獨此一家，F-22為甚麼是方形噴口，其他戰機又為何都是原型？

瞭解過軍事的朋友或許聽說過這麼一個傳言 F22的二元試量噴口是美軍所有戰機中最失敗的設計 因爲二元機械試量噴管只能提供俯仰控制力矩 相比三元試量噴口確實有許多不足之處 但是如果二元試量噴口是失敗之作 美國的設計師們不知道嗎 怎麼可能將其安裝在首款五代機上面呢 今天大屏就來聊一聊二元試量噴口和三元試量噴口到底孰優孰劣 想弄清楚這個問題 我們還是要先簡單瞭解一下什麼是推理試量技術 所謂的推理試量技術是指飛機將其推理從發動機平行方向引向其他方向的技術 該技術除了能爲戰機提供垂直起降或短距起降能力外 還能在空戰中爲飛機提供額外的機動能力 一般用可以轉動的向量噴嘴或者是擾流片來實現 飛行物體的推力是一種有強弱與方向的動量 而此種含強度與方向的動量即稱爲向量 舊型飛行器如飛機導彈的推力因爲受限於傳統推進器噴嘴的限制 使噴射氣流只能與飛行器中軸成平行 並靠着反作用力使飛行器往正前方移動 而無法變換方向 但隨着現代航空科技的發展 向量推力技術 即使利用控制推進器噴嘴偏轉而達到改變噴射氣流方向 並進而使向量改變 這種可以調整向量的技術就稱爲向量推力控制 這種推進方式統稱爲實量噴嘴 目前設計中或已經問世的五代機多軍採用此種新技術 爲裝設失量噴嘴的飛行器與裝設的飛行器相比 前者因爲推力與中軸線平行 因此推力僅能提供向前的加速力 若強行進行高弓腳動作則會使總推力無法平衡 造成失速 反觀採用失量噴嘴的飛行器則能夠透過噴嘴的偏轉使部分推力方向改變 進而控制飛行器的姿態 使飛行器的面對角度可以與前進方向不同 透過持續控制並微調失量噴嘴的方式使推力不通過飛行器的重心 飛行器可以進行低速率高弓腳 這類在傳統推力方式下必定失速墜毀的高暖度動作 失量噴嘴能夠提供持續足夠的平衡推力 只要機翼呢還有足夠的生力便可維持可受控制的失速飛行 同時 失量噴嘴亦可在起降時提供額外的向下推力 使飛機具備短距起降 甚至是垂直起降能力 失量噴嘴提供了飛機高弓腳與可控制的失速後動作 使飛機有極大的空戰優勢 例如航空界著名的眼鏡蛇動作等高超難度動作 皆可運用適當的控制失量噴嘴 而較爲容易的達成 以往飛行器要進行大角度轉向 甚至是閃避動作時 需要以高速轉彎 而這會造成過大的紀律 運用失量噴嘴即可在較短時間與較低速度完成 所造成的紀律也較低 失量噴嘴能提高空氣動力學效應 相對的可以使主翼及尾翼小型化 機體總重量因此能降低 翼面縮小即代表雷達反射面積縮小 使得逆蹤性提高 而採用失量噴嘴的導彈也因不需要考慮軌道轉角問題 還可以採用垂直髮射 減少發射器所佔空間並增加隱匿性 可能這麼說啊 大家聽得有點繞 我們以美軍的實戰數據爲例 在1993年11月到1994年年底 美軍在X31與F18之間進行了一系列的模擬空戰 在X31不使用推力失量技術的情況下 與F18同向並行開始空中格鬥 在16次交戰中 F18贏了12次 而在X31使用推力失量技術的情況下 在雙方的66次交戰中 X31贏了64次 此外 美國還在F14和F18上分別安裝摺流板進行了實驗 經過以上一系列實驗的產物 便是裝備了二元矩形失量噴口的F22猛禽 F22發動機的矩形尾噴口在術語上被稱作爲二元失量噴管 關於F22的矩形噴口 時常有人認爲它的推力損失較大 在這方面 美國做過大量的風動實驗 結果顯示 在低速情況下 矩形和圓形噴口的有效推力只差了2% 另外 矩形噴口相較於圓形噴口增重較多 再加上噴口位置離飛機置心較遠 很容易讓重心產生較大的後移 導致抬頭過敏 對飛控造成更多挑戰 這裏大兵需要稍微補充一下 大兵在上面所說的圓形噴口並不是全向失量噴口 大兵會在後面逐一說明 這個時候呢 可能有朋友會認爲啊 所謂的二元失量噴管 是指戰機的失量噴口能夠在垂直方向上進行上下轉動 而三元失量噴管呢 指的是戰機的失量噴口可以在上下左右全方向的偏轉 其實這個觀點並不正確 大家需要知道 圓形失量噴管之所以叫三元噴管 是因爲不論它能不能偏轉 發動機噴管裏面的氣流都是三元流 而二元失量噴管呢 由於它的截面積不是圓的 而是矩形 因此發動機排氣管理的氣流是二元流 所以不要將兩者理解爲二元只能上下偏 三元卻能上下左右全方向偏轉 而一般意義上的二元噴管和三元噴管 一般來講呢都是不偏轉的 不過也有一部分戰鬥機配備了可以偏轉的二元推力失量噴管 或者三元推力失量噴管 聽到這裏啊 大家有沒有被繞暈呢 其實簡單來說 三元二元實際上講的是流場 而不是講的發動機噴流的方向 那麼這個時候可能各位又要有疑問了 那麼只有發動機噴管發生偏轉才能讓飛機產生推力失量的力矩嗎 其實並不一定 讓戰機噴出的噴流發生某一個角度的偏轉就可以產生推力失量力矩 比如說早期的導彈 它的噴管呢就是不進行偏轉的 但在導彈的尾噴管裏面有幾個控制軸面 也就是常說的燃氣垛 靠燃氣垛的偏轉導致排出的噴流發生一定的傾斜 最終爲導彈提供一個很強的操作力矩 除此之外 由於F22強調大推重比 短機身 低轉動慣量 再加上較大的噴口偏轉角度和推力系數 使其能達成自身的俯仰軸機動優勢的最大化 根據美國一系列風動實驗的結果 當推力失量大幅度偏轉時 其引射效應會產生很大的增生 偏角更大的二元噴口能獲得更好的增生 這使得F22做超常規機動時的高度損失很小 在這方面呢 它的噴口設計是功不可沒 由於二元噴口只有俯仰軸的操縱性 而某些圓形噴口卻有着偏航軸操縱性 因此一些軍事迷呢 據此宣稱二元噴口無法改善戰機的水平機動性 大兵是很不理解這個流傳甚廣的說法 因爲戰機水平轉彎都側着機身 期間呢 剛好是俯仰軸的失量協助轉彎 上面的說法應該對應的是不拉坡度 直接偏航迴轉 這其實對應了兩種轉彎的方式 兩者相比呢也是各有優缺點 首先從氣動力來看 大坡度轉彎時協助轉彎的氣動力呢是基於生力導致的向心力 而無坡度轉彎時協助轉彎的氣動力則是機身和垂尾整體的側力 一般情況下 前者是大於後者 也會導致更高的加速度和位移 其次 從推力失量作用效果來說呢 大坡度轉彎時起作用的是俯仰軸失量 偏角可達15-20度 而無坡度轉彎時起作用的是偏航軸失量 偏角爲5-8度 前者能更充分的利用偏轉力矩 最後 從進入範圍來看 大坡度轉彎需要進入速度不低於失速速度 不然呢 就會因爲失速導致側滑 零坡度轉彎雖然沒有最小的速度限制 卻有着最大的速度限制 也就是導致戰機承受的側力的能力遠小於承受升力 也就是說上述說法是根本經不起推敲的 至於F22爲何使用二元噴口 大家接着往下看就明白了 自從F22猛禽誕生以來 一直有人指責它的二元噴口具有隱身缺陷 關於這一點呢 其實二元噴口的隱身缺陷只是槍體反射 實際上採用該噴口反而讓F22的後體設計更爲平滑 減少了曲面反射 除非從後方照射 不然在其他角度來看會比其他隱身戰機更爲隱身 而對於槍體反射呢 洛馬也知道這一問題 並且通過修改儘可能降低了槍體反射 此外呢 該噴口內還加了一個格棧 能夠防止雷達波直射葉片進一步吸收槍體反射 值得注意的是 二元適量噴口在紅外隱身方面有着很大優勢 可以說是全面優於圓形噴口 大家畫一個圓和長方形的就能看出 在相同面積下 長方形邊長更長 也就是說同等尾焰體積 二元矩形噴口表面積更大散熱更快 再加上普惠f119發動機能將中心高溫氣流與旁通氣流混合 大幅度降低了巡航狀態下的噴氣紅外特徵 而尾噴管理還裝有液態彈槽 能在短時間內降低噴口處高溫噴流的溫度 以此讓f22在被紅外製導導彈追蹤時有着遠超同類戰機的瞬間紅外隱身能力 再配合戰機的熱誘彈能最大程度削弱紅外導彈的攻擊能力 此外 外試量噴口還有一個能力 能在主義失速的情況下提供操縱力矩 使戰機在做過失速機動過程中仍然可控 而此前蘇27的眼鏡蛇動作被認爲是一種可預期的非控制機動 因爲它在迅速減速和改變機頭指向的過程中並不能控制機頭俯仰 只能預期 因此很多人認爲沒用 而f22的這型機動的則是全程可控的 機動期間的能通過試量噴口控制俯仰 也就是說在真實空戰中做類似失速動作時 f22機頭呢不僅指向改變的快 它還能控制使其指向敵機更具有實戰意義 另外 雖然在機動中很少需要戰機直接水平轉向 但如果真的有需要的話 f22能通過飛火推一體化飛控條件 起到類似的效果 綜上所述 矩形相較於圓形噴口 在某些方面確實有着後者所不具備的優勢 美國之所以讓f22使用二元失量噴口 就是因爲有那個實力 畢竟二戰結束之後 在航空發動機領域 美國一直都是世界領先的水平 再加上當時設計f22時追求極致的空優和隱身能力 因此二元失量噴口就成了最優選 總的來說 二元失量噴管在隱身方面呢 具有極大優勢 在雷達隱身方面 矩形的二元失量噴管 可以產生平行效應 將雷達波散射到其他非重要方向 以降低戰鬥機雷達反射節面積 再者 二元噴管在紅外隱身方面的優勢也比較明顯 矩形噴出的氣流更容易與外界冷空氣進行快速摻混 從而迅速降低溫度 減少紅外特徵 有資料表明 爲了在遭受紅外製導導彈追擊的時候 仍能夠安然脫身 f22上安裝了兩個液氮儲存和釋放裝置 可以在瞬間將液氮噴入發動機的尾流中 從而實現快速降溫 消除紅外輻射信號 使得紅外製導導彈失去跟蹤 最後 二元矩形失量噴管在飛機一體化設計上有一定的優勢 因爲現代的重型機普遍機身扁平 與矩形噴管較爲容易融合 延伸的尾噴口呢 也可以對整機形成一種兩頭肩的外形 從而減少整機的阻力 起到優化綜合減阻的效果 這種氣動減阻的獨特特性是三元軸對稱噴管所不具備的 好了 今天視頻到這裏就結束了 喜歡的朋友請點贊關注 我是大賓 我們下期再見 最近 美國總統特朗普在華盛頓號航母上演講時 語不驚人死不休 說既然電子彈射那麼難造 就讓福特級航母改回蒸汽彈射就好了 此話一出啊 引起軍迷一片譁然 看來美軍航母是要大踏步逃退了 可能有人會提出這樣的問題啊 爲什麼二戰時期的航母艦載機不需要彈射就能順利離艦 而到今天呢 美國的航母卻沒有彈射器 就只能淪爲直升機航母呢 本期視頻我們就簡單講一講自航母誕生以來 艦載機的起飛方式的演變 也分析一下福特級航母還有別的選擇嗎 1903年 美國人萊特兄弟造出了世界上第一架飛機 飛行者一號 同時也奠定了飛機的基本飛行原理 即由發動機提供向前的推力或者是拉力 通過空氣流動機翼上下表面形成壓力差 進而產生向上的升力實現起飛 一百多年過去了 這一飛行原理呢並沒有變 所以任何飛機在不同起飛重量下都有最低的起飛速度 反過來 有要求機場必須有足夠長的跑道 這樣戰機想要在軍艦上起飛 也需要足夠長的滑跑距離來達到最低的起飛速度 不過 從1910年第一架飛機從改裝後的巡洋艦上起飛 到二次大戰結束 各國航母的艦載機幾乎都是自行起飛的 這首先是因爲當時螺旋槳戰機普遍重量輕 起飛速度低 而且當航母以30節的高速逆風行駛時 艦載機的實際呢相對於母艦的起飛速度會降到在陸地上起飛時的一半 而根據物理學定律 當直線雲加速運動的初速度爲零時 末速度的平方等於兩倍的加速度乘以位移 這樣末速度降爲原來一半時 艦載機只需要相當於地面機場四分之一的跑道長度就能達到起飛速度 此外 螺旋槳動力飛機天生就具備短距起飛的優勢 因爲無論是活塞式發動機還是渦輪螺旋槳發動機 輸出的都是恆定功率 而功率等於力與速度的乘積 當螺旋槳艦載機在航母上加速起飛時 加速度恰好達到最大峯值 故而能在較短的距離達到了起飛速度 這也是二戰時期美軍航母上的艦載機起飛重量由戰前的三噸增加到戰爭末期的七噸 其起飛距離幾乎不變的奧祕 然而噴氣式艦載機上艦的一切就變了 無論是1950年代還是今天的噴氣式發動機 其提供的都是恆定推力 故而噴氣式戰鬥機在高速飛行狀態時仍能繼續加速 故而能突破因素 但反過來 在起飛時 其推力相對於自身的重量反而比不上螺旋槳艦載機 此外呢 爲了能飛得更快 噴氣式艦載機普遍採用了大後掠角 後掠翼或者是三角形機翼 機翼厚度也比螺旋槳艦載機更薄 這就意味着即使起飛重量相同 噴氣式戰機起飛速度更高 起飛距離自然就更長了 而今天呢 美國尼米茲級航母和福特級航母長度是不超過340米 而超級大黃蜂和F35C最小起飛距離都超過了400米 這樣艦載機是無法自主起飛的 必須藉助新的技術手段 神奇的是 1920年代早期的彈射器就已經誕生了 原理簡單說就是個大彈鉤 當時海軍列強爲了能在戰列艦或者是重巡洋艦上運用水上飛機 開發出了採用壓縮空氣或者火藥爲動力的彈射器 這樣戰艦行駛時就能放飛水上飛機 返航時才需要其落在戰艦附近的水面上 再由戰艦上的起重機去調回回收即可 而日軍爲了能在潛艇上使用水上飛機 也在許多潛艇的前甲板上安裝了空氣動力彈射器 1943年 美軍爲了能讓護航航母也能正常的運用大型艦載機 而開發出了液壓彈射器 原理呢 是由高壓空氣驅動液壓油 液壓油在推動油缸中的活塞 活塞通過拖棱帶着艦載機起飛 比如H2型彈射器可以將5噸重的戰機在22 2米內加速到每小時113公里 但是由於其功率太低 在高速的主力航母上 艦載機使用彈射器起飛 反而不如讓其自行起飛更加合算 因此 大家的印象中二戰各國艦載機都是自行離艦 二戰之後 美國和英國都絞盡腦汁研究如何讓噴氣式艦載機上艦 美國在改造埃塞克斯級航母時安裝了兩臺更強勁的H8型液壓彈射器 在1949年開工的合衆國號航母上竟然安裝了多達四臺液壓彈射器 但是液壓彈射器沒有熱能與機械能轉換 導致其功率上限偏低 無法適應艦載機重型化的需求 英國人則根據蒸汽機的原理開發了蒸汽彈射器 在1950年的英先座號航母上安裝了一臺BSX1型實驗型蒸汽彈射器 之後發展爲動力形成31.4米的BS4型彈射器 可以將13.61噸的艦載機加速到每小時174公里 很快 美國也引進了蒸汽彈射器 並造出了國產版本的C10型彈射器 之後又發展出了長68.6米的C11型 用於改造二戰時期的航母 而1956年開始建造的弗萊斯特級航母安裝了長80.5米的C13型彈射器 之後又發展出了擴大氣缸直徑的C131型 當尼米茲級航母服役時 安裝的是動力形成增加到99米的C132型 其在電磁彈射器誕生之前是唯一可以讓30噸的艦載機在兩秒內加速到每小時近300公里 從而在甲板封爲零時仍能放飛戰機的彈射器 而爲法國戴高樂號航母專門定製的C133彈射器形成縮短到了75米 英國在1950年代只搞出了BS5型彈射器 在皇家方舟號航母上 艦手安裝了一部46米長的BS5型 左舷則安裝了一部60.7米長的BS5 同時賣給了法國海軍四條46米長的BS5 安裝在兩艘克萊蒙梭級航母上 之後由於英國常規航母的退役 美國就成了唯一能夠生產和維護蒸汽彈射器的國家了 但是蒸汽彈射器固有的缺陷也不可忽視 工作介質是高溫高壓蒸汽 故而體積重量巨大 結構複雜 維護工時長 而且熱效率不超過7% 每彈射一架艦載機就需要消耗半噸的彈水 而且由於混入了潤滑油而無法二次利用 更要命的是 蒸汽彈射器無法根據艦載機重量和速度靈活調整彈射能量 很容易對輕型艦載機造成傷害 相比之下 電磁彈射器就相當於一部直線運動的電動機 沒有複雜的蒸汽線管路 重量更輕 維護也更容易 故而美國海軍在設計福特級航母時堅持要求安裝新一代電磁彈射器 這不僅是因爲福特級航母能夠提供三倍於尼米茲的電能 同時電磁彈射器上可以當重量僅數噸的艦載無人機上艦 如果美國真的放棄了電磁彈射 那麼許多艦載無人機計劃就只能取消了 如果一艘航母沒有彈射器就不能起飛艦載機了嗎 許多人會想到一個終極解決方案 那就是讓飛機垂直起飛 況且美國現在就有F35B垂直起降戰機 早在二戰末期 德國工程師就試圖搞出可以擺脫跑道的束縛 靠本身動力垂直起飛的戰機 冷戰開始後 由於美蘇雙方都想在開戰之初用核彈消滅對方的機場 於是垂直起降戰機達到了研發高峯 然而經過近30年的工程實驗 各國航空工程師沮喪的發現 想要一架有戰鬥力的飛機垂直起降的代價太高了 要麼在機身內安裝多臺發動機之後就淪爲了死衆的生力發動機 要麼安裝可以轉換推力噴氣發動機 導致飛行控制系統異常複雜 至於西方陣營最後呢只搞出來了鑰匙 和其美國的表兄AV8B 蘇聯也只搞出來了個雅克38 而且三款呢都是亞音速的輕型攻擊機 而雅克38的發展型可以超音速飛行的雅克141遇到了嚴重的可靠性問題 該機在1991年10月5號在航母上測試時突然失控墜毀 蘇聯解體後俄羅斯持續衰敗 再也就沒有搞過垂直起降戰機了 直到1996年美國提出搞三軍聯合戰鬥機 海軍陸戰隊要求其子型號必須能垂直起降 以取代越來越老的AV8B纔有了今天的F35B戰鬥機 然而 儘管F35B整體設計和發動機與空軍型的F35B 海軍常規起降型的F35C幾乎相同 但是戰鬥力仍然和另外兩款是存在巨大差距 首先 由於F35B增加了一個生力風扇 導致其載油量比F35C少了2855千克 常規起飛模式下 活動半徑也偏小 儘管F35B最大起飛重量可達27噸 但在垂直起飛狀態下 其F135發動機的主噴口 勝利風扇和兩個輔助噴口加起來也就只能提供17.2噸的垂直生力 而其機身空重就有14.7噸 這樣在垂直起飛狀態下 哪怕只攜帶兩枚響尾蛇導彈 也只能再加註兩噸燃油 實戰價值是幾乎爲零了 所以除了飛行表演 F35B很少進行垂直起飛 而是需要滑躍起飛 那麼有沒有一種辦法能夠用最小的技術代價縮短艦載機的起飛距離呢 那就是最後出現的滑躍起飛 1973年 英國海軍泰勒中校在觀察航母上常規艦載機起飛時 發現由於英制彈射器功率不足 艦載機離艦後幾乎都會先下墜後爬升 他就想 如果能夠在航母甲板最前端加一個斜坡 讓艦載機以一定仰角起飛就能變相增加起飛跑道的長度 部分起到彈射器的效能 而英國海軍很想解決要是腿短的問題 於是在1980年 在競技神號航母前端設置了一塊 經過反覆實驗證明 在起飛距離不變的情況下 滑躍起飛可使戰機的載重增加20% 或者載重不變情況下讓起飛距離減少60% 從而讓鑰匙成爲能堪用的艦載機 之後的英國無敵級航母 意大利的加里波蒂號航母 西班牙的阿斯圖里亞斯王子號航母 泰國的納旅貝特號航母到今天的伊麗莎白女王級航母 意大利的加富二號航母 乃至西班牙卡洛斯一號兩棲攻擊艦 澳大利亞的堪培拉級兩棲攻擊艦都在艦手設置了滑躍甲板 一共AV8B或者F35B滑躍起飛 而英國人這一技術的創舉也影響到了遲遲搞不出蒸汽彈射器的蘇聯人 1980年 蘇聯人呢 通過大量測試證明具備大推重筆和高升力系數的蘇27和米格29戰機 藉助於滑躍甲板可以在200米距離內起飛 於是 在1982年開工 1990年正式交付的庫茲涅佐夫號航母上 其艦手爲60米長的12度滑躍甲板 同時設置了兩個105米的長跑道 共蘇33在滯空狀態下起飛的短起飛點和一個195米長跑道 共蘇33在滿載狀態下起飛的長起飛點 在今天的印度海軍自購的俄羅斯的維克拉瑪迪亞號航母和其自行建造的維克蘭特號航母上 米格29K艦載機也是滑躍起飛 然後美國艦載機那樣通過阻攔索短距離內降落 不過 美國海軍對滑躍起飛方式呢 卻沒有多大興趣 儘管在1980年代 他們也證明了湯姆貓和大黃蜂是具備滑躍起飛能力 但如果認爲美國8萬噸級航母改用這樣的起飛方式 那麼由於艦載機的起飛距離被延長了 滑躍甲板又無法停放艦載機 會導致航母艦載機數量和出動能力大幅下降 況且 滑躍起飛方式不適合推重比較低的戰機 也做不到無甲板封情況下正常放飛艦載機 不過 如果美國接下來搞不定電磁彈射 又無法恢復因爲巴威公司破產而已經喪失的蒸汽彈射器製造能力 那倒也不妨效仿英國航母在福特級航母上增加滑躍甲板 以該艦332米的長度足夠讓F35B以最大起飛重量起飛 或者F35C以滯空狀態起飛 這總比讓其淪爲直升機母艦要好得多吧 那麼屏幕前的各位朋友 你們認爲美國航母會重回蒸汽彈射時代嗎 請在評論區打出來 我是大胖兵 我們下期節目再見