉的感覺 其實這樣的設計也是俄羅斯工程師的無奈 大家都知道F22的二元適量噴口好在哪裡 卻很少留意相關設計的製造難點 首先 噴口裝置在幹預發動機排出氣流時需要承受極高的溫度 尤其是在發動機加力狀態下 F22發動機的尾焰溫度會急劇升高 直逼1700度大關 即便是使用鈦合金材料 也會在這樣的高溫環境下表現出活躍的化學性質 容易出現太火等麻煩情況 所謂太火現象 就是鈦合金在遭受劇烈衝擊 摩擦 以及其他非正常使用情景時 產生的損傷和燒毀情況 發動機一旦出現太火 對飛行安全就會構成不利影響 而鈦金屬本身的熔點也就是1668度 並不能滿足F22發動機噴口的所有性能需求 若轉而使用其他耐高溫特性更為出眾的合金 如鎳基合金等材料 又會造成噴口重量較大的短板 因此 俄羅斯方面想要跟緊F22 就需要在之前的量產型飛機基礎上 啟用更好的發動機噴口 機械結構與冷卻系統設計 更好的零部件重量平衡配置 以及更先進的濕量控制技術 才能完整的呈現二元濕量噴口的機動性與隱身性能優勢 要知道二元濕量噴管的內部溫度分佈並不均勻 尤其是在噴口的拐角處會出現熱硬粒集中的問題 如果材料工藝方面得不到突破 就只能在冷卻系統上補課了 我們能看到052號戰機的二元濕量噴口在邊緣位置上設置了許多近似小孔的設計 這有可能是通過引氣的方式來實現材料快速降溫 解決了高溫問題之後 就要去想辦法壓縮二元噴管的重量 由於二元發動機噴口的矩形橫截面是從發動機主題部分的圓形過渡而來的 等於是要在燃燒室的外圍部分再額外套上一個矩形噴管 如果沒有良好的結構設計與材料組合來控制噴管位置的重量 而對於俄羅斯方面而言呢 前兩個方面多少呢還能做點妥協 就算發動機噴口零部件壽命不高 後期維護與檢修工作量較大 只要不影響戰機的作戰性能就好 尤其是機動性 這是俄羅斯方面在宣傳蘇57時最看重的一點 其或許無法成為隱身性能最強的五代機 但一定要繼承蘇霍伊家族高機動性的傳統 也正是因為這種對於機動性的執念 蘇霍伊在二元噴口的基礎上又加入了自己的理解 才最終讓我們在蘇57身上看到了獨特的傾斜式噴口 其實在我們剛剛提到的二元適量噴口製造難點中 最讓俄羅斯方面顧慮的還是矩形噴口設計帶來的推力損失問題 由於矩形尾噴在某種程度上對於發動機本身的圓形橫截面進行了遮擋 再加上矩形噴管邊緣部分不可避免的略微漏氣現象 在加裝二元適量噴管之後 發動機的最大推力損失總是會比裝載圓形噴口時來的更多 對於美軍的F22戰機來說 一點多餘的推力損耗還算不上大問題 畢竟F22的噴口結構設計經過優化後已經能夠滿足戰機需求 而且美國的航空發動機技術本來就獨步全球 發動機性能穩定可靠 對於其他周邊設計的容錯率自然也就提高了 但俄軍方面對於蘇武器現在所使用的AL-41F1發動機並不滿意 首先是巡航燃油效率的問題 在亞音速飛行狀態下 現款發動機的燃油消耗量較大 燃油經濟性不佳 俄軍方一直在推動新款發動機的列裝 並且由於俄氣發動機一貫的不足 AL-41F1的運行壽命同樣不可觀 F22戰機搭載的F119PW-100發動機能夠實現12000小時左右的運行壽命 對於俄氣發動機而言 這幾乎是難以逾越的高峯 如果上述的這些問題還可以通過接受運行成本來忍耐 那麼AL-41F1的失量技術問題就是俄羅斯不得不在短時間內尋求改變的了 既然有助於提升隱身性能的二元失量噴口技術無法趕在第一批蘇武器量產之前列裝 那麼蘇霍伊至少還能為了保證蘇武器戰機的機動性去發展全向失量控制能力 這種做法倒其實也能夠理解 既然隱身性能作為短板無法突破 那就將機動性作為長板好好打造一番 正因如此 我們先前提到的那架編號為052的實驗機才會作為蘇武器M研發計劃的一部分 去搭載新款的AL-51F1和新二元失量噴口進行測試 新發動機的主要使命就是減重 節油 通過玻璃纖維塑料材質的應用 全權限數字發動機控制技術的介入 以及傾斜式的二元失量噴口設計來改善蘇武器戰機的機動性 而採用傾斜式設計的最大好處就是在兼顧了二元噴管隱身性能的同時 去接近圓形三元噴管的控制效果 這種傾斜噴口的設計思路就像是F117戰機使用微型垂尾 替代傳統平尾和垂尾那樣 用一種設計去兼顧兩種設計的能力 相較於F22的二元噴口 主要幫助進行上下俯仰和有限的滾轉操作 蘇武器的發動機傾斜噴口能夠通過四個獨立精益的張合來改變氣流橫截面 從而對戰機的偏轉和滾轉動作提供助力 讓發動機推力偏轉的方向不只侷限於上下兩側 在理想的狀態下 這種傾斜式噴口設計能夠讓二元噴口同時去兼顧三元噴口的多項偏轉能力 又不會失去矩形噴口的隱身優勢 似乎是一種完美的解決方案 不過細心的朋友看到這裡 想必也已經發現了 傾斜噴管是能夠多出側向偏轉力 沒錯 但噴口矩形始終是斜置的 會不可避免的帶來傾側力量 來影響戰鬥機的飛行穩定性 而且這種傾側力矩呢 還很難通過偏轉機翼舵面來抵消 然而氣動舵面的響應速度和精度肯定是遠不及十輛噴口的 因此蘇57後期呢 就需要另一側的發動機十輛噴口同步來偏轉 來抵消這種傾側力矩 我們看廠家放出的C級概念視頻也是這個意思 蘇霍伊正在研發一種特殊的發動機噴口 既能夠在接近發動機的位置進行同步上下偏轉 又能夠在接近噴口的位置進行同步左右偏轉 實現真正的隱身三元十輛噴口 只是啊 我們先不論蘇霍伊的研發是否能成功 就算真的能夠做到雙發動機噴口同步上下左右偏轉 也必然會帶來控制系統更加複雜 推力損失概率更大的新挑戰 因為抵消側傾力矩的同時 本身就會在損耗更多的發動機推力 因此052號實驗機的傾斜噴口究竟是否是一種成功的設計 還有待我們觀察 至於蘇武基噴口最終是能不能達到俄羅斯人想要的技術水平 蘇武器又能否在近五年實現戰鬥力的進一步躍升 也歡迎各位在評論區發表見解 我是大兵 我們下期節目再見