(图解)如何了解战斗机的机动性!

亮剑---无敌 收藏 22 1484
导读:[img]http://pic.itiexue.net/pics/2009_7_11_8783_9608783.jpg[/img] 对于很多刚开始喜欢航空的军迷而言,如何了解战斗机的机动性是一件很头痛的事情。手册、杂志上提供的数据初看起来五花八门,令人眼花缭乱;但细究之下却发现数据少得可怜。加上不同的文章出于不同的立场和观点,对同样的飞机褒贬不一。因此,即使对老鸟而言,从比较客观的角度去了解战斗机的机动性也不是一件很容易的事。 那么,要了解机动性,首先看什么指标呢? 爬升率!   最直观

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对于很多刚开始喜欢航空的军迷而言,如何了解战斗机的机动性是一件很头痛的事情。手册、杂志上提供的数据初看起来五花八门,令人眼花缭乱;但细究之下却发现数据少得可怜。加上不同的文章出于不同的立场和观点,对同样的飞机褒贬不一。因此,即使对老鸟而言,从比较客观的角度去了解战斗机的机动性也不是一件很容易的事。

那么,要了解机动性,首先看什么指标呢?


爬升率!


最直观的,爬升率体现了飞机的垂直机动性。无论是格斗还是拦截,都需要应用飞机的爬升能力,历来是战斗机最重要的机动性指标之一。但这远不是爬升率这个指标所能告诉我们的全部。爬升率有时又被称为“能量爬升率”,它的数值和单位都和“单位重量剩余功率”(SEP,其值等于飞行速度×(发动机可用推力-总阻力)/飞机当时总重)完全相同——知道了爬升率就知道了对应状态下的 SEP。


对 SEP 而言,它直接影响到飞机的盘旋能力。换句话说,就是飞机在某个状态下,还有多少能量可用于进行其它机动。比如说,飞机当前在进行 5G 盘旋,同时 SEP 为 50 米/秒。这表明飞机还可以再拉更大的过载,而不会损失高度或速度——直到 SEP 为 0,飞机将进行稳定盘旋。当然,通常手册上给出的都是最大爬升率(即海平面平飞状态的爬升率),这个虽然不能用于直接评估飞机的盘旋能力,但有一定的参考价值——显然,在其它条件相同的情况下,这个值越大,盘旋能力越好。需要说明的一点是,美、俄计算最大爬升率的条件不同:美国是空战重量(机内半油,加典型格斗载荷如两枚格斗弹),俄国则是正常起飞重量,所以往往给人一个错觉,美国战斗机的 SEP 要高得多,实际并非如此。比较时要注意修正条件。



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美、俄计算最大爬升率的条件不同:美国是空战重量(机内半油,加典型格斗载荷如两枚格斗弹),俄国则是正常起飞重量,所以往往给人一个错觉,美国战斗机的 SEP 要高得多,实际并非如此


SEP 对机动性的另一个影响是飞机加速性。根据简单的物理公式可知,当前飞机的水平加速度为(SEP/当前速度)×重力加速度。不过很遗憾,常见的飞机手册上面给出最大爬升率的同时并未给出当时的速度。所以,对于飞机的加速性,最大爬升率也只具有一定的参考意义。


需要指出的是,我们看到的爬升率实际上是平飞状态的 SEP,但由于诱导阻力的影响,在飞机机动时,SEP 会有很大变化。平飞时 SEP 大的不一定在机动时 SEP 也大。


爬升率看完了,接下来看什么呢?


盘旋能力


和盘旋相关的性能参数包括:盘旋半径、盘旋角速度、盘旋过载(注意,通常所说的盘旋过载其实是指飞机的法向过载,而非真正的水平向心加速度)。


由于盘旋半径和速度平方成正比,因此最小盘旋半径出现在低速区,对应的盘旋角速度和盘旋过载都不大。如 F-16 某种构型下的最小盘旋半径 1,043 英尺,对应的盘旋角速度只有约 14 度/秒,盘旋过载约 2G——这对于空战的意义并不大。受一些空战文学描写的影响,很多人都认为盘旋半径越小越好。但如前所述,显然事实并非如此。具有较高速度的飞机虽然盘旋半径较大,但盘旋角速度也大,相对于盘旋半径小但转得慢的飞机,更容易绕到对方的 6 点钟位置——这也是二战德军飞行员的常用战术之一。


同样,盘旋过载也和速度平方成正比,因此最大盘旋过载往往出现在角点速度之后,这个时候飞机既不是盘旋半径最小,也不是转得最快,因此一味强调大的盘旋过载并不一定有实际意义。例如,两架采用某一构型的 F-16,一架拉 9G 过载盘旋,另一架拉 8G 过载盘旋,各自在最佳速度(即盘旋角速度最大),哪一架更容易咬住对方呢?你选 9G?很遗憾,如果不出意外你已经被击落了。因为这一构型的 F-16 在角点速度只能拉出 8G 过载,要拉 9G 过载,必须增大速度,因此盘旋角速度减小,盘旋半径增大。所以,仅凭盘旋过载来判断两架飞机盘旋能力的优劣是不恰当的——更准确的说法是,相同速度下,可以拉更大过载的飞机容易取得优势。可惜,公开的数据里面一般都没有给出盘旋过载对应的速度。

当然,并不是说这样的最大过载值就毫无意义。最大 8G 过载的飞机和最大 9G 过载的飞机必然是有差别的。那么这个差别在哪里?是升力不足导致飞机无法拉出足够大的过载?还是结构强度限制了飞机的最大过载?再或者,另一个容易被人忽略的因素——配平能力限制了飞机的最大过载?特别是对同一机型的不同改型,如果最大过载发生了变化,我们甚至可以推测其改进途径。如果多年以后某些资料证实了你的推测,你会发现这实在是一件非常有意思的事。

下面再来说说表征盘旋能力的一个关键指标——盘旋角速度。


直观地说,盘旋角速度就是表示飞机转得快还是慢。空战中更强调对角点速度的运用就是因为这个时候飞机的盘旋角速度最大。美国空军军格斗教程里面就强调在接敌时将速度保持在角点速度附近(略大),以便在进行第一个盘旋时能够充分发挥最大盘旋角速度的优势。我的一位朋友在和附近基地的美军飞行员进行 Falcon4.0 联机对战时,往往不到一分钟就被击落,主要原因就是这个。


比起前面两个参数,盘旋角速度能说明的东西更多。盘旋角速度越大,表明飞机的升力特性越好——翼载低是一个原因,但不是全部,机翼最大可用升力系数、机身升力等都有重要影响。如果对比瞬时盘旋角速度和稳定盘旋角速度,还可以从中了解发动机的推力水平。如果两者相差不大甚至相同,那么说明发动机推力足够强大,可以克服高 G 盘旋时产生的巨大诱阻;如果有明显差别,那么这种飞机的发动机可能不足,或者飞机的诱阻较大。三代机里面最典型的就是幻影 2000了。它的瞬时盘旋能力相当出色,但受 M53 发动机的影响(实际上 M53 和 F-16 采用的 F100 相比相差了几乎一代的水平),稳定盘旋能力只能说是差强人意了。当然,还有一个因素就是它的三角翼,机翼展弦比太小,使得高 G 机动的诱阻剧增,不能不说是一个重要影响因素。



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三代机里面最典型的就是幻影 2000了。它的瞬时盘旋能力相当出色,但受 M53 发动机的影响(实际上 M53 和 F-16 采用的 F100 相比相差了几乎一代的水平),稳定盘旋能力只能说是差强人意了


上面是公开刊物中常见的机动性指标表现的飞机机动性水平。接下来我们来看看一些常见的设计参数对飞机机动性的影响。


推重比


固然,对战斗机的设计人员来说,是希望在可能的条件下获取尽可能高的推重比。不过,要想了解飞机的机动性水平,却不能仅仅凭看到的推重比就贸然下结论。


首先,我们看到的推重比一般都是指发动机台架推力和飞机相应重量的比值,是最理想的情况。而在实际飞行中,随高度、温度、速度等条件的变化,发动机推力也将产生明显的变化。例如涡扇发动机,其推力随高度下降相当明显。换句话说,飞机的实际推重比也是随条件不断变化的。


其次,推重比只表明了问题的一个方面,而另一个方面——阻力却无法从中得知。推重比增大而机动性下降的例子不是没有,尤以英国海军的 F-4K 舰载战斗机最为典型。当时英国人为了提高推重比而换装了国产的“斯贝”涡扇发动机,以期提高飞机的机动性。但推重比是上去了,机动性却下降了。究其原因,是由于斯贝的加力燃烧室和“鬼怪”的后机身外形不匹配,导致飞机底部阻力骤增,严重影响了飞机的机动性。


说到底,通常认为的“推重比大,爬升能力、加速性就好”的观点是非常笼统和不准确的。用前面提到的 SEP 概念来表征这些方面更为准确妥当。这并不是说推重比这个参数毫无意义,只是需要结合其它数据综合来看。

翼载


飞机相应重量和机翼参考面积的比值。对于设计人员而言,这是一个令人颇为头痛的参数。因为:一方面,翼载和盘旋时所需的升力系数成正比(而诱导阻力和升力系数的平方成正比),要获得良好的盘旋能力,翼载当然越小越好;而另一方面,飞机平飞速度的平方又和翼载成正比,要获得良好的高速性能,就需要大的翼载(所以当年 F-104 选择那么小的机翼面积不是没有道理的),两种相互矛盾的要求如何折中处理,其难度简直可以称为“艺术级”。F-15 在设计时之所以敢选择较低的翼载,是因为有了 F100 强劲的推力做后盾,在一定程度上保证了它的高速性能——既便如此,F-15 也只能在无外挂情况下达到 M2.5 的冲刺速度,挂弹后最大 M 数被限制在 M1.78。



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F-15 在设计时之所以敢选择较低的翼载,是因为有了 F100 强劲的推力做后盾,在一定程度上保证了它的高速性能——既便如此,F-15 也只能在无外挂情况下达到 M2.5 的冲刺速度,挂弹后最大 M 数被限制在 M1.78


尽管对于盘旋性能而言,翼载确实是越小越好,但并不是说,翼载小的飞机盘旋能力就一定优于翼载大的飞机。因为还有另一个关键因素——飞机的可用升力系数。三角翼飞机,通常翼载都是比较小的,但如果可用升力系数不大,那么飞机的盘旋能力也不会好。幻影 2000 和米格-21,从正反两方面说明了这个问题。


需要指出的是,由于计算翼载用的是机翼参考面积,其中相当大一部分是在机身内的投影面积,那么机身能否产生升力就很重要了。采用翼身融合体设计,机身能够产生较大升力的,其实际“翼载”往往比计算翼载更低,具有更好的性能;而传统设计的机身基本上不产生升力,实际“翼载”会比计算翼载更高。


展弦比


机翼翼展平方与机翼面积之比。和翼载类似,高速性能和低速性能同样对展弦比选择有着矛盾的要求。展弦比小,高速飞行阻力也小,机翼升力系数较小,有利于飞机高速飞行,但同时飞机的诱阻也大(诱阻系数和展弦比成反比),不利于飞机机动飞行;展弦比增大,则效果相反。


同样,我们也不能简单地说展弦比大的设计好还是小的设计好。如幻影 2000,曾经是展弦比最小的三代机,但不仅保证了飞机高速性能,机动性能也兼顾得相当不错,其瞬时盘旋能力甚至超过 F-16——这也是 80 年代初我们更推崇幻影 2000 而非 F-16 的主要原因。说到这里实在忍不住提一下 LCA,这种取代幻影 2000 摘取当今展弦比最小桂冠的战斗机。LCA 号称机动性要达到甚至超过幻影 2000 的水平,这就意味这必须大幅提高升阻比和 SEP,然而以如此之小的展弦比,F404 的推力,若能实现,笔者对印度设计人员的水平真是要佩服得五体投地了。


上述参数都是一些能够从公开刊物上直接获得或简单计算得到的,希望这段文字有助于同好们从中了解战斗机的机动性。或者有人会说,你写了这么多,什么判断标准都没给啊,看了我也不知道那架飞机更好!的确如此,笔者也希望能给出一个标准,拿来比一下就知道哪种飞机的机动性更好。但事实上,这是不可能的。写这段文字,就是希望大家能够了解,飞机的机动性是由诸多因素综合决定的,仅凭一两个不知道条件的参数,根本无法判定优劣。形象地说,飞机机动性就是一个封闭的面,而我们看到的几个数据就是这个面上不知道在哪里的几个点。充其量,我们只能根据这几个点了解一下机动性的水平,但却无法据此作出比较判断。


如果某天哪位同好有幸拿到了两种飞机的详细飞行包线图,那时大概就可以自豪地宣称他有资格进行飞机的机动性对比了。只是,这个对比结果很可能无法解释空战的结果。因为,在空中有更多的不可知因素……


本文内容于 2009-7-11 21:59:26 被亮剑---无敌编辑

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