矢量發動機將美國戰機推進死胡同

矢量發動機將美國戰機推進死胡同

這是我以前寫過的幾個關於F-22、F-35和J-20的帖子們的組合。

首先必須嚴重聲明咱是徹頭徹尾的外行！

大家都知道三代機就已經是所謂“非穩定性”飛行（unstable flying）了，就是所謂的“Flying Wing”，這個大家可以搜一下網絡。因此由於人的觀察範圍太有限和反應也太慢，不同性質或程度的“非穩定性”飛行器都需要不同性質或程度的計算機控製飛行，比如說殲十就肯定有它自己的計算機控製係統。

雖然絕大部分人沒有使用過計算機控製飛行飛機，但是很多人都使用過計算機控製駕駛汽車，比如說現在很多汽車都有的“anti-lock braking system （ABS）”（中文好像叫“防鎖死刹車係統”）就是一種計算機控製駕駛汽車。汽車使用計算機控製駕駛，比如 ABS，是因為我們一般人做不到少數人可以做到的高頻率的刹車動作。但是，“非穩定性”飛行使用計算機控製飛行就是必須的了，因為人的觀察範圍太有限和反應速度太慢。

要實現對一個“非穩定性”飛行器的有效的計算機控製飛行就必須有一套完整和真實的關於這個飛行器的飛行控製係統，首先是要有一個數學力學模型，然後要有相應的計算機係統（說“相應”主要是計算速度不能太慢），再就是計算機控製的實現，F-20就是發動機、各種 rudder （舵）、鴨翼和尾翼的一係列動作的實現，而對應的F-22/F-35就是矢量發動機和各種 rudder（舵）包括固定尾翼上的舵的一係列動作的實現。因此，三代機和四代機都需要相當強的計算機控製係統。所以，幾乎可以簡單地說它們是流體力學、動力、材料或控製的結合。當然，最後還要人機一體化才能形成設計的戰鬥力。

大家可以想象全動尾翼的動作對飛機的影響要比固定尾翼上的 rudder（舵）的動作大，因此描述全動尾翼的數學模型要比描述固定尾翼的舵的數學模型更細致如果不是更複雜或更難的話。

大家都知道，美國的戰略要求美軍的裝備不僅必須領先對手，還需要領先很多，比如說兩代，至少也要領先一代。

同樣的，大家都知道，美國咱很多方麵都領先中國，可惜的是，目前值得一提的好象就隻剩下噴氣發動機這一個可以某些人被津津樂道了。

目前中國的噴氣發動機水平如何，我不知道。中國有沒有能力製造矢量發動機，我也不知道。當然了，你落後，你就要追，但是，當你隻落後一個地方的時候，那麽你追的方式就要求很高的藝術性了，比如說給對手留一條活路。

恰恰因為美國領先中國的地方已經不多了，特別是美國領先中國超過一代或一代以上的東西就更少了，這樣一來，由於美國的戰略要求美軍的裝備必須領先對手很多，所以，可以想象美國的決策者們的目光就都不約而同地聚焦到了矢量發動機上！

眾望所歸，我以為這是老美非要用矢量發動機的必然性結果，因為發動機已經是老美的最後一個優勢了，如果不用就將幾乎優勢全無，所以不得不用，而且還是必須用。

因此，矢量發動機就成了老美無奈而唯一的選擇，從而造成選擇F-35是一種無奈而唯一的選擇，終於，矢量發動機將美國戰機推進死胡同，原因就是使用矢量發動機限製了戰機的長度，結果就是F-35的體積比較小，造成可配備機載設備的空間有限，直接導致戰鬥力下降，超音速巡航能力和作戰半徑也都要隨之而減小。

F-35的氧氣係統問題已經是公開的了，關於這個問題《F35目前麵對的13大技術故障或難題》提到：“傳統上，發動機啟動係統、發電機和冷暖空調是各自獨立 的係統。F-35將三者整合進一體的綜合動力係統（簡稱IPP），減輕了重量，簡化了操作和維修。但IPP故障將導致主要航電過熱故障、失去備用發電機、失去機載製氧能力和座艙加壓，在空中出現的話，將導致嚴重的飛行安全問題。”

顯然，“減輕了重量”隻是一方麵，另一方麵是減小了體積。

還有“更大的問題在於油箱的惰性氣體保護。油箱半滿的時候，氣相空間裏充滿燃油的揮發性氣體，如果和空 氣混合，容易發生自燃自爆，需要用惰性氣體填充空間，通常是用氮氣。另外，油箱的壁麵積很大，油箱內的壓力應該比環境壓力高，防止空氣滲入，但壓力差不能 太大，否則油箱壁需要大大加強。問題是空氣密度隨高度變化，所以油箱壓力要隨之改變，以保持設計的壓力差。油箱和環境壓力有單通的平衡閥，油箱壓力過高的 時候，放掉一點氮氣；油箱壓力過低的時候，由機上氮氣源補足。空氣中大約20%是氧氣，另外80%中絕大部分是氮氣，現在采用機載製氧係統在製氧的同時， 也製取氮氣，取代了過去的氮氣瓶。不過F-35的製氮能力不足，全速俯衝時會導致空氣泄漏進油箱，可能造成危險。設計團隊一方麵增加機載製氮的能力，另一 方麵重新設計單通平衡閥，阻止回漏。”

可見，這一切都是F-35體積比較小為了節省飛機非常有限的空間的直接結果。

可是，為什麽F-35的體積這麽小呢？

我以為這是F-35使用矢量發動機的必然結果，也就是說矢量發動機將美國戰機推進死胡同。

矢量發動機很牛B是無疑的，隻是個人以為矢量發動機用到飛機上的空氣動力學模型很複雜，因此更難，目前現有的技術還不足以跟矢量發動機配套。

關鍵就是那位置，噴氣戰鬥機的發動機位於飛機的尾部，而尾部是個一兩撥千斤的地方，因此非常不穩定，下麵我就試圖理解一下噴氣戰鬥機的數學力學模型。

最簡單的數學力學模型就是一個點質量被一個力作用，或一個球被一個力作用。大家可以想象推一個球或推車等等我們中學物理課上做過的習題。因為J-20使用的不是矢量發動機，因此描述J-20的推力的數學模型就比較簡單。大家也可以想象矢量發動機噴氣的方向的變化對飛機的影響也非常大，因此控製F-22/F-35需要一個描述它們的矢量發動機噴氣方向變化的數學模型，而對應的控製J-20就不需要這個數學模型。

大家想象一下一個簡單戰鬥機的推力的數學力學模型，無非是一個物體的尾部被施加推力，如果這個推力的方向跟這個物體的主軸一致也就是這個推力的方向不變，那麽這個模型就比較簡單，這就是F-20還有所有不用矢量發動機的飛機都是一樣。

那麽，F-22/F-35呢？還有所有使用矢量發動機的飛機，當然了，絕大多數情況下，使用矢量發動機的飛機的發動機推力方向是跟飛機的主軸一致的。但是，當使用矢量發動機的飛機需要矢量發動機的優越性的時候，矢量發動機的噴氣方向就要變化，也就是說在這個時候發動機推力方向是跟飛機的主軸是不一致的。

我再請大家從那個最簡單的數學力學模型一個點質量被一個力作用開始想起。對於一個點質量被一個力作用，無論這個力的方向如何變化，這個點質量的速度和方向就會隨著變化，這是最簡單的情況。

然後，如果我們想象這個點質量逐漸變長成為一個有長度的線段，那麽當作用在這個線段上的推力的方向是跟這個線段的方向是一致的，那就還是跟點質量的情況一樣沒有任何變化。

但是，如果，當作用在這個線段上的推力的方向開始變化了，也就是說不再跟這個線段的方向是一致的了，這時的情況會發生什麽變化呢？

我猜大家都可以想象：如果這個線段比較短，事情就比較簡單；如果這個線段比較長，事情就比較麻煩。

大家可以簡單的用鉛筆在桌子上做個試驗，找幾個長短不一的鉛筆，用你的手指從後麵，也就是鉛筆的一端推鉛筆向前，開始順著鉛筆的方向推，也就是沿著鉛筆的筆身方向推，然後再試著改變你的推裏方向，你就會發現短一些的鉛筆要比長一些的鉛筆在你改變你的推裏方向穩定，或者說短一些的鉛筆要比長一些的鉛筆變化相對小一些。

當然了，這個試驗隻是給大家一個概念，因為鉛筆隻是受你的推力和與桌麵的摩擦力，但是高速飛行的飛機在空氣中一旦飛機尾端推力方向發生變化，空氣對飛機機體的壓力是非常非常可怕的大滴！

我猜這就是為什麽F-22和F-35都那麽短的根本，由於用矢量發動機產生飛機尾端推力方向發生變化，而這種空氣動力學又很不穩定，因此短一些就相對容易控製。

而飛機機體短了還要隱身就必須內置武器，F-22和F-35的載彈量就都受影響，如果是垂直起落飛機機體內部就更沒多少空間放武器了。

相比之下，中國的J-20是用鴨翼實現矢量發電機的一些效果的，如果用前麵的試驗解釋的話，簡單的說，那就是說J-20的鴨翼相當於有你的另一個手指在鉛筆前部提供垂直於鉛筆方向的推力，因為J-20的發動機不是矢量發動機，所以發動機隻提供一個方向的推力。

因此，我以為基本上可以下結論說：身材比較細長的飛機使用矢量發動機的好處不如身材比較粗短的飛機大。所以，使用矢量發動機的飛機宜短不宜長，甚至根本就對長度有限製。

很明顯，航程和載彈量基本上就等於打擊能力，特別是隱身戰機還有很強的戰略攻擊性，那麽，為什麽美國人要走“粗短”身材（比如F-22/F-35）而不是“細長”身材（比如T-50和J-20，二者都是全動尾翼）的路呢？

我猜這是因為“四代機”如果隻是靠各種 rudder（舵）控製的話，“空優”的效果就不夠。

因為美國人有各種各樣的發動機，也就是說根據發動機不是美國人考慮的問題，再加上我猜美國人也不應該有材料方麵和計算機方麵的問題，所以我猜美國人的問題是控製方麵的。

因此，我以為基本上可以下結論說：美國人在鴨翼和全動尾翼方麵的控製有問題。

因為控製問題是係統工程，而我猜美國人的計算機不應該有問題，我還猜美國人的材料和機械係統也不應該有問題，所以我鬥膽猜美國人的問題也許可能大概恐怕是：鴨翼和全動尾翼的空氣動力學的數學力學模型方麵的。

理解矢量發動機對飛機控製帶來的“不穩定性”的另一個直觀比較是用汽車的轉向，也就是“Steering”，比較矢發與小鴨對飛機控製，F-22跟F-35的矢發相當於“Rear Wheel Steering”（後輪轉向），非常敏感，而小鴨則相當於“Front Wheel Steering”（前輪轉向），相對來說後輪轉向明顯比前輪轉向更敏感，也更難以控製，尤其是在車身或飛機機身比較長了的情況下，可以想象後輪轉向容易造成車身或飛機機身打轉。

特別是考慮到飛機是在空氣中高速飛行，接近一個或幾個馬赫的速度，“後輪轉向”就立即會導致空氣壓力對飛機機身產生極大力偶，很容易打翻飛機。

有些超市的小推車也是“Rear Wheel Steering”（後輪轉向），我想大家恐怕都有推這種後輪轉向的小推車的經曆，肯定是不如前輪轉向的小推車容易推。

所以我猜用矢量發動機的飛機如果想發揮用矢量發動機的優越性的話，飛機機身就不可以太長，也就是說必須要有一定的長度限製，這也就是為什麽F-22和F-35的體型都比較短的原因。

F-22和T-50的長度翼展比低於J-20幾乎20%！F-35的長度翼展比雖然稍微好了一點點，但是長度卻短了幾乎25%！

下麵是-yh-網友幫忙找來的數據，大家慢慢看吧。

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

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

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

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

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