如何了解戰鬥機的機動性

2021-01-14 網易軍事

轉載自空軍之翼

對於很多剛開始喜歡航空的軍迷而言,如何了解戰鬥機的機動性是一件很頭痛的事情。手冊、雜誌上提供的數據初看起來五花八門,令人眼花繚亂;但細究之下卻發現數據少得可憐。加上不同的文章出於不同的立場和觀點,對同樣的飛機褒貶不一。因此,即使對老鳥而言,從比較客觀的角度去了解戰鬥機的機動性也不是一件很容易的事。

那麼,要了解機動性,首先看什麼指標呢?

爬升率

最直觀的,爬升率體現了飛機的垂直機動性。無論是格鬥還是攔截,都需要應用飛機的爬升能力,歷來是戰鬥機最重要的機動性指標之一。但這遠不是爬升率這個指標所能告訴我們的全部。爬升率有時又被稱為「能量爬升率」,它的數值和單位都和「單位重量剩餘功率」(SEP,其值等於飛行速度×(發動機可用推力-總阻力)/飛機當時總重)完全相同——知道了爬升率就知道了對應狀態下的 SEP。

對 SEP 而言,它直接影響到飛機的盤旋能力。換句話說,就是飛機在某個狀態下,還有多少能量可用於進行其它機動。比如說,飛機當前在進行 5G 盤旋,同時 SEP 為 50 米/秒。這表明飛機還可以再拉更大的過載,而不會損失高度或速度——直到 SEP 為 0,飛機將進行穩定盤旋。當然,通常手冊上給出的都是最大爬升率(即海平面平飛狀態的爬升率),這個雖然不能用於直接評估飛機的盤旋能力,但有一定的參考價值——顯然,在其它條件相同的情況下,這個值越大,盤旋能力越好。需要說明的一點是,美、俄計算最大爬升率的條件不同:美國是空戰重量(機內半油,加典型格鬥載荷如兩枚格鬥彈),俄國則是正常起飛重量,所以往往給人一個錯覺,美國戰鬥機的 SEP 要高得多,實際並非如此。比較時要注意修正條件。

美、俄計算最大爬升率的條件不同:美國是空戰重量(機內半油,加典型格鬥載荷如兩枚格鬥彈),俄國則是正常起飛重量,所以往往給人一個錯覺,美國戰鬥機的 SEP 要高得多,實際並非如此

SEP 對機動性的另一個影響是飛機加速性。根據簡單的物理公式可知,當前飛機的水平加速度為(SEP/當前速度)×重力加速度。不過很遺憾,常見的飛機手冊上面給出最大爬升率的同時並未給出當時的速度。所以,對於飛機的加速性,最大爬升率也只具有一定的參考意義。

需要指出的是,我們看到的爬升率實際上是平飛狀態的 SEP,但由於誘導阻力的影響,在飛機機動時,SEP 會有很大變化。平飛時 SEP 大的不一定在機動時 SEP 也大。

爬升率看完了,接下來看什麼呢?

盤旋能力

和盤旋相關的性能參數包括:盤旋半徑、盤旋角速度、盤旋過載(注意,通常所說的盤旋過載其實是指飛機的法向過載,而非真正的水平向心加速度)。

由於盤旋半徑和速度平方成正比,因此最小盤旋半徑出現在低速區,對應的盤旋角速度和盤旋過載都不大。如 F-16 某種構型下的最小盤旋半徑 1,043 英尺,對應的盤旋角速度只有約 14 度/秒,盤旋過載約 2G——這對於空戰的意義並不大。受一些空戰文學描寫的影響,很多人都認為盤旋半徑越小越好。但如前所述,顯然事實並非如此。具有較高速度的飛機雖然盤旋半徑較大,但盤旋角速度也大,相對於盤旋半徑小但轉得慢的飛機,更容易繞到對方的 6 點鐘位置——這也是二戰德軍飛行員的常用戰術之一。

同樣,盤旋過載也和速度平方成正比,因此最大盤旋過載往往出現在角點速度之後,這個時候飛機既不是盤旋半徑最小,也不是轉得最快,因此一味強調大的盤旋過載並不一定有實際意義。例如,兩架採用某一構型的 F-16,一架拉 9G 過載盤旋,另一架拉 8G 過載盤旋,各自在最佳速度(即盤旋角速度最大),哪一架更容易咬住對方呢?你選 9G?很遺憾,如果不出意外你已經被擊落了。因為這一構型的 F-16 在角點速度只能拉出 8G 過載,要拉 9G 過載,必須增大速度,因此盤旋角速度減小,盤旋半徑增大。所以,僅憑盤旋過載來判斷兩架飛機盤旋能力的優劣是不恰當的——更準確的說法是,相同速度下,可以拉更大過載的飛機容易取得優勢。可惜,公開的數據裡面一般都沒有給出盤旋過載對應的速度。

當然,並不是說這樣的最大過載值就毫無意義。最大 8G 過載的飛機和最大 9G 過載的飛機必然是有差別的。那麼這個差別在哪裡?是升力不足導致飛機無法拉出足夠大的過載?還是結構強度限制了飛機的最大過載?再或者,另一個容易被人忽略的因素——配平能力限制了飛機的最大過載?特別是對同一機型的不同改型,如果最大過載發生了變化,我們甚至可以推測其改進途徑。如果多年以後某些資料證實了你的推測,你會發現這實在是一件非常有意思的事。

再來說說表徵盤旋能力的一個關鍵指標——盤旋角速度。

直觀地說,盤旋角速度就是表示飛機轉得快還是慢。空戰中更強調對角點速度的運用就是因為這個時候飛機的盤旋角速度最大。美國空軍軍格鬥教程裡面就強調在接敵時將速度保持在角點速度附近(略大),以便在進行第一個盤旋時能夠充分發揮最大盤旋角速度的優勢。我的一位朋友在和附近基地的美軍飛行員進行 Falcon4.0 聯機對戰時,往往不到一分鐘就被擊落,主要原因就是這個。

比起前面兩個參數,盤旋角速度能說明的東西更多。盤旋角速度越大,表明飛機的升力特性越好——翼載低是一個原因,但不是全部,機翼最大可用升力係數、機身升力等都有重要影響。如果對比瞬時盤旋角速度和穩定盤旋角速度,還可以從中了解發動機的推力水平。如果兩者相差不大甚至相同,那麼說明發動機推力足夠強大,可以克服高 G 盤旋時產生的巨大誘阻;如果有明顯差別,那麼這種飛機的發動機可能不足,或者飛機的誘阻較大。三代機裡面最典型的就是幻影 2000了。它的瞬時盤旋能力相當出色,但受 M53 發動機的影響(實際上 M53 和 F-16 採用的 F100 相比相差了幾乎一代的水平),穩定盤旋能力只能說是差強人意了。當然,還有一個因素就是它的三角翼,機翼展弦比太小,使得高 G 機動的誘阻劇增,不能不說是一個重要影響因素。

三代機裡面最典型的就是幻影 2000了。它的瞬時盤旋能力相當出色,但受 M53 發動機的影響(實際上 M53 和 F-16 採用的 F100 相比相差了幾乎一代的水平),穩定盤旋能力只能說是差強人意了

上面是公開刊物中常見的機動性指標表現的飛機機動性水平。接下來我們來看看一些常見的設計參數對飛機機動性的影響。

推重比

固然,對戰鬥機的設計人員來說,是希望在可能的條件下獲取儘可能高的推重比。不過,要想了解飛機的機動性水平,卻不能僅僅憑看到的推重比就貿然下結論。

首先,我們看到的推重比一般都是指發動機臺架推力和飛機相應重量的比值,是最理想的情況。而在實際飛行中,隨高度、溫度、速度等條件的變化,發動機推力也將產生明顯的變化。例如渦扇發動機,其推力隨高度下降相當明顯。換句話說,飛機的實際推重比也是隨條件不斷變化的。

其次,推重比只表明了問題的一個方面,而另一個方面——阻力卻無法從中得知。推重比增大而機動性下降的例子不是沒有,尤以英國海軍的 F-4K 艦載戰鬥機最為典型。當時英國人為了提高推重比而換裝了國產的「斯貝」渦扇發動機,以期提高飛機的機動性。但推重比是上去了,機動性卻下降了。究其原因,是由於斯貝的加力燃燒室和「鬼怪」的後機身外形不匹配,導致飛機底部阻力驟增,嚴重影響了飛機的機動性。

說到底,通常認為的「推重比大,爬升能力、加速性就好」的觀點是非常籠統和不準確的。用前面提到的 SEP 概念來表徵這些方面更為準確妥當。這並不是說推重比這個參數毫無意義,只是需要結合其它數據綜合來看。

翼載

飛機相應重量和機翼參考面積的比值。對於設計人員而言,這是一個令人頗為頭痛的參數。因為:一方面,翼載和盤旋時所需的升力係數成正比(而誘導阻力和升力係數的平方成正比),要獲得良好的盤旋能力,翼載當然越小越好;而另一方面,飛機平飛速度的平方又和翼載成正比,要獲得良好的高速性能,就需要大的翼載(所以當年 F-104 選擇那麼小的機翼面積不是沒有道理的),兩種相互矛盾的要求如何折中處理,其難度簡直可以稱為「藝術級」。F-15 在設計時之所以敢選擇較低的翼載,是因為有了 F100 強勁的推力做後盾,在一定程度上保證了它的高速性能——既便如此,F-15 也只能在無外掛情況下達到 M2.5 的衝刺速度,掛彈後最大 M 數被限制在 M1.78。

F-15 在設計時之所以敢選擇較低的翼載,是因為有了 F100 強勁的推力做後盾,在一定程度上保證了它的高速性能——既便如此,F-15 也只能在無外掛情況下達到 M2.5 的衝刺速度,掛彈後最大 M 數被限制在 M1.78

儘管對於盤旋性能而言,翼載確實是越小越好,但並不是說,翼載小的飛機盤旋能力就一定優於翼載大的飛機。因為還有另一個關鍵因素——飛機的可用升力係數。三角翼飛機,通常翼載都是比較小的,但如果可用升力係數不大,那麼飛機的盤旋能力也不會好。幻影 2000 和米格-21,從正反兩方面說明了這個問題。

需要指出的是,由於計算翼載用的是機翼參考面積,其中相當大一部分是在機身內的投影面積,那麼機身能否產生升力就很重要了。採用翼身融合體設計,機身能夠產生較大升力的,其實際「翼載」往往比計算翼載更低,具有更好的性能;而傳統設計的機身基本上不產生升力,實際「翼載」會比計算翼載更高。

展弦比

機翼翼展平方與機翼面積之比。和翼載類似,高速性能和低速性能同樣對展弦比選擇有著矛盾的要求。展弦比小,高速飛行阻力也小,機翼升力係數較小,有利於飛機高速飛行,但同時飛機的誘阻也大(誘阻係數和展弦比成反比),不利於飛機機動飛行;展弦比增大,則效果相反。

同樣,我們也不能簡單地說展弦比大的設計好還是小的設計好。如幻影 2000,曾經是展弦比最小的三代機,但不僅保證了飛機高速性能,機動性能也兼顧得相當不錯,其瞬時盤旋能力甚至超過 F-16——這也是 80 年代初我們更推崇幻影 2000 而非 F-16 的主要原因。說到這裡實在忍不住提一下 LCA,這種取代幻影 2000 摘取當今展弦比最小桂冠的戰鬥機。LCA 號稱機動性要達到甚至超過幻影 2000 的水平,這就意味這必須大幅提高升阻比和 SEP,然而以如此之小的展弦比,F404 的推力,若能實現,筆者對印度設計人員的水平真是要佩服得五體投地了。

上述參數都是一些能夠從公開刊物上直接獲得或簡單計算得到的,希望這段文字有助於同好們從中了解戰鬥機的機動性。或者有人會說,你寫了這麼多,什麼判斷標準都沒給啊,看了我也不知道那架飛機更好!的確如此,筆者也希望能給出一個標準,拿來比一下就知道哪種飛機的機動性更好。但事實上,這是不可能的。寫這段文字,就是希望大家能夠了解,飛機的機動性是由諸多因素綜合決定的,僅憑一兩個不知道條件的參數,根本無法判定優劣。形象地說,飛機機動性就是一個封閉的面,而我們看到的幾個數據就是這個面上不知道在哪裡的幾個點。充其量,我們只能根據這幾個點了解一下機動性的水平,但卻無法據此作出比較判斷。

如果某天哪位同好有幸拿到了兩種飛機的詳細飛行包線圖,那時大概就可以自豪地宣稱他有資格進行飛機的機動性對比了。只是,這個對比結果很可能無法解釋空戰的結果。因為,在空中有更多的不可知因素……

本文來源:網易軍事 責任編輯: 王曉易_NE0011

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