变着花样飞 ——探索推力矢量喷管

文、图 / 程峰

俗话说：“大力出奇迹。”只要推力足够大，别说砖头能轻易飞上天，就连重达几十吨的火箭也可以飞到太空中。

在火箭发射时，我们仔细观察火箭发动机的喷管，就会发现喷管会出现轻微的摆动现象。这个过程其实是火箭发动机通过喷管来调整燃烧后的高温高压气体的喷射方向，以此实现发动机推力方向的不断调整，从而使火箭保持平衡，确保火箭航向正确。

为了追求极致的机动性，战斗机的发动机有时也会采用这种能调节喷管方向的技术，称为“推力矢量技术”。比如美国著名的F-22 战斗机，它的发动机喷管非常特殊，由上下两片收敛片组成，称为“收敛发散二维推力矢量喷管”。通过控制两片收敛片，可以帮助飞机实现超级机动飞行。

中国的航空发动机也有类似的技术。在2018 年的珠海航展上，歼-10B 战斗机进行了飞行表演，凭借独特的推力矢量技术，飞出一个个高难度的动作，惊艳了全世界。歼-10B使用的国产发动机所采用的推力矢量技术是我国特有的一种技术，具体要从现代战斗机的发动机喷管说起。

现代喷气式发动机尾部的喷管由一圈收敛片组成，通过控制收敛片的扩张与收缩，可以改变发动机喷管的直径，从而达到最佳推力。

这个原理可以用一个小实验来解释: 手持一个小风车，我们先张大嘴巴吹气，这时小风车很难转起来，因为风是散开的；然后我们再用吹口哨儿的嘴形吹气，这时小风车就能飞快地转起来；接着，我们再进一步缩小嘴张开的幅度，直至差一点儿就闭上，此时小风车的转速会慢下来。

通过这个小实验，我们就能亲身感受到，同样是吹出去气体，只有当嘴巴张到一个合适大小的时候，才能获得一个最大的风力。

为了使喷气式发动机的推力达到最优的效果，工程师们便研发出了可以张开或合拢的可动式喷管收敛片。而我国歼-10B的发动机又在这种收敛片的基础上加了一组转向装置，从而成功实现了推力方向的调节控制。

知道了推力矢量技术能帮助飞机进行机动飞行，那么这一期我们用纸飞机来进行一次类似的模拟飞行吧！

为了凸显推力矢量喷管的特色，这次的纸飞机取消了常规的机翼设计，结合了升力体的概念。按照我们介绍纸飞机的顺序，这架纸飞机出现在第17 位，我们就用X-17 来命名。

制作完成后将X-17 按立体图的样子展开，注意天线可以往外侧折约45 度。从X-17 的前面看，它的身体截面呈等腰梯形。头部内凹的部分相当于进气口。尾部模拟两台发动机的推力矢量喷管，可动部分便是喷管的收敛片。气流从飞机头部进入机身，从尾部穿出，通过改变收敛片的方向我们就能改变空气流动的方向，依此原理，我们来开展模拟飞行。

让喷管收敛片保持在原位，手握在X-17 中部，试着往前掷一次来测试X-17 的飞行性能。只见X-17 在空中前进一段距离后，忽然翻了个身，倒着飞起来。看来要想保持没有常规机翼的X-17 的飞行姿态，还得再调整发动机喷管才行。将喷管上收敛片微微往上调，再次将X-17 飞出，此时的X-17 终于保持背部朝上的姿态飞了出去。

接着尝试将侧收敛片往左转，X-17 便成功向左飞行。水平方向的调整看来还是比较容易的。

再次调整上收敛片，将左边的往下翻，右边的往上翻。此时的X-17 绕着圈，在慢速旋转中往前飞去。这个轨迹和以往的纸飞机大不相同。常规机翼的纸飞机，机翼两端的副翼可以给纸飞机较大的力矩，于是常规机翼的纸飞机便能在快速旋转中前进。而X-17 没有常规机翼，而是采用整体的升力体设计，在收敛片的作用下旋转较慢，其飞行轨迹有着明显不同。

最后再介绍一种比较平稳的飞行方法。将两侧的侧收敛片都往内收，模仿发动机喷管内收的样子，这样气流就会向中部聚拢，微微向上调上收敛片来保持平衡。再次往前掷出，X-17便会以一个稳定的飞行轨迹向前飞去，飞行姿态会非常平稳。

通过收敛片不同的调整组合，我们可以慢慢摸索出X-17 的飞行特点。祝大家飞行愉快！体验了“推力矢量”的纸飞机，更精彩的内容即将到来。