本届航展的最大亮点就是歼-10B和歼-20精彩的飞行表演。如果只是配几幅图片、写一些结论性的东西，大家可能会觉得没谈透，不过瘾。所以计划写个小系列文，用三四篇文章较为详细的加以论述。在文中笔者试着画一些简单的示意图，希望对问题的阐述有所帮助，画得不专业请大家见谅。

从超机动的概念和分类、矢量喷口的结构、到具体的超机动动作，以及在空战中的意义，最后谈谈歼-20到底有没有装矢量喷口。首先来聊“超机动”，它可以分为大概念和小概念，或者说是广义的和狭义的。超机动可以分成“超常规机动”和“超音速机动”两大类。
这里并非指传统的三代在超音速下就不能做机动飞行，而是一方面三代机只能短时间超音速飞行；一旦做较剧烈的机动，飞行速度就会迅速降为亚音速；另一方面，即使是在超音速下做机动飞行，过载也不超过2g。一来是因为机体强度的限制，二来是在超音速状态下，气动控制面的效率急剧下降。
由于三代机机不存在“超音速机动”，所以就造成一个错觉，“超机动”等同于“超常规机动”。有人会列举多年前的论文，说两者是一回事。对于三代机来说是可以这样理解的，但如今已进入四代机时代，如果还将两者等同，那就是大小概念不分，混淆了广义和狭义的“超机动”。

因为四代机相对于三代机，在诸多跨代性能中，有两个显著特征：（1）更高的升阻比和更高的推重比；（2）具备矢量推力的喷管，所以四代机（如F-22）能在超音速状态下做6g的高机动飞行。当然四代机的机体结构强度也会做相应的设计，这就要求机体材料和加工技术要有跨代技术支撑，否则机体的结构重量大幅增加，即使有推比十的发动机，整机的推重比上去，只能是一架隐身的三代机。
三代机由于没有这样的可能和作战需求，机体结构强度也就不会按照“超音速下高机动飞行”的要求来设计，否则等于背了无用的死重。反过来说，即使装上推比十的矢量发动机，三代半战机也无法实现“超音速机动”。因此，三代机只能做狭义的“超机动”，它等同于“超常规机动”；四代机是广义的“超机动”，它包含两个范畴：超常规机动和超音速机动，这样的表述可能比较合理。
那么“超常规机动”又是指什么呢？为什么它又常常被称作是“过失速机动”？两者完全等同、还是有所差异呢？我们在之前的文章中曾经说过，飞机之所以能飞起来，靠的是机翼上下表面的空气流速不同产生的升力。

飞机在跑道上滑跑达到一定速度，升力大于重力，飞机才能飞起来。反过来在空中的飞机，如果飞行速度低于某个值，或是在某种姿态下（比如仰角过大），机翼产生的升力小于重力，就会导致飞机失控往下坠落，进入失速状态。正常的飞行是要避免进入失速状态，而试飞员的任务之一就是要探索该型飞机进入失速的临界点。
在失速状态下的机动飞行就称之为“过失速机动”，由于它是非常规飞行状态下的机动动作，所以又常常被称作“超常规机动”。但两者又不完全等同，因为有些超常规机动并不是处于失速状态。比如“锥子机动”（在中篇会详细描述和说明），又比如机头瞬间转向，而飞机仍然延续原轨迹方向飞行一段距离；以及不翻滚的情况下做近于90°的转弯（下图）


做这类机动动作时，飞机并没有进入失速状态，所以“超常规机动”是包含、但不仅仅限于“过失速机动”，两者不能完全等同。小结：（1）超机动=超常规机动+超音速机动；（2）超常规机动又分失速状态 与 非失速状态。
之所以花较大篇幅区分这些概念，是要说明四代机与某些三代机虽然都被称作“具备超机动飞行性能”，但其中的含义是不同的，作战性能是有跨代差别的。这点我们放到最后再聊。米格-29所做尾冲机动、苏-27的所做的眼镜蛇机动、与装备矢量喷管的战机做这些机动，有什么不同呢？
米格-29和苏-27的过失速机动，是利用气动设计里特殊条件的组合，在做过失速动作的过程中，飞机实际上是无控的，只有等待惯性和重心的特殊组合使得飞机自然回到可控状态。这就决定了无矢量喷管的战机，只有在特殊的速度、高度、迎角组合下，才能安全进入并退出这些过失速机动；而且中途无法改出，这样就基本无空战利用价值，只适合表演。
装有矢量推力的战机，大大放宽了进入过失速机动的条件；而且在做过失速机动的过程中，飞机是处于可控状态，这样就可以根据实战需要，随时从过失速状态改出；而且可以做出非失速状态的超常规机动；所以具备矢量推力的战机能够可控地完成五花八门的超机动飞行，很多动作具有实战意义。

矢量推力的战机甚至可以在完成一个超常规机动之后，紧接着进入另一个过失速机动。比如此次航展上歼-10B在进入落叶飘之前，是先做了个几乎无半径的“直体后空翻”。当飞机翻转到接近正常的水平状态时，如果继续往前飞而不是做落叶飘，就相当于是做“大法论机动”。
具备矢量推力的歼-10B同样是将机头高高仰起，既做了眼镜蛇机动、也做了“榔头机动”，两者的区别是，在机头仰角达到最大时，是让机头回到向前状，完成眼镜蛇机动；还是机身侧空翻180°，将机头瞬间改为朝下并向下俯冲，完成榔头机动。
相比之下榔头机动更有实战意义，苏-27无法完成榔头机动，它只能等眼镜蛇动作完成，机头恢复到向前飞行，再控制飞机滚转之后才能向下转弯，这样机头可控的指向改变速度就慢得多，失去实战意义。（后文再结合图片详谈）
因此，具备矢量推力对于战机的空战性能有很大的提升。五花八门的超常规机动，对飞机以下几方面都提出更高的要求：（1）更加复杂的飞控系统；（2）对众多可动翼面、发动机推力大小与方向的精准控制；（3）以及发动机在复杂的飞行状态下对进气量变化的高适应性。

所以，不是仅仅能设计和制造出矢量喷管，就是掌握了矢量推力技术。矢量喷管只是必要条件，远非充分条件。航展上歼-10B能完成精彩的超机动飞行表演，说明我国完全掌握与推力矢量相关的一系列技术，而不仅仅是能制造矢量喷管。
总师杨伟称：我们的推力矢量技术完全自主，只要有需求可以随时装在其他型号的战机上。相信后续生产的歼-10C（或称作D）、歼-16、歼-15B、以及现役的歼十和歼11B在中期改装时，都可以配备矢量喷口。未来几年以歼-20为骨干、三代半战机为主力的我国空军，作战实力将有飞跃性增长。
下面来谈谈歼-10B的矢量喷管，在结构和转向效率上与美俄有什么不同。
首先，美国的F-22是二元的矢量喷口，只能上下偏转20°。优点是动作敏捷，雷达和红外隐身较好，后体阻力小；缺点是无法360°全向偏转、重量大，推力损失大（5%）。美国在八十年代也利用F-15和F-16为平台，试验过360°的轴对称矢量喷管，但是在F-22研制阶段全向的矢量喷管还未成熟，只能采用二元的，所以并不是二元比全向的更优秀。


有人把垂直起降型F-35B的喷管也列入矢量喷管，但它的喷口只能向下做0~90°的扭转，与本文所讨论的、让战机做出各种超机动的矢量喷管不是一个概念。实际上它是将喷管分成三段（下图），就好比将一根水管斜切成三段（纵切面是梯形），前后两段与中间一段做相反方向转动时，喷管就会在0~90°之间扭转。


由于它只能向下偏转，偏转的速率较慢，而且只在起降的时候才偏转，所以对空中飞行的机动性没有帮助。再来看看俄罗斯苏-35的矢量喷口（下图）。它虽然形状是圆形，但实际上也是二元的，因为只能在图中箭头所指的方向做V形上下偏转（可以差动）。


它是在加力室与收敛扩散喷口之前，增加一段球形外壁可偏转的环，收敛扩散喷口套在这个环上面转动（具体看下图文字）。拼图（下）是这个偏转环的结构：球面环的下方是连接加力室，上方是连接喷管的收敛扩散段。就是把拼图（下）的这个装置向左翻90°，加在发动机的加力室与原喷管之间。


偏转环与机体有两个摆动铰接点，通过摆动动作筒的推或拉，外圈的这个偏转环就会在前一图中红色箭头方向上做偏转，进而带动偏转环的后端所连接的整个喷管组件做运动。毛子的设计思路就是这么简单粗暴，所以增加300Kg、以及只有50小时的使用寿命也就不足为奇。
由于这个偏转环直接受到高温燃气喷流的侵袭，所以球面环很厚、而且是带很多孔的中空结构，所以从外观上看117S发动机的喷口多了个凸起“关节”。下图是将用于苏-57的“产品30”发动机喷口与117S的对比，可以看到两者都有这样的“关节”，所以目前的“产品30”喷管还是采用117S这种二元结构，换句话说目前苏-57的两个矢量喷管，还只能像苏-35那样在V形方向上偏转。


这样设计的唯一好处是保留了已经成熟的收敛扩散喷口设计，但有五大缺点：（1）偏转环要经受高温侵袭、使用寿命短；（2）增加较大的额外重量和长度；（3）内部唇口与收敛扩散喷口连接部的不连续，相当于被掐着脖子会导致推力损失。
（4）只能二元偏转；（5）最大的坏处是动作不敏捷。如果把F-22二元喷口的上下挡板，看成是手掌上的大拇指和食指，整个矢量动作就是上下偏转手腕。117S更像是肩膀控制的两只手臂，在做V形上下运动。
拼图（下）是俄罗斯为“ 产品30 ”研制360°的轴对称矢量喷管，它是在燃烧室的外面有个偏转环，偏转环通过Y形推杆带动喷管收敛片实现矢量推力。目前还在试验中。


中国在八十年代就开始跟踪研究矢量推力技术，九十年代正式立项。2003年底发动机专家刘大响在央视节目中证实，我国606、624所自行研制的轴对称三元矢量喷管，已经进行台架试验，运转得非常成功，比国外同类产品更加灵活（下图）

歼-10B的矢量喷管比117S的设计轻巧得多，它是相当于手腕带动五个指尖在做偏转动作。所以有六大优点：


（1）这是目前世界上唯一公开表演的360°全向矢量推力，换句话说掌握成熟的轴对称全向矢量推力技术，包括相关的飞控技术，中国是第一家，自豪吧。而且可以随时用在其他型号的战机上。


下面三图分别是向正下方、左下方、右下方偏转，说明它是真正的全向、而不是像117S那样的圆形二元。如果歼-20是用毛发，难不成歼-20要跟在毛子后面，采用更落后的二元矢量喷口？想想都觉得逻辑可笑。


（2）偏转作动环是在喷管之外，不接触高温喷流。所以偏转环的结构简单，重量很轻。而且几乎没有增加喷管的长度。看下图：左上是装AL-31F的歼-10A，喷管末端与开盖的降落伞舱对齐；左下是换成太行发动机的歼-10B，喷管末端明显比歼-10A更靠前；右图是带矢量喷管的歼-10B，喷管末端的位置不变。


（3）矢量喷管只是增加了一个偏转环、三个液压作动筒、以及偏转环与喷口调节片之间的拉杆，而且与117S不同，歼-10B-TVC的偏转环是在发动机外面，只是起到作动筒与调节片之间力的传递作用。比起117S的球面环轻巧得多，所以增加的重量很少，据说总增重只有117S的三分之一。
（4）喷管内部的过渡比较平滑，推力损失较小据称是0.5%，俄罗斯在加力室后面接一球面环，掐脖子推力损失较大，F-22是圆管变长方形，损失5%。
（5）偏转机构非常灵活，如下图所示，加力室外部有三个呈120°分布的液压作动筒，当作动筒分别做不同幅度的推/ 拉动作时，偏转环通过拉杆带动喷管前后两段调节片的夹角，从而实现矢量推力。


（6）使用寿命长。由于采用陶瓷基符合材料和新型特种涂层技术，我国矢量喷管高温重载驱动机构累计试车216小时，无明显磨损，而传统方案试车10余小时最大磨损深度达2mm。


最后还要说明一点，我国的矢量推力技术研究已经发展了三代。第一代就是刘大响说的那个，只做地面台架试车，没有上天，下图是十年前的一次我军科技成果展上的图片。第二代是歼-10B的矢量推力技术，注意看下图中第一、二代矢量喷口末端的区别。


第三代是歼-20目前采用的，它是在第二代单个偏转环的基础上，又增加了一个偏转环、6个作动筒和V形拉杆。它是通过整个喷管扩散段的偏转改变发动机的排气方向，调节片没有分段，所以外观上不像歼-10B的矢量喷管。因为外观不同就认定歼-20还没有矢量喷管，将1034号机当作是歼-20矢量喷管的验证机，那是理解有误。
因为已经有了更新的第三代，第二代可以公开、甚至出口，所以1034号机才会在航展开幕当天，众多外宾面前做精彩表演。可以肯定地说，歼-20已经装上矢量喷口，具体的将在系列文后几期再详细分析。下一篇我们一起探讨1034号机在航展上具体做了哪几个超机动动作，是如何完成的（用图示慢动作），它们在实战中又有什么作用。
(未完待续)