原理上并没有区别,都是通过改变喷气方向来改变推力方向,但目的和具体设计是有很大不同的。
鹞式采用手动控制,目的是为了垂直/短距起降,在空战机动中并不使用推力矢量;
F-22采用推力矢量与飞控计算机相交联,由飞控计算机计算后进行控制,目的是超音速配平和获得更高的机动性。
先占坑,体测完回来答
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推力矢量的最早应用确实是来自于鹞式之类的垂直起降飞机,当年核大战的背景下,西欧前线的机场存活能力非常感人,为此需要研制不依赖机场跑道的垂直起降飞机,大致经历了三个阶段:先是直接把飞机竖起来,比如这样的:
显然这种设计是非常zz的,第一点,怎么降落?
于是呢,就想出旋转发动机的方式,美国,德国都搞出过一些验证机,但只能采取翼尖吊挂发动机的形式,有很多缺陷,于是这种技术也没有得到多少应用;
后来一个法国人,米歇尔·威博特想出,其实只要改变飞机的推力方向就行,于是他搞出了一种发动机的方案:
在飞机重心周围布置了 4 台离心式压气机。它们将压缩空气通过外部的可转动喷口喷出,而动力则由一台布里斯托尔公司 BE.25“猎户座”发动机通过变速箱输出,最大可达 8,000 轴马力——当时涡轮轴发动机所能达到的最大功率。来自“猎户座”的剩余推力将从飞机尾部经由一个百叶窗式的喷口排出,从而提供除来自压缩机机的主推力之外的另一个矢量推力。
后来英国人胡克尔觉得这种方案太笨重了但思路很好,于是搞了个研究小组,采用“猎户座”发动机的核心机,但增加了两级低压压气机(取自“奥林匹斯”21 发动机,由“猎户座”发动机通过 1.5 :1 比率的变速箱驱动),看起来很象今天的大涵道比涡扇发动机;来自低压压气机的气流可以通过两个侧面的矢量喷管排出;但尾喷口是固定的,核心机气流只能直接向后喷出;此外,核心机和风扇具有分离的进气口。之后又对方案本身进行了一些改进,搞出了BE53,等BE53成熟后,就成为了后来鹞式的“飞马座”发动机:
有了发动机之后,英国人于1959年提出了P.1127方案,也就是现在鹞式的亲爹:
经过不断的试飞、改进、发展,成就了现在的鹞式系列。
本身鹞式的设计目的,是对地攻击、CAS和侦察,对机动性本身并不重视,可以从一个设计改动的细节看出:某一阶段的鹞式原型称为茶隼,在茶隼阶段,曾经出现过由于挂载武器后重心后移,导致纵向静稳定度不足的情况。为了保证在所有的武器挂载方案下,鹞都能具有适当的静稳定度,鹞的重心比茶隼又向前移动了一段距离。这种做法无可厚非,不过若以现代战斗机的标准来看,这样无疑会使得鹞的敏捷性下降,但对于其任务来说并没有什么关系。
由此可见,鹞式的推力矢量的目的是用于垂直起降,而非提高机动性,这种亚音速飞机也并不需要考虑超音速配平的问题。很多文学作品中描写福克兰战役中的空战时候大书特书鹞式如何使用推力矢量瞬间减速吊打幻影III,但实际上这是不符合实际的。首先,福克兰空战中实际意义上的机动格斗只出现过一次,其余皆是鹞式截击或追击阿根廷攻击机;第二,事实上由于鹞式翼载荷过高,为了达到军方的过载指标,确实有使用推力矢量的战术,但RAF和RN的飞行员都对此嗤之以鼻,因为这样会导致飞机的能量急剧减少。
另一方面,鹞式诞生于航电设备尚不发达的年代,其推力矢量功能由一个操纵手柄控制,完全凭经验和操作规定,导致其操作风险非常大,空战中使用这种能力是非常冒险的。
F-22则不同,最早的ATF要求中确实有短距起降的要求,但通过低翼载、高推重比和反推装置来实现,严格来说反推装置也可以算是某种推力矢量的形式,但后来权衡利弊后取消了对反推装置的要求。F-22使用现在的二元推力矢量喷管,出于两点,第一自然是超机动性,第二,解决超音速配平的问题。
使用推力矢量,提高最大的是过失速机动性,能大大提高飞机的俯仰速率,提高飞机的机头指向性能力,并且在大迎角下也能稳定控制,同时在低速舵面失效的情况下,也能对飞机进行精确控制,这对武器的使用非常有利。
另一方面,在超音速飞行时,飞机的气动焦点会后移,就带来了飞机的配平问题,例如米格25,由于气动焦点严重后移,导致其在较高马赫数 平飞时平尾偏转就接近极限,所以M2时盘旋过载仅有3G;而F-22可以使用推力矢量进行配平,可以不偏转气动舵面,而且推力矢量不仅产生法向分力,喷气流还能形成引射效应,提高升力。从而大幅提高了F-22的超音速机动性。
另外F-22采用的“飞火推一体化”技术,飞机的控制完全是由机载计算机执行,而飞行员使用操纵杆和节流阀只是向飞机下达指令,机载计算机根据情况进行计算分析,自动控制气动舵面和矢量喷管,完成飞行员想要飞出的机动。这和鹞式采用操纵杆手动控制的的推力矢量是有本质区别的,效能不可同日而语,就好比普车和加工中心一样。
另外顺便提一句,印度的苏-30MKI使用的推力矢量虽然号称三轴,但和F-22的比依旧有着本质的差别。根据《兵器》2011年第三期所述,俄国人并没有为苏30MKI的矢量喷管多写几行代码,其工作原理是这样的:和平尾联动,平尾偏转20度,那喷管也偏转20度,哪怕速度很低,气动舵面已经失效,平尾还是会跟着偏转,这种简易的推力矢量实战价值是极为有限的,再结合苏30MKI并不出众的推重比,机动性其实并没有本质提高。美帝曾经在我猫上改装过推力矢量,和没改装的我猫打,反倒是没有推力矢量的获胜;红旗军演苏30MKI也是被美帝的F-15C吊着打,以上二则,可知F-22的推力矢量是多么先进。
综上所述,鹞式和F-22的推力矢量在原理上是一样的,但在具体设计和使用,以及技术水平上是有着本质差别的。
首先布局上,鹞式为了保证效率和稳定,满足垂直起降的要求,发动机是放在飞机的重心位置的;F-22是放在尾部,并使用二元推力矢量。
第二,目的不同,鹞式使用推力矢量是为了垂直起降,空战机动中极少使用(可以但极少);F-22是为了提高飞机的机动性;
第三,技术水平不同,鹞式是简单的手动控制,且为亚音速攻击机发动机,技术难度较小;F-22是飞火推一体化,由机载计算机决定,设计喷口时要考虑效率,隐形性能,超音速性能等,是非常精密复杂的。
总体来说,F-22使用的推力矢量技术不能简单和鹞式对比,但总体上是比鹞式高出很多的,与鹞式能够进行对比的是F-35B,技术水平同样很高。