世界上第一種第四代戰(zhàn)機(jī)美國空軍F-22A“猛禽”
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　　橫向品質(zhì)與控制

　　根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和已知的信息，大多數(shù)戰(zhàn)斗機(jī)住迎角25—35度之間其橫向穩(wěn)定性會(huì)急劇下降。如果希望進(jìn)行過失速機(jī)動(dòng)，這是一個(gè)必須解決的問題。在早期試驗(yàn)中，F(xiàn)一22也有同樣的問題，大約任30度迎角附近會(huì)出現(xiàn)側(cè)滑。這雖然比設(shè)計(jì)人員期望的值要大，但也表明該機(jī)的安定性比預(yù)計(jì)的小。

　　要解決這個(gè)問題，必須首先確定大迎角下橫、航向控制手段。

　　和習(xí)慣忡的想法不同，大迎角下最有效直觀的控制手段是方向舵，而不足常規(guī)飛行狀態(tài)中使用的橫向控制面(包括副翼、差動(dòng)平尾等)——除了F-22聯(lián)合試飛隊(duì)外，來自F一16／MATV試飛員的結(jié)論也確認(rèn)了達(dá)一點(diǎn)。不過，F(xiàn)—16／MATV的垂尾是按照常規(guī)設(shè)計(jì)，其方向舵在較大迎角時(shí)已經(jīng)失效，控制能力來自于矢量推力噴口；而F-22的方向舵鉸鏈線明顯前傾，使之在所有迎角下都有一定的控制能力，并且存迎角40度左右效率最高。

　　同樣，大迎角航向控制也不再是傳統(tǒng)的方向舵，而是原來的橫向控制面。在包括F一22在內(nèi)的多個(gè)大迎角驗(yàn)證試飛計(jì)劃中，試飛員就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，人迎角下的滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)看起來更像純偏航輸入。這情形其實(shí)有點(diǎn)類似一戰(zhàn)時(shí)期的戰(zhàn)斗機(jī)，那時(shí)的設(shè)計(jì)理論遠(yuǎn)未完善，剮翼偏轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生極大的偏航力矩，使得飛機(jī)首先完成偏航機(jī)動(dòng)，然后才是滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)。當(dāng)然，達(dá)兩種情形只是現(xiàn)象類似，本質(zhì)卻完全不同了。對于F一22來說，利用差動(dòng)平尾進(jìn)行偏航控制并不是什么新技術(shù)，早在1990年YF—22試飛時(shí)就已經(jīng)采用了。不過在試飛中仍然發(fā)現(xiàn)，迎角超過50度以后，飛機(jī)平尾的控制負(fù)荷較重，在飛控系統(tǒng)指令下頻繁進(jìn)行差動(dòng)偏轉(zhuǎn)，以保證飛機(jī)穩(wěn)定性。在對大量試飛錄像進(jìn)行研究之后，設(shè)計(jì)人員得出結(jié)論：這是由于飛機(jī)橫側(cè)氣動(dòng)力差異大于預(yù)期值造成的。

　　對于控制問題，設(shè)計(jì)人員沒有更改氣動(dòng)設(shè)計(jì)而是通過改進(jìn)飛控軟件(主要就是改進(jìn)控制律，使之和飛機(jī)的氣動(dòng)特性能夠完全匹配)來解決的：在F一22第一次軟件升級(jí)時(shí)更換了新的飛控軟件，改善了F一22的安定性問題，現(xiàn)在的F一22在進(jìn)入25～35度這個(gè)迎角區(qū)域時(shí)，不會(huì)在操縱品質(zhì)上有任何改變。而人迎角下平尾控制負(fù)荷重的問題，也隨著飛控系統(tǒng)升級(jí)而得到圓滿解決。

　　俯仰控制

　　要完成過失速機(jī)動(dòng)，良好的俯仰控制能力必不可少。當(dāng)飛機(jī)超過失速迎角后，傳統(tǒng)氣動(dòng)控制面效率明顯下降，此時(shí)的俯仰控制能力主要來自于推力矢量控制。需要特別指出的是，這里的俯仰控制能力并不僅僅是指飛機(jī)的俯仰率大小，還包括俯仰軸上機(jī)頭精確指向能力和穩(wěn)定機(jī)頭指向的能力。 對此，瓊·比斯雷說：“飛控系統(tǒng)結(jié)合推力矢量控制，賦予猛禽充分的俯仰控制能力。當(dāng)我們在大迎角卜改變機(jī)火指向時(shí)，俯仰控制一直反應(yīng)良好。我們在35000英尺急劇拉起，此時(shí)俯仰率超過每秒40度。如果在低空，這些眼鏡蛇類的機(jī)動(dòng)會(huì)更加驚人，在那里我們會(huì)有更多的剩余推力用于推力矢量。迄今為止，我們的所有大迎角動(dòng)作都是在30000英尺以上完成的?！?/p>

　　由這段話我們可以看到，F(xiàn)一22具有較大的俯仰率，如果考慮到這個(gè)俯仰率是在95000英尺高度獲得的，那么這個(gè)表現(xiàn)是相當(dāng)不錯(cuò)的——在經(jīng)典的眼鏡蛇機(jī)動(dòng)中，蘇一27最大俯仰率可以達(dá)到60一70度／秒，雖然由于高度不同而不具備可比性，不過后者完全依靠氣動(dòng)作用實(shí)現(xiàn)如此大的俯仰率，蘇霍伊的氣動(dòng)設(shè)計(jì)功底可見一斑。需要注意的是，F(xiàn)一22此時(shí)的俯仰率主要得益于TVC，因此可以持續(xù)提供較高的俯仰率；而蘇一27在眼鏡蛇機(jī)動(dòng)中，只能在動(dòng)作初期達(dá)到較高的俯仰率，動(dòng)作后期實(shí)際上是靠前期產(chǎn)生的巨大慣性將前機(jī)身“甩”上去，整個(gè)動(dòng)作基本上不受控——因此，也有人認(rèn)為眼鏡蛇機(jī)動(dòng)不算是真正意義上的過失速機(jī)動(dòng)，而只能說是動(dòng)作中的迎角超過了失速迎角。

　　對于俯仰軸上機(jī)頭精確指向能力和穩(wěn)定機(jī)頭指向的能力，瓊·比斯雷只用了一句話概括“俯仰控制一直反應(yīng)良好。”如果我們對比F一16／MATV試飛員的談話，會(huì)發(fā)現(xiàn)更多有意思的東西：“俯仰控制動(dòng)作不僅有效，還有充分的俯仰率余量，使得飛行員在85度迎角以下的任何位置都足以控制機(jī)頭。如果飛行員急劇拉桿到后限，飛機(jī)可以很容易就超過100度迎角。在我們早期包線擴(kuò)展試飛接近結(jié)束的時(shí)候，F(xiàn)—16／MATV驗(yàn)證了這種能力。在60度迎角穩(wěn)定住飛機(jī)后(這只需以很小力量向后拉桿)，我迅速向后拉桿到底，飛機(jī)迎角增大了30多度，接近100度迎角。只需輕微前推桿，我就可以恢復(fù)到60度迎角或者我希望的任何俯仰位置，偏差只有1—2度。我們曾經(jīng)令飛機(jī)進(jìn)入90度仰角，而并未留意速度損失情況，因?yàn)槲覀兇_信可以在任何速度下控制機(jī)頭指向。即使當(dāng)飛機(jī)倒飛下墜時(shí)(迎角為一90度)，我們通過前后推拉桿仍然能夠精確控制機(jī)頭位置。

　　如果你想要很高的俯仰率、俯仰姿態(tài)變化或者指向能力，F(xiàn)一16／MATV都可以做到?！彪m然在時(shí)間上F一16／MATV是和F一22并行的驗(yàn)證計(jì)劃，但前者主要是針對多軸TVC技術(shù)，而在俯仰軸控制上并沒有什么特別之處。有理由相信，F(xiàn)一16／MATV能做到的，F(xiàn)一22也能做劍一在公開的F-22試飛錄像上同樣可以看到這一點(diǎn)。

　　說到這里不得不提一下矢量噴口的跟隨性，因?yàn)檫@對丁利用TVC進(jìn)行精確控制是非常重要的，雖然沒有試飛員提及這一點(diǎn)，不過在當(dāng)年YF一22因?yàn)椤帮w行員誘發(fā)振蕩”而撞地的事故錄像中卻看得非常清楚——那段錄像恰好是從機(jī)尾拍攝的。在錄像中可以看到，矢量噴口參與了飛控系統(tǒng)對飛機(jī)的配平工作，和平尾同步頻繁偏轉(zhuǎn)，動(dòng)作滯后量很小。相比之下，蘇一37的矢量噴口偏轉(zhuǎn)要慢一些，能看得出明顯滯后——在表演錄像上，飛行員在地面偏轉(zhuǎn)操縱面檢測功能時(shí)町以看到：平尾首先偏轉(zhuǎn)到位，穩(wěn)定，然后矢量噴口才轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置。雖然這種滯后無礙于蘇一37完成“伏羅洛夫法輪”等動(dòng)作，但能否完成飛機(jī)精確控制就難說了。

　　負(fù)迎角

　　作為包線擴(kuò)展試飛的一部分，F(xiàn)一22進(jìn)行了負(fù)迎角試飛。根據(jù)試飛員的說法，試飛中最大負(fù)迎角達(dá)到-40度(可能是拍攝角度的關(guān)系，從錄像上看迎角大約有一60度)。在前期試飛中，在一30度迎角時(shí)出現(xiàn)較大側(cè)滑(這一點(diǎn)倒是和正迎角狀態(tài)相同)，在第一次飛快軟件升級(jí)時(shí)也針對這個(gè)問題進(jìn)行了改進(jìn)，現(xiàn)在側(cè)滑已經(jīng)小得多了。整個(gè)試飛過程中沒有出現(xiàn)其它異常情況，試飛結(jié)果和設(shè)計(jì)人員的預(yù)測非常吻合。

　　對于負(fù)迎角飛行能力可能帶來的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢，筆者目前尚未看到官方的觀點(diǎn)。但就個(gè)人理解而言，負(fù)迎角飛行能力是對復(fù)雜的過失速機(jī)動(dòng)的有力保障。人類飛行剛剛開始進(jìn)入過失速領(lǐng)域，還有很多領(lǐng)域需要摸索。對于過失速機(jī)動(dòng)能力的戰(zhàn)斗機(jī)，飛行員敢不敢在實(shí)戰(zhàn)中應(yīng)用這種獨(dú)特的能力，決定了飛機(jī)效能的發(fā)揮。如同米格一21和F一5E的對抗一樣：在性能指標(biāo)上米格-21并不遜于F一5E，但這種飛機(jī)的飛行品質(zhì)不如后者，“在大機(jī)動(dòng)中可能失速進(jìn)入螺旋”的意識(shí)使得飛行員難以將飛機(jī)的性能發(fā)揮到極致。但F一22就不一樣了?？吹紽-22穩(wěn)定地將機(jī)頭推到預(yù)定的負(fù)迎角，任何人都會(huì)感到震撼。對于這種在正負(fù)超大迎角范圍內(nèi)都可以進(jìn)行穩(wěn)定可控飛行的飛機(jī)，每個(gè)飛行員都不吝于充分發(fā)揮它的潛力——自第三代戰(zhàn)斗機(jī)開始，很多新機(jī)型都號(hào)稱具有“無憂慮飛行能力”，但那是通過電傳飛控系統(tǒng)限制飛機(jī)動(dòng)作，避免進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域來實(shí)現(xiàn)的，而到了F一22才算真正實(shí)現(xiàn)了“無憂慮飛行”，困為對它而言幾乎沒有什么“危險(xiǎn)區(qū)域”。

　　△最小速度

　　F一22已經(jīng)完成了0空速試飛。這對于現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)來說算不上什么值得夸耀的能力，F(xiàn)一16、蘇一27等第三代戰(zhàn)斗機(jī)在進(jìn)入尾沖。榔頭等機(jī)動(dòng)時(shí)都會(huì)進(jìn)入0空速狀態(tài)。真正有意思的東西在后面——瓊-比斯雷提到“在所有機(jī)動(dòng)中，猛禽反應(yīng)良好。在空速20節(jié)時(shí)機(jī)頭仍然可挖。飛機(jī)在0空速下的運(yùn)動(dòng)是可知的。在垂直爬升0窄速狀態(tài)下，飛機(jī)甚至 可以自動(dòng)緩慢恢正飛狀態(tài)。在0空速或其附近機(jī)動(dòng)由于飛機(jī)受重力和慣性控制，通常會(huì)沿垂線快速飄擺。在很多現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)上，這個(gè)運(yùn)動(dòng)通常是鐘擺機(jī)動(dòng)的開始，然后接一個(gè)垂直斤斗。而對于猛禽而言，機(jī)頭可以很容易地穩(wěn)定在向下位置，沒有明顯擺向另一側(cè)的趨勢?！?/p>

　　看出來了嗎?這段話有兩個(gè)意思：1.即使在包線最左端，F(xiàn)-22仍然具有穩(wěn)定飛行的能力，而不會(huì)突然失控；2.F-22伍包線左端仍具有可靠的機(jī)頭指向能力——這對于過失速機(jī)動(dòng)的最終成功非常關(guān)鍵。對于第一點(diǎn)，大部分第三代戰(zhàn)斗機(jī)(特別是第三代后期)都具有這種能力。但對于第二點(diǎn)，在包線左端氣動(dòng)操縱面已經(jīng)失效，沒有TVC的第三代戰(zhàn)斗機(jī)只能依靠自身的氣動(dòng)特性保持穩(wěn)定墜落，直至速度增大恢復(fù)機(jī)動(dòng)能力為止——而在這段時(shí)間里，目標(biāo)可能早就飛出己機(jī)的攻擊區(qū)了。以蘇一27來說，如果它的眼鏡蛇機(jī)動(dòng)真的非常幸運(yùn)地迫使對于沖前，那么只要對手有足夠的能量作高速向上機(jī)動(dòng)，蘇一27是一點(diǎn)辦法沒有，因?yàn)橐呀?jīng)沒有能量供其跟隨機(jī)動(dòng)了，而且此時(shí)蘇一27的速度還在200公里／小時(shí)左右，如果在0空速附近，等加速完畢目標(biāo)早就不知跑劍哪里去了。但對于 F一22來說，這一點(diǎn)就不必?fù)?dān)心了，TVC足以保證其完成精確的機(jī)頭指向——唯一遺憾的是F一22的推力矢量控制能力僅限于俯仰軸和橫軸，而航向軸仍然依賴于氣動(dòng)操縱面，在0窄速狀態(tài)下是無能為力的雖然可以利用雙發(fā)推力差產(chǎn)生控制力矩，但發(fā)動(dòng)機(jī)控制的滯后使得這種控制手段還無法適應(yīng)精確靈活的控制模式。

　　△發(fā)動(dòng)機(jī)失速

　　發(fā)動(dòng)機(jī)是所有飛機(jī)的基礎(chǔ)礎(chǔ)，不管你想讓你的飛機(jī)干什么，不管你的飛機(jī)設(shè)計(jì)如何出色，失去了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，就只有一個(gè)結(jié)果——廢鐵一塊。AL-31F發(fā)動(dòng)機(jī)之所以名頭如此響亮，很大程度上得益于1988年那個(gè)震驚世界的“普加契夫眼鏡蛇”動(dòng)作。能夠在如此惡劣的情況下仍穩(wěn)定工作的發(fā)動(dòng)機(jī)，其自身的可靠性不用說是相當(dāng)高的。

　　那么F一22的心臟——F119-PW一100的可靠性又如何呢?按照瓊·比斯雷的說法，F(xiàn)一22在所飛過的每種條件下(包括0空速)都進(jìn)行過發(fā)動(dòng)機(jī)測試，油門從軍用推力猛地推到全加力，然后迅速拉回。除了正常的油門變化外，他們還在油門過渡頂峰狀態(tài)加入快速橫側(cè)操縱輸入，以便利用液壓泵盡可能多地分享發(fā)動(dòng)機(jī)功率，加大發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載。即使在這樣的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)仍然正常工作。對于飛行員來說，這實(shí)在是一個(gè)福音：F一22的設(shè)計(jì)保證了幾乎在任何狀態(tài)下都不會(huì)失控，變成一個(gè)瘋狂旋轉(zhuǎn)的陀螺，但一個(gè)在穩(wěn)定可控狀態(tài)下撞地的鐵塊實(shí)在比一個(gè)失控的陀螺好不到哪里去；而F119可以解決飛行員在這方面的顧慮。F一22最終實(shí)現(xiàn)“無憂慮操縱”，發(fā)動(dòng)機(jī)是關(guān)鍵之一。

　　△蘇-37和F一22

　　當(dāng)今世界，敢跟F一22在過失速領(lǐng)域叫板的飛機(jī)并不多。而最常被人拿來對比的恐怕就是已經(jīng)不復(fù)存的蘇-37了。

　　這兩種飛機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)都非常優(yōu)秀，具有保證飛機(jī)進(jìn)入過失速領(lǐng)域的潛力。蘇一37的矢量噴口使它增強(qiáng)了俯仰軸和橫軸上的控制能力。但如前所述，蘇一37的矢量噴口在控制方面似乎有一定的滯后性(這一滯后性可能是由其轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)制造成的)，若判斷無誤，那么這一缺陷可能會(huì)影響到利用推力矢量對飛機(jī)進(jìn)行精確控制(例如配平和大迎角下增強(qiáng)飛機(jī)穩(wěn)定性的控制動(dòng)作)，但對于持續(xù)性人動(dòng)作量機(jī)動(dòng)的控制并無影響(包括法輪機(jī)動(dòng)在內(nèi))。此外，蘇-37沿襲了蘇一27的基本設(shè)計(jì)，而蘇一27在設(shè)計(jì)時(shí)并朱考慮到超人迎角下的方向舵效率問題，超過一定迎角后方向舵同樣會(huì)失效——在眼鏡蛇機(jī)動(dòng)中，為了抑制動(dòng)作過程中不對稱機(jī)頭渦產(chǎn)生的偏航力矩，蘇一27系列飛機(jī)都是采用發(fā)動(dòng)機(jī)推力差來加以控制，而不是方向舵，這是原因之一。從這個(gè)細(xì)節(jié)判斷，蘇一37似乎缺乏人迎角下的偏航控制能力(必須依賴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行彌補(bǔ))。

　　此外，對蘇一37的招牌動(dòng)作“法輪機(jī)動(dòng)”，實(shí)際上是從“眼鏡蛇”到“尾鉤”再到“法輪”，一脈動(dòng)相承發(fā)展而來，其本質(zhì)沒有多大變化：都是以飛機(jī)在超大迎角下穩(wěn)定飛行的能力為基礎(chǔ)，利用超凡的俯仰控制能力將機(jī)頭快速拉起，通過30—60度迎角的不穩(wěn)定區(qū)域；對丁蘇一27而言，此后的動(dòng)作完全靠飛機(jī)自身的氣動(dòng)特性自動(dòng)完成，而蘇一37由于有TVC，可以提供額外的俯仰力矩，使得飛機(jī)迎角繼續(xù)增大，完成法輪機(jī)動(dòng)。但在整個(gè)動(dòng)作過程中，飛機(jī)所受控制很少。除此以外，蘇一37也沒有更多的表演動(dòng)作來證明其超大迎角范圍內(nèi)的控制能力。就這一系列的戰(zhàn)術(shù)意義而言，除了極大的減速能力外，眼鏡蛇系列機(jī)動(dòng)無法實(shí)現(xiàn)精確而穩(wěn)定的機(jī)頭指向，而后者對于過失速空戰(zhàn)至關(guān)重要。蘇一35曾經(jīng)在和蘇一30的空戰(zhàn)表演中，以一個(gè)尾鉤機(jī)動(dòng)瞄準(zhǔn)后方的蘇一30，以航炮將其“擊落”?？紤]到尾鉤機(jī)動(dòng)中飛機(jī)基本不受控，因此除非目標(biāo)恰好飛到彈道上，否則幾乎不可能實(shí)現(xiàn)，這一戰(zhàn)術(shù)的表演意義大于實(shí)戰(zhàn)意義。

　　在筆者看來，F(xiàn)一22真正勝過蘇一37的就在于其超大迎角范圍內(nèi)的穩(wěn)定控制和機(jī)頭精確指向能力，而這正是過失速空戰(zhàn)所追求的：利用超大迎角范圍內(nèi)的穩(wěn)定飛行能力，快速改變機(jī)頭指向，完成武器系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)和射擊。但就象我們所看到的，F(xiàn)一22最終實(shí)現(xiàn)這些控制能力，主要是通過改進(jìn)飛控軟件實(shí)現(xiàn)的。對蘇-37來說，要追上F-22并不是特別困難，需要的就是時(shí)間和金錢。

　　根據(jù)F一16／MATV計(jì)劃的驗(yàn)證結(jié)果，飛行員在過失速空戰(zhàn)中更喜歡使用骯炮，而現(xiàn)役格斗導(dǎo)彈難以滿足過失速空戰(zhàn)的要求。不過，隨著AIM一9X導(dǎo)彈的服役，格斗導(dǎo)彈距離進(jìn)入過失速空戰(zhàn)的目標(biāo)又近了一步——看過AIM一9X宣傳錄像的人，都會(huì)為其迎頭鎖定、發(fā)射后轉(zhuǎn)向180度攻擊目標(biāo)的能力驚嘆不已。想象一下，具有過失速機(jī)動(dòng)能力的F一22配合改進(jìn)后的AIM一9X，在格斗中是個(gè)什么樣的對手?

　　△結(jié)語

　　事實(shí)上，到目前為止，外界對F-22的了解仍然相當(dāng)有限。上面的一些看法和推測，也只是從對F一22試飛員的采訪中獲得的。如果真的要了解透徹現(xiàn)代化的猛禽，甚至要打斷F一22這桿高科技的“花槍”，恐怕我們還需要更多的努力才行。(完) 本刊特邀撰述 方方

專家談美國空軍F-22戰(zhàn)機(jī)性能優(yōu)勢(組圖)

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