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過失速機動的現狀和發展趨勢

來源:互聯網 責編:大嘴 作者: 時間:2007-05-03

(原作者:張文宇)

摘要:過失速機動是一種機頭指向與飛行軌跡解耦的機動方式,可以增加飛機格斗時的攻擊機會,該文介紹了過失速機動的發展歷史和現狀,并對實現有實戰意義的過失速機動的關鍵技術及其發展趨勢做了分析。  4 ?#~ y #  
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關鍵詞:過失速機動 戰斗機 格斗 發展趨勢
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在目前與將來相當長的時間里,戰斗機空戰仍不能避免進入視距內的格斗。現有的近距格斗導彈具有近似全向攻擊的能力,戰斗機大致指向目標就可以進行攻擊,但是現代戰斗機通過氣動布局的優化所能達到的最大升力系數和失速攻角基本已經達到極限,很難使飛機的常規機動性對于其他戰斗機有明顯的優勢,而且戰斗機進行常規機動在一定范圍內還要受到人體承受過載能力的限制。雖然新一代近距格斗導彈具有大離軸角甚至越肩攻擊的能力,但是在發射初段使用推力矢量進行機動會極大的消耗火箭能量,使導彈的射程明顯減小,所以使飛機的機頭快速指向目標仍然是提高飛機格斗能力的重要手段。過失速機動由于實現了機頭指向與飛行軌跡解耦,極大的提高了機頭指向目標的速度,可以大大增加戰斗機在格斗中的攻擊機會。研究戰斗機過失速機動能力的實現,減少進行過失速機動的限制條件,具有十分重要的現實意義。
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一、有限的過失速飛行能力階段
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雖然過失速機動的理論是德國MBB公司先進戰斗機部主任沃爾夫岡·赫伯斯特
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(Wolfgang Herbst)博士[1,2]于70年代提出的,但是同時期研制的第三代戰斗機并沒有以這一未經驗證的理論來指導設計,但是第三代戰斗機強調亞音速格斗機動能力,在設計上對大迎角飛行性能作了較多的考慮,所以有部分型號具有有限的過失速狀態飛行甚至做一些機動動作的能力。
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1.F-14戰斗機
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F-14是1970年底首飛的世界上第一種第三代戰斗機,它由格魯曼公司為滿足美國海軍70-80年代的艦隊防空和制空作戰要求而研制。由于F-14的研制年代較早,該機在研制階段尚沒有過失速機動理論,飛機的設計最大飛行攻角為30度。但是飛機合理的氣動布局和有效的抗偏離設計措施使飛機在試飛中達到攻角和側滑角范圍大大超過了設計值。在試飛中發現,飛機可以通過快速拉桿達到極高的瞬態攻角而不會進入危險的飛行狀態,有記錄的試飛員故意進入的瞬態攻角高達77度,并且曾經在垂直科目中經歷±90度攻角而仍能安全退出,這種瞬態的過失速拉起動作可以說是由F-14而非Su-27首創。F-14可以進行穩態飛行的攻角也明顯超過了飛機的失速攻角,攻角在40度-45度之間仍能保持穩定的亞音速飛行。該機不但可以完成對稱的過失速拉起動作,而且可以通過桿舵的協調操縱進行大攻角的繞速度矢量滾轉,不過在大攻角時機翼外段失速,擾流片操縱基本無效,差動平尾的操縱不但效果不明顯,而且還可能發生反效和很嚴重的不利偏航,所以這種滾轉操縱實際上主要是方向舵在起作用,值得注意的是設計合理的方向舵往往直到很大的攻角和很低的空速仍然有舵效[3,4]。
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盡管F-14的大攻角飛行性能在當時是獨一無二的,但是這種性能并沒有發展成標準的空戰戰術在實際作戰中使用,其中的原因一方面是由于舵效不足造成大攻角動作比較緩慢,難以形成有效的攻擊機會,另一方面由于F-14在設計上并沒有考慮進行過失速的機動作戰,它雖然能完成一些攻角很大的動作,但是在中等攻角范圍存在抗偏離能力較弱的區域,這使該機故意進入過失速狀態存在不安全的隱患。

描述:圖2 F-22“眼鏡蛇”機動的連續鏡頭,可以看到平尾差動參與偏航控制
圖片: 
 

描述:圖3 F-22“貓鼬”機動連續鏡頭
圖片: 
 

描述:圖4 F-22“赫伯斯特”機動連續鏡頭
圖片: 
 
2.F/A-18戰斗機 }O3_ /Iy  
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F/A-18戰斗機的前身是諾斯羅普公司為競爭美國空軍輕型戰斗機計劃而研制的YF-17飛機,但是YF-17由于一些空軍看重的性能不如通用動力公司的YF-16而未能中標。雖然YF-17是競標失敗的飛機,但是研制單位諾斯羅普公司在大攻角氣動研究上有十分豐富的經驗,飛機的大攻角飛行性能極其優異,在試飛中達到了63度的穩態飛行攻角,這種優秀的低速飛行能力也是海軍選中YF-17發展成F/A-18的原因之一。
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F/A-18飛機繼承了YF-17優秀的大攻角飛行能力,具有大約55度攻角的配平能力,瞬態可以進入60度以上的攻角,遠遠超過了37.5度的失速攻角,并且飛機在各軸向仍能保持一定的控制能力。與F-14一樣,F/A-18也可以通過桿舵協調操縱完成超過失速攻角的滾轉動作,不過F/A-18的大攻角平尾舵效很高,可以用差動平尾來做主要的滾轉操縱,方向舵用于消除差動平尾產生的不利偏航。F/A-18飛機的大攻角飛行比較安全,所以也比較常用,熟練的F/A-18飛行員會使用自行摸索出的一種有意造成一定側滑產生輕微偏離,使飛機可以更快的滾轉,因為即便差動平尾舵效較好,大攻角的滾轉率仍然是不理想的。但是F/A-18在50度以上攻角時存在上仰失控和進入“落葉飄”模態的風險,這種情況改出非常緩慢,損失較多的高度,對F/A-18飛機進行大攻角機動造成了限制[5]。
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3.Su-27戰斗機
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Su-27是最著名的可以完成過失速飛行的第三代戰斗機,該機經常表演的“眼鏡蛇”動作具有極高的知名度,一度被認為是可以使飛機快速指向或者使追擊的敵機沖前的一種戰術動作。但是該動作的進入條件極為苛刻,對飛機的速度,油量,重心位置,油門位置都有一定的要求,在實戰中難以把握使用的機會。“眼鏡蛇”本質上是一個不可控的過失速動作,在進入的時候,由于要盡量避免30度-60度攻角區域飛機不對稱滾轉和偏航力矩的影響,要求迅速拉桿到底,飛機產生極大的俯仰角速度,進入大攻角區域后,平尾逐漸失去舵效,因此整個進入過程飛行員無法進行控制,也沒有時間反應,而在動作的退出實際上是動作達到頂點時氣動力的作用自動開始的,而飛行員也必須把握一定的俯仰速率避免過慢進入尾旋和過快進入負攻角,還必須控制油門以推力差糾正偏航,并不能隨心所欲的進行[6]。
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由于這樣的特點,“眼鏡蛇”動作難以作為實用的機動動作來使用,Su-27飛機正常使用的攻角也被限制在不到30度,只能認為是在個別飛行員操縱時具有有限的過失速飛行能力。
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二、實用化的過失速機動
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從90年代初,美國開始使用專門的驗證機來驗證過失速機動,并將結果應用到第四代戰斗機F-22的研制中。在這個時期使用了X-31,F-16MATV,F-18HARV和YF-22等驗證機,進行了大量的試飛研究工作,獲得了很多過失速機動的關鍵知識,發展出實用化的過失速機動。這其中最重要的是X-31進行的逐步完成穩態過失速飛行,到穩態過失速飛行中進入繞速度矢量滾轉(稱為“錐子”),再到盤旋中進入過失速狀態,最后完成瞬態拉起進入過失速后速度矢量滾轉完成180度轉向的“赫伯斯特”機動的四個階段擴展過失速機動研究[7]。
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1.F-22戰斗機
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F-22是世界上第一種,也是目前唯一一種服役的第四代戰斗機,該機采用氣動舵面與推力矢量結合的控制手段,具有很完善的過失速機動能力。在YF-22驗證機階段,驗證了60度攻角的穩態飛行和60度攻角繞速度矢量的滾轉,該機在使用推力矢量時可以在過失速狀態控制俯仰角和攻角誤差在0.5度以內,即使不使用推力矢量,仍能控制在1-2度,并且有足夠的低頭控制能力。使用推力矢量可以使過失速狀態滾轉率提高每秒20度到30度。[8]
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F-22飛機在大攻角俯仰操縱上使用平尾與推力矢量結合控制,而大攻角滾轉中,使用主要使用方向舵進行滾轉控制,由推力矢量來提供俯仰配平,差動平尾的滾轉控制能力急劇下降,但是有明顯的偏航控制能力,這種控制方式不符合一般飛行員的駕駛習慣,但是通過控制律的編寫可以簡化飛行員的操縱,滿足“無憂慮”飛行的要求,使一般飛行員也可以掌握過失速機動[9]。F-22可以完成“尾沖”、“眼鏡蛇”、“錐子”等比較簡單的過失速機動,也可以完成在水平盤旋中進入過失速,然后繞速度矢量滾轉成直立的穩態大攻角飛行的“貓鼬”動作和難度最高的“赫伯斯特”動作。值得注意的是今年早些時候在蘭利空軍基地的公開表演中,由戰斗值班的第1聯隊第27中隊飛行員駕駛的F-22在觀眾面前以較低的高度完成了“眼鏡蛇”、“貓鼬”和“赫伯斯特”動作。

描述:圖5 F/A-18E/F表演類似“赫伯斯特”機動的連續鏡頭
圖片: 
 

描述:圖6 F/A-18E/F表演類似“貓鼬”機動的連續鏡頭
圖片: 
 
2.F/A-18E/F戰斗機  ' [email protected]~G  
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F/A-18E/F戰斗機是在F/A-18C/D基礎上進行重大改進之后的三代半戰斗機,該機不僅繼承了原型的優秀大攻角飛行能力,而且通過氣動設計和控制律的改進大大擴展了這種能力,成為第一種在飛行手冊中明確指出在一定外掛不對稱力矩和空速范圍以內,飛行攻角和各軸向操縱完全沒有限制的戰斗機[10]。
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與其他具有過失速機動能力的飛機不同,F/A-18E/F完全依靠氣動舵面來控制飛機,因此配平攻角要小一些,不能完成X-31演示的那些標準的動作,但是可以在稍低的攻角完成類似“眼鏡蛇”、“貓鼬”和“赫伯斯特”的動作,雖然攻角有些差別,但是仍然明顯超過了飛機的失速攻角,動作的實質沒有什么區別。F/A-18E/F的大攻角滾轉控制與老型號的F/A-18不同,用方向舵來做滾轉操縱,平尾用作俯仰配平和偏航控制,通過控制律的協調,F/A-18E/F盡管沒有使用推力矢量,大攻角滾轉率仍然明顯超過了老型號[11]。

描述:圖7 Su-30MKI“錐子”機動連續鏡頭
圖片: 
 
3.Su-30MKI戰斗機 g 0 [ L+  
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Su-30MKI是出口印度的Su-30版本,與家族中的其他型號不同,采用了三翼面布局和推力矢量控制。在唯一的711號Su-37原型機墜毀后,Su-30MKI的原型機成為蘇霍伊設計局在各大航展上表演過失速機動的主要型號,而且與Su-37一般只表演對稱的過失速動作不同,Su-30MKI經常表演具有繞速度矢量滾轉成分的過失速動作,也可以表演穩態的過失速飛行,顯示在過失速控制方面有了明顯的進展。Su-30MKI在表演“錐子”的時候完成比較干凈,沒有出現動作過度,但是在進行類似“赫伯斯特”的表演時總是在動作末尾左右搖晃一兩次才穩定,目前還沒有解釋這是飛行員有意的表演還是飛機在控制上仍然不夠完善而出現超調。

4.MIG-29OVT試驗機 yY ]Bj[%Ws  
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MIG-29OVT是用MIG-29改裝具有全向推力矢量噴管的發動機而成的試驗機,目前米高揚方面也有將其稱為MIG-35的說法,但是要作為全狀態MIG-35原型機可能還要對機載設備做更多的改動。MIG-29OVT在過失速機動的表演上較Su-30MKI更加繁復,經常表演兩個連續的過失速筋斗,或者是繞速度矢量連續滾轉兩次的動作,在動作的銜接連貫性上也比Su-30MKI顯得更緊湊。在今年的范保羅航展上,MIG-29OVT還表演了由“赫伯斯特”和“直升機”機動結合的帶有一個水平旋轉的動作,顯示出該機的確在過失速控制方面取得了巨大的突破。
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三、過失速機動的關鍵技術和發展趨勢
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1.氣動布局
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氣動布局仍然是實現過失速機動的最關鍵因素,即使是采用全向推力矢量控制的X-31
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飛機在試飛過程中也通過改裝后邊條增加大攻角低頭力矩,改變頭部粗糙度降低前體渦流不對稱性等氣動手段來改善過失速飛行能力。完成過失速機動要求飛機有足夠的各軸向穩定性,要有足夠的低頭力矩來改出動作,希望有足夠的各軸向控制能力,通過合理的氣動設計可以基本滿足這些要求,就如F/A-18E/F所表現出來的那樣,如果要求不是太高不一定非要使用推力矢量。采用推力矢量控制進行過失速機動仍然有賴于良好的氣動設計,因為過失速條件下進氣道工作環境很惡劣,如果沒有合理的設計,發動機將無法正常工作,也就沒有需要的推力分量來進行控制,而且如前所述推力矢量目前尚不能完全抵消氣動上的缺陷。
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2.推力矢量
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從這些有過失速機動能力的飛機試飛結果看,使用推力矢量對提高俯仰速率,滾轉率等有明顯的好處,F-16MATV的試飛證明使用推力矢量控制可以使某些原本不具備過失速飛行條件的飛機獲得一定的過失速機動能力,而對于原本沒有足夠過失速控制能力的飛機如Su-27系列等,可以通過使用推力矢量來增強控制能力,完成更復雜的過失速機動。但是推力矢量技術增加重量和復雜性,提高了成本,對于氣動設計就可以滿足設計要求的飛機,不一定要選擇推力矢量,現役的三代半飛機雖然都有一定大攻角飛行的要求,但是多數不使用推力矢量。
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3.飛控技術
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過失速機動的流動狀態十分復雜,氣動面的受力往往與正常飛行有明顯的區別,要求編寫專門的控制律,如果控制律編寫不當的話,很可能發生飛行員誘發振蕩進入失控狀態。飛控系統的硬件響應和精度也有較高的要求,飛控響應滯后也容易使運動發散,從F-22的試飛看,平尾等舵面運動非常頻繁,幅度也很大[12],如果沒有好的飛控硬件也是無法滿足的。
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4.過失速機動的發展趨勢
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過失速機動的發展方向的一個方面是進一步減小進行機動的限制條件,擴大允許進行過失速機動的重心和不對稱力矩范圍,但是允許進行過失速機動的速度范圍可能不會再增加,因為飛機迅速增加攻角時,動升力明顯大于同樣攻角的穩態升力,在較大的空速下進行這樣的機動容易達到飛機結構和人體承受能力的極限。另一個發展方向是提高控制能力,進一步增加繞各軸轉動的角速度,提高控制精度以滿足指向攻擊的要求。
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四、結束語
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過失速機動是第四代戰斗機的一項重要特征,對于去的近距格斗的優勢有重大影響,我
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國進行過失速機動的研究起步較晚,主要停留在理論計算和部件試驗上,目前尚沒有進行完整的飛行驗證,但是近年發展比較快,在新一代戰斗機的研制中應該可以應用這一技術,消除我國與發達國家戰斗機在機動性上的差距。
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