變著花樣飛
——探索推力矢量噴管

文、圖 / 程峰

俗話說：“大力出奇跡?！敝灰屏ψ銐虼?，別說磚頭能輕易飛上天，就連重達(dá)幾十噸的火箭也可以飛到太空中。

在火箭發(fā)射時(shí)，我們仔細(xì)觀察火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管，就會(huì)發(fā)現(xiàn)噴管會(huì)出現(xiàn)輕微的擺動(dòng)現(xiàn)象。這個(gè)過程其實(shí)是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)通過噴管來調(diào)整燃燒后的高溫高壓氣體的噴射方向，以此實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)推力方向的不斷調(diào)整，從而使火箭保持平衡，確?；鸺较蛘_。

為了追求極致的機(jī)動(dòng)性，戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)有時(shí)也會(huì)采用這種能調(diào)節(jié)噴管方向的技術(shù)，稱為“推力矢量技術(shù)”。比如美國(guó)著名的F-22 戰(zhàn)斗機(jī)，它的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管非常特殊，由上下兩片收斂片組成，稱為“收斂發(fā)散二維推力矢量噴管”。通過控制兩片收斂片，可以幫助飛機(jī)實(shí)現(xiàn)超級(jí)機(jī)動(dòng)飛行。

中國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)也有類似的技術(shù)。在2018 年的珠海航展上，殲-10B 戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行了飛行表演，憑借獨(dú)特的推力矢量技術(shù)，飛出一個(gè)個(gè)高難度的動(dòng)作，驚艷了全世界。殲-10B使用的國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的推力矢量技術(shù)是我國(guó)特有的一種技術(shù)，具體要從現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管說起。

現(xiàn)代噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)尾部的噴管由一圈收斂片組成，通過控制收斂片的擴(kuò)張與收縮，可以改變發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的直徑，從而達(dá)到最佳推力。

這個(gè)原理可以用一個(gè)小實(shí)驗(yàn)來解釋: 手持一個(gè)小風(fēng)車，我們先張大嘴巴吹氣，這時(shí)小風(fēng)車很難轉(zhuǎn)起來，因?yàn)轱L(fēng)是散開的；然后我們?cè)儆么悼谏趦旱淖煨未禋?，這時(shí)小風(fēng)車就能飛快地轉(zhuǎn)起來；接著，我們?cè)龠M(jìn)一步縮小嘴張開的幅度，直至差一點(diǎn)兒就閉上，此時(shí)小風(fēng)車的轉(zhuǎn)速會(huì)慢下來。

通過這個(gè)小實(shí)驗(yàn)，我們就能親身感受到，同樣是吹出去氣體，只有當(dāng)嘴巴張到一個(gè)合適大小的時(shí)候，才能獲得一個(gè)最大的風(fēng)力。

為了使噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的推力達(dá)到最優(yōu)的效果，工程師們便研發(fā)出了可以張開或合攏的可動(dòng)式噴管收斂片。而我國(guó)殲-10B的發(fā)動(dòng)機(jī)又在這種收斂片的基礎(chǔ)上加了一組轉(zhuǎn)向裝置，從而成功實(shí)現(xiàn)了推力方向的調(diào)節(jié)控制。

知道了推力矢量技術(shù)能幫助飛機(jī)進(jìn)行機(jī)動(dòng)飛行，那么這一期我們用紙飛機(jī)來進(jìn)行一次類似的模擬飛行吧！

為了凸顯推力矢量噴管的特色，這次的紙飛機(jī)取消了常規(guī)的機(jī)翼設(shè)計(jì)，結(jié)合了升力體的概念。按照我們介紹紙飛機(jī)的順序，這架紙飛機(jī)出現(xiàn)在第17 位，我們就用X-17 來命名。

制作完成后將X-17 按立體圖的樣子展開，注意天線可以往外側(cè)折約45 度。從X-17 的前面看，它的身體截面呈等腰梯形。頭部?jī)?nèi)凹的部分相當(dāng)于進(jìn)氣口。尾部模擬兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力矢量噴管，可動(dòng)部分便是噴管的收斂片。氣流從飛機(jī)頭部進(jìn)入機(jī)身，從尾部穿出，通過改變收斂片的方向我們就能改變空氣流動(dòng)的方向，依此原理，我們來開展模擬飛行。

讓噴管收斂片保持在原位，手握在X-17 中部，試著往前擲一次來測(cè)試X-17 的飛行性能。只見X-17 在空中前進(jìn)一段距離后，忽然翻了個(gè)身，倒著飛起來?？磥硪氡３譀]有常規(guī)機(jī)翼的X-17 的飛行姿態(tài)，還得再調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)噴管才行。將噴管上收斂片微微往上調(diào)，再次將X-17 飛出，此時(shí)的X-17 終于保持背部朝上的姿態(tài)飛了出去。

接著嘗試將側(cè)收斂片往左轉(zhuǎn)，X-17 便成功向左飛行。水平方向的調(diào)整看來還是比較容易的。

再次調(diào)整上收斂片，將左邊的往下翻，右邊的往上翻。此時(shí)的X-17 繞著圈，在慢速旋轉(zhuǎn)中往前飛去。這個(gè)軌跡和以往的紙飛機(jī)大不相同。常規(guī)機(jī)翼的紙飛機(jī)，機(jī)翼兩端的副翼可以給紙飛機(jī)較大的力矩，于是常規(guī)機(jī)翼的紙飛機(jī)便能在快速旋轉(zhuǎn)中前進(jìn)。而X-17 沒有常規(guī)機(jī)翼，而是采用整體的升力體設(shè)計(jì)，在收斂片的作用下旋轉(zhuǎn)較慢，其飛行軌跡有著明顯不同。

最后再介紹一種比較平穩(wěn)的飛行方法。將兩側(cè)的側(cè)收斂片都往內(nèi)收，模仿發(fā)動(dòng)機(jī)噴管內(nèi)收的樣子，這樣氣流就會(huì)向中部聚攏，微微向上調(diào)上收斂片來保持平衡。再次往前擲出，X-17便會(huì)以一個(gè)穩(wěn)定的飛行軌跡向前飛去，飛行姿態(tài)會(huì)非常平穩(wěn)。

通過收斂片不同的調(diào)整組合，我們可以慢慢摸索出X-17 的飛行特點(diǎn)。祝大家飛行愉快！體驗(yàn)了“推力矢量”的紙飛機(jī)，更精彩的內(nèi)容即將到來。