中国矢量喷管

高卓

2017年12月25日，一台装有全向轴对称矢量喷管的“太行”改进型涡扇发动机，随歼10B的1034号原型机进行了首次飞行试验。从首架验证机2001号曝光，到首架以“黄皮机”状态示人、用于领先测试的2101号原型机亮相，再到为其验证矢量喷管的歼10B首飞，围绕歼20的多次里程碑事件都发生在圣诞节前后，也是很有意思的一件事。

尽管国内航空发动机矢量喷管技术（下文简称TVC）很早就有概念模型和工程样机资料出现，但正由于这些设计出现得太早，近年来并没有太多新资料能佐证国产TVC发展到了哪一步。

这也导致最初这架国产TVC试验机亮相的消息开始在网上流传的时候，很多当年也坚信过国产TVC很快就会装机的朋友们，反倒不敢相信这是真的了。即使是在2017年12月24日，这架试验机的第一张模糊照片公开之后，仍然有不少人怀疑其真实性。而在意识到这件事儿确实不像是假的之后，终于有人开始欢呼，我们的发动机，真的行了！

不仅是发动机革新

提到“太行”的成熟过程，大家想到的更多是歼11系列飞机。但作为“太行”的“原配”，歼10系列飞机同样长期参与了“太行”系列的测试。只是由于“太行”没有大量出现在装备歼10的作战部队里，使得这一点往往被人忽视。比如歼10的1004号原型机、歼10B的1035号原型机和几架量产型飞机，就分别测试了“太行”的3种不同子型号。

因此这台“太行”家族中最新亮相的成员，出现在1034号歼10B原型机上也并不奇怪。而且使用机腹进气的单发鸭式布局平台验证TVC技术，也很容易让人想到美国的X-31验证机。但主要目的是验证大迎角控制技术而非TVC本身的X-31，出于成本考虑使用的是较简单的折流板式TVC（与日本“心神”类似）。另外出于安全考虑，X-31刻意将鸭翼前置到形成远距耦合布局，在保证能从大迎角飞行安全改出的同时，也牺牲了鸭翼的涡流增升作用。

笔者看来，改装后的1034号歼10B在定位上更接近后来的F-16/MATV。其加长空速管、尾旋改出伞支架（首飞由于不涉及相关科目，故未安装伞体）等诸多特征也和F-16/MATV类似。毕竟X-31是全新设计的验证机，很多地方完全可以白纸新画，而歼10和F-16就没这个条件了。不过由于中国航空工业还没有“验证机文化”，所以1034号歼10B只好又当X-31又当F-16/MATV了。

至于该机出现会不会意味着国产三代机未来的改进型号也将应用TVC技术，笔者认为在推重比有限的三代半战斗机上应用TVC技术，效费比仍然存在争议。因此对我国来说，这项技术目前更多还是给四代机准备的，国产TVC末端有助于降低雷达信号特征的锯齿外形也说明了这一点。使用歼10平台为同样采用鸭式布局的歼20测试TVC技术，有助于更好验证TVC对歼20部分性能，如大迎角飞行性能等方面的贡献。

另外由于当年试飞手段有限，2004年定型的歼10基本型，并没有彻底释放其在大迎角飞行领域的气动潜力，而改进重点在航电升级方面的歼10B/C，在试飞定型时对这方面也着墨不多。通过这架验证机的试飞，并引入新一代试飞验证技术进行更充分的测试，不仅有助于摸索拓展歼10的飞行包线，也为以后的型号试飞积累经验。

国产TVC能力几何？

作为一款典型的三元TVC产品，这款最新亮相的国产TVC，并非“山寨”刚刚引进一年的苏-35所用117S发动机的俯仰式轴对称TVC技术，而是在典型的全向轴对称矢量喷管（AVEN）结构的基础上“百尺竿头、更进一步”。

从外部看，国产TVC的活动部分，从前到后可分为转向控制环和扩张调节片两大块。但每片扩张调节片末端都带有一片可以独立旋转的外调节片，是该型喷管不同于世界上其他TVC工程作品的最明显特征。

光看外形，这种设计难免给人一种复杂笨重感。歼10并不是一款以推重比见长的飞机，“太行”的推力在世界同等级大推力涡扇发动机中也并不突出。很多人因此担忧，TVC的那个老生常谈的问题——推力损失，是否会进一步影响这架验证机的测试效果。

TVC推力损失的主要原因很好理解，由于TVC在工作时会在喷管内部形成弯折，导致从燃烧室喷射出来的部分高温高压燃气受阻，速度降低；而后面保持原来速度的燃气在与这部分燃气碰撞后，就形成了流场阻塞。发动机喷出燃气的高压和高温两大属性，对产生推力都贡献很大，而高压就有不少在这儿白白损失了，而且压力损失的比例还会随着排气速度的增加而增加。

既然要用TVC的长处，就得接受TVC的不足。TVC的工作原理决定了这种损失不可能彻底消除，只能尽可能降低，这就得从影响推力损失量级的具体因素入手。通俗的说，主要看的是弯曲区段有多长，以及喷管弯曲的程度有多大这两点。

前者好解释，弯曲区段越短，“追尾”区域就越小，形成的流场阻塞影响就越低。所以国产TVC的弯曲区段，位于整个转向控制环部分已经短到很容易被忽视的地步，确实够短。那么喷管弯曲程度又该如何优化呢？

对于AL-31FP这类俯仰式轴对称TVC设计来说，弯曲程度只由转向控制环决定，而对于AVEN这类全向轴对称TVC来说，扩张调节片的决定权也是很重要的，而在国产TVC上，那个独立旋转的外调节片这时候也能派上用场。

加上外调节片之后，国产TVC形成了双重铰接，与“鹞”这类垂直/短距起降飞机发动机的三重铰接悬挂装置喷管在工程上有某些互通之处。后者为了降低喷管通道内的推力损失，利用较长的空间设计了多重转动过渡区段，使得气流尽可能完成平滑转向，以在喷口提供一个稳定的推力——这对垂直起降飞机至关重要。

尽管国产TVC长度只有这种喷管的几分之一，但通过对转动过渡区段内外部更加精细巧妙的设计（包括使内部的收敛密封片、扩张密封片在转动中不漏气少漏气），同样能使得氣流在喷管内部的运动实现平稳过渡。也就是说在获得同等推力矢量转动角度的情况下，这种设计能比其他TVC带来更高的推力系数。

根据相关资料，这种设计理论上可以保证推力损失不大于理想推力的1%～2%，是目前世界上所有TVC工程样本中效率最高的。尽管复杂的设计也要付出相应的重量和阻力代价，但考虑型号研制的具体情况，能把减重减阻的压力分摊到飞机总体设计上，也总比让发动机“把所有问题都自己扛”好些。

只为重塑飞行方式

从TVC技术诞生的那天起，争议总是存在的，特别是被一些观点视为比F-22还要领先半代的F-35也没有应用该技术时，我们为此耗费的时间与成本是否值得呢？笔者这里想引用著名空军学者、国际试飞员徐勇凌先生文章中的描述，“在传统飞机设计中，动力系统只是为克服飞行阻力提供了推力……而对升力和飞机姿态改变的贡献微乎其微，也就是说与飞机的操控和机动飞行关系不大”。

改变传统的TVC技术，对战机飞行性能以及作战能力的提升是全面的，并不仅仅是在近距离对决中才能发挥作用。“从某种意义上讲，‘动力飞行时代相对于空气动力飞行时代的超越，其重要性远远大于三代战机对二代战机的技术突破”，笔者也支持这个观点。

责任编辑：陈肖