為什么F22起飛時屁股會瞬間上翹？
常規的航空發動機，其噴管是固定的，它只負責提供一個向前的推力。而更先進的矢量發動機，噴管可上下左右偏轉。很多人熟知的是，矢量發動機能讓戰機進行各種超強機動，實際上，它的作用遠不止這個。
作用一：短距起降
戰機滑行起飛時，矢量發動機通過偏轉噴管，可讓戰機提前抬起機頭，從而讓戰機盡快離地，縮短滑行距離。
美國的試驗機F-15S/MTD，其試飛結果表明,若起飛時利用推力矢量輔助起飛,可使該機的起飛滑行距離比常規F-15短38%。
為進行戰機短距起降和機動性能技術的研究，美國曾將一架F-15B加裝了矢量發動機，并命名為F-15S/MTD。矢量發動機采用矩形噴口，這跟現在的F-22噴口類似。
F-22的發動機使用矢量推力技術，這里可以通過一張動圖來展示，它是如何縮短滑跑距離的。
圖為F-22夜間起飛。拍攝于2016年4月11日。
請注意觀察上面的動圖，在F-22機頭拉起前，尾部長而明亮的尾焰往上翹了一下，這說明，其發動機在滑跑階段就已經開始發揮矢量推力的作用了。
此為尾焰上翹特寫。
滑跑時，當F-22到達一定速度后，矢量噴管往上翹，尾焰也向上噴，從而給機尾一個斜向下的壓力，于是就把機頭給翹起來了。
矢量噴管跟尾翼是聯動的。
作用二：利于戰機隱身
圖為無尾翼的X-31試驗機。
上世紀九十年代，美國國防部資助X-31進行無尾翼控制研究。NASA使用矢量噴口控制X-31的偏航，在飛控軟件的輔助下，X-31完成了1.2馬赫的試飛。
矢量發動機不再只是提供推力，當其噴口偏轉時，瞬間產生一個力矩，可控制飛機的俯仰、偏航、橫滾等機動。如此，就能代替飛機上的一些固有結構，比如垂直尾翼。
戰斗機的垂直尾翼和水平尾翼就像是角反射器一樣，對雷達波的反射較強，這對戰機的隱身很是不利。而矢量發動機對飛機的控制能力，現階段它能減小戰機尾翼的面積，而未來，它甚至有可能完全取代尾翼。
除了X-31進行過無尾翼的嘗試，NASA和波音還共同推出了X-36技術驗證機。
1997年5月17日,X-36成功地完成了首飛。
1997年10月30日，X-36在美國南加州沙漠試飛。
未來，當推力矢量技術取代飛機的尾翼后，那時的戰機跟現在相比將變得更輕。最后，矢量發動機對戰機隱身的貢獻不僅是減小戰機尾翼面積，從而減少雷達波反射面積，另外，矢量發動機的噴管還能遮擋尾焰的部分紅外輻射。這也有利于戰機的隱身。
圖為跟F-22的原型機YF-22同臺競爭，最后落敗的YF-23。
YF-23也使用推力矢量發動機，從上圖可以看到，其發動機尾部的設計對尾焰紅外輻射具有很好的遮擋作用。
作用三：減少超音速巡航時的阻力
洛克希德公司設計的概念超音速客機。
協和客機，還有未來的概念超音速客機設計，它們的機翼和尾翼跟普通客機相比都很短小，因為在超音速巡航時，機翼和尾翼越是寬大，氣動阻力上升得就會越快，從而讓超音速巡航變得不可能。
而對飛機飛行姿態的控制主要由機翼和尾翼完成，減少了它們的面積也就意味著減弱了對飛機穩定性的控制。矢量發動機通過偏轉噴管，讓一部分推力轉化為對飛機的操縱力，從而部分地代替了飛機機翼和尾翼的作用。
因此，矢量推力技術可讓戰機的機翼和尾翼設計得更小，這能有效減小超音速巡航時的阻力。
作用四：超強機動
近距離格斗時，戰機的機動性能是決定勝負的主要因素。你駕駛的戰機轉彎半徑就幾百米，我開的戰機轉彎半徑卻有幾公里，你只用幾秒就能把機頭指向我，并向我開火，而我幾十秒后才能掉轉機頭指向你，那么顯然，我只有挨打的份兒。
雷達的功率和技術越來越強，空空導彈射程逐漸加大，這讓超視距空戰的概念深入人心，一百多公里外就能向對方發射導彈，哪里還有什么機會近距離格斗？
理論上是這樣，實戰中并非如此。
試想這樣一個場景，十年后，俄羅斯和美國兩架戰機在空中對決，這兩架戰機都能以二點幾倍音速巡航，且都是很棒的隱形戰機，那么此時，就會出現這樣的情況。
因為兩戰機隱身性能很好，這決定了兩架戰機只有到比較近的距離時才能發現對方，又因為兩戰機都是超音速巡航，速度極快，所以要不了多少時間就會飛近，不得不進行纏斗。
即使在之前，其中一架戰機先敵發現，先敵發射出空空導彈，但還有這樣的情況，對方通過超強機動或是施放其他干擾，從而躲過了導彈，此時，兩戰機還是有可能出現近戰的情況。
上世紀，因為導彈技術的飛速發展， 一時間，“要導彈不要機炮”的觀念讓美國空軍沒有在F-4 “鬼怪”上安裝機炮。后來的實戰中，F-4在米格戰機前很被動，近戰時屬于挨打的角色。沒辦法，美軍只好又在F-4上加上機炮。 因為這個教訓，在后來的一系列先進戰機設計中，都始終給機炮預留位置，連最先進的隱形戰機F-22也不例外。
所以，在過去和現在還有未來一段較長的時期內，超機動性都是戰機的重要指標之一。而矢量推力技術恰是解決超機動性的有力武器。
圖為米格—29ovt機動性表演。
圖為米格—29ovt機動性表演。
米格-29是個老家伙，1977年10月6日就首飛了，但它一路不斷改進升級，上圖這架比鳥兒還要靈活的米格—29ovt就是加裝了矢量發動機和飛行控制系統的米格-29M。
中國也在緊鑼密鼓地研制矢量推力發動機，相信不久的將來，中國的戰機必定會裝上自己的矢量推力發動機。
出品：科普中國
制作：寒木釣萌
監制：中國科學院計算機網絡信息中心
“科普中國”是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。
本文由科普中國融合創作出品，轉載請注明出處。
- 發表于 2016-10-27 00:00
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