美俄五代機尾噴管各有千秋,誰的更優秀

09-12

F-22 和蘇 -57 作為美俄兩國研發的第五代戰機,均有超機動能力,但實現超機動的方案卻有所不同。一個巨大區別就是尾噴管設計,F-22 采取的是矩形尾噴管,而蘇 -57 采取的圓形尾噴管,用飛機設計專業學術語言描述則是前者為二元矢量噴管,後者為軸對稱矢量噴管,那麼哪種噴管更好一些呢?

軸對稱噴管按照運動機構劃分可歸結為兩類:一是噴管整體偏轉的萬向接頭式,這種噴管就是蘇 -57 采取的方案,俄羅斯在蘇 -37 上率先試驗成功後開始運用於五代機計劃。另外一類是噴管擴散偏轉式,這種噴管在 F-100 戰機上被使用。總體來說,整體偏轉式矢量噴管結構變更比較少,但在全方位做矢量機動時需要的空間比較大,而與之相比,噴管擴散段偏轉式所需要的運動空間較少,但機構相對較為復雜。

而二維矢量噴管可分為三類:隻有內膨脹的二維收斂——擴散(就是噴管管道直徑先變小在變大)噴管;單膨脹板式二維矢量噴管;塞式二維噴管。其中第一種二維收斂——擴散式噴管就是 F-22 上所用的噴管。

兩種噴管的綜合評價可歸結如下:

二維矢量噴管因構造為矩形,而航空發動機整體為圓形,因此必須要有一個過渡帶,這使得噴管向機身外延長較大,在空氣中的浸潤面積增大,摩擦和空氣冷卻會造成推力損失,數值大約為軸對稱噴管的 1.5 倍。

二維噴管和軸對稱噴管都會產生漏氣現象,但漏氣損失相當,均為最大推力的 1% 左右。航空發動機噴管工作時一般都會產生過高現象,如不冷卻,可能導致材料變形,蠕變,必須采取冷卻措施,一般使用高壓冷氣,而二維噴管相對來說需要的冷氣更多,約為軸對稱矢量噴管的 2 倍左右。此外,二維噴管的重量也會因為構造較多而增加,一般是軸對稱噴管的 1.5 倍。

但二維噴管也尤其優勢所在:一是二維矢量噴管的推力矢量結構比較簡單,比較容易實現反推力,這在超機動中會起到一定的作用。二是二維矢量噴管有利於實現後機身和噴管一體化設計,實現平滑過渡。

三是二維矢量噴管的有效推力在不開加力的情況下,在飛行速度位於亞音速時,與軸對稱噴管相當。但隨著速度的增加,特別是超音速狀態下,二維矢量噴管的有效推力要比軸對稱噴管低 1% 到 3% 左右。一般噴管選型時並無一個硬性規定,必須從飛機的總體佈局、控制、性能要求和結構重量。工藝程度幾個方面選擇。

所以說綜合來看,蘇 -57 的軸對稱矢量噴管就能使其機動性超越 F-22。當然,這是在 F-119 發動機和 SaturnAL-41F1 單臺推力在一個水平的前提下。

二維矢量噴管的設計和使用較軸對稱噴管更為復雜,這是因為二維噴管的寬度和高度之比會影響隱身性能和推力性能,也影響整個發動機的全重,而軸對稱噴管則不存在這一問題。二維噴管的擴散調節板切角會對推力產生一定的影響,但損失較小,可以有效利用這種特性減少調節板的冷卻面積和結構重量,但軸對稱噴管則完全不存在這一問題。那麼為何 F-22 非要采取這種技術復雜卻又影響機動性的設計呢?答案也很簡單,為瞭隱身。

軸對稱噴管完全將發動機渦輪暴露在敵人雷達波照射之下,會形成一個超強的周期性 RCS 輻射源,令後部隱身能力幾乎等於大型飛機,更談不上隱身瞭。而二維噴管則利用矩形設計中的擴散調節板遮擋瞭大多數渦輪,雷達波無法形成直射,因為後部隱身就會較好一些,如再使用塗敷隱身塗層、S 型發動機噴管等措施,能讓後部實現完全隱身。此外,由於二維噴管有利於實現機身噴管一體化設計,進而讓機身和噴管之間的縫隙減少,過渡平滑,對於減少飛機整體 RCS 也是大有裨益。

飛機的隱身還包括紅外隱身,該隱身的控制關鍵在溫度,軸對稱矢量噴管直接將高溫氣體噴射出去,由於在空氣中的浸潤面積較小,冷卻難度較大。而二維矢量噴管在空氣中的浸潤面積大,二維結構將高溫氣體與空氣接觸的面積增大,冷卻難度較小。

綜上所述,蘇 -57 和 F-22 采取瞭不同的設計思路,蘇 -57 就是一貫的俄制超機動,一切設計圍繞該目標,變態到任何人都不可能超越。而 F-22 則強調隱身,航電,超機動隻是預備手段。

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