无果之花——也来说说日本的ATD-X心神隐身验证机的折流 ...

       自从日本的ATD-X心神隐身验证机视频曝光以来，大家一时间的的焦点都聚集在其发动机喷口上的使用的折流板上面。虽然视频中的发动机喷口一直用马赛克遮挡，但是我们通过分析视频中的画面，仍然可以一窥ATD-X心神隐身验证机发动机喷口的庐山真面目。那么所谓的折流板是什么高新技术呢？








       一般来说，折流板方案是在飞机的机尾罩外侧加装3或4块可作向内、向外径向转动的尾板，靠尾板的转向来改变飞机尾气流的方向，实现推力矢量的机动。这种方案是多种推力矢量技术中出现得最早的。结构最简单，而且成本低，改进难度也最少。是最早实现实用化的推力矢量控制方式。

ATD-X心神隐身验证机的折流板方案

美国的X-31A发动机尾喷口，ATD-X心神隐身验证机的尾部外形和折流板安装位置与其基本一样。


      折流板方案可不是什么新鲜事物，更不是日本人的发明。早在70年代中期，德国MBB公司的飞机设计师沃尔夫岗•赫尔伯斯提出利用控制发动机尾喷流的方向来提高飞机的机动能力。1985年美国国防预研局和MBB公司联合进行了可行性研究，美国在F-15STOL/MTD、F-16MHTV和F／A一18 HARV等机型上分别安装折流板进行了试验。1990年，美国Rockwell公司、Boeing公司和德国MBB公司共同研制了在发动机尾喷口装有可改变推力方向的3块碳纤维复合材料导流片的验证机X-31A。



     折流板方案的特点是发动机无需做任何改装，适于在现役飞机上进行试验。其优点是结构简单，成本较低，作为试验研究有一定价值。折流板不仅能向右向上向下转动，还能扩大和缩小喷射口径，以实现飞机机翼舵面满舵的情况下再利用发动机增加转舵量，从而达到更高的机动能力！比较特别的是“心神”的矢量折流板带有锯齿，是为了降低雷达探测性而设计的。




      但是这种方案有较大的死重和外廓尺寸，推力矢量工作时效率过低，对隐身和超音速巡航不利，而这两个恰恰是现第4代作战飞机最基本的两个特点。因此折流板仅作为发展推力矢量技术的一种试验验证方案而没有推广使用，除了用于技术验证机，现有的实用作战飞机都没有采用这个方案，例如美国的F22和F35，俄罗斯的SU30MKI、SU35、T50等等机型都没有采用折流板方案，而是纷纷采用二元矢量喷管和轴对称矢量喷管等方案，而且都在研究更为先进流场推力矢量喷管。这足以说明折流板方案具有较大的缺陷和性能的落后。因此这也反映了ATD-X心神更多是进行新型气动、飞控及发动机控制等相关系统一体化的研究和探索，距离实用还有很长的一段距离。

     采用折流板方案典型代表就是美国空军的X-31A技术验证机。下面我们通过分析  X-31A来说明为什么折流板方案不具有实用性。




      X-31A的发动机最具特点的就是折流板矢量喷口，3块碳一碳纤维复合材料制造的导流叶片绕发动机喷口尾部，并呈圆周对称配置，每枚导流叶片的受高温区都包敷着碳化硅面层，且均由单独的作动装置驱动。而且还是和可动前翼打包使用的。通过偏转导流叶片的角度来提供俯仰和偏航所需的控制力。

  


       每片导流叶片其所最大偏转角度为35度，折流板矢量喷管不像二维和三维推力矢量喷管那样包覆住喷流，因而在大多数情况下最大只能将气流方向改变15度，而在某些低能量状态以及发动机尾喷口面积较小的情况下气流改变还达不到15度。

日本的XF5-1发动机

注意发动机喷口面积


发动机机体与人体的大小比较



       折流板推力矢量控制方式的缺点是相当明显的，首先它的导流叶片在同时偏转一定角度以上可能发生相互碰撞，因而必须在控制软件中做适当的预先设置，这会导致该机推力矢量的控制律和与飞行控制系统的结合相当复杂。



       其次是导流叶片的材料导致的使用能力问题，X-31A的折流板内偏5度仅仅10秒后就必须外转10度冷却15秒才能再次使用，否则会造成导流叶片过热损坏。



       再次就是付出结构死重的代价过大，除了折流板导流片本身的重量外，还要加上每块导流片相应的伺服机构和动作筒等等重量外，还要在发动机上增加1块加强框，以固定在发动机机体上，另外一条加强框则直接固定在飞机机体上。不然折流板无法承受发动机喷口的改变气流时的作用力。据粗略估计一套折流板至少要增加150公斤左右的重量，ATD-X心神隐身验证机2套相加就要付出300公斤左右的结构死重。
改变


        最后是折流板式偏折喷口的固有缺点——推力损失问题，由于折流板不具有密封性，容易形成气流泄露，加上折流板偏转阻挡气流形成的反推力作用，所以造成严重推力损失。有资料称X-31A在导流叶片的偏转角度超过10度时推力开始明显损失，偏转至25度时推力将损失700千克力左右。可以想象的是ATD-X心神的2台XF5-1的5吨小推，如果总共损失1400千克力是什么情况？

注意尾喷的气流



综上所述，日本在ATD-X心神隐身验证机上采用的折流板方案，反映出日本在发动机和推力矢量技术研究中薄弱，是一种技术选择上的无奈之举。ATD-X“心神”隐身验证机过小的机体和粗糙的隐身细节处理，以及折流板方案的选择等方方面面充分说明了在这样的飞机上是很难实现验证第4代战斗机所需全部技术。ATD-X“心神”注定永远是无果之花。

       自从日本的ATD-X心神隐身验证机视频曝光以来，大家一时间的的焦点都聚集在其发动机喷口上的使用的折流板上面。虽然视频中的发动机喷口一直用马赛克遮挡，但是我们通过分析视频中的画面，仍然可以一窥ATD-X心神隐身验证机发动机喷口的庐山真面目。那么所谓的折流板是什么高新技术呢？








       一般来说，折流板方案是在飞机的机尾罩外侧加装3或4块可作向内、向外径向转动的尾板，靠尾板的转向来改变飞机尾气流的方向，实现推力矢量的机动。这种方案是多种推力矢量技术中出现得最早的。结构最简单，而且成本低，改进难度也最少。是最早实现实用化的推力矢量控制方式。

ATD-X心神隐身验证机的折流板方案

美国的X-31A发动机尾喷口，ATD-X心神隐身验证机的尾部外形和折流板安装位置与其基本一样。


      折流板方案可不是什么新鲜事物，更不是日本人的发明。早在70年代中期，德国MBB公司的飞机设计师沃尔夫岗•赫尔伯斯提出利用控制发动机尾喷流的方向来提高飞机的机动能力。1985年美国国防预研局和MBB公司联合进行了可行性研究，美国在F-15STOL/MTD、F-16MHTV和F／A一18 HARV等机型上分别安装折流板进行了试验。1990年，美国Rockwell公司、Boeing公司和德国MBB公司共同研制了在发动机尾喷口装有可改变推力方向的3块碳纤维复合材料导流片的验证机X-31A。



     折流板方案的特点是发动机无需做任何改装，适于在现役飞机上进行试验。其优点是结构简单，成本较低，作为试验研究有一定价值。折流板不仅能向右向上向下转动，还能扩大和缩小喷射口径，以实现飞机机翼舵面满舵的情况下再利用发动机增加转舵量，从而达到更高的机动能力！比较特别的是“心神”的矢量折流板带有锯齿，是为了降低雷达探测性而设计的。




      但是这种方案有较大的死重和外廓尺寸，推力矢量工作时效率过低，对隐身和超音速巡航不利，而这两个恰恰是现第4代作战飞机最基本的两个特点。因此折流板仅作为发展推力矢量技术的一种试验验证方案而没有推广使用，除了用于技术验证机，现有的实用作战飞机都没有采用这个方案，例如美国的F22和F35，俄罗斯的SU30MKI、SU35、T50等等机型都没有采用折流板方案，而是纷纷采用二元矢量喷管和轴对称矢量喷管等方案，而且都在研究更为先进流场推力矢量喷管。这足以说明折流板方案具有较大的缺陷和性能的落后。因此这也反映了ATD-X心神更多是进行新型气动、飞控及发动机控制等相关系统一体化的研究和探索，距离实用还有很长的一段距离。

     采用折流板方案典型代表就是美国空军的X-31A技术验证机。下面我们通过分析  X-31A来说明为什么折流板方案不具有实用性。




      X-31A的发动机最具特点的就是折流板矢量喷口，3块碳一碳纤维复合材料制造的导流叶片绕发动机喷口尾部，并呈圆周对称配置，每枚导流叶片的受高温区都包敷着碳化硅面层，且均由单独的作动装置驱动。而且还是和可动前翼打包使用的。通过偏转导流叶片的角度来提供俯仰和偏航所需的控制力。

  


       每片导流叶片其所最大偏转角度为35度，折流板矢量喷管不像二维和三维推力矢量喷管那样包覆住喷流，因而在大多数情况下最大只能将气流方向改变15度，而在某些低能量状态以及发动机尾喷口面积较小的情况下气流改变还达不到15度。

日本的XF5-1发动机

注意发动机喷口面积


发动机机体与人体的大小比较



       折流板推力矢量控制方式的缺点是相当明显的，首先它的导流叶片在同时偏转一定角度以上可能发生相互碰撞，因而必须在控制软件中做适当的预先设置，这会导致该机推力矢量的控制律和与飞行控制系统的结合相当复杂。



       其次是导流叶片的材料导致的使用能力问题，X-31A的折流板内偏5度仅仅10秒后就必须外转10度冷却15秒才能再次使用，否则会造成导流叶片过热损坏。



       再次就是付出结构死重的代价过大，除了折流板导流片本身的重量外，还要加上每块导流片相应的伺服机构和动作筒等等重量外，还要在发动机上增加1块加强框，以固定在发动机机体上，另外一条加强框则直接固定在飞机机体上。不然折流板无法承受发动机喷口的改变气流时的作用力。据粗略估计一套折流板至少要增加150公斤左右的重量，ATD-X心神隐身验证机2套相加就要付出300公斤左右的结构死重。
改变


        最后是折流板式偏折喷口的固有缺点——推力损失问题，由于折流板不具有密封性，容易形成气流泄露，加上折流板偏转阻挡气流形成的反推力作用，所以造成严重推力损失。有资料称X-31A在导流叶片的偏转角度超过10度时推力开始明显损失，偏转至25度时推力将损失700千克力左右。可以想象的是ATD-X心神的2台XF5-1的5吨小推，如果总共损失1400千克力是什么情况？

注意尾喷的气流



综上所述，日本在ATD-X心神隐身验证机上采用的折流板方案，反映出日本在发动机和推力矢量技术研究中薄弱，是一种技术选择上的无奈之举。ATD-X“心神”隐身验证机过小的机体和粗糙的隐身细节处理，以及折流板方案的选择等方方面面充分说明了在这样的飞机上是很难实现验证第4代战斗机所需全部技术。ATD-X“心神”注定永远是无果之花。