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歼20学不了F22矢量喷管,缺高性能钛合金和陶瓷
浏览次 2016-05-31 08:33:20

 在超声速状态下,飞机有38-50%甚至更高比例的阻力都来自于飞机的尾部。为了针对后机身进行气动外形上的减阻,大幅度减小超声速巡航飞行的阻力,F22采用了与全机设计一体化的两元矢量推力系统,并取得了阻力与隐身上的极好效果。
两元矢量推力为F22减阻的效果来自两个方面,第一个方面是俄式飞机惯用的轴对称矢量喷管也能做到的。飞机在进入超声速状态以后,随着气动中心的后移和阻力的增加,平尾等气动面会出现控制阻力加大、控制能力反而降低等一系列问题。通过矢量推力分担平尾的工作,大大减小平尾的偏转幅度,F22在维持超声速飞行平衡时能够极大的减小控制方面的阻力。
F22机身后减阻是迄今为止战斗机设计不可逾越的巅峰
而第二个效果则是F22所独有的:F22机身采用了两头尖的超声速翼型剖面,整个机身侧面的形状就是巨大的超音速机翼,形成极低阻力的超音速升力体布局;而这其中如何给尾部收尖,对整个设计的性能指标有着至关重要的影响。而两元矢量推力喷口的使用,使F22尾部流畅的将截面积缩减到了最小。
因此F22采用的两元矢量推力,看似笨重很多而且推力损失大不少,比起轴对称喷管又在超机动控制上能力欠缺;但是它通过改善战斗机的总体阻力与信号特征,实际上获得的性能收益是轴对称喷管完全不能相比的。
图片:F15S/MTD,先后换装两元矢量喷管和轴对称矢量喷管进行对比性能试飞,毛子那点矢量推力的玩意,全都是美国人玩腻了看不上的
既然阻力与隐身上优势如此明显,为何中俄的飞机不采用?答案就一个:做不出那个水平。四代机由于强调超巡,发动机喷流的特性是双高――高温、高速;轴对称喷管的圆形截面受力不仅均匀,而且承受的热载荷和力载荷也小。而方形截面不可避免会遭遇受热、受力的高度不均匀,没有轻质且高强度又极耐高温的材料,根本应对不了这样的苛刻的工作环境。
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以F22为例,它喷管承力结构的钛合金材料就是专门研制的。在F22之前,合金的极限工作温度从350度一直提升到600度,但都无法克服高温自燃(钛的化学性质在高温下非常活跃,所谓耐高温只是相对铝合金来说)的问题。而F22上采用的Alloy C高温阻燃钛合金(牌号Tidyne 3515,基本成分50%钛、35%、15%),在激光器的点燃测试中,燃点比三代战斗机用的常规钛合金高出500度。
图片:材料不行,工程能力也追不上美国人,结果做出来的两元矢量喷管根本无法控制住体积和重量,画虎不成反类犬
中国和俄罗斯,都在美国Alloy c系列合金的公开资料基础上,开发了自己类似性能的阻燃钛合金,比如中国版Alloy c就叫做TI40。但是由于基本功不扎实――比如对钛合金燃烧的原理研究不够深入系统,国内在TI40的应用上至今达不到实用水平。根据2014年航空材料学报的公开论文,我国将TI40首先应用在工作温度较低的发动机压气机机匣,待型号成功后再逐步推广应用到其它部位――很显然这只能是涡扇15了。
歼20现在用的还是没有矢量喷管的AL31发动机
另一方面Alloy c系列合金本身,也无法直接抵御发动机燃气的冲击烧蚀,因此它需要一个热屏障来隔离燃气。美国采用的是以碳化硅纤维为基础开发的复合陶瓷材料,以获得耐高温、高强度、高韧性抗冲击性能。而在这一方面,我国和美国相比差距更大――阻燃钛合金至少造的出来,好不好用两说;而碳化硅增韧陶瓷,起码高性能碳化硅纤维我国目前极度依赖进口而又被国际社会所禁运。

  


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