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具 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 什麼是推力試量技術 所謂的推力試量技術 是指飛機將其推力從發動機平行方向 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 即是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施量噴嘴 目前設計中或已經問世的五代機多軍採用此種新技術 爲裝設施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 若強行進行高弓角動作則會使總推力無法平衡造成失速 反觀採用施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施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角 這類在傳統推力方式下必定失速墜毀的高暖度動作 施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 同時施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 施量噴嘴提供了飛機高弓角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施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幾率 運用施量噴嘴即可在較短時間與較低速度完成 所造成的幾率也較低 施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 而採用施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X-31與F-18之間進行了一系列的模擬空戰 在X-31不使用推力施量技術的情況下 與F-18同向並行開始空中格鬥 在16次交戰中F-18贏了12次 而在X-31使用推力施量技術的情況下 在雙方的66次交戰中 X-31贏了64次 此外美國還在F-14和F-18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施量噴口的F-22猛禽 F-22發動機的矩形尾噴口在術語上 被稱作爲二元施量噴管 關於F-22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洞實驗 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 並不是全向施量噴口 大兵會在後面逐一說明 這個時候可能有朋友會認爲 所謂的二元施量噴管 是指戰機的施量噴口 能夠在垂直方向上進行上下轉動 而三元施量噴管指的是戰機的施量噴口 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 圓形施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 而二元施量噴管由於它的截面積 不是圓的而是矩形 因此發動機排氣管裏的氣流 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 一般來講的都是不偏轉的 不過也有一部分戰鬥機 配備了可以偏轉的二元推力施量噴管 或者三元推力施量噴管 聽到這裏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施量的力矩嗎 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 推力施量力矩 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 也就是常說的燃氣舵 靠燃氣舵的偏轉 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 當推力施量大幅度偏轉時 其影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做超常規機動式的高度損失很小 在這方面的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 期間剛好是俯仰軸的施量協助轉彎 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是機翼升力導致的向心力 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 其次從推力施量作用效果來說呢 大坡度轉彎時起作用的是俯仰軸施量 偏角可達15到20度 而無坡度轉彎時起作用的是偏航軸施量 偏角爲5到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的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 外施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 機動期間的能通過失量噴口控制俯仰 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界面積 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