深度:F-22并非无所不能 为隐身牺牲机动性

2014年01月02日 15:15  新浪军事 微博

  因此,在四代机的水平机动中迎角想多大就可以多大,唯一的问题是飞机的承受能力和推力有多大。我们看见在水平盘旋的前半段,飞行员莫加几乎将驾驶杆拉到了极限,飞机迅速旋转但速度减小并不多,这得益于F-22巨大的动力。当然,随着飞机迅速的旋转速度也由400节减小到了300节左右,为了维持飞机的速度(以便衔接下一个动作),飞行员适当减小了拉杆量,并最终控制飞机回到盘旋初始进入位置,从而完成下一个动作。需要指出的是,在这个卓越的盘旋中F-22依然采用了常规水平机动模式,即由坡度实现飞机水平机动,其实,F-22完全有能力进行低速几乎无半径的水平转弯,但这是其后面要做的动作,在这一常规机动中F-22只需展示其超乎寻常的机动小半径和迅速完成盘旋的能力,而这是三代机无法比拟的,受迎角和发动机动力的限制,三代机只能完成角速度不大于25度/秒的水平机动。

  J字型转弯

  美国人用“J型转弯”来定义F-22超越苏-27“眼镜蛇机动”的看家动作,但这个动作比字母J复杂得多。所谓J型转弯其实是下俯方块筋斗的一部分+加眼镜蛇机动的前半部分+无半径侧转的组合。

  在下俯方块筋斗的垂直转水平的机动中,由于速度小于300节,靠操纵舵面是无法使飞机迅速下俯的,但F-22能够做到,它靠的依然还是矢量推力,在飞机完成下俯进入水平状态后,飞行员又拉杆进入了类似眼镜蛇机动的上仰状态并保持住,随后的动作是F-22独有的,即在保持飞机几乎垂直向上的状态,利用飞发一体化控制技术保持飞机像一块平板那样飘在空中,并通过增加发动机推力使飞机缓慢的下降但飞机状态不变,这就好像飞机在垂直向上的状态下开倒车。

  J型机动的原理与眼镜蛇机动完全不同。作为超临界迎角机动,眼镜蛇机动其实并不是全程可控的,我把它定义为可预期的非控制机动。而F-22的J型机动是全程可控的,只要速度在合适的范围,其上仰与下俯都是随控的,这得益于F-22的矢量推力和飞发一体化飞控系统的能力。最后为了结束动作,F-22做了一个侧转使机头向下,与常规飞机的侧转不同,在这个机动过程中飞机也是完全可控的,飞行员通过方向舵操控和发动机喷口的偏转控制,使机头偏转进入俯冲。需要说明的是在整个机动过程中,飞行员必须很好地控制发动机的推力,以控制最佳的速度,否则在这一复杂机动中飞机的动态就会难以把握,在随控飞行中理论上讲飞机无所不能,但飞行员的操纵却极为复杂精巧,需要飞行员对飞机的状态具有很高的认知度和控制力。

  J型机动展示了F-22最足以称道的操控特性,俯仰、方向的任意随控,使得其相对于三代机具有无与伦比的优越性,从近距空战的角度而言,面对F-22三代机没有任何取胜的可能,这就是四代机超机动的威力所在。

  弹仓门开启穿越和垂直滚转

资料图:F-22战机的穿越和滚转资料图:F-22战机的穿越和滚转

  F-22的隐身性无疑是其最大的优势所在,但除了地面静展时可以从F-22异样的外表、光洁的表面和隐身涂层的灰暗颜色,最能展示其隐身特征的还是F-22的独特设计——内埋外挂,为此,表演者精心设计了弹仓开启关闭的穿越飞行动作。

  高度100米,速度尽可能地小(200节),为了展示多个弹仓同时开启时飞机下表面窗口遍布奇妙场面,飞行员甚至考虑到了倾斜机身这样的细节,加之地面观察员的通报,飞机刚好穿越表演区域迅即收起所与舱口,并迅速将飞机改平坡度,加满油门完成上仰垂直滚转机动。

资料图:F-22弹舱门开启通场资料图:F-22弹舱门开启通场

  垂直向上滚转机动是一个常规飞机需要大速度完成的精彩表演动作,但F-22凭借大推力在200节的速度即向上拉起并滚转,加之飞机刚穿越表演区,向上的滚转依然在观众的视线之中,表演的效果会非常好看而惊险。至于为什么要做滚转机动完全是为了表演效果,因为如果不是为了下接另一个方向的俯仰机动,滚转本身是没有战术价值的(“桶滚”并非严格意义上的纯滚转机动,但桶滚的战术意义非常重要),但在表演飞行中却使用频率非常高,原因是滚转飞行的视觉效果非常好。

资料图:F-22垂直滚转机动资料图:F-22垂直滚转机动

  小速度的上仰垂直滚转,是常规飞机难以完成的,原因是常规操控系统的俯仰操纵性不足以使飞机在低速迅速上仰成90度,而F-22凭借矢量推力却可以很轻松地做到,因此,这一动作可以说是F-22的“看家本领”。

  低空9G过载盘旋穿越观礼台

  低空大过载盘旋通场会在比较大的速度下完成,尤其是常规飞机如果速度不够就无法达到9G过载,而9G也是通常的飞行员生理极限。在观礼台上空完成9G大过载盘旋,所要达到的就是震撼的效果。

  与常规飞机不同,F-22可以在相对较小的速度下完成9G过载机动,原因还是它有矢量推力的支撑。但为了达到呼啸的震撼力,飞行员依然会选择 700公里/小时左右的速度,由于F-22的大推力穿越是需要防止的是速度过大甚至超音,因为在低高度超音会形成巨大的破坏力,这在和平时期是被各种条令法规严格禁止的。

资料图:9G大过载盘旋资料图:9G大过载盘旋

  进入观礼区之前飞行员要确认速度在可控的范围,而高度则达到了惊人的100米(这完全是出于对观众安全的考虑),为了达成盘旋的震撼效果,飞机从 观众的后方穿越并突然出现在观礼区,随机迅速形成9G的过载,此时飞机在巨大推力的推动下,以很大的速度迅速旋转,机头在矢量推力作用下向被什么东西牵着 一般,迅速地扭转,而轨迹也迅速变化,仿佛一瞬间F-22就完成了360度的水平机动。与满行程小速度盘旋不同的是,9G过载不是为了展示盘旋半径有多 小,而是展示飞机完成盘旋的速度有多快,伴随着发动机和速度的呼啸声,观众在震耳欲聋的轰鸣中看见的是F-22的华丽转身,如此迅速、如此的桀骜不驯。

  9G过载是“几何空战”、“能量机动”的秘籍所在,在传统的近距空战中拼的就是飞机的过载机动能力。而在这一传统空战领域,作为四代机的F-22,展示的是意义截然不同机动,对F-22而言,能量不再是必不可少的机动之源,随着矢量推力技术的引进,近距格斗进入了一个全新的时代——超机动时代。

  无半径下降转弯(踏板转弯)

  下一个机动从字面上翻译叫做方向舵转弯,这是从完成机动的操纵角度来说的,但这个机动的最大特点是,转弯是在几乎机翼水平的状态下完成的,而转弯的半径极小。还是先看看F-22做到了什么。

  为了衔接上一个低空大过载机动动作,在进入无半径下降转弯之前必须上升高度,利用盘旋的剩余速度加上发动机推力的调整,飞行员拉杆使飞机再次进 入垂直上升状态,并在足够的高度上完成一个类似后空翻的动作使飞机减速并进入水平状态,接下来就是最精彩的无半径盘旋下降了。由于此时飞机的速度已经非常 小,为了保持飞机近似水平的状态,必须向后拉住驾驶杆杆,此时飞机的姿态基本是水平的机翼也保持水平状态,但由于速度减小升力降低,飞机实际上是在缓慢飘 降,而此时飞行员蹬满了舵,飞机在垂尾和发动机喷口舵面的作用下开始水平旋转,从而完成360度的无半径下降盘旋。为了动作的规范严谨,进入方向是平行观 礼台的,而完成动作实际上要多转一个角度,因为完成动作时高度不足200米,为了观众的安全停止旋转的方向略朝外,从而远离观礼台。

  相对于传统飞机,F-22的无半径盘旋已经是惊世骇俗的了,但需要指出的是由于F-22的矢量推力并不是严格意义上的全向矢量,因此,它还不能像米格-29OVT那样做近乎水平的无半径盘旋,而必须带有一定的飘降状态,关于这一点将在下一节加以阐述。但F-22毕竟做到了小速度下的迅速转向,这对于三代机而言已经是技高一筹。

  筋斗和负过载翻滚

  筋斗和负过载翻滚并无什么新奇指出,只是一个衔接动作。筋斗的迅速旋转特性前面已经叙述过了,而负过载翻滚其实就是顶杆完成翻滚,这在二代机、三代机也是常见动作。

资料图:负过载翻滚时飞行员是非常受罪的资料图:负过载翻滚时飞行员是非常受罪的

  尾冲  

  尾冲也叫“钟形机动”,是较为常见的超临界机动。在这一机动中利用飞机的速度拉杆使飞机进入70度左右仰角的跃升,之后,随着速度的减小飞机将会自动转入轨迹下降的运动,此时,利用驾驶杆和脚蹬的合理操控,使飞机尽可能地保持姿态,以达到圆满的观赏效果,随着下降速度的增加,飞机将在俯仰安定力矩作用下迅速下俯,从而完成钟形机动。对于传统飞机而言要完成好尾冲需要很多的技巧,否则飞机的横侧平衡一旦失去,尾冲就会偏转方向从而达不到观赏效果。对于F-22而言这一切都不在话下,因为它有矢量推力的帮助可以很好控制飞机的平衡,而且,利用矢量推力还可以克服飞机的俯仰安定力矩,使飞机在钟形机动的后半段,保持较长时间的上仰姿态,这样的飘降尾冲与传统飞机迅速下俯的状态截然不同,飞机仿佛定在空中随风飘降。

资料图:F-22飘降尾冲,就好像飞机凝固在空中资料图:F-22飘降尾冲,就好像飞机凝固在空中

  尾冲是一个完全为表演而设计的动作,实际作战中没有什么战术意义,但从表演的角度而言,F-22的尾冲突破了安定力矩的作用,达到一种“定在空中”的效果,这对观众而言的确是出乎意料的。

  大迎角水平回转

资料图:F-22低速穿越资料图:F-22低速穿越

  大迎角操控的机动性和安定性,是三代机足以自豪的特性,表演中低空大迎角通场是三代机的保留节目,但对四代机而言大迎角的水平回转才是“惊鸿一现”!

  你想象一下,飞机以36度的仰角水平飞行,飞机还能做什么?在喷流舵面和垂尾操控下,F-22可以做小半径水平回转。飞机仰着头机翼几乎没有倾 斜,飞行员蹬舵使飞机的机头慢慢回转。此时飞行员从座舱前方已经看不见自己的飞行轨迹,必须通过地面观察员通报回转后的方向是否与观礼台平行,而飞机是否 平飞也只能用平显数据来判断。常规三代机以非加力状态进行大迎角飞行时,已经没有什么剩余推力了,因此为了退出大迎角飞行通场要松杆让飞机低头增速。但作 为可以完成超音速巡航的F-22,能量绰绰有余,飞行员可以直接推油门加速,为了防止速度增加过快不利于下一个动作,甚至要稍稍拉杆使飞机再上仰5到10度。

资料图:低空大迎角平飞资料图:低空大迎角平飞

  大迎角水平回转充分体现了四代机的战术性能,在传统的空战理念中,失去了能量就意味着失去了空战战术优势,但对于四代机而言,在失去能量的情况下依然可以完成迅捷的机动,并且迅速补充能量。对于四代机而言能量机动理论已经过时,而超机动的战术新理念还等待着人们去探索。

  三、F-22并非无所不能

  F-22毕竟是人类第一种实现超机动的现役飞机,其隐身性能的优势更是独步天下没有对手。在我们还无法做到更好的情况下,我不想去“揭露”所谓F-22的“缺陷”,但作为一个军事飞行的探索者,我必须真正弄懂有什么是F-22做不到的!

  从某种意义上讲,任何设计师都无法设计出一款十全十美的飞机,完美总是相对的。从整合设计的角度分析,一款飞机总是试图突出设计者所想要的性能,而对一些并不重要或技术上难以实现的性能要求,只能弱化或者放弃。

  尽管在军机技术领域美国人已经遥遥领先,但从F-22身上我们依然看到了美国人的无奈,那就是矢量推力技术。其实,要使发动机的喷流发生偏转并 不难,难的事如何精确而有效地控制喷流方向,并确保工作的绝对可靠性,在矢量喷口技术这一领域,技术的复杂程度出乎我们的想象。俄罗斯人在矢量推力方面的 探索超过了20年,由于从一开始他们就选择了转向喷口技术,俄罗斯人一直在矢量推力技术上处于领先地位,而美国人从当年的X-29开 始就选择了喷流舵面技术,这种技术的控制虽然简单,但却无法做到全向控制。F-22为了实现隐身性的要求,从设计之初就确立了俯仰方向的推力转向,而在横侧推力方面则只能有喷流舵面来控制,这样做尽管技术上实现起来比较容易,但与飞控系统的交联就相对复杂,为了减小风险他们只能简化控制模式,在俯仰操控方 面飞发完全交联控制,而在横侧操控方面发动机只起到辅助的作用,这就大大限制了F-22水平超机动性能。例如,全向矢量喷口的米格-29OVT可以做小速度、甚至0速度下的无半径和小半径水平机动,在复合机动中可以任意发挥随心所欲,而F-22只能在俯仰机动中做到“随控操纵”,在水平机动中只能中规中矩,做相对比较规范的小速度小半径机动,任意状态下的无半径机动是无法完成的。

  无半径水平机动并非花拳绣腿,在近距格斗中水平机动性的“随控操纵”可以在飞机状态变化不大的情况下,迅速实现机头指向,这种敏捷性对于近距格斗具 有重要的战术意义,F-22由于在水平方向无法做到随控机动,其超机动性能大大缩水,但这也是无奈的,因为,现在美国人还无法做到隐身与全向机动的融合, 因此,只能局部放弃对水平机动性的要求。

  F-22在超机动领域的技术优势,是世界其他现役军机无法比拟的,相对于俄罗斯人在矢量推力技术上的优势,美国人在发动机推力和可靠性方面优势 明显,作为一款推重比远远大于1的四代机,F-22除了实现超机动外,其超音速巡航和小速度机动性能都是独步天下的。从F-22表演飞行的设计规划中,我们也看到了美国人科学、严谨的作风,这是美国空军飞行文化的特色,这一点值得我们借鉴与学习。(本文感谢空军之翼网站,本文作者是中国空军著名试飞员徐勇凌,特此鸣谢)

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