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晨枫小苑

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晨枫  

西西河水浪打浪,一浪打到网易上。我本是喜欢纸上谈兵的一介草民,在西西河那边开了一个小铺子,这是海外华人的一个精神家园。我是一个一坐下来就不动窝的懒人,但架不住友人的邀请,到网易也开了一个茶摊。阿庆嫂是怎么说来着:来的都是客。希望您能喜欢我这小号。来来来,先握一个手! 当然,主有主规,客有客道。请勿随地吐痰,喧哗扰众,或者乱贴小广告。不欢迎指桑骂槐,更不准恶语伤人。

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漫谈战斗机的机动性  

2009-12-28 08:03:20|  分类: 鹰击长空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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歼-10使人振奋,一个重要的原因就是高度的机动性

战斗机就是要机动、灵活,否则呆头呆脑的,没有把敌人打下来,自己早早就报销了。但说到战斗机的机动性,听到的常常是推力、升力、失速特性。推力不是管速 度的吗?升力不是管载重的吗?失速特性不是管速度低得变态的时候不至于掉下来的吗?这些和以速度和机动性为生命的战斗机有什么关系呢?

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飞机有三轴稳定性,从左到右:俯仰、横滚、偏航

说到机动性,先要谈稳定性。飞机在空气中飞行,好像浮着一样。如果没有任何稳定性措施,一有风吹草动,就可以在俯仰、偏航、滚转(也称横滚)三个方向上飘 离原来的状态。这就好像一个皮球浮在水里,从任何方向一拨,就会不停地转,自己停不下来。当然,浮球最后会由于摩擦阻力的关系停下来,但飞机在空中要是靠 空气的摩擦阻力而最后停下来,那早就飞得七颠八倒了。

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如果重心(CG)位于升力中心(CL)之前,飞机就是静态稳定的,T指配平力,用于平衡稳定飞行时重心和升力中心不一致造成的自然低头趋势

在三轴稳定性中,俯仰稳定性是最重要的,要是时不时来一个倒栽葱,或者无控上扬导致失速,那飞机在空中是呆不了多久的。浮在空中的飞机是以重心为支点转动 的,这对俯仰、偏航都是一样的。机翼产生的升力也有一个相应的点,称为升力中心(或者压力中心,因为升力的实质是上下翼面之间的压力差)。在理想情况下, 重心和升力中心应该重合,这样飞机在俯仰方向上就是平衡的。在实际上,即使在设计时两者能做到重合,在飞行中也很难保持绝对重合,燃油的消耗,气流的扰 动,都可以使两者的相对位置发生变化。另外,机翼在不同的迎角下,产生升力的部位也要发生变化。大迎角时,升力中心前移;速度增加时,升力中心后移。由于 这些不可逾越的实际问题,单纯依赖设计时重心和升力中心的重合是不可能确保俯仰稳定性的。传统设计是将升力中心略为靠后,而重心在前,这样,由于种种因素 而发生机头上扬时,增大的机翼迎角产生更大的升力,产生重心之后的机身上抬作用,抑制机头上扬;而外界扰动导致机头下俯时,降低的机翼迎角降低升力,使重 心之后的机身下垂,同样达到恢复飞机姿态的作用。至于正常水平飞行时重心和升力中心不重合而导致的机头自然下垂趋势,则靠平尾的略为压尾的动作来恢复平 衡,或者靠鸭翼的略微抬头动作。这个恢复平衡的动作称为配平,是水平飞行中的一大阻力来源,所以民航客机常用抽调燃油到机尾油箱的办法来实现配平,避免了 气动阻力。战斗机不大可能这么做,但通过放宽俯仰方向上的静稳定度,也就是说,缩短重心和升力中心的距离,在典型飞行条件下使重心和升力中心接近重合,最 大限度地降低配平阻力;更高速度时升力中心自然后移,恢复静态稳定性,但在低于典型速度的条件下甚至则容许升力中心处于重心之前,用自动飞行控制系统不断 地驱动平尾动作做出补偿,难怪有电传飞控一秒钟动作60次以保证飞行姿态的说法。

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正常布局平尾在后,配平力是向下的

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鸭式布局鸭翼在前,配平力是向上的

说道平尾和鸭翼,采用平尾的称为正常布局飞机,采用鸭翼的称为鸭式布局飞机。平尾和鸭翼就是把控制面放在机翼之后还是之前的差别,平尾能做的动作,鸭翼也能做,只是反一个方向而已。平尾和鸭翼的作用与其说是改变飞机的俯仰指向,不如说是改变机翼的迎角,这是必须注意的。

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在横滚时,机翼向下摆动的一侧由于“拍击”空气而产生额外升力,向上摆动的一侧由于“逃离”空气而损失额外升力,两相作用,产生自然的回正趋势

横滚稳定性也很重要,在极端情况下,机身横滚到90度,机翼将不产生升力,如果不迅速恢复水平,就要迅速掉高度,最后坠机。在不那么极端的情况下,横滚可 能导致飞机侧滑,也就是机头指向不变,但机身平行地向横倾方向滑动。飞机横滚时,机翼向下摆动的一侧不仅在飞机速度的作用下有通常的向前切割空气产生升力 的作用,还有向下拍击空气产生额外升力的作用。两者的合成作用相当于这一侧机翼的迎角增加,升力比水平飞行时有所提高。机翼的另一侧向上摆动,相当于迎角 减小,升力比稳定水平飞行是有所降低。两相作用,横滚中的飞机有自然回到水平的趋势。由于机翼的升力方向垂直于机翼平面,机翼上反的话,也就是说,机翼像 浅V形一样,向下摆动一侧的机翼更接近水平,产生额外升力;向上摆动一侧的机翼更偏离水平,升力急剧下降,所以机翼上反强化了横滚稳定性,有助于迅速恢复 水平。机翼下反则像倒置的浅V形,向下摆动一侧的机翼更加偏离水平,升力急剧下降;向上摆动一侧的机翼则更加接近水平,产生额外升力,加剧横滚趋向,实际 上是促进横滚失稳的。促进横滚失稳有什么好呢?横滚稳定性太高有时候不好,飞机的转向不是靠垂尾上的舵面,而是通过横滚一定的角度,要是横滚稳定性太高 了,飞机的转向性就很糟,所以这需要在设计上取得一个折中。横滚的支点在机翼和机身的结合处。下单翼飞机的机翼在机身底部,好像机身坐在机翼上一样。由于 重心较高,机身有天然的失稳趋向,需要机翼上反,增加横滚稳定性。下单翼飞机的机翼上反,也给翼下腾出来有用的空间,可以吊挂翼下发动机,民航客机大多是 这样的。战斗机采用下单翼可以缩短起落架长度,同样用上反来重建足够的横滚稳定性。上单翼飞机则相反,好像机身吊在机翼下一样。由于重心低和单摆效应,上 单翼飞机的横滚稳定性天然就高,为了重建足够的机动性,需要机翼下反。运输机采用上单翼较多,可以使货舱地板较低,便于装卸,下反机翼下的发动机也便于维 修。战斗机采用上单翼的话,便于吊挂炸弹、导弹,也需要机翼下反以重建足够的机动性。不过现代战斗机多采用中单翼,机翼不带上反或下反。这样的布局比较中 性,兼顾稳定性和机动性的要求。

后掠翼给横滚稳定性带来变数。在横滚导致侧滑时,内侧机翼“迎向”气流,造成等效后掠角降低,升力提高,机翼上抬;外侧机翼则相反,造成飞机向横滚方向的反向横滚倾向,可以等效为机翼上反的横滚增稳效应。前掠翼则相反,可以等效为机翼下反的横滚失稳效应。

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偏航稳定性可以用风向标来理解,只要重心之后的机身(包括垂尾)的侧面积大于重心之前的机身侧面积,偏航就是稳定的

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现代战斗机的机翼和尾翼位置似乎不成比例地靠后,是由于发动机使重心后移。为了保证足够的偏航稳定性,必须具有足够大的垂尾面积,要是单垂尾实在太大,就用双垂尾

偏航稳定性比较简单。飞机的侧面好像风向标一样,高大的垂尾好像风向标的羽翼。只要重心之后的机身侧面积大于重心之前,飞机在偏航方向上就是静态稳定的。 在飞行中,如果机头因为大气中的扰动而偏离原航向,空气压力在后机身上的作用力大于在前机身的作用力,使机身自然回位。对于喷气式战斗机来说,发动机通常 安装在机尾,重心自然靠后,使得机翼位置也只能靠后,以保证至少在典型飞行速度下升力中心不至于跑到重心的前面去,这使得现代战斗机大多像箭一样,细长的 前机身,靠后的机翼,所以只能用高大的垂尾保证偏航稳定性。由于设计过程中发动机超重是常见的问题,使得飞机重心比预想的更加靠后,或者大迎角机动中,机 身对垂尾的遮挡超过设计预期,战斗机在试飞后,常常发生被迫增大垂尾的事情。不过要是放宽偏航稳定性,用垂尾的不断修正动作补偿,垂尾是可以减小的,只是 这对飞控技术和系统可靠性的要求提高。

除了三轴稳定性外,两两组合还可以出现新的组合稳定性问题,其中比较突出的是偏航稳定性和横滚稳定性。如果偏航稳定性过强而横滚稳定性不足,在气动扰动下 可能出现所谓“荷兰滚”,飞机像醉汉一样来回摇晃。如果横滚稳定性过强而偏航稳定性不足,飞机容易进入螺旋。荷兰滚通常除了很使人头晕外,没有大碍,但螺 旋要是不及时改出,就很容易导致飞机失事了。飞机在大迎角机动时,机身对垂尾有所遮挡,垂尾效率有所降低,使偏航稳定性有所降低。当偏航稳定性降低到一定 程度时,就容易进入螺旋,所以高机动战斗机都采用种种措施,包括用推力转向发动机辅佐,或者像米格I-44那样用可调腹鳍,来增强(实际上是恢复)大迎角 机动下的偏航稳定性。

稳定性说到底就是一个回位趋势,但凡事都有一个度,回位趋势太弱了,回位拖拖沓沓;回位趋势过强了,则容易矫枉过正。两者之间的最优折中是所谓控制系统的 调试问题,调得不好的话,会来回震荡好多次,才落到正确的位置,像有的糟糕的电梯一样,到了规定的楼层不是干脆利索地一下子准确地停下来,而是颤悠好几次 才停下来。

稳定性解决了,接下来就是机动性了。战斗机的机动性大体可分为垂直机动性和水平机动性。

水平机动性主要就是转弯性能,盘旋就是稳定地一直转弯下去。但战斗机是怎么转弯的呢?战斗机不是像航船转向靠转舵一样,用垂尾转向。事实上,垂尾可以改变 飞机的指向,但不能用来转向,垂尾主要是用来维持偏航稳定性的。应该注意的是,空气的摩擦力很低,不可能通过改变飞机指向来转向。单纯改变飞机指向只能使 飞机在惯性的作用下向前侧滑,也就是说,机头指向改变了,但飞机的航迹依然是向前的。飞机转向需要一个侧向的力,有了这个侧向力之后,改变飞机指向才能使 飞机转向新的航向。这个侧向力是通过横滚产生的。

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转弯是靠横滚和拉起来实现的,图中标出来平飞、浅横滚和深横滚转弯时的力平衡关系,注意,升力在垂直向上方向的分量必须和重力相抵,否则不能保持高度

机翼产生升力,但升力的方向和机翼平面垂直。在平飞时,如果不考虑机翼的上反和下反,机翼处于水平状态,升力和飞机的重力抵消,飞机保持一定的高度。横滚 到一定角度时,机翼不再水平,升力的指向偏离垂直向上的方向,其水平分量正是使飞机转向的力。水平分量实际上就是向心力,和向心力幅度相同、方向相反的是 离心力,离心力和重力的共同作用产生合力,合力大于重力本身,这就是过载。过载通常用重力作为参照,用N倍于重力来衡量,这就是多少个G过载的出处。显 然,在升力相同的情况下,横滚角度越大,转弯的侧向力(也就是向心力)越大,转弯越迅捷,过载也越大。

但机翼迎角不变的话,升力不变,分解到垂直向上的分量将低于水平飞行状态,也就是说,升力将不足以抵消重力,飞机要丢失高度,所以需要增加机翼迎角以提高 升力,才能保持飞行高度。横滚角度越大,机翼迎角也需要越大,这在稳定的持续盘旋时尤其重要。机翼迎角是由平尾偏转实现的。平尾偏转控制飞机升降,但这不 是通过改变飞机和推力轴线的指向来实现的,而是通过改变机翼迎角以改变升力来实现的。但机翼迎角的增加不仅增加升力,还大大增加阻力,必须增加推力才能保 持速度。转弯越迅捷,横滚角度越大,机翼迎角需要越大,推力也需要越大。

这还没有包括速度变化的因素。如果速度增加,升力也要增加。如果要保持同样的转弯速率或者过载,那就要减少横滚角度,增大转弯半径。

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侧向力和离心力不匹配时,会出现转弯“打滑”的现象,从左到右为正常转弯、向内侧滑和向外侧滑的情况

在稳定的转弯或者盘旋中,转弯速率和横滚角度是匹配的。如果转弯速率和横滚角度不相匹配的话,转弯过程会造成“打滑”。如果转弯速率低于所相配的横滚角, 飞机会向内侧侧滑;如果转弯速率大于所相配的横滚角,飞机会向外侧侧滑,这好像汽车赛车里的四轮漂移一样,飞机指向的改变大于飞机航迹的改变,这其实就是 所谓瞬时转弯性能了。瞬时转弯是不稳定的,由于迎角过大,阻力急剧增加,速度降低很快,如果不及时改出,有可能进入失速。要恢复稳定的转弯,要么需要降低 转弯速率,把机头拨回来一点;要么大大增加推力,克服阻力,恢复速度。

升力和推力是转弯能力的关键,具有极大的升力和推力储备意味着具有极大的转弯能力,这是高机动战斗机特别强调气动布局的高升力和发动机的大推力的道理,而 不是为了极大地增加载弹量或者载油量或者速度。发动机不光要推力大,还要加速快,否则在转瞬即逝的空战机动转弯中根本来不及提升推力,这正是F-86水平 机动性超过发动机推力更大的米格-15的诀窍。储备升力是可以用于载弹或者载油的,但对机动性就不能要求太高了。储备推力也可以用于缩短起飞滑跑距离,但 这和机动性没有什么关系了。

应该指出,飞机指向转变会改变飞机推力轴线,这也产生一个侧向力的分量,最终会使飞机转向新的航向,但这只是增强转弯性能,并不代替机翼的升力和推力的作 用,尤其对于推力相对不足的飞机。即使对于现代高性能战斗机来说,横滚角超过45度后,机翼产生的侧向力已经超过重力;达到9G时,横滚角达到84度,机 翼产生的侧向力达到重力的8.9倍,远远超过现代战斗机略大于1的推重比,这是在可预见的将来任何发动机的推力分量都不可能达到的。换句话说,推力转向发 动机对提高战斗机机动性当然有用,但离取代气动控制而成为机动性的主要手段还有很长的距离。

垂直机动主要指爬升和俯冲,筋斗是爬升和俯冲的组合,不是单独的垂直机动动作。

飞机在爬升时,自然要首先压平尾,使飞机指向向上。但和飞机转向一样,这之后的爬升机理不是靠发动机的推力轴线的改变,而是机翼升力。压平尾使得机翼的迎 角增大,升力增大,使飞机向上爬升。随着飞机的航迹由水平向倾斜向上改变,机翼相对于气流的迎角有所恢复,升力回落,而这时重力在爬升航迹的方向上的分量 成为额外的阻力,所以必须增大推力才能维持速度。由于惯性的作用,飞机拉起的时候,可能会向前滑行一点然后才爬升。另一个极端是拉起过度,机翼进入失速, 那飞机非但不会爬升,还会因为升力丧失而掉下去,通常是伴随着大迎角下偏航稳定性的丧失而进入螺旋。还有一个比较特别的情况是不拉起,但增加速度。如果机 翼迎角不变,升力随速度增加,这时飞机自然进入浅爬升状态。这既在意料之外,又在情理之中,因为飞机在平飞状态下机翼也是有一定的迎角的,只是速度和迎角 达成平衡,维持平飞而已。随着迎角增大,升力成线性增大(直到失速发生),但阻力的增加开始时较慢,然后加速上升,所以升力和阻力之比(称为升阻比)有一 个最高点,和升阻比达到最大时的迎角相匹配的平飞飞行速度就是所谓巡航速度。

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在失速前,升力系数(CL)随迎角成线性上升,阻力(CD)则先慢后快地上升,所以升阻比(L/D)在某一迎角达到最大,对应的速度就是巡航速度

在俯冲时,平尾上抬以减小机翼迎角,降低升力,把飞机导向下滑的航迹。同样升力在最初减少,当建立稳定的下滑航迹时,升力回复到和平飞相当的状态。由于重 力在下滑航迹方向的分量和推力叠加,飞机必须减少推力才能维持速度,否则会向下越飞越快。同样,惯性也可以使飞机在实际下滑前先向前滑行一段,速度降低而 机翼迎角不变也将使飞机进入自然的浅下滑。

但所有气动控制都是在机翼没有发生失速的前提下才谈得上的。气流连续地流经机翼上下表面,产生压力差,这是机翼产生升力的机制。如果机翼迎角过大,上翼面 的气流会和机翼上表面发生分离,升力机制受到破坏,这就是失速。在失速状态下,机翼不再产生升力,飞机就要掉下来。任何一个迎角都有一个最低速度,低于这 个速度,机翼就要进入失速。但任何机翼都有一个最大迎角,超过这个迎角后,不管速度多高,机翼都将进入失速。所以在低于最大迎角时,增加速度就可以改出失 速,但超过最大迎角后,只有压低迎角才能改出失速,增加速度是没有用的。当然,用超强的发动机推力用蛮力“顶”住飞机,补偿失去的机翼升力,这也是可以 的,这就是所谓过失速飞行了。

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深度俯冲急剧拉起时,尽管速度很高,但依然可以因为机翼超过最大迎角而进入失速

飞行速度太低,当然可以导致失速,但飞行速度高了,不等于不能导致失速。比如说,在俯冲中,如果突然过度拉起,由于惯性和离心力的作用,机头虽然拉起了, 但航迹还是在继续下滑,这时机翼的迎角可以超过最大迎角,结果是尽管有足够的速度,但飞机非但没有拉起,反而因为失速而坠地。

在水平盘旋的时候,失速速度也要高于平飞状态,也就是说更容易进入失速,因为离心力使得飞机“变重”了,机翼需要额外升力才能维持高度。

失速恢复不难,只要有足够的高度。还记得重心通常处于升力中心之前吗?在失速状态下,升力和配平力都消失了,飞机头重脚轻的本色就显示出来了,自然地机头下坠,压低迎角,靠重力增加速度,改出失速,只是这通常要掉很多高度。

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这里讨论的都是正常飞行中的机动,像这样的过失速机动就是另外一回事了

应该注意的是,这里讨论的都是在机翼正常升力机制下的气动控制。过失速状态下,气动控制失效。超音速飞行的升力机制是靠激波,而不是机翼上下翼面的压力差,所以气动控制机制也不同。这两者都是发动机推力转向得以大显身手的地方,但这超过本文范围了。

战斗机机动是一个很有趣的话题,很容易有太多的迷思和想当然,尤其对升力、推力和失速的作用有很多误区。但是理清了,还是很有意思的,不是吗?
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