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蘇-57將換裝扁平發動機噴口,俄羅斯或已取得關鍵突破

2022-01-07 10:43 中國航空新聞網 看航空 專欄

近日,根據俄羅斯媒體的報道,未來配裝蘇-57戰斗機的新一代發動機將采用扁平化的尾噴管設計,以有效降低其信號特征。目前這一技術已經在S-70重型隱身無人攻擊機上啟動了相關測試工作。

俄羅斯媒體所公布的蘇-57扁平噴口結構圖

遺憾的是,據稱已經改裝扁平發動機噴口的S-70無人機目前只公布了前向的照片,沒有機尾部分的照片。

S-70無人機新改型推出機庫

2019年莫斯科航展上展出的S-70模型

僅從前向照片可以看出,此前暴露在外的S-70的粗壯圓柱形尾噴管確實消失了,但看不出新式扁平式尾噴管的具體設計特征。

扁平式尾噴管并不是什么新設計,在有些機型上已經付諸實際應用數十年。比如美國的F-117隱身攻擊機就采用了寬高比非常驚人的扁平化噴口,而且這是其隱身設計中最核心的元素之一。

F-117

優勢一:更低的雷達信號特征

傳統噴管,不論是其外部特征還是內部的圓柱形空腔結構,都是非常強烈的信號反射源頭。因為傳統的圓柱狀噴管與機體后機身要實現高度的一體化設計,在制造上基本不可能實現,這就難免會形成各種強反射特征的角度和曲面變化。

原版S-70和蘇-57的尾部設計可以說沒有任何隱身性能可言。

而扁平化噴管能與機體實現一體化構型,從而將發動機完全遮蔽在機體內部。同時還能不同程度地遮蔽噴管內的空腔,控制雷達波更少地進入,也更容易實現吸波設計。

優勢二:更低的紅外信號特征

在扁平化噴口中,發動機噴流的壓力分布特別不均衡,在離開機體后,會以更快的速度、更大的范圍與四周的冷空氣摻混,因此發動機噴口部位的溫度下降要快得多。

這使得飛機的紅外特征會更低,被探測跟蹤鎖定的概率和距離會顯著縮短。

優勢三:有效提升氣動布局性能

自20世紀60至70年代以來,飛機氣動布局設計中最重要的一個突破就是通過優化機身的氣動效率來實現升力增加、阻力降低——也就是后來知名度頗高的“翼身融合”、“升力體”式設計。

F-22機身的“兩頭尖”剖面就是按超聲速翼型設計的,扁平噴管是其尾部收尖的關鍵環節。

這一設計思路的核心就是把機身做成類似于機翼的剖面,相當于一段額外的“中央翼”。

但無論亞聲速還是超聲速,翼型的效率要高,尾部必須要能流暢的“收尖”——在傳統圓柱噴管的機型上,這一點自然很難做到,而扁平化的噴管就很容易實現。

劣勢:結構效率低,設計門檻高

既然扁平化噴管優勢多多,為何圓形噴口依然是全球大多數軍機的主流選擇?因為扁平化噴管對設計門檻要求非常高,如果無法滿足一定的前提條件,在應用中反而弊大于利。

在發動機噴管設計中,圓形是一種效率非常高的截面;同樣的截面積周長最小,而且受熱和受力的分布都最均勻。、

因此無論是結構重量的控制,還是材料的應用選取,圓形噴管在設計和制造的技術難度上都是最低的。

對于輕量化、活動結構的扁平噴管,加力燃燒意味著極大的考驗。

扁平化噴管在這方面就劣勢多多了,尤其是如果要求機體必須具備超聲速飛行和矢量推力功能,那么扁平化噴口就會帶來一系列設計制造上的巨大困難。

對高性能戰術飛機而言,加力燃燒室是不可或缺的部件;但是在加力燃燒的狀態下,發動機噴流的溫度也會異乎尋常的高。

由于結構效率上的天然劣勢,如果沒有足夠先進的耐熱材料來取代傳統的高密度耐高溫合金——比如鎳基合金,則扁平式噴管的體積和重量會非常大,甚至嚴重拖累整個機體的飛行性能,導致這一設計的性價比近乎于零。

F-22的發動機噴口

如果要在五代機上實現扁平化噴口,特別是矢量推力噴口,至少需要兩種先進材料作為基礎:第一種是特別強化耐高溫性能的鈦合金,它起到主要的承力作用;第二種是具備高力學性能,尤其是抗沖擊韌性優秀的陶瓷,它起到隔熱和吸收電磁波的作用。

但一般人們所認知到的,耐高溫性能優秀的鈦合金,對比的對象僅僅是輕質的鋁合金,還遠不足于應用在發動機的核心高溫區域——實際上,絕大多數鈦合金在高溫下的化學性質非?;顫?,以至于形成了“鈦火”這個專有名詞,他們并不適用于扁平發動機噴口。

以F-22的扁平噴口為例。其關鍵材料之一就是為該機專門研發的耐高溫性能大幅度提升的“阻燃鈦合金Alloy C”,其點燃溫度比傳統鈦合金還要高500度。

但即便是這種鈦合金,也無法直接抵御加力燃燒下的噴流高溫,而是必須要用更耐熱的陶瓷材料作為屏障,將鈦合金結構隔離保護起來。

陶瓷材料本身普遍以耐熱見長,但同時要具備高強度、高韌性就非常困難,這往往要通過加入高性能的碳化硅纖維進行增韌處理才能實現——而對于五代機來說,這樣的陶瓷材料不僅要具備出色的力學性能,還要具備出色的吸波能力。

俄羅斯制造的蘇-27扁平噴口驗證機。因其體積、重量非常大,無法付諸實用。

早至蘇聯時代,蘇式戰機的設計師已經普遍認識到了扁平噴口對于提升總體性能方案的價值,并進行了相當多的探索工作。但是由于材料上的能力局限,蘇聯與俄羅斯一直無法拿出真正具備實用價值的產品。

S-37“金雕”驗證機的一個扁平噴口方案

而此次俄羅斯高調宣布S-70和蘇-57都將采用扁平化噴管,或許透露了一個巨大的信息:多年來俄羅斯對于扁平化噴管技術的研發從未真正中斷過,而且近年來已經取得了材料、設計等多方面的關鍵性技術突破。

當然,具體情況則有待于更多信息的披露,尤其是實體飛機的飛行展示。我們拭目以待。

責任編輯:王慧