矢量发动机将美国战机推进死胡同

矢量发动机将美国战机推进死胡同

这是我以前写过的几个关于F-22、F-35和J-20的帖子们的组合。

首先必须严重声明咱是彻头彻尾的外行！

大家都知道三代机就已经是所谓“非稳定性”飞行（unstable flying）了，就是所谓的“Flying Wing”，这个大家可以搜一下网络。因此由于人的观察范围太有限和反应也太慢，不同性质或程度的“非稳定性”飞行器都需要不同性质或程度的计算机控制飞行，比如说歼十就肯定有它自己的计算机控制系统。

虽然绝大部分人没有使用过计算机控制飞行飞机，但是很多人都使用过计算机控制驾驶汽车，比如说现在很多汽车都有的“anti-lock braking system （ABS）”（中文好像叫“防锁死刹车系统”）就是一种计算机控制驾驶汽车。汽车使用计算机控制驾驶，比如 ABS，是因为我们一般人做不到少数人可以做到的高频率的刹车动作。但是，“非稳定性”飞行使用计算机控制飞行就是必须的了，因为人的观察范围太有限和反应速度太慢。

要实现对一个“非稳定性”飞行器的有效的计算机控制飞行就必须有一套完整和真实的关于这个飞行器的飞行控制系统，首先是要有一个数学力学模型，然后要有相应的计算机系统（说“相应”主要是计算速度不能太慢），再就是计算机控制的实现，F-20就是发动机、各种 rudder （舵）、鸭翼和尾翼的一系列动作的实现，而对应的F-22/F-35就是矢量发动机和各种 rudder（舵）包括固定尾翼上的舵的一系列动作的实现。因此，三代机和四代机都需要相当强的计算机控制系统。所以，几乎可以简单地说它们是流体力学、动力、材料或控制的结合。当然，最后还要人机一体化才能形成设计的战斗力。

大家可以想象全动尾翼的动作对飞机的影响要比固定尾翼上的 rudder（舵）的动作大，因此描述全动尾翼的数学模型要比描述固定尾翼的舵的数学模型更细致如果不是更复杂或更难的话。

大家都知道，美国的战略要求美军的装备不仅必须领先对手，还需要领先很多，比如说两代，至少也要领先一代。

同样的，大家都知道，美国咱很多方面都领先中国，可惜的是，目前值得一提的好象就只剩下喷气发动机这一个可以某些人被津津乐道了。

目前中国的喷气发动机水平如何，我不知道。中国有没有能力制造矢量发动机，我也不知道。当然了，你落后，你就要追，但是，当你只落后一个地方的时候，那么你追的方式就要求很高的艺术性了，比如说给对手留一条活路。

恰恰因为美国领先中国的地方已经不多了，特别是美国领先中国超过一代或一代以上的东西就更少了，这样一来，由于美国的战略要求美军的装备必须领先对手很多，所以，可以想象美国的决策者们的目光就都不约而同地聚焦到了矢量发动机上！

众望所归，我以为这是老美非要用矢量发动机的必然性结果，因为发动机已经是老美的最后一个优势了，如果不用就将几乎优势全无，所以不得不用，而且还是必须用。

因此，矢量发动机就成了老美无奈而唯一的选择，从而造成选择F-35是一种无奈而唯一的选择，终于，矢量发动机将美国战机推进死胡同，原因就是使用矢量发动机限制了战机的长度，结果就是F-35的体积比较小，造成可配备机载设备的空间有限，直接导致战斗力下降，超音速巡航能力和作战半径也都要随之而减小。

F-35的氧气系统问题已经是公开的了，关于这个问题《F35目前面对的13大技术故障或难题》提到：“传统上，发动机启动系统、发电机和冷暖空调是各自独立 的系统。F-35将三者整合进一体的综合动力系统（简称IPP），减轻了重量，简化了操作和维修。但IPP故障将导致主要航电过热故障、失去备用发电机、失去机载制氧能力和座舱加压，在空中出现的话，将导致严重的飞行安全问题。”

显然，“减轻了重量”只是一方面，另一方面是减小了体积。

还有“更大的问题在于油箱的惰性气体保护。油箱半满的时候，气相空间里充满燃油的挥发性气体，如果和空 气混合，容易发生自燃自爆，需要用惰性气体填充空间，通常是用氮气。另外，油箱的壁面积很大，油箱内的压力应该比环境压力高，防止空气渗入，但压力差不能 太大，否则油箱壁需要大大加强。问题是空气密度随高度变化，所以油箱压力要随之改变，以保持设计的压力差。油箱和环境压力有单通的平衡阀，油箱压力过高的 时候，放掉一点氮气；油箱压力过低的时候，由机上氮气源补足。空气中大约20%是氧气，另外80%中绝大部分是氮气，现在采用机载制氧系统在制氧的同时， 也制取氮气，取代了过去的氮气瓶。不过F-35的制氮能力不足，全速俯冲时会导致空气泄漏进油箱，可能造成危险。设计团队一方面增加机载制氮的能力，另一 方面重新设计单通平衡阀，阻止回漏。”

可见，这一切都是F-35体积比较小为了节省飞机非常有限的空间的直接结果。

可是，为什么F-35的体积这么小呢？

我以为这是F-35使用矢量发动机的必然结果，也就是说矢量发动机将美国战机推进死胡同。

矢量发动机很牛B是无疑的，只是个人以为矢量发动机用到飞机上的空气动力学模型很复杂，因此更难，目前现有的技术还不足以跟矢量发动机配套。

关键就是那位置，喷气战斗机的发动机位于飞机的尾部，而尾部是个一两拨千斤的地方，因此非常不稳定，下面我就试图理解一下喷气战斗机的数学力学模型。

最简单的数学力学模型就是一个点质量被一个力作用，或一个球被一个力作用。大家可以想象推一个球或推车等等我们中学物理课上做过的习题。因为J-20使用的不是矢量发动机，因此描述J-20的推力的数学模型就比较简单。大家也可以想象矢量发动机喷气的方向的变化对飞机的影响也非常大，因此控制F-22/F-35需要一个描述它们的矢量发动机喷气方向变化的数学模型，而对应的控制J-20就不需要这个数学模型。

大家想象一下一个简单战斗机的推力的数学力学模型，无非是一个物体的尾部被施加推力，如果这个推力的方向跟这个物体的主轴一致也就是这个推力的方向不变，那么这个模型就比较简单，这就是F-20还有所有不用矢量发动机的飞机都是一样。

那么，F-22/F-35呢？还有所有使用矢量发动机的飞机，当然了，绝大多数情况下，使用矢量发动机的飞机的发动机推力方向是跟飞机的主轴一致的。但是，当使用矢量发动机的飞机需要矢量发动机的优越性的时候，矢量发动机的喷气方向就要变化，也就是说在这个时候发动机推力方向是跟飞机的主轴是不一致的。

我再请大家从那个最简单的数学力学模型一个点质量被一个力作用开始想起。对于一个点质量被一个力作用，无论这个力的方向如何变化，这个点质量的速度和方向就会随着变化，这是最简单的情况。

然后，如果我们想象这个点质量逐渐变长成为一个有长度的线段，那么当作用在这个线段上的推力的方向是跟这个线段的方向是一致的，那就还是跟点质量的情况一样没有任何变化。

但是，如果，当作用在这个线段上的推力的方向开始变化了，也就是说不再跟这个线段的方向是一致的了，这时的情况会发生什么变化呢？

我猜大家都可以想象：如果这个线段比较短，事情就比较简单；如果这个线段比较长，事情就比较麻烦。

大家可以简单的用铅笔在桌子上做个试验，找几个长短不一的铅笔，用你的手指从后面，也就是铅笔的一端推铅笔向前，开始顺着铅笔的方向推，也就是沿着铅笔的笔身方向推，然后再试着改变你的推里方向，你就会发现短一些的铅笔要比长一些的铅笔在你改变你的推里方向稳定，或者说短一些的铅笔要比长一些的铅笔变化相对小一些。

当然了，这个试验只是给大家一个概念，因为铅笔只是受你的推力和与桌面的摩擦力，但是高速飞行的飞机在空气中一旦飞机尾端推力方向发生变化，空气对飞机机体的压力是非常非常可怕的大滴！

我猜这就是为什么F-22和F-35都那么短的根本，由于用矢量发动机产生飞机尾端推力方向发生变化，而这种空气动力学又很不稳定，因此短一些就相对容易控制。

而飞机机体短了还要隐身就必须内置武器，F-22和F-35的载弹量就都受影响，如果是垂直起落飞机机体内部就更没多少空间放武器了。

相比之下，中国的J-20是用鸭翼实现矢量发电机的一些效果的，如果用前面的试验解释的话，简单的说，那就是说J-20的鸭翼相当于有你的另一个手指在铅笔前部提供垂直于铅笔方向的推力，因为J-20的发动机不是矢量发动机，所以发动机只提供一个方向的推力。

因此，我以为基本上可以下结论说：身材比较细长的飞机使用矢量发动机的好处不如身材比较粗短的飞机大。所以，使用矢量发动机的飞机宜短不宜长，甚至根本就对长度有限制。

很明显，航程和载弹量基本上就等于打击能力，特别是隐身战机还有很强的战略攻击性，那么，为什么美国人要走“粗短”身材（比如F-22/F-35）而不是“细长”身材（比如T-50和J-20，二者都是全动尾翼）的路呢？

我猜这是因为“四代机”如果只是靠各种 rudder（舵）控制的话，“空优”的效果就不够。

因为美国人有各种各样的发动机，也就是说根据发动机不是美国人考虑的问题，再加上我猜美国人也不应该有材料方面和计算机方面的问题，所以我猜美国人的问题是控制方面的。

因此，我以为基本上可以下结论说：美国人在鸭翼和全动尾翼方面的控制有问题。

因为控制问题是系统工程，而我猜美国人的计算机不应该有问题，我还猜美国人的材料和机械系统也不应该有问题，所以我斗胆猜美国人的问题也许可能大概恐怕是：鸭翼和全动尾翼的空气动力学的数学力学模型方面的。

理解矢量发动机对飞机控制带来的“不稳定性”的另一个直观比较是用汽车的转向，也就是“Steering”，比较矢发与小鸭对飞机控制，F-22跟F-35的矢发相当于“Rear Wheel Steering”（后轮转向），非常敏感，而小鸭则相当于“Front Wheel Steering”（前轮转向），相对来说后轮转向明显比前轮转向更敏感，也更难以控制，尤其是在车身或飞机机身比较长了的情况下，可以想象后轮转向容易造成车身或飞机机身打转。

特别是考虑到飞机是在空气中高速飞行，接近一个或几个马赫的速度，“后轮转向”就立即会导致空气压力对飞机机身产生极大力偶，很容易打翻飞机。

有些超市的小推车也是“Rear Wheel Steering”（后轮转向），我想大家恐怕都有推这种后轮转向的小推车的经历，肯定是不如前轮转向的小推车容易推。

所以我猜用矢量发动机的飞机如果想发挥用矢量发动机的优越性的话，飞机机身就不可以太长，也就是说必须要有一定的长度限制，这也就是为什么F-22和F-35的体型都比较短的原因。

F-22和T-50的长度翼展比低于J-20几乎20%！F-35的长度翼展比虽然稍微好了一点点，但是长度却短了几乎25%！

下面是-yh-网友帮忙找来的数据，大家慢慢看吧。

F-22
•长度：18.90 m (62 ft 1 in)
•翼展：13.56 m (44 ft 6 in)
•长度/翼展：1.394

T-50
•长度：19.8 m (65.9 ft)
•翼展：14 m (46.6 ft)
•长度/翼展：1.414

F-35
•长度：15.67 m (51.4 ft)
•翼展：10.7 m (35 ft)
•长度/翼展：1.464

YF-23
•长度：20.60 m (67 ft 5 in)
•翼展：13.30 m (43 ft 7 in)
•长度/翼展：1.549

J-20
•长度：21.26 m (69 ft 9 in)
•翼展：12.88 m (42 ft 3 in)
•长度/翼展: 1.651