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用真实数据说话,为什么F-15强于Su-27!

By 大隐道哥

看到了《鹰与侧卫-龙虎相争30年》和Panzerkom的质疑,其中大量的数据非常值得分析。笔者的专业恰好是飞行动力学相关,与同事一起在课余时间翻看了TsAGI计算报告的中译本和F-15A/B/C型的操作手册,发现身为航空爱好者的网友虽然精神可嘉,但是对部分概念和航空术语的理解还有偏差,在此略提一二,也方便大家学习。

为了理清脉络,本人先说结论。有兴趣的读者可以看后面的详细分析:

1. F-15的手册解密时间较晚,手册实测数据(1985年10月实测值)普遍超过苏联时期TsAGI估算的F-15数据(1983)。

2. Panzerkom在阅读手册时误以为速度一直维持在0.95马赫,且未进行等效空速和实际空速的换算。

3. F-15手册上使用的是较重载油,16787千克的性能,与Su-27的18920轻载油性能不能直接比,需要换算。

4. 经过TsAGI小幅低估的F-15性能,相对Su-27依然有一定优势。

详细分析如下:

TsAGI计算的F-15和Su-27性能条件为:1964苏联标准大气,F-15作战重量15800千克,Su-27作战重量18920千克。

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而Panzerkom给出的F-15A/C手册的F-15C性能是在更多载油的37000磅,也就是16787千克给出的。

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注意,Su-27在18920千克作战重量下,载荷量只有空重的12%(按照现存最轻的Su-27单座基本型16800千克计算)。而F-15的37000磅(16787千克),载荷量高达空重的31%(F-15C MSIP改进后空重为28400磅)。如果统一标准,根据转弯过载与重量呈反比,转弯率数据会对Su-27不利。即使不统一标准,按照TsAIG的计算标准(15800千克),F-15的持续机动峰值依然略占优势。

其次,Panzerkom网友给出的瞬时盘旋比较数据,并不是F-15C手册值,有相当大的出入。令人感觉奇怪的是,Panzerkom网友给出的F-15C海平面瞬盘只有24度每秒,而且大部分区间的瞬盘值还不如Su-27的穏盘值。但手册上的F-15C在3000米高度的瞬盘值都有25度每秒(外挂8枚导弹,资料来源USAF Test Pilot School Flight Test Manual Vol.1 chapter 9, 1991.8)。显然,Panzerkom网友把“F-15手册实测值”和“苏联TsAGI估计值”搞混了。后者和前者有出入是可以理解的,毕竟苏联估算F-15性能时可用的数据很少,只能大量采用F-4的数据。而F-15手册解密时间较晚。但通过两者的比较,还是可以见到苏联在估算F-15性能时下了很大力气。

另外,Su-27手册给出了法向过载-空速数据。Panzerkom网友给出的盘旋角速度是直接用圆周运动公式得到的,但忘了进行法向过载-转弯过载的换算,导致角速度被高估(转弯过载是法向过载的一个分量),同时横轴是指示空速,还要换算为实际空速。虽然这个误差不大,但是注意,我们的盘旋角速度是零点几度定胜负的,所以很小的误差也会很致命。TsAGI报告中进行了详细的过载和空速换算(中译本也进行了同样的换算),得出的盘旋角速度略低于Panzerkom网友的数据。

那么,苏联到底高估还是低估了F-15的性能呢?我们从下面的爬升率数据中可以窥知一二。

下面是Panzerkom网友给出的另一质疑:爬升率。

Panzerkom网友表示:这图上是F-15的爬升时间,换算出的0.95马赫爬升率明显低于TsAGI估计的F-15爬升率。

这里有两个问题:

1. 很多人看到TsAGI的爬升表格后问过这么一句话:Su-27的高空速度为什么被限制在1200公里每小时了?它不是两马赫级别的战斗机吗?其实这里横轴不是实际空速,而是座舱仪表显示的“等效空速”。高空因为空气密度低,对空速管的动压下降,所以读数会下降。类似的问题出现在这里:

用真实数据说话,为什么F-15强于Su-27!

此时飞机速度达到0.789马赫,但空速读数只有293节(按理说0.789马赫应该是460节左右)。

所以,高空的马赫数不是用等效空速直接除以当地的音速,而是先换算成实际空速,再换算成马赫数。不同高度的换算关系不同。SU-27在高空的“1200公里每小时”已经超过了两马赫。

所以,TsAGI给的并不是0.95马赫的爬升速度,而是更高马赫数的速度。例如:所谓的“3000米1030公里每小时”换算过来是1.18马赫。“7000米1030公里每小时”换算过来是1.49马赫。

2. 仔细看F-15手册原文会发现:爬升速度是从350节开始的,速度上限是0.95马赫。换句话说,Panzerkom网友将速度上限误当为爬升速度。350节加速到0.95马赫在爬升过程中是一个很缓慢的过程,他取的那个点并没有达到0.95马赫的速度。更何况他是在和1.49马赫的爬升率去对比,当然有差距。如果他想知道实际空速怎么算换,我可以教他。

那么,TsAGI究竟高估了还是低估了F-15单座型的爬升速度呢(TsAGI估计值为310米/秒)?我们先看看手册上的双座型F-15B的空载爬升率(重量15100千克,与Su-27载荷系数相当):

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在低空,有一段区间达到1200英尺/秒,相当于365米/秒。换句话说,即使考虑到F-15C内油增大造成的爬升率衰减,而不考虑单座型的阻力下降,也会在350米每秒左右(这个结论与本人校友方叶檀同志的计算结果相当)。而TsAGI给出个估算值仅有310米/秒。换句话说,TsAGI可能低估了F-15的推力,或者高估了F-15的阻力,或者两者兼有之。如果仔细观察TsAGI估计的F-15爬升曲线,在峰值附近被消掉一截,尚不清楚这样做的目的是什么(通常飞机的爬升曲线并没有这个平台区,而是有一个尖峰值。当然也可能是本人见得太少,恳请前辈批评指正):

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经过低估的F-15的螺旋上升转弯包络线,仍然超过了Su-27一截,如下图所示:

用真实数据说话,为什么F-15强于Su-27!

我们知道螺旋上升转弯是很耗能量的机动,而被TsAGI低估的F-15仍然表现出了一定的优势。

其他还有一些低估的问题不一而足:TsAGI与1983年估计的F-15最大可用升力系数是1.08,而F-15的试飞结果是1.55,等等,以后可以逐一讨论。

最后是针对08年红旗军演新闻发布会上的访谈。

Panzerkom网友似乎没有亲自听原文,而是去搜索译文,这些译文可能有不完整的部分,本人反复听了几遍原文,对Panzerkom网友提出一些疑问,希望能获得解答:

1. 原文似乎没有提到Su-30MKI在20000英尺的瞬时盘旋能力达到30度每秒(也可能是本人听力不佳漏过,恳请指正)。

2. 原文指出F-15C演习中携带了4枚导弹和2个翼下副油箱,而30MKI几乎是空载。即然这样,这二者的性能就毫无直接可比性了。

3. 原文提到SU-30MKI的一个特点: It’s a huge airplane. When it turns, it creates tremendous drag. 换句话说SU-30MKI的转弯机动产生巨大的阻力,这应该属于一种缺点吧。

4. 然后是关于印度飞行员为什么一定要启用推力矢量:如果不乱用推力矢量,是否胜负依然难料?原访谈表示:You get to the merge, rolled in and turned in on him, he kicks into vector thrust and starts to fall. 这表示,F-15切入内弯导致30MKI别无选择,要么继续被咬,要么启用推力矢量放手一搏。当然这里还有一个疑问:为什么转弯率更高的Su-30MKI会被F-15咬尾?仍然注意原文:Su-30MKI的高转弯率是用推力矢量达到的(Panzerkom网友已经给出),而它被咬尾时尚未启用推力矢量。不能小看这一点差别吧:不用推力矢量则不会跌高度,但是转弯率低;开推力矢量转弯率高但是跌高度。这种推力矢量是不是用起来有点纠结呢?

5. 没错,被访谈者提到30MKI很先进,但这是因为它使用了很先进的技术:推力矢量,相控阵雷达,远程武器系统。但是先进技术的堆砌是否能达成良好的性能?这似乎是两个概念。

最后,总结一下TsAGI对F-15的估算值和F-15的手册值:

海平面稳盘 3000米稳盘

Su-27 18920千克 20.8 16.5

F-15 15800千克(TsAGI估计值) 22 17.2

F-15 15800千克(1985实测值) 21.7 17.3

3000米瞬盘

Su-27 空载 26

F-15 空载(TsAGI估计值) 22

F-15 4麻雀4响尾蛇(1985实测值) 25

低空爬升率

F-15空载(TsAGI估计值) 310

F-15空载(1985实测值) 350-360

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