摘要：2024年底，俄罗斯红星电视台播出了一部关于苏-57战斗机的专题片。片中编号为“052”的苏-57原型机，其左发动机换装了一款新型二元推力矢量喷管，而非此前出现的三元推力矢量喷管（注：即全向推力矢量喷管）。为什么会出现推力矢量技术？二元推力矢量喷管和三元推力矢

2024年底，俄罗斯红星电视台播出了一部关于苏-57战斗机的专题片。片中编号为“052”的苏-57原型机，其左发动机换装了一款新型二元推力矢量喷管，而非此前出现的三元推力矢量喷管（注：即全向推力矢量喷管）。为什么会出现推力矢量技术？二元推力矢量喷管和三元推力矢量喷管各有哪些优缺点？推力矢量发动机会不会成为今后战机的标配？

编号为“052”的苏-57原型机，其左发动机换装了一款新型二元推力矢量喷管

绝大多数传统战机的发动机安装在机身的后部，发动机轴线与机身中轴线重合或平行。战机改变飞行姿态时所需的仰俯和偏航力矩，主要由战机气动舵面提供。随着对战机机动性和响应敏捷性要求的提高，加之短距起降、垂直起降等新战术需求的出现，设计人员开始探索新的技术路径，即通过改变发动机尾流喷射方向，增大控制力矩，提升战机的机动性。这种能改变尾流喷射方向的喷气式发动机，被称作推力矢量发动机。

世界上首款实用型推力矢量发动机，是英国“鹞”式垂直起降战斗机配备的“飞马”涡扇发动机。四个可在水平至向下90°范围内偏转的转向喷管，使“鹞”式战机可以实现垂直起降。

推力矢量发动机的出现使战机起降及机动性能显著提高。例如，F-15S/MTD技术验证机在发动机喷流向下偏转15°时，起飞滑跑距离可由原来的1200米缩短到460米。再如，F-22战斗机配备F119-PW-100推力矢量发动机后，滚转360°所需时间由10.5秒缩短到5.7秒。

F119-PW-100推力矢量发动机测试中

推力矢量发动机提升战机性能的同时，也给战机设计、生产带来很多难点。采用推力矢量发动机后，战机机动性能明显提高，可能会在极短时间内急剧改变飞行姿态。这会造成发动机进气不平顺，易引起发动机喘振。要在更恶劣工况下保持正常运转，且输出推力无明显下降，这就对发动机可靠性提出更高的要求，要求其具有较大的喘振裕度，表现更加“泼辣”。

再者，为保证操作精准、响应及时，推力矢量发动机最好采用全权限数字控制技术，且可调节参数要多、调节范围要大。而全权限数字控制技术装机应用前提条件有二。一是要掌握发动机核心数据，才能为控制算法提供准确数据，从而实现极高的控制精度。二是批量生产的发动机主要性能指标必须稳定，个体差异要小。

此外，推力矢量发动机对发动机材料、生产工艺要求更高。矢量喷管位于发动机的尾部，受到高温高压喷流持续冲刷。在如此恶劣的工况下，矢量喷管既要能够灵活转向又要保证气密良好，重量还要尽可能轻。这对材料性能和加工工艺提出了极大挑战。

因此，当前能独立研发出实用型推力矢量发动机的国家屈指可数。

在发动机尾部装上几片可偏转的燃气舵，这是推力矢量喷管的雏形。该技术路径技术简单，额外增重小，但是难以对尾喷流进行精准控制，且发动机推力损失很大，故只是昙花一现。此后，各国普遍将发展重点放在二元推力矢量喷管和多轴向控制的三元推力矢量喷管上。

所谓二元推力矢量喷管，是指横截面为矩形、只能在垂直方向调节喷流角度的尾喷管。位于二元推力矢量喷管上方和下方的调节片相对摆动时，可调整喉道与出口面积。当上、下调节片同向摆动时，就改变了尾喷流方向，即改变了推力作用方向。目前批量服役的推力矢量发动机中，采用二元推力矢量喷管的仅有F-22战斗机配备的F119-PW-100这一款。

二元推力矢量喷管形状为矩形，可上下方向摆动

二元推力矢量喷管具有自身优势。第一，二元推力矢量喷管具有较大的管壁面积和较低的高度（注：正常情况下，尾喷口在垂直方向上高度较小），便于战机后机身一体化融合设计，有利于收窄机体尾部以形成更好的纺锤形，降低飞机空气阻力。第二，二元推力矢量喷管外沿便于设计成大锯齿状，利于提高战机后向雷达隐身效果。第三，二元推力矢量喷管有利于给尾流降温，从而提高战机尾部的红外隐身效果。圆形尾喷管喷出的尾流呈毛笔尖状，不利于迅速与外界冷空气掺混并进行热交换。二元推力矢量喷管喷出的尾流，会在矩形喷管的4个顶角后方形成4条漩涡，能加速炽热的尾流与周边冷空气的热交换速度。其在3至5微米波段的红外抑制效果可达80％至90％。

二元推力矢量喷管的缺点同样显著。首先，它只能为战机提供仰俯力矩，无法提供偏航力矩。例如，F119-PW-100发动机尾喷管只能在垂直方向进行正负20°以内的偏转。因此F-22的推力矢量喷管只能调整飞机俯仰角度。

其次，从横截面为圆形的发动机燃烧室喷出的高温高压燃气进入横截面为矩形的二元推力矢量喷管，会导致气流紊乱，造成推力损失。据外媒报道，F119-PW-100发动机在综合采取各种优化设计后，推力损失被控制到2％左右。有资料称，编号为“052”的苏-57原型机的左发动机新近配装的二元推力矢量喷管，推力损失达5％至7％。目前，俄罗斯留里卡-土星公司正在这方面不断努力，力争将推力损失降至2％至3％的水平。

三元推力矢量喷管和二元推力矢量喷管的优缺点几乎正好相反。同二元推力矢量喷管相比，三元推力矢量喷管理论上可实现全向偏转，能为战机提供额外的仰俯、偏航和滚转力矩。同时，三元推力矢量喷管尾喷管横截面与加力燃烧室一样是圆形，管内气流紊乱程度较二元推力矢量喷管为轻，推力损失理论上比二元推力矢量喷管要低。因此，三元推力矢量喷管特别适宜需要高度机动性的战斗机配装。

相比二元推力矢量喷管，三元推力矢量喷管圆形截面使得喷流冷却效果不佳，红外隐身效果相对较差。由于三元推力矢量喷管难以与机体后半部实施融合设计，因此，雷达隐身效果也弱于二元推力矢量喷管。较为复杂的结构，使得三元推力矢量喷管增重明显，成本也水涨船高。

美国通用电气公司为F110发动机研发的三元推力矢量喷管，由3个转向调节作动筒、4个喉道面积调节作动筒、3个调节环制成机构、喷管控制阀，以及1组位于调节片之间的涂有耐热涂层的扩散密封片等构成。

三元推力矢量喷管喷口截面为圆形可360º全向摆动

欧洲喷气涡轮公司为EJ200发动机研发的三元推力矢量喷管，其偏折机构包括以下几部分：3个可移动的环、1个连杆机构、4个作动筒和许多调节片等。其内环负责轴向移动，中环负责轴向移动及周向摆动，外环是分开的。连杆连在3个环和4个液压作动筒上。调节片采用铰接，可以从一侧转向另一侧以及向内、外移动，以调节喉道面积和喷管出口面积。

如此复杂的结构，要长期在高温高压恶劣工作环境下保持高可靠性和高灵敏度，难度不小。俄方早年间为AL-31发动机研发三元推力矢量喷管时，为提高机构的可靠性，在原喷管上增加了1个环形的转向装置，并将喷管固定在该环上，用2对液压作动筒驱动。虽然远比西方同类产品结构简单，但代价是在垂直方向上仅能实现正负15°的偏转。

同时还要考虑到，战斗机对偏航机动的要求远没有对俯仰机动的要求高，而且战斗机水平转弯时是先拉出大迎角再滚转，利用升力来对抗离心力转弯，所以三元推力矢量喷管所能为战机提供的偏航力矩实际意义有限。

一型战机是否采用、采用哪种推力矢量发动机，不仅要考量发动机本身优缺点，而且要从战机整体设计、性能指标要求等角度进行取舍。

不管装备哪种推力矢量喷管，推力矢量发动机必然需要额外增加重量，某些型号甚至较同等推力常规发动机增重10％左右。另外，由于增加的重量主要集中在发动机尾部，使得整机重心后移，设计人员不得不为此调整战机总体布局，而这种调整往往“牵一发而动全身”。因此，如果设计之初没有通盘考虑，一款原始设计采用常规发动机的战机批量服役后，再试图为其研发配套推力矢量喷管，往往会得不偿失。这是不少现役战机在改装推力矢量喷管后，一直停留在验证阶段，而没有铺开列装的一个重要原因。

即便是设计之初就确定配装推力矢量发动机，其实际应用也要受到战机总体设计限制。以F-22战斗机为例，两台并列安装的F119-PW-100发动机间距极窄，两个二元推力矢量喷管之间还夹着一个突出的尾锥结构。为尽可能增大所能提供的仰俯力矩，F-22的水平尾翼安装位置靠后，进一步压缩了发动机尾喷管水平方向上的空间。因此，即便F119-PW-100发动机换装三元推力矢量喷管，因为两侧水平尾翼和中间尾锥结构的阻挡，也难以左右大幅摆动。

苏-35S战斗机两个进气道与发动机舱连线呈“八”字形

类似问题在苏-57战斗机和安装了AL-41F1S推力矢量发动机的苏-35S战斗机上也同样存在。这两款战机在气动布局上一脉相承，进气道和发动机舱连线与飞机中轴线并不平行。俯视视角下，两个进气道与发动机舱连线呈“八”字形，而两个尾喷管的中轴线在正常情况下与机身中轴线平行。该设计能在高速飞行时减少激波，降低气动加热和机械应力，减少进气道暴露面积，延长发动机使用寿命，并能在需要时，为战机提供更大的偏航力矩。但是，在尾喷管不摆动的情况下，发动机加力燃烧室产生的高温高压喷流，要拐个小弯才能从尾喷管喷出，这会造成一定的推力损失。如尾喷管中轴线摆动到与进气道-发动机轴线重合的位置，虽然理论上喷出的尾流没有额外推力损失，但两台发动机所产生的推力会形成一个夹角，相互抵消掉一部分推力，致使战机总推力降低。

苏-57也好，苏-35S也罢，都继承了苏-27的中央升力体结构。这种构型的不利之处是战机滚转性能较差。因此，苏霍伊设计局宁愿让苏-57和苏-35S损失些总推力，也要努力提升战机的滚转性能，故在设计之初便确定配装重量代价更大的三元推力矢量喷管。

然而，事实上，受后机身设计限制，苏-57左右两个三元推力矢量喷管只能分别从左上至右下、右上至左下偏转，并未达成提升滚转性能的预期效果。三元推力矢量喷管反而带来增重较大、雷达和红外隐身效果不佳等问题。因此推测，在综合考量这些因素之后，苏霍伊设计局将“052”号苏-57原型机的左发动机换装了二元流体推力矢量喷管。

总之，战机采用什么样的总体设计，配装什么样的发动机，都是为了让战机达到某种性能所采取的技术手段，其本身并不是目的。如果战机动力极为充沛，那么推力矢量发动机增加数百千克重量，损失几个百分点的推力，换取战机机动性和隐身性的提升还是划算的。如果战机配套大推重比发动机研发进度滞后，而战机本身已经具备突出的机动性能，那么是否为其配装推力矢量喷管则要谨慎权衡。

需要指出的是，很多人对五代机所谓4S 标准中“超机动性能”的理解存在偏颇。五代机能在亚声速状态下做出许多匪夷所思的机动动作，在近距离格斗中迅速摆脱被动局面，并对“咬尾”攻击的敌机实施“反杀”，这只是“超机动性能”的表现之一。

实际上，五代机凭借自己碾压前代战机的“4S”能力，在敌方尚未察觉危险来临时便将对手一举击落，才是明智之举。即便是机载弹药告罄，也可凭借超声速巡航能力迅速脱离战场，完全没有必要放弃自身的优势，陷入不确定因素极多的近距格斗中。所谓“超机动性能”，主要是指战机在超声速巡航接敌过程中，通过机动迅速建立战斗优势的能力。

F-22战斗机的两台并列安装的F119-PW-100发动机间距极窄

综上所述，哪怕对五代机而言，推力矢量发动机也并非刚需，要根据实际情况酌情取舍。至于四代机和四代半战斗机进行中期升级时，除非需要大幅提高短距起飞能力，换装推力矢量发动机也不是必选项。

不过，未来的六代机的情况可能又有所不同。虽然目前尚未出现被各国广泛接受的六代机技术标准，但人们普遍认为六代机隐身能力应较五代机更强。五代机普遍采用大外倾角双垂尾设计，但仍会在特定方向上形成相对较强的雷达回波。因此，不少国家推出的六代机设想图中取消了垂尾，以进一步提高战机隐身性能。如此一来损失掉的力矩，只能由推力矢量发动机来弥补。推力矢量发动机会不会成为未来六代机的标配，只能拭目以待。

来源：军师军茶利