歼-10B与TVC（上）

2019-2-28 10:29| 发布者: ben713a| 查看: 963| 评论: 0

这绝对是最近最最热门的话题了，各种媒体，军事的、非军事的都在谈TVC（Thrust Vector Control - 矢量控制喷管），从历史沿革、美苏发展的不同路线到航展作出的各种动作、对中国的军事意义，可谓是360度全方位地剖析了一遍。

这TVC我到底还有啥好说的呢，于是又看了看视频（不多，也就二十几遍吧）、各路分析文章和网上能搜集到的照片（不多，也就一百多张吧），发现有两个我感兴趣的地方，而大家似乎都有意无意地忽略了：一个是这个矢量喷口如何偏转；一个是除了矢量喷口，歼-10B的其它部件如何参与工作的。今天就来聊聊这两个问题。

所有资料及图片均来自公开网络，所有分析均为个人观点，不存在泄密问题。

歼-10B的发动机

歼-10B是架什么样的飞机，和歼-10A、歼-10C有什么区别，网上的文章很多不再累述了。因为歼-10C的迅速推出，2008年首飞的歼-10B只生产了5架原型机和50余架量产型就停产了。在这50几架歼-10B中，既有安装俄制AL-31FN发动机的，也有装国产“太行”的。

作战部队的歼-10B主要装备AL-31FN发动机，不过也见到过少数装“太行”的：

67227号机，装AL-31FN，挂载鹰击-91反辐射导弹和PL-8训练弹

被打码了的黄色5位数机号，也是作战部队，装“太行”

1031-1035号这5架原型机目前装“太行”，但早期也装过AL-31FN：

2016年8月的1031号机，装AL-31FN，携带2枚PL-8和2枚激光制导炸弹，进气道下方挂着激光目标指示吊舱，试飞对地攻击构型

1035号装“太行”，挂两枚PL-8

这次珠海航展上大出风头的1034号机，据报道在去年12月25日进行了改装WS-10B“太行改”和矢量喷管后的首次试飞。

对比一下原装的“太行”尾喷管和矢量喷管的区别：

后机身的外观和包覆在机体内部的机匣直径没有变化（照片角度和放大比例关系可能有些许误差），1034号机尾部还保留了反尾旋伞的支架
尾喷管的第一节本来是向后倾斜缩小的，现在隆起了一些；相应的第二、第三节的直径也比原来大一点
第三节的长度加长了一些，增长的部分为可转动的齿状尖端
尾椎切削掉了一小块，以增加和喷管的间隔距离
取消了后向的紫外告警探头

由此可见新发动机只是尾喷管不同，对飞机的气动外型几乎没有影响。从另一个方面说，歼-10B乃至整个歼-10系列的动力系统兼容性设计得非常出色，中俄两个系列发动机可以混装、互换，这对战时的后勤保障是很有利的。

歼-10B（前）和歼-10C（后）双机起飞，安装的都是AL-31FN

歼-10B的TVC如何偏转

歼-10B这款矢量喷管的构造是世界上所有TVC里独一无二的，因为它不止整个喷管组件可以360度全向偏转，每一片收敛/扩张叶片的端部还可以左右旋转，具有非常复杂的运动形式；而其它类型的TVC最后一段收敛/扩张叶片都是不可动的。

第一次在网上见到这个矢量喷管，我就很好奇它的结构是怎么样的，如何工作。有人会说航空知识不是都已经刊登了示意图吗？就是下面这张，几乎所有网上的文章都引用这张图来说明国产TVC的偏转动作：

但是不知道大家有没有注意到，这张手绘图和实机的喷管是不同的，手绘图上有16-18片收敛/扩张叶片，而实机只有15片。

这幅手绘图的作者刘屹，是清华美院硕士毕业的副教授，长期从事高校艺术设计工作，同时还是一位航空史作家和航空科普画家。刘老师的绘画水平毋庸置疑，上面这幅插画在《航空知识》上发表，显然也参考过相当专业的资料，但这毕竟属于民间作品，只能看作是概念性的示意图，并不能保证其准确性，很多细节地方也一笔带过。

还是自力更生，把它的部件分解开，来探寻一下矢量偏转的奥秘吧。（以下示意图纯属自行脑补，仅供参考）

1. 收敛/扩张叶片

梯形的叶片固定段前端有一个半圆型的基座，基座上铰接了一片活页，它可以围绕转轴左右转动一定的角度（目测不超过15度）。活页的尖端呈钝角锯齿状，并向下翻折，但锯齿段并不是整个叶片的厚度，它里面是空的，用于包覆下面一层密封叶片。

另外和上面手绘图的矢量状态不同，活页部分是不能再向下偏折的，始终和后面的固定段保持水平。

在上图中我把几个固定点也画了出来，几个接点的四周都有一块颜色比较深的不规则痕迹，在锃亮的叶片表面十分醒目，我猜测是采用特殊加工工艺接合的时候留下的，因为在尾喷管的外表面不应该再有其它物体和它经常性地摩擦了。

如此薄的结构，是铆接、螺栓连接还是激光焊接？不是航空制造专业的只能猜测一下。网上有一张早期试验的照片，说明叶片采用的是碳纤维增强树脂基复合材料，那就不会是焊接而很可能是铆接了。这张照片上的叶片还没采用锯齿结构。

2. 三层结构叶片组

实际上我们看到的可偏转叶片只是最外面一层非常薄的轻质外壳，它底下还有两层。其貌不扬的黑色中层才是最主要的密封片，厚度最大并且带有井字型加强筋，位于外层的正下方，和外层是一一对应的关系，顶端也带有锯齿。内层则是米色的密封层，和中层交错排列，正好封闭外层和中层的接缝，顶端内凹，和锯齿平行。中层和内层之间有两道滑轨，供内层滑动聚拢。

从后视图可以看出中层和内层是贴合在一起的，外层和中层的间隔则很大，其中布置了收放动作筒拉杆等机械装置，而且外层之间的开缝和中空结构可以让外部冷气流冷却叶片和喷口，降低红外辐射。

这样的设计是相当主流的。除了前段可以转动之外，“太行”TVC的外层轻质盖板和F-35的普惠F135发动机尾喷管如出一辙。F135也是15片，前端的锯齿可以改变向下倾斜的角度，以尽量封闭外层和中层、内层之间的空腔缝隙，降低雷达反射强度。

F135的外层盖板厚度比“太行”TVC的要薄很多，说明内部的驱动机构体积很小，而且在右侧伸出一块挡板，收敛时可以伸入相邻右侧叶片的下方完全封闭这条缝隙，隐身性能更好。

而盖板下的中层和内层结构，“太行”TVC和F100为代表的主流发动机形式相同，也是两层交错排列的鱼鳞片构成密闭的圆环。但“太行”TVC的中层明显比内层厚实，F100两层厚度一致，F135也是如此。

实际上原装的F100发动机也是有外层盖板的，但早期在F-15上试用时这个盖板容易脱落，而且美国人发现没有盖板对飞机的气动并没有影响，还能减轻重量、方便维护，于是服役的F-15都不再装盖板了。

3. 收敛/扩张喷口段

15片收敛/扩张叶片围成一个圆圈组成喷口外段，它具有三种状态：扩张、收敛和偏转，前两个状态所有带加力喷气发动机的尾喷管都具备，偏转则是TVC尾喷管特有的功能。

现代高性能战斗机普遍配备收敛/扩张尾喷管，其作用就在于通过改变喷口截面积，令燃气充分膨胀，避免喘振，使得发动机在各种速度下都处于最佳工作状态：

发动机点火到怠速状态：喷口完全扩张，排气速度最低

油门处于慢车到军推状态：喷口随着速度提高逐渐收敛，以输出更大的推力

打开加力进入超音速飞行：和亚音速时相反，速度越高喷口扩张得越大

扩张-收敛的动作看似复杂，其实我们日常生活中就经常遇到，最直观的例子就是下面这个厨房神器：

当然折叠蒸架采用的是F404发动机那种依次交叠的方式，但扩张-收敛的原理是一样的。

具体看一下“太行”TVC的三种状态（篇幅原因，上下叶片之间的距离不是等比例的）：

尾喷口扩张时，外层盖板抬起和机匣处于一个水平面上，叶片间的缝隙最大，中层和内层向外抬起，尾喷口直径最大。

尾喷口收敛时，外层盖板向内放下，相互聚拢，叶片间的缝隙几乎消失，中层和内层基本处于水平状态，尾喷口直径最小。

“太行”TVC最特殊的是第三种状态 - 偏转。这实际上是前两种状态的结合体，以下偏为例，下半部分的叶片保持扩张状态，外盖板与机匣水平，中层/内层向下倾斜；上半部的叶片呈收敛状态，外盖板放下，中层/内层水平。因为整个喷口为圆环结构，所以实际上不存在上下问题，任意方向都可以实现，即360度全向偏转。

观察了多张尾喷管偏转的照片，外盖板都没有伸出机匣范围以外，偏转的角度不大，目测在10度左右。

仔细察看会发现即使是非偏转状态下，也有部分叶片会转动，角度各不相同。我猜测各叶片前端可转动部分之间有机械连杆相互联系，叶尖部位的那两个固定点就是固定连杆用的，所有活页是联动的。

当尾喷管处于直径最小的收敛状态，也就是非加力的高亚音速时，叶片已经完全聚拢在一起，将无法偏转。

实际上中层和内层都是单片固定式的，偏转时只会整体平行倾斜。外层盖板采用这么一个独一无二的转动设计并不影响内部的偏转，而似乎是为了让两侧从收敛到扩张过渡段的外层叶片相互之间不打架。

像F100发动机一样，即使去除外层盖板也不会影响发动机的矢量动作，我猜想外层盖板的主要作用还是整流、保护内部机构和降低雷达信号。

4. 偏转环

如果觉得矢量喷口的偏转角度只有10度不够大（苏-35的AL31FP能偏转15度）别着急，还有大招。

在收敛/扩张叶片之后，第二段尾喷管之前，“太行”TVC比普通版的“太行”发动机多了一小节圆环，这是一个偏转环，可以带动后面的收敛/扩张喷管组件整体偏转一定的角度，目测在5度左右。之后的第二段尾喷管每一节都向后开有一道窄缝（普通版“太行”是向前开的），当喷管偏转时这个薄片状的盖板可以有一定的起伏，始终包覆住偏转环。

虽然偏转环能转动的角度相当小，但用肉眼足够分辨得出来，和收敛/扩张叶片的偏转相叠加，至少也可以达到15度的偏转角，对大推力涡扇发动机来说这样的喷流角度改变已经足够产生很大的矢量力矩了。

这张歼-10B停在地面的照片展示了尾喷管能偏转的最大角度（目测不超过15度），此时处于停车状态，全机已关闭电源，用燃油作为工质的尾喷管驱动系统失去能源和压力，整个尾喷管组件在重力作用下下垂，偏转环也被下压到最大角度。

至于这整套复杂的矢量偏转系统内部是怎样的驱动结构，因为无图无真相，我也就不乱猜了。我也不确定是否收敛/扩张叶片的偏转状态是由偏转环驱动的，还是两套独立运作的系统。我倾向于是两套系统，也就是两段式偏转，而不是靠一个偏转环就能实现这么复杂的操作。

有些文章分析采用的是A8/A9动作环共同转动的形式，有三套或者五套动作筒。

但是在普通版“太行”上，每一片收敛/扩张叶片都有自己独立的驱动系统，所以“太行”TVC用什么驱动结构还很难说。

不管原理如何，从实际安装上机的效果看，“太行”TVC对尾喷管的改动最小，可以直接利用原有的收敛/扩张动作筒，只不过把同时收敛、扩张改为一侧收敛一侧扩张，结构简单、长度、体积和重量增加都很小。

四月份的时候曾经看到有媒体分析歼10B换矢量发动机或许是谣言。

他们分析的原因就是尾椎切掉的部分太小，无法满足矢量偏转的需要，最大角度不超过5度，没有实际意义。

如今看起来这真可谓是教科书般的反例，中国军工（研究主体是606所）就是螺蛳壳里做道场，用最小的代价，矢量喷管外壁仅仅偏转5度的幅度就实现了整体喷流轴线超过15度的效果。矢量喷管本身越轻越短，它的回转惯性就越小，响应速度快，对整机的配平和气动影响小。“太行”TVC的水平如何，看看珠海航展那几个弹眼落睛的过失速机动就知道了。