2021年7月26日，在第15屆莫斯科國(guó)際航空航天展覽會(huì)上，蘇-57戰(zhàn)機(jī)起飛進(jìn)行表演。新華社發(fā)
近日，據(jù)俄羅斯媒體報(bào)道，未來配裝蘇-57戰(zhàn)機(jī)的新一代發(fā)動(dòng)機(jī)將采用扁平式尾噴管設(shè)計(jì)。目前，這一技術(shù)已經(jīng)在S-70重型隱身無(wú)人攻擊機(jī)上開展了相關(guān)測(cè)試工作。
扁平式尾噴管并非全新設(shè)計(jì)，美軍F-117戰(zhàn)機(jī)就采用了寬高比較高的扁平式尾噴管，意在提高戰(zhàn)機(jī)的隱身能力。
那么，扁平式尾噴管有哪些方面性能優(yōu)勢(shì)呢？
一是降低雷達(dá)信號(hào)特征。傳統(tǒng)尾噴管的內(nèi)部特征為圓柱形空腔結(jié)構(gòu)，很難與機(jī)身實(shí)現(xiàn)高度一體化設(shè)計(jì)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種具有強(qiáng)反射特征的曲面。而扁平式尾噴管可以與機(jī)體形成一體化構(gòu)型，將發(fā)動(dòng)機(jī)完全遮掩在機(jī)體內(nèi)部，控制雷達(dá)波進(jìn)入，從而更好地實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)機(jī)隱身。
二是降低紅外信號(hào)特征。與傳統(tǒng)尾噴管相比，扁平式尾噴管的發(fā)動(dòng)機(jī)噴流在離開機(jī)體后，與冷空氣混合速度更快、范圍更大，溫度也隨之下降得更快。因此，戰(zhàn)機(jī)的紅外特征降低，被探測(cè)跟蹤鎖定的概率更小。
三是提升氣動(dòng)布局性能。自20世紀(jì)60年代以來，戰(zhàn)機(jī)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)中最重要的一個(gè)突破是通過優(yōu)化機(jī)身的氣動(dòng)效率來實(shí)現(xiàn)升力增加、阻力降低，也就是后來業(yè)內(nèi)熟知的“翼身融合”“升力體”式設(shè)計(jì)。這一設(shè)計(jì)思路的核心，是把機(jī)身做成類似于機(jī)翼的剖面，相當(dāng)于一段額外的中央翼。但無(wú)論是亞音速還是超音速，要想提高翼型效率，機(jī)尾必須實(shí)現(xiàn)流暢的“收尖”——在傳統(tǒng)圓柱形尾噴管的機(jī)型上，這一點(diǎn)很難做到。扁平式尾噴管則很容易實(shí)現(xiàn)。
既然扁平式尾噴管優(yōu)勢(shì)明顯，為何全球大多數(shù)戰(zhàn)機(jī)依然選擇傳統(tǒng)圓柱形尾噴管呢？
這是因?yàn)楸馄绞轿矅姽軐?duì)戰(zhàn)機(jī)設(shè)計(jì)門檻要求極高，如果無(wú)法滿足一定前提條件，在應(yīng)用過程中反而弊大于利。
對(duì)高性能戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)而言，加力燃燒室不可或缺。在加力燃燒狀態(tài)下，溫度陡升的發(fā)動(dòng)機(jī)噴流是航空設(shè)計(jì)師無(wú)法回避的難題。在發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管設(shè)計(jì)中，圓形是一種效率非常高的截面——截面周長(zhǎng)最小，受熱和受力分布均勻。反觀扁平式尾噴管，如果沒有足夠先進(jìn)的耐熱材料來取代傳統(tǒng)高密度耐高溫合金，扁平式尾噴管必須通過擴(kuò)大體積、增加重量的方式，來應(yīng)對(duì)溫度極高的發(fā)動(dòng)機(jī)噴流問題，這會(huì)嚴(yán)重影響戰(zhàn)機(jī)飛行性能。
如果在五代機(jī)上實(shí)現(xiàn)扁平式尾噴管，至少需要采用兩種先進(jìn)材料：一種是特別耐高溫的鈦合金材料，起到主要承力作用；另一種是具備高力學(xué)性能的材料，抗沖擊韌性優(yōu)異的陶瓷能起到隔熱和吸收電磁波的作用。
在戰(zhàn)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，大多數(shù)傳統(tǒng)鈦合金材料難以滿足核心高溫區(qū)域要求，并不適用于扁平式尾噴管。以F-22的扁平式尾噴管為例，所采用的大幅提升耐高溫性能的阻燃鈦合金材料，點(diǎn)燃溫度比傳統(tǒng)鈦合金要高500℃。即使是這種鈦合金材料，也無(wú)法承受發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒時(shí)的噴流高溫，還需采取第二道措施，用更耐熱的陶瓷材料作為屏障，將鈦合金結(jié)構(gòu)隔離保護(hù)起來，才能實(shí)現(xiàn)扁平式尾噴管設(shè)計(jì)。
我們知道，陶瓷材料具備優(yōu)異的耐高溫特性。但要實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高韌性，必須通過加入高性能碳化硅纖維進(jìn)行增韌處理。
早在蘇聯(lián)時(shí)期，設(shè)計(jì)師們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到扁平式尾噴管對(duì)提升戰(zhàn)機(jī)總體性能的重要性，并開展了諸多項(xiàng)目的科研攻關(guān)。但囿于材料方面問題，過去始終未能拿出真正具備實(shí)用價(jià)值的產(chǎn)品。
此次，俄羅斯高調(diào)宣布S-70和蘇-57將采用扁平式尾噴管。有專家預(yù)測(cè)，俄羅斯軍工企業(yè)可能在材料和設(shè)計(jì)方面已經(jīng)取得關(guān)鍵性技術(shù)突破。（李澤暉、陳信安）