殲20實現完美隱身一定要以浪費推力為代價？美國人說不

近日，殲-20與殲-16以大象漫步的形式再度展示在世人面前，氣勢十足。從殲-20量產服役的速度來看，該機顯然得到了認可，如今殲-20需要改善無疑就是發動機，發動機問題的解決不僅事關飛機整體氣動性能的發揮，發動機細節如何處理也事關殲-20隱身的最後一個問題——尾部隱身。

使用類似F-22的矩形噴嘴對於殲-20的隱身當然最好，但有些觀點認為矩形噴嘴會讓殲-20本就不高的推力進一步損失。那事實真的如此麼？今天，北國防務（微信ID:sinorusdef）特約撰稿人Flak就來說說美國人的經驗。

△殲-20使用國產“太行”發動機後使用了類似F-35的隱身處理方式，但對於殲-20這樣的雙發機而言這並不完美，類似F-22的矩形噴嘴或是完美解決方案

美國對矩形噴嘴的研究始於上世紀70年代，從概念設計、風洞測試到飛行測試，一步一腳印地持續發展到上世紀90年代，才產生F-22戰鬥機與F119發動機組合這一成果。

從公開的資料看出，設計F-15的麥克唐納公司與普惠公司於1975年聯名發表的一篇論文中比較了NASA主推的二維內塞折流片、廠商主推的二維斂散噴嘴以及作為對照組的軸對稱矢量噴嘴安裝在雙發戰機上的效果。風洞測試結果顯示各種噴嘴的推力系數差異不大，其中二維斂散噴嘴的確會有推力降低的現象，但差異不到2%，而將葉片略微延長也可將阻力降低2%。而差異最大的是機動狀態的阻力，也就是速度0.9馬赫，加力最大，機翼升力達到80%最大升力的高G轉彎狀態，利用前翼、高後掠主翼與NASA的二維內塞折流片產生14度的矢量推力綜合產生的超環量效應可降低負載阻力達13%，高於軸對稱矢量噴嘴的7%。

△麥道公司競標美國五代機計劃的無隱身方案採用了前翼、三角翼與二維矢量噴嘴就是要利用超環流現象增進高G轉彎的升阻比與持續轉彎率

在美國空軍資助下，麥克唐納、普惠、通用電氣與NASA從1976年開始了“非軸對稱噴嘴的實驗評估計劃”，對5種矩形噴嘴進行風洞測試。其成果可以參考NASA在1978年發表的論文，在不考慮矢量推力提升機動升力的情況下，測試結果顯示兩家發動機公司設計的二維斂散噴嘴與對照的軸對稱噴嘴差異不大，推力表現在各種不同油門條件下各有高低，但差別在1%以內。

△根據NASA風洞測試的數據，兩種二維斂散噴嘴（三角形）與傳統圓形噴嘴（圓圈）的推力系數差異不大，在高推力狀態甚至會略微提高

非軸對稱噴嘴研究計劃的最後目標是要在F-15實機上安裝二維噴嘴，展示其機動性能與短場起降性能的提升，也就是著名的F-15 S/MTD（短場起降與機動科技展示）試驗機。而NASA在1978年發表的論文說明了如何選擇哪一種二維矢量噴嘴安裝在試驗機上。文中比較了二維斂散噴嘴與兩種內塞折流片的二維噴嘴，結果顯示二維斂散噴嘴的推進效率最好（比傳統噴嘴還高1-2%），重量增加最少（226千克vs 159千克，僅比傳統噴嘴增加67千克）。其中重量雖然增加，但NASA評估軸對稱噴嘴要加上矢量推力（當時評估的版本是類似俄羅斯AL-31FP的擺動機制）與逆向推力能力，其重量只會比二維斂散噴嘴更高，因此決定用二維斂散噴嘴作為短場起降與機動科技的實驗品。

△NASA的評估表只考慮噴嘴的推進效率，不考慮安裝到飛機上的綜合阻力。而內塞折流片需要較多的冷卻氣流，因此重量較大，推進效率也較低，以致於輸給了二維斂散噴嘴

受到二維噴嘴研究成果的激勵，美國在發展五代機的ATF計劃時，大部分廠商都加入了二維矢量噴嘴來提升超機動性短場起降性能。但最後空軍為了降低成本，允許廠商拿掉逆向推力裝置，最後成果就是我們在F-22上看到的F119發動機與二維斂散噴嘴。

△F-15S/MTD試驗機於1989年開始安裝二維噴嘴進行飛測，其起飛距離縮短38%，降落距離縮短60%，高攻角的俯仰控制力增加110%。注意圖中的噴嘴長度與傳統噴嘴幾乎沒有差別

由此可知，矩形噴嘴在美國人眼中與圓形噴嘴的推力差異甚微，根本忽略不計。唯一的缺點是重量較大，這是因為圓形噴嘴僅需承受拉伸負載，但矩形噴嘴還加上了扭曲方向的負載，因此矩形噴嘴需要做得較厚來承受負載，即便最先進的F119也不例外。不過，一方面在拔掉逆向推力裝置後，連帶減輕了冷卻系統重量，另一方面普惠使用了最新的C型高抗燃型鈦合金來打造噴嘴與加力燃燒室，進一步減輕重量同時提高安全性，因此F119發動機的二維噴嘴將比F-15S/MTD使用的更輕，而後者其實也不過比傳統噴嘴多了67千克。

△對美國人而言，矩形噴嘴在推力與長度上都與圓形噴嘴沒有太大的差別，唯一的缺點是一定比較厚，造成重量的略微上揚

綜上，以美國的經驗來看，矩形噴嘴損失推力的觀點並不準確。未來殲-20使用矩形噴嘴實現完美隱身，應該會是發展的方向。從美國人“看透”這個問題，我們也能得到一些啟發，那就是任何技術的最終採用都需要前期大量基礎研究做支撐，這也是美國人強大的地方，非常值得我們深思。