谈谈矢量喷管中为什么长方形喷管技术上更难。

【35楼有关于矢量推力的文章】
关于矢量喷管中长方形喷管为什么更难很多人不了解，因为从结构上零件数量比圆喷管要少，但为什么还难呢？个人在这方面简单思考了一下，谈出来供大家参考。

在谈长方形喷管之前，先看喷管的作用:

对于战斗机发动机喷管，主要由两个作用，一个是把高温气流笼住向后喷，一个是喷的过程中对气流进行调节。要笼住气流就要承受高温高压气流的压力和冲击，而对气流调节是因为气流有压缩特征，所以喷管可以通过先缩小再扩展的办法让喷出气流达到超音速，从而更好的利用气流能量来贡献推力。

很多人对先缩小后扩展为什么能够更好利用气流能量不太清楚，这里简单说说：在缩小截面之前，气流基本是亚音速的，那么会像非压缩流体（譬如水）那样，随着截面减小而速度加快（小孩玩水枪就是这个道理，水枪的活塞面积比喷口面积大，活塞运动慢，但水喷出去快，因为活塞推动的水要从更小的孔流出，所以一定加快速度）；当气流速度达到音速后，再缩小截面就没有多大作用了，因为碰到了所谓音障的问题，也就是气体的压缩特征起作用的问题，所以继续缩小截面只是把气流的压力进一步提高，反而浪费了能量，因为能量用于压缩气流而不是提高推力上。那么在这种情况下怎么办，人们很聪明，让气流膨胀，即气流超过音速后通过膨胀继续提高速度，这样气流总的喷出速度加快，根据动量平衡原理，向后喷的速度越快，那么动量越大，相应的给飞机的推力也就越大。

好了，了解完喷管的作用后，对于长方形喷管的技术难度的讨论就可以开始了。

前面提到喷管要笼住高温高压气体，这个看上去像是废话，但实际上非常重要，因为二元喷管的相当多难度体现在这一块。大家知道，常见的氧气罐、油煤气罐、甚至是可乐瓶等承受内部较大压力的东西都是圆柱状，这是因为圆形在承受内部压力时受力比较均匀且不会轻易变形。可以想象一下如果是个方的或者是长方形的容器，在压力下这些容器一定会鼓起来，这是因为非圆形的其他结构的边会承受压力后而抵抗压力造成的变形方面的刚度不够，如果要增加刚度，那么容器的壁厚就要非常大，重量急剧增加。如果不想让重量增加，那么在材料上要求就会很高，或者说在材料外面增加抗变形的结构，由此来避免变形。

笼住气体还有一个很重要的事项就是密封，因为喷管的内是高温高压的气体，如果不密封让这些高温高压的气体冲击到飞机机体上，飞机机体可承受不住。这个密封在长方形喷管要能够实现提交情况下比圆形喷管更难。前面提到喷管要能够实现先缩小再扩展，在圆形喷管是用非常多的调节片相互层叠来实现调节的（这就是大家看到AL-31后面有双层叶片并且叶片之间有缝隙的原因，因为要调节必须有缝隙，而缝隙要密封主要靠多层重叠来遮挡封闭）；对于长方形喷管，调节时很难让四个边都调节，因为四个边都调节的话四个边之间就必须留出调节的间隙，而这个间隙很难用比的办法来密封，所以选择了两个边来调节，这样密封时需要密封的地方就是上下两个边与侧面两个边之间的缝隙，密封起来相对容易，这就是F-22上下两个边可动而两侧不可动的原因。但是，即便如此这个密封仍然不容易，因为这个缝隙是上下来回变动的，而侧面大小则不能这样随便动，所以这个缝隙密封仍然比圆形喷管利用双层边来遮挡难度更大。

长方形喷管除了上述笼主其他难度外，在气流过渡和调节上也有难度，也有很多问题。我们知道，发动机是截面是圆的，气流从圆形过渡到方形，存在气流重新调整的过程，在这个调整过程中，一些气流会改变运动方向，而改变运动方向就会让气流产生压力不均衡，所以造成圆形到方形的部分地方承受更大压力和气流冲击，这些都要想办法来解决。而在喷管处进行缩小和扩展膨胀时，圆形喷管是向四周方向膨胀，这符合压缩气体的特征，而长方形喷管则要约束向上下两个方向膨胀，所以在这个阶段仍然会对有一些冲击。另外由于这个气流的过渡很显然会造成推力随时。

综合上面的探讨，可以得知，长方形喷管要能够抗变形，抗气流冲击，在气流从圆到方过渡时需要平滑过渡，而且还需要能够在过渡中对气流进行调节，在调节过程中要能够密封得严实，这就对材料、结构设计、密封设计等都提出了很高要求。

相对而言，圆形喷管在笼住气流方面有天然优势，在喷管的调节膨胀方面也更符合气流的特征，在气流流动上不存在圆到方的调整过程，所以从技术难度上来说反而小了。

简单总结一下：圆形喷管更多是顺势而为，而长方形喷管则是逆势而动，所以虽然零件数量长方形喷管更少，但长方形喷管技术难度更大。

那么，长方形喷管技术难度大，对推力还有损失，干嘛要用长方形喷管呢？这就要从其他方面着手了。

从雷达反射截面上来看，长方形喷管对涡轮叶片具有遮挡作用，喷管本身也是把雷达波向几个方向反射，而圆形喷管对涡轮叶片的遮挡作用要小，而圆形喷管本身会向各个方向反射雷达波。所以长方形喷管在雷达反射截面上有其优势。正是因为这个原因，像F-117和B-2把喷管都压缩的很扁，甚至是完全把喷气口遮挡住来降低雷达发射截面。
另外长方形喷管在降低红外特征方面也有优势，因为长方形喷管把高温气流压缩成扁的喷出，喷管本身与冷空气接触面积大，扁的气流更容易与周围的冷空气混合来降低温度，所以长方形喷管后的高温气流长度是低于圆形喷管的。

对于双发战斗机而言，如果发动机是窄间距，那么机体后部安装发动机的部分一般是长方形，在这种情况下，如果圆喷管那么在圆喷管之间就会有间隔，这个间隔会让气流在流动到这里会产生低压区，带来阻力。而如果是长方形喷管，喷管之间的间隔会小，喷管气流和机体会有更平滑的过渡，所以长方形喷管更能降低阻力，另外由于长方形喷管自身与机体形成了一个很好的升力体过渡面，对提高升力也是有好处的。

正是因为长方形喷管在隐形、红外特征和降低阻力的好处，所以长方形喷管得以在F-22上有应用，包括后来老美的海军A/F-X等机型，基本也也是延续了这样的设计。

那么，是不是长方形喷管一定就比圆形喷管优势非常大，其实也都是各有优势。圆形喷管由于符合气流运动特征，所以圆形喷管技术难度要小；由于不像长方形喷管那么需要靠结构设计和材料来克服上述问题，所以在重量上也有优势；圆形喷管也更容易实现三维矢量，所以在机动性上会有帮助；圆形喷管在降低雷达反射截面上和降低红外特征上也可以采用一些措施来降低，虽然效果可能没有长方形那么好，但通过努力也有可能降低到可接受的程度；圆形喷管也可以和机体进行融合设计来降低阻力，虽然总体上降低阻力没有长方形那么大，但与长方形喷管会降低推力相比，也减少了推力损耗。

所以，未来在J-20上，如果是长方形喷管，那么俺会感到由衷的欣慰，这意味着我们在材料、结构设计等方面都有了长足的进展，J-20的各项隐形特征都会非常好。如果是圆形喷管，也不会感到气馁，毕竟技术进步需要克服很多困难，圆形喷管也可以优化达到相当水平，虽然感觉上不如长方形喷管那么科幻，但也是可以接受的。

【35楼有关于矢量推力的文章】
关于矢量喷管中长方形喷管为什么更难很多人不了解，因为从结构上零件数量比圆喷管要少，但为什么还难呢？个人在这方面简单思考了一下，谈出来供大家参考。

在谈长方形喷管之前，先看喷管的作用:

对于战斗机发动机喷管，主要由两个作用，一个是把高温气流笼住向后喷，一个是喷的过程中对气流进行调节。要笼住气流就要承受高温高压气流的压力和冲击，而对气流调节是因为气流有压缩特征，所以喷管可以通过先缩小再扩展的办法让喷出气流达到超音速，从而更好的利用气流能量来贡献推力。

很多人对先缩小后扩展为什么能够更好利用气流能量不太清楚，这里简单说说：在缩小截面之前，气流基本是亚音速的，那么会像非压缩流体（譬如水）那样，随着截面减小而速度加快（小孩玩水枪就是这个道理，水枪的活塞面积比喷口面积大，活塞运动慢，但水喷出去快，因为活塞推动的水要从更小的孔流出，所以一定加快速度）；当气流速度达到音速后，再缩小截面就没有多大作用了，因为碰到了所谓音障的问题，也就是气体的压缩特征起作用的问题，所以继续缩小截面只是把气流的压力进一步提高，反而浪费了能量，因为能量用于压缩气流而不是提高推力上。那么在这种情况下怎么办，人们很聪明，让气流膨胀，即气流超过音速后通过膨胀继续提高速度，这样气流总的喷出速度加快，根据动量平衡原理，向后喷的速度越快，那么动量越大，相应的给飞机的推力也就越大。

好了，了解完喷管的作用后，对于长方形喷管的技术难度的讨论就可以开始了。

前面提到喷管要笼住高温高压气体，这个看上去像是废话，但实际上非常重要，因为二元喷管的相当多难度体现在这一块。大家知道，常见的氧气罐、油煤气罐、甚至是可乐瓶等承受内部较大压力的东西都是圆柱状，这是因为圆形在承受内部压力时受力比较均匀且不会轻易变形。可以想象一下如果是个方的或者是长方形的容器，在压力下这些容器一定会鼓起来，这是因为非圆形的其他结构的边会承受压力后而抵抗压力造成的变形方面的刚度不够，如果要增加刚度，那么容器的壁厚就要非常大，重量急剧增加。如果不想让重量增加，那么在材料上要求就会很高，或者说在材料外面增加抗变形的结构，由此来避免变形。

笼住气体还有一个很重要的事项就是密封，因为喷管的内是高温高压的气体，如果不密封让这些高温高压的气体冲击到飞机机体上，飞机机体可承受不住。这个密封在长方形喷管要能够实现提交情况下比圆形喷管更难。前面提到喷管要能够实现先缩小再扩展，在圆形喷管是用非常多的调节片相互层叠来实现调节的（这就是大家看到AL-31后面有双层叶片并且叶片之间有缝隙的原因，因为要调节必须有缝隙，而缝隙要密封主要靠多层重叠来遮挡封闭）；对于长方形喷管，调节时很难让四个边都调节，因为四个边都调节的话四个边之间就必须留出调节的间隙，而这个间隙很难用比的办法来密封，所以选择了两个边来调节，这样密封时需要密封的地方就是上下两个边与侧面两个边之间的缝隙，密封起来相对容易，这就是F-22上下两个边可动而两侧不可动的原因。但是，即便如此这个密封仍然不容易，因为这个缝隙是上下来回变动的，而侧面大小则不能这样随便动，所以这个缝隙密封仍然比圆形喷管利用双层边来遮挡难度更大。

长方形喷管除了上述笼主其他难度外，在气流过渡和调节上也有难度，也有很多问题。我们知道，发动机是截面是圆的，气流从圆形过渡到方形，存在气流重新调整的过程，在这个调整过程中，一些气流会改变运动方向，而改变运动方向就会让气流产生压力不均衡，所以造成圆形到方形的部分地方承受更大压力和气流冲击，这些都要想办法来解决。而在喷管处进行缩小和扩展膨胀时，圆形喷管是向四周方向膨胀，这符合压缩气体的特征，而长方形喷管则要约束向上下两个方向膨胀，所以在这个阶段仍然会对有一些冲击。另外由于这个气流的过渡很显然会造成推力随时。

综合上面的探讨，可以得知，长方形喷管要能够抗变形，抗气流冲击，在气流从圆到方过渡时需要平滑过渡，而且还需要能够在过渡中对气流进行调节，在调节过程中要能够密封得严实，这就对材料、结构设计、密封设计等都提出了很高要求。

相对而言，圆形喷管在笼住气流方面有天然优势，在喷管的调节膨胀方面也更符合气流的特征，在气流流动上不存在圆到方的调整过程，所以从技术难度上来说反而小了。

简单总结一下：圆形喷管更多是顺势而为，而长方形喷管则是逆势而动，所以虽然零件数量长方形喷管更少，但长方形喷管技术难度更大。

那么，长方形喷管技术难度大，对推力还有损失，干嘛要用长方形喷管呢？这就要从其他方面着手了。

从雷达反射截面上来看，长方形喷管对涡轮叶片具有遮挡作用，喷管本身也是把雷达波向几个方向反射，而圆形喷管对涡轮叶片的遮挡作用要小，而圆形喷管本身会向各个方向反射雷达波。所以长方形喷管在雷达反射截面上有其优势。正是因为这个原因，像F-117和B-2把喷管都压缩的很扁，甚至是完全把喷气口遮挡住来降低雷达发射截面。
另外长方形喷管在降低红外特征方面也有优势，因为长方形喷管把高温气流压缩成扁的喷出，喷管本身与冷空气接触面积大，扁的气流更容易与周围的冷空气混合来降低温度，所以长方形喷管后的高温气流长度是低于圆形喷管的。

对于双发战斗机而言，如果发动机是窄间距，那么机体后部安装发动机的部分一般是长方形，在这种情况下，如果圆喷管那么在圆喷管之间就会有间隔，这个间隔会让气流在流动到这里会产生低压区，带来阻力。而如果是长方形喷管，喷管之间的间隔会小，喷管气流和机体会有更平滑的过渡，所以长方形喷管更能降低阻力，另外由于长方形喷管自身与机体形成了一个很好的升力体过渡面，对提高升力也是有好处的。

正是因为长方形喷管在隐形、红外特征和降低阻力的好处，所以长方形喷管得以在F-22上有应用，包括后来老美的海军A/F-X等机型，基本也也是延续了这样的设计。

那么，是不是长方形喷管一定就比圆形喷管优势非常大，其实也都是各有优势。圆形喷管由于符合气流运动特征，所以圆形喷管技术难度要小；由于不像长方形喷管那么需要靠结构设计和材料来克服上述问题，所以在重量上也有优势；圆形喷管也更容易实现三维矢量，所以在机动性上会有帮助；圆形喷管在降低雷达反射截面上和降低红外特征上也可以采用一些措施来降低，虽然效果可能没有长方形那么好，但通过努力也有可能降低到可接受的程度；圆形喷管也可以和机体进行融合设计来降低阻力，虽然总体上降低阻力没有长方形那么大，但与长方形喷管会降低推力相比，也减少了推力损耗。

所以，未来在J-20上，如果是长方形喷管，那么俺会感到由衷的欣慰，这意味着我们在材料、结构设计等方面都有了长足的进展，J-20的各项隐形特征都会非常好。如果是圆形喷管，也不会感到气馁，毕竟技术进步需要克服很多困难，圆形喷管也可以优化达到相当水平，虽然感觉上不如长方形喷管那么科幻，但也是可以接受的。