划时代战机:资深试飞员谈F-16设计特点

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导读: Code One杂志1986年4月号文章 翻译:无定河边骨 作者:乔•比尔•佐登 —— 资深实验试飞员   当你从空气动力学的观点开始观察F-16时,一个特殊的事实就会立刻呈现出来:这是第一架有意设计为负静态余量的作战飞机。在亚音速飞行时,F-16在俯仰方向是静不稳定(理解为不稳定)的。我怀疑你们当中是否有人。   有机会飞过表现出静不稳定的飞机。但如果有的话,你就会理解这样一个现象,在传统的传动飞行控制系统上,你将至少花费百分这九十九



Code One杂志1986年4月号文章


翻译:无定河边骨


作者:乔•比尔•佐登 —— 资深实验试飞员




当你从空气动力学的观点开始观察F-16时,一个特殊的事实就会立刻呈现出来:这是第一架有意设计为负静态余量的作战飞机。在亚音速飞行时,F-16在俯仰方向是静不稳定(理解为不稳定)的。我怀疑你们当中是否有人。


有机会飞过表现出静不稳定的飞机。但如果有的话,你就会理解这样一个现象,在传统的传动飞行控制系统上,你将至少花费百分这九十九的时间来努力保持迎风飞行。你们最可能的体验来自带有三个副油箱和两个飞行夹舱的F-4,就在你丢弃一个装满油料的油箱之后。在这种配置下,如果你用14度仰角拉起F-4,你会发现飞机总是在继续抬头因此你将不得不用力前推驾驶杆以保持飞机攻角,防止抬头变成失速。在亚音速,F-16坚持不懈地尝试相同的努力,但是因为飞行控制系统同样坚持不懈地监视着G值,攻角,还有俯仰速率(并且将这些值与你的操作加以比较),你永远不会看到上述那样的结果。


为什么要这样设计飞机?因为这样可以带给你多种的优异性能。这种负静态余量是F-16拥有出色转弯能力的一个原因。当你试图评价F-16的时候第101号航空课程的内容已不再适用了(译注:第101号航空课程是美国空军的教学科目,课程名称是《美国空军基础教学大纲》)。我曾经看到《航空发展》上的一篇文章解释为什么F-15的转弯性能要比F-16好的多,因为F-15的翼载荷要小的多。这也正是人们犯错误的地方,因为你已经不能够再用翼载荷来衡量飞机是怎样转弯的了。


让我解释一下这句话。由于F-16是静不稳定的,为了控制攻角尾部总是向上抬起来的(当你还处在亚音速的时候)。当你进入超音速的时候飞机的气动中心产生移动这时候F-16就处在正稳状态,与传统飞机相比让飞机保持给定攻角所需要的向下力矩就要小得多。因此,作用在飞机上的总的升力就要比作用在保持指定攻角上的多得多;所以,综合诱导阻力或者是配平阻力就降低了。任何种类阻力的减少都意味着更好的持续转弯能力和巡航性能。此外,F-16还在设计上利用了边条翼产生的涡流升力。这种涡流就是你在潮湿环境中急转弯时所看到的F-16背部两侧拉出的烟雾。它们可不仅仅是为了在航展上引来“喔...哈...”那样的惊叫声。


作为涡流升力作用的结果,机身上的蒙皮面积至少产生占总升力大小百分之三十的升力。如果你犯了与《航空发展》相同的错误用飞机的总重量除以相应的机翼面积,你会得出每平方英尺65磅的翼载荷。但是(这个但是的语气要非常的强烈),当你加上机尾和机身升力二者所有的贡献时,你将得到一个大约每平方英尺40磅的翼载荷。现在你可以说说二战时飞机的翼载荷。你现在应该能够理解为什么在个别任务总结过程中你总是听到“我从来没有想过你能够占据那个攻击位置!”这样的话了么?呵呵!也许这就是能让他们感到愤怒的某些原因。


正是这两种技术综合作用的结果在我们开始飞这架多用途战斗机的时候为F-16带来了值得我们称赞的与众不同的飞行品质。静不稳定飞机和比例指令飞行控制系统共同促成了一架无与伦比的战斗机!


在过去,我曾经提到过,某些很少提及的技术在建造F-16这样的战斗机时取得了新的进展。预告总归是预告,现在跟我来讨论一下如何不让战隼吓掉你的下巴。


我听过一个笑话抱怨飞F-16的时候缺少杆位提示。这个抱怨说对也对说错也错。杆位就在那里 —— 事实上它的大小是如此的无法忽视(当你对比一下你飞过的飞机)以至于它们通常是最显眼的直到你对这架飞机有了一些经验。不考虑任何特殊的规则,让我们看一看那些常见一点的内容。



你应该已经注意到你花在F-16配平上的时间有明显的不同。这是飞行控制系统作用的主要结果。由于我们使用飞行控制系统人为地形成一架保持稳定的飞机,在我们增速或减速时配平的变化已经自动加以考虑了。由于重新配平飞机的需要已经不存在了,我们也不再需要下意识地用杆位提示来告诉自己我们已经改变了飞行速度。



同样,座舱盖屏蔽了驾驶舱里主要的气流噪音,因此我们可以不再依赖背景噪音的大小来告诉自己我们飞得更快了。风声的变化还是客观存在的;只不过是原始的噪音大小更低一点(相对于犀牛那样的飞机)因此为了象杆位一样利用这一信号你不得不集中注意力,同样的道理直到你适应了驾驶F-16时的新感觉之前你也会觉得有点困难。这两种现象出现的原因是由于你发现你飞到450节的表速,而你只想要250节的表速,或者是反过来。我很抱歉我这里没有比使用平显由飞机来告诉你到底你飞的有多快之外更加有效的办法了。确信无疑的是我绝不想再回到一架静稳定的在座舱盖下有一根带杆位的驾驶杆的飞机里去了。



我确实不想那样,但是,关于攻角还有一些重要的事情要说,因此请集中精神。你们当中的大多数从F-4改飞过来的人都很熟悉这样一个事实即F-4会通过警报告诉你抬头过高,如果不是非正常的情况,就是你在增大攻角。F-16上也存在杆位缓冲区,但大小上只有F-4的十分之一。事情的过程是这样的:你在沿着1到2度的攻角进行巡航的时候开始让飞机转弯。你听到或感觉到的第一件事情是背景空气噪音增大了一点(这通常开始于6度攻角的时候)。你最有可能听到的是由前机身边条翼开始产生的涡流的声音。这种噪音慢慢增大直到你达到15到16度的攻角时开始出现主翼气流分离。边条翼气流冲击F-16其它部位的结果将带给你那种总是被描述为振动一样的声音。



气流分离的原因是因为它遵循着我们已经熟知的规律,它在海平面上大约出现在15度攻角然后递减(随着高度的增加)直到40,000英尺的高度我们在9到10度的攻角看到振动产生的原因。对于相同的机身作用下攻角减少的原因自从伊卡洛斯开始一直没有变化(译注:伊卡洛斯是希腊神话传说中的建筑师和雕刻家代达罗斯之子, 他用蜡和羽毛造成翼翅逃出克里特岛时, 因过分飞近太阳, 蜡翼受热后融化, 坠海而死。这里是引喻他为飞行先驱的意思),在这里也并不重要。需要记住的事情是:如果F-16开始振动(不考虑发动机的原因),你就正在减速。如果你的速度不慢下来,F-16就不会失速。如果你有足够的空速,飞行控制系统不会允许你做任何可能进一步导致失速的动作。F-16变得容易出现失速的情况仅仅出现在你的速度开始低于200到250节(取决于外挂配置)的时候。但尽管这样,你还是有可能迫使它进入失速。这里有一个非常重要的需要牢记的教训:即,注意观察振动的程度。如果你不想让F-16慢下来,就不要让它出现振动。没有振动的话F-16会飞的非常的好(记住静不稳定飞机和机身升力),如果需要的话,也不要害怕振动。只要记住把振动当成一个重要的杆位信息,你就不会在你的上级哪里变得出名(或者默默无闻)。


只要G值足够小,你可以让F-16飞出20到25度的攻角。但请不要忘记,要飞这样的攻角,你的速度会变慢。飞行控制系统在这样的空速下会没有足够的能力摆平这架静不稳定飞机的负面影响。如果我们在低速时做出快速的俯仰或滚转动作,飞行控制系统会尝试尊重我们的要求。但它也会很快意识到控制面上的空气气流没有足够的能量阻止它刚刚做出的动作的惯性。这时候静不稳定飞机的优势就体现出来了,F-16还可以保持正常飞行。如果你已经注意到了并且知道你正在减速,你还是不会有任何的麻烦。把这个知识点好好运用起来并且小心翼翼地应对飞行控制系统所具有的极限。如果你可以在激烈的战斗中做到这样,这一飞行控制系统可以应对出现的大量问题并且永远不会让你遇到麻烦。(绝不要害怕。这些问题处理起来的速度甚至要比和你交战的对手意识到的速度更快


除了将振动程度当作空速线索之外,还有一个方面值得关注 —— 飞机的垂直飞行,或者近似于垂直的飞行。当你看到相关飞机材料估算出具有大于1比1的推重比时不要只想着享受垂直飞行的乐趣。写材料的人通常不会完全理解真实环境下相关的物理规律。举个例子,不考虑你曾经听过看过的故事,F-16并不能进行长时间的直接加速。对于这种情况,任何其它飞机也不可以。尽管F100发动机具有25,000磅级别的推力,但在它的有生之年绝不会看到25,000磅的推力。当你(1)扣除装配过程的损失,(2)认识到发动机可能没有调整到最佳状态,以及(3)按使用时间折旧计算常规推力级别,你会明白你并不具有所谓的F-16的推重比大于1:1的空间。因此,当你在剩下的推力上再加上每1000英尺微不足道的百分之三的气温递减率,你会发现,当你飞到10,000英尺时,你只剩下材料上百分之七十的推力了。



现在要记住的是,在垂直爬升过程中,推力需要克服重力和阻力。你会明白也好,不明白也罢,你是不是需要在手里留下一点的推力?这不是只针对F-16。你正在阅读的内容适用于当今世界上飞行的任何一种飞机。在某种意义上说,F-16还是一种在未来几年中远远超出你们可能接触到的其它任何一种竞争者的飞机。任何一种。强调一下,不可动摇的一点就是不要慢下来。尽管在未来几年里F-16都可以保持比你们所能接触到的任何竞争者都要大的临界状态,当F-16继续保持这种状态时你的飞行速度还是会越来越慢。无论你是通过高G或者是垂直爬升让飞机慢下来,如果你坚持继续做下去的话你将容易进入失速状态。集中精力让你在任何时候都能了解处在怎样一种的能量状态。如果你处于一种低能量的状态(低速),只要你平稳地接近极限你不会惹出什么乱子。



手册上给出的最小空速极限值是可以开始做最大限度机动的要求值。在这个最小空速极限值以下,我们不得不使用一些技术和小伎俩。如果你在不经意中发现你飞的比一号飞行手册中指出的极限值还要慢,事实上什么事也不会发生。只要好好地保持清醒的头脑。通过平稳地控制你的动作,你完全可以飞回去。


我知道曾经发生过这样的事(这样事还会发生),有些人没有能够像他们本应该做的那样在低速情况下平稳地控制飞机,于是发生了失速的现象。让我们来谈谈失速是怎么样一种情况这样你们就能够(1)在它发生时意识到它并且(2)假设在失速发展为严重螺旋时可以顺利改出。



究竟失速是怎样的一种情况?首先,它与你们飞过的飞机完全不同(这个词还记忆犹新吧?)。如果还在寻找你曾经飞过的F-4或A-7飞机里的杆位暗示的话那对你来说就太不幸了。如果你正在通过观察机首摆动告诉自己快要失速了的话,那也太迟了。为什么?因为F-16的失速通常不是在水平方向上(机首摆动)而是纵向方向上(俯仰方向)。当你看到机首向左或是向右运动时,你已经进入了失速。这种情况发生在你让F-16做剧烈的转弯使其减速或是垂直爬升以努力摆脱其它人的追击。无论是怎么样的原因,总之你的速度慢下来了。



现在假设你坚持向后拉杆继续让F-16做急转弯或者是在快速滚转的同时加上了最大限度的俯仰运动。你所做的一切就将引发我曾经说过的静不稳定飞机的负面影响。你已经将F-16飞到了或是会引发攻角持续增大的耦合效应的地步。在这种时候,空速的降低意味着姿态稳定器没有足够的力量能够控制住攻角。所以F-16开始失速。这不是一种严重的失速。记住,我告诉过你F-16不会失速除非你降低速度。如果你能够及时地给予飞机足够的能量就可以防止一次严重的失速发生,接下来你就也可以及时地给控制系统足够的力量阻止这次失速 —— 事情如何发展取决于你的决定。(因此这对于F-16的飞行控制系统与飞行相结合来说也可能是一个有效的理由)总而言之,飞机的失速性能良好。某些情况下,你甚至都不会意识到你已经失速了。



再说说前面提到过的特例。大多数外挂配置只有在你让F-16的飞行速度足够慢时才会失速。机首摆动通常不会出现在F-16身上。但是,就如同生活当中的某些时候发生的那样,没有绝对的事情。机首摆动会出现在携带300加仑机身中轴油箱,设定一号外挂配置,在35,000英尺高度的特定环境下,或者是25,000英尺高度带有机翼外挂武器或设置的时候。这些机首摆动只会在高亚音速范围内(换句话说,也就是0.88到0.9马赫的中等表速——比300节的表速低那么一丁点)当你在攻角极限值附近做滚转动作时才会出现。如果你是机首摆动这方面的专家之一,你的第一个反应应该是松开驾驶杆让飞机自己恢复正常。如果保持原有的驾驶指令,机首摆动将转变成更经常提到的垂直方向上的俯仰失速。这种俯仰失速与低速情况下相比会更为激烈。但是,高速形成的剩余能量很快就会消耗掉,而后两种失速现象就会变得极为相似。



再回到关于俯仰失速的讨论上来。我前面描述的现象是一种攻角超出25度之外的题外话。飞行控制系统会试图保持1个G的条件下最大值为25度攻角和9个G条件下最大值为15度的攻角,但在这里并不重要。尽管每时每刻飞行控制系统都在尽职尽责,通过在达到攻角上限时加上滚转动作并在低速时突然拉起或者是通过加剧机首摆动,你还是可以强行要求F-16超出这一指定的攻角限制。这个过程中会发生什么事情呢?一般说来你是不会知道的。一旦控制系统发现攻角大于25度,它将不理会你通过驾驶杆发出的动作指令并试图将攻角降下来。但如果你不知是由于什么原因非要让攻角超过29度,于是系统会在试图降低攻角到允许范围的同时,抵消任何的偏航现象。从大的方面说,在黑匣子降低攻角然后将控制权交还给你的若干秒钟的时间里你被排除在了飞行控制体系之外。你很可能从来都不知道这件事情。



为什么变得如此激动?因为,有些时候,F-16的自我调整功能会把自己调整到被称之为严重螺旋的境地。如果你让自己陷入这种境地,你确实是有些麻烦了。不幸的是,如果你真的计划让自己经历一次这样的经历,你只能坐在那里在接下来的惊心动魄过程中去探索究竟什么是严重螺旋以及如何让你的飞机重新飞起来。

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