F-22的超音速盤旋能力與過失速機(jī)動(dòng)性(圖)
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超音速盤旋能力
超音速機(jī)動(dòng)性能是F一22的設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一，也是該機(jī)與第三代戰(zhàn)斗機(jī)的“代差”標(biāo)志之一。除了前述超音速巡航、超音速加速／爬升性能外，超音速狀態(tài)下的盤旋能力也有明顯提高。有資料稱，該機(jī)在M1.7時(shí)穩(wěn)定盤旋過載可達(dá)6.5g?？紤]到／F-15在同等條件下盤旋能力遠(yuǎn)遜于此，而蘇-27在M0.9、中空才達(dá)到這個(gè)水平，不能不說這是一個(gè)相當(dāng)驚人的進(jìn)步。能夠達(dá)到如此之大的超音速盤旋過載，發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)重要原因，而同樣重要的還有飛機(jī)的超音速升阻比和配平能力。
關(guān)于升阻比，不難理解。要拉出足夠的過載，機(jī)翼就必須產(chǎn)生相應(yīng)的升力，伴隨而來的就是誘導(dǎo)阻力的急劇增人(誘阻系數(shù)與機(jī)翼迎角平方成正比，與機(jī)翼展弦比成反比)。如果誘阻系數(shù)太人，誘阻增長極快，那么很快就會(huì)抵消發(fā)動(dòng)機(jī)的剩余推力，飛機(jī)雖仍可能拉出較大過載，但發(fā)動(dòng)機(jī)推力已不足以維持穩(wěn)定飛行，當(dāng)年的幻影-III瞬時(shí)盤旋性能好而穩(wěn)定盤旋性能差，即為此例。以現(xiàn)代航空技術(shù)水平而言，要設(shè)計(jì)出具有高升阻比的機(jī)翼或者具有良好超音速性能的機(jī)翼均非特別困難之事，但要將兩者合而為一卻非一日之功。這也是F-22足以自傲的一點(diǎn)。
而配平能力則往往容易被人忽略。機(jī)翼的高升力是拉出大過載的基礎(chǔ)，但升力越大，產(chǎn)生的俯仰力矩也越大。如果飛機(jī)自身不能提供足夠的俯仰配平力矩，飛機(jī)要么進(jìn)入上仰發(fā)散狀態(tài)而失控，要么被機(jī)翼升力產(chǎn)生的低頭力矩壓回去，無法拉到需要的迎角。特別是任超音速條件下，飛機(jī)焦點(diǎn)大幅度后移，機(jī)翼升力產(chǎn)生的低頭力矩相當(dāng)人，進(jìn)行超音 速機(jī)動(dòng)需要更強(qiáng)的配平能力。以超音速性能著稱的米格一25，就是由于配平原因而無法進(jìn)行較大過載的超音速機(jī)動(dòng)——該機(jī)超音速平飛時(shí)，平尾偏轉(zhuǎn)就已接近極限，能用于超音速機(jī)動(dòng)的余量相當(dāng)小，所以雖然機(jī)體可以承受更人的載荷，但M2時(shí)的最大盤旋過載僅有3G。
要解決配平問題，一是大幅放寬靜穩(wěn)定度，將飛機(jī)焦點(diǎn)前移。這樣超音速飛行時(shí)飛機(jī)焦點(diǎn)雖然仍會(huì)后移，但距離重心近，產(chǎn)生的低頭力矩相對較小。不過，這樣一來飛機(jī)在亞音速大迎角機(jī)動(dòng)時(shí)同樣會(huì)面臨配平問題——這次是配平機(jī)翼產(chǎn)生的抬頭力矩。被媒體過分渲染的近耦鴨式布局，由于鴨翼距離重心較近，配平能力不足，F(xiàn)-16的總師哈瑞·希爾萊克就曾說過：“鴨翼最好的位置是在別人的飛機(jī)上?！睆V為人知的以色列獅式戰(zhàn)斗機(jī)就始終未能解決大迎角配平問題。因此，在當(dāng)年ATF方案論證時(shí)雖然出現(xiàn)過不少鴨式布局方案(老航迷們應(yīng)該還記得80年代采用鴨 式布局的YF-22的想象圖)，但F-22最終還是選擇了具有較強(qiáng)配平能力的正常式布局，縱向靜穩(wěn)定度也放寬至一15%。解決配平的另一個(gè)途徑是采用推力矢量控制(TVC)技術(shù)。采用TVC，其主要優(yōu)點(diǎn)有：在氣動(dòng)操縱面基礎(chǔ)上又增加了一個(gè)配平手段，配平能力自然大幅增強(qiáng)；高速飛行時(shí)氣動(dòng)操縱面偏轉(zhuǎn)將產(chǎn)生極人阻力，而采用TVC可以起到同樣的操縱效果卻無需偏轉(zhuǎn)操縱面TVC并不僅僅是偏轉(zhuǎn)推力矢量而產(chǎn)生法向分力，強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)噴流將存后機(jī)身形成引射作用，產(chǎn)生新的“升力”增量，同時(shí)參與配平。F-22的超音速機(jī)動(dòng)性大幅提高，TVC技術(shù)功不可沒。
就超音速盤旋本身的特點(diǎn)而占，其最大優(yōu)勢體現(xiàn)在日趨重要的超視距空戰(zhàn)中。前面已經(jīng)提到，在超視距空戰(zhàn)中無論是攻擊還是防御態(tài)勢，超音速巡航能力都非常有用，而超音速盤旋能力則是保證攻防轉(zhuǎn)換順利銜接的關(guān)鍵一環(huán)。當(dāng)AIM—120進(jìn)入自導(dǎo)段時(shí)，F(xiàn)-22為了避免進(jìn)入對方武器有效射程或者沖得太快進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)極大的近距格斗，需要轉(zhuǎn)向高速脫離?？梢韵胂螅瑢τ贔-15這類飛機(jī)而言，為了盡快轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎前的速度需要保持在其角點(diǎn)速度附近，完成轉(zhuǎn)向之后再加速脫離，這必然限制其發(fā)射AIM一120時(shí)的速度，減小了有效射程；或者為了提高有效射程增速到超音速，發(fā)射后再次減速，但犧牲時(shí)間。對F一22來說，完全沒有這些麻煩。良好的超音速盤旋能力使之可以在超視距作戰(zhàn)階段始終維持較高的能量狀態(tài)，以應(yīng)付各種突發(fā)事件。
△過失速機(jī)動(dòng)性
一般來說，s4里面的超機(jī)動(dòng)性，主就是指過失速機(jī)動(dòng)性。要具備過失速機(jī)動(dòng)性，良好的人迎角飛行品質(zhì)和有效的控制手段是必需的兩大基礎(chǔ)。我們先來看看F-22(在大迎角飛行狀態(tài)下的表現(xiàn)，這或許有助于我們理解這種飛機(jī)的優(yōu)勢所存。
抖振
抖振是飛機(jī)人迎角下常見的飛行特征。對于飛行員來說，抖振是一個(gè)很好的提示，它是機(jī)翼上表面后部氣流開始發(fā)生分離的直接表現(xiàn)，等于通知飛行員：機(jī)翼已接近臨界迎角，即將失速。當(dāng)氣流分離向前發(fā)展至機(jī)越前緣時(shí)，機(jī)冀即完全失速。對于傳統(tǒng)飛機(jī)來說，機(jī)翼失速可能導(dǎo)致飛機(jī)進(jìn)入尾旋或者其它難以控制的復(fù)雜飛行狀態(tài)。此外，強(qiáng)烈的抖振不僅可能損傷飛機(jī)結(jié)構(gòu)，而且將嚴(yán)最影響武器系統(tǒng)的使用。即使是設(shè)計(jì)良好的第三代戰(zhàn)斗機(jī)，在此時(shí)也需要飛行員仔細(xì)而謹(jǐn)慎地操縱——如果你不希望飛機(jī)進(jìn)入非預(yù)想的超大迎角狀態(tài)，那么就需要立刻檢查桿舵輸入，盡快減小迎角。
參與了F-22左端包線試飛的瓊·比斯雷談到：“猛禽大約在20度迎角附近開始抖振，直到26度抖振幅度有輕微增大。猛禽的抖振強(qiáng)度大約和F-16大迎角抖振的最小強(qiáng)度差不多，而控制比F-15少得多。從26度到大約40度，抖振強(qiáng)度基本穩(wěn)定，超過40度后開始減小。”而來自F-16／MATV試飛小組的報(bào)告稱“除非在高亞音速狀態(tài)，否則標(biāo)準(zhǔn)的F-16在正常迎角限制的飛行包線內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)大幅度抖振。在超過限制后的某個(gè)位置，我們遇到了明顯而意味深長的抖振。在大約40度迎角附近出現(xiàn)中等幅度的抖振，一直持續(xù)到50度，然后幅度減弱到幾乎消失?！?/p>
兩相對比，我們可以看到：和經(jīng)典的第三代戰(zhàn)斗機(jī)相比，F(xiàn)-22的抖振幅度明顯減小，這得益于其良好的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，對于大迎角條件下的武器使用(特別是航炮)非常有利。此外，報(bào)告中還有一句潛臺(tái)詞：飛機(jī)存大迎角下飛行穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)機(jī)翼突然失速然后失控的局面。(未完待續(xù)) 本刊特邀撰述 方方
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