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F-22这种矩形尾喷口有什么优点和缺点?

图注:F-22采用二元矢量喷口

F-22发动机的矩形尾喷口,在术语上被称作“二元矢量喷管”,从技术角度而言,其优缺点都十分鲜明。

先看优点,首先,二元矢量喷管在隐身方面具有极大优势。在雷达隐身方面,矩形的二元矢量喷管可以产生平行效应,将雷达波散射到其它非重要方向,以降低战斗机后向雷达反射截面积,使得F-22比采用三元矢量喷管技术的苏-57后向RCS更小。再者,二元喷管在红外隐身方面的优势也比较明显,矩形喷出的气流更容易与外界冷空气进行快速掺混,从而迅速降低温度,减少红外特征。体积相对巨大的隔热屏内部可以安置一些应急的红外对抗设备,有资料表明,为了在遭受红外制导导弹追击的时候能够安然脱身,F-22上安装了两个液氮存储和释放装置,可以在瞬间将液氮喷入发动机的尾流中,从而实现快速降温,消除红外辐射信号,使红外制导导弹失去跟踪。

其次,二元矩形矢量喷管在飞机一体化设计上也有一定的优势,因为现代的重型机普遍机身扁平,与矩形喷管较为容易融合,延伸的尾喷口也可以对整机形成一种两头尖的外形,从而减少整机的阻力,起到优化综合减阻的效果。这种气动减阻的独特绝活是三元轴对称喷管所不具备的。

再看缺点,首先,二元矢量喷管的结构比较笨重,内流特性较差,推力损失大。按照相关资料,F-119发动机因为采用了二元矢量技术,推力损失不低于3%。而且反推机构的重量很大,为了避免进一步增重,在F-22上最终取消了反推能力,使得最初的短距降落的设想没有成为现实。

其次,二元矢量喷管重量大,性能不理想。在重量方面,YF119的矢量喷管的重量占据了发动机总重量的四分之一,远高于常规喷管的重量比。不仅如此,二元矢量喷管还存在其它一系列的问题,其中包括,第一、二维喷管的承载能力不理想,扩散控制部件在推力矢量状态要承受很大的负荷,从而对结构强度和作动机构提出了比较高的要求。第二、高温高压气流要从理想的圆形转变成方形,并最终喷出,由此引起的热量分部不均的问题对隔热屏提出了很高的要求,并需要很多的冷却空气来冷却隔热屏,推力矢量控制部分承受了过高的负荷和温度,特别是在加力状态下,温度高,负荷重,对材料的耐久性要求极高。第三,相对于轴对称矢量喷管,二维矢量的冷却空气需求量很大,而且气流由圆转方的阶段,高温尾流的泄漏量大,使得整个排气系统的部件都需要做到耐高温设计,但是不幸的是,为了满足设计需求,驱动喷管偏转的液体介质是航空煤油,这样就对整个机构的密封性的要求及其严格。设计难度加大,维护也变得很复杂。

第三,F-22采用的普惠公司第一代二元矢量喷管,只具备俯仰能力,不具备偏航能力。只能通过发动机左右双发差动,来实现有限的转弯机动控制,这使得其机动性大大低于轴对称三元矢量喷管,同时只能在迎角机动、超声速巡航等非常有限的机动动作时参加整机飞控控制,其它时候很少参与飞控。可以说,虽然F-22采用了飞火推一体化飞控系统,将F119发动机矢量推力喷管整合进了整机飞控系统,但整合和控制水平较低,矢量喷管对整机飞控参与度较低。由于矢量喷管很少参加飞控,因此起到的有益作用自然也较少,很大一部分时候只能作为飞机死重起到负面影响。

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