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美俄五代機尾噴管各有千秋,究竟誰的設計更加優秀

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採取的是矩形尾噴管, 而蘇-57採取的圓形尾噴管, 用飛機設計專業學術語言描述則是前者為二元向量噴管, 後者為軸對稱向量噴管, 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採取的方案, 俄羅斯在蘇-37上率先試驗成功後開始運用於五代機計畫。 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, 整體偏轉式向量噴管結構變更比較少, 但在全方位做向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, 但機構相對較為複雜。

而二維向量噴管可分為三類:只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;單膨脹板式二維向量噴管;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:

二維向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, 必須採取冷卻措施, 一般使用高壓冷氣, 而二維噴管相對來說需要的冷氣更多, 約為軸對稱向量噴管的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:一是二維向量噴管的推力向量結構比較簡單, 比較容易實現反推力, 這在超機動中會起到一定的作用。 二是二維向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。

三是二維向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, 二維向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的軸對稱向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單台推力在一個水準的前提下。

二維向量噴管的設計和使用較軸對稱噴管更為複雜,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非要採取這種技術複雜卻又影響機動性的設計呢?答案也很簡單,為了隱身。

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,會形成一個超強的週期性RCS輻射源,令後部隱身能力幾乎等於大型飛機,更談不上隱身了。而二維噴管則利用矩形設計中的擴散調節板遮擋了大多數渦輪,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,軸對稱向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。而二維向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採取了不同的設計思路,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,超機動只是預備手段。

全文完,謝謝閱讀。

二維向量噴管的設計和使用較軸對稱噴管更為複雜,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非要採取這種技術複雜卻又影響機動性的設計呢?答案也很簡單,為了隱身。

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,會形成一個超強的週期性RCS輻射源,令後部隱身能力幾乎等於大型飛機,更談不上隱身了。而二維噴管則利用矩形設計中的擴散調節板遮擋了大多數渦輪,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,軸對稱向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。而二維向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採取了不同的設計思路,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,超機動只是預備手段。

全文完,謝謝閱讀。

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