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歼15为何失控?乌克兰所售原型机仅为半成品

图:歼15

歼15为何失控?乌克兰所售原型机仅为半成品

图:来自乌克兰的T10K原型机与“摸透研究”

近日央视公开了歼15飞行员张超烈士牺牲时的细节。在落地以后,张超烈士驾驶的战机在滑跑过程中突然猛烈抬头,然后离开地面冲出跑道;由于张超烈士一心想要挽救飞机,错过了逃生时机,最终壮烈牺牲。

一:战斗机要有好性能,必须容易抬头

具备上仰倾向是多数飞机、特别是战斗机这样具备高机动飞行性能的共同特征。因为飞机存在迎角这个概念,机翼在加大针对迎面气流的抬升角度以后,升力也会变得越来越大;直到突破一个极限以后,升力会迅速的剧烈丧失。

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图:迎角

歼15为何失控?乌克兰所售原型机仅为半成品

图:苏27抬头起飞,抬头的最大作用,就是为机翼获得更大的迎角

因此正常的飞机、特别是战斗机在设计时,都是一定比较容易抬头的,这样才能让飞行员比较容易的完成抬头起飞、盘旋等飞行过程;并且在超声速状态下,能够保留更大的机动性余地。这也是张超烈士驾驶的歼15在失控抬头以后,飞机离地的原因——升力显著增加了,超过飞机自身的重力。

简单的说,容易抬头、特别是自发抬头趋势猛烈的飞机,并不一定机动性好,操纵性好;但是如果抬头都困难,那么这种飞机一定性能非常差劲,根本不合格。这个区别,就是初中数学教材中着重提到过的,必要条件与充分条件的差异。

二:先进战斗机,自身抬头失控风险确实要高的多

而从F-16开始,三代机上这种矛盾就更激烈了;一方面为了把飞机做的机动性更强、更敏捷,就一定要让飞机具备更强的抬头趋势。另一方面,为了保证飞行安全和操纵省心省力,飞机又必须做到飞行员不动杆,飞机绝不会自己抬头;飞行员一推杆,任何情况下飞机都必须能马上低头恢复到平飞状态。

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图:三四代战斗机极限状态下都是图中最右的类型,一扰动姿态就变了,而且不会自动恢复过来。

为了让飞机更容易抬头、抬头之后获得更大的升力,三代机普遍采用了放宽静稳定布局或者静不稳定布局,并加装了边条或者鸭翼等涡流发生器。所谓放宽静稳定,就是让飞机的重心往后跑,让机翼的升力中心往前跑;实际上就是利用杠杆原理缩小力臂,让水平尾翼只用很小的偏转就能把机头撬起来。

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图:涡流增升大幅度提升战斗机机动能力,是以控制难度和风险急剧增高作为代价的

而边条或者鸭翼,在较大的迎角下,会撕裂迎面而来的空气,将其扭曲成高速旋转的漩涡气流,这个漩涡气流能够非常明显的增加机翼上表面的升力。但是由于它发生在飞机的前端,因为它增加的升力越大,越是要促使飞机抬头。

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图:尾旋,即使是能改出,也需要很大的高度空间。

因此高性能战斗机,它在抬头这个事情上,飞机壳子本身的态度就一定是非常敏感、非常强烈的;只要有一丁点的飞行员操作,或者外来气流干扰,它就会猛烈的抬头起来;直到机翼进入失速状态,升力骤然丧失以后,打着转的往地下坠毁——也就是进入尾旋或者螺旋。

三:电传飞控是飞机自身抵消失控风险的主要手段

以上,是自F16开始,三四代战斗机在上仰失控问题上都存在的共性问题。而为了克制这种自毁趋势,安全的获得更高性能的主要手段,就是采用电传飞控。设计人员把飞机的飞行力学特性,用数学模型的形式写进计算机里,作为控制规律——也就是常说的电传控制律。

在飞行中,飞机本身会不断的采集各种信号,包括速度、高度、迎角、过载等等,结合飞行员的操作指令——比如操纵杆往哪个方向推拉,推拉了多少等等,按照控制律进行计算,控制水平尾翼、鸭翼等气动面进行合理的偏转,始终维持飞机的飞行安全、可控。

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图:电传飞控飞机上,飞机操纵杆和脚蹬,与气动面偏转控制机构之间不存在钢索或者连杆类的机械连接,而是以通过飞控计算机作为中枢,以电缆相连。因此洋文叫fly by wire。光传飞控就是把电缆换光缆,除减重外性能并无变化。

除了F18(A到D型)之外,所有的电传战斗机在平尾/鸭翼和飞行员之间,没有任何包括拉杆、钢索在内的机械联系;一旦电传飞控本身的指令传递和计算过程,出现灾难性的致命错误,则飞行员不管怎么拉杆推杆,都无济于事。除非在空中能够等到飞机自己从错误中恢复过来,否则不能及时跳伞的话,那么几无平安生还的可能。

四:苏27家族存在大量不足

和世界上其它三四代战斗机相比,毛国的苏27家族因为上仰失控摔掉的飞机特别多。这是因为除了具备放宽静稳定、采用涡流增升的共性设计以外,苏27家族还普遍具备两个进一步加大失控风险的个性设计——后掠翼设计,以及异常简陋的飞控设计。

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图:苏27

苏27采用后掠翼设计的目的,是增强飞机的航程性能。世界上绝大多数运输机、客机,都采用后掠翼,也是出于相同的原因。但是后掠翼存在俯仰力矩上仰的问题,它在失速的时候,是先从翼尖丧失升力的;这就导致飞机进一步倾向于前高后低,大大加强、加快抬头失控的趋势和进程。

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图:F14的大气数据计算机,包括苏33在内的苏联时代苏27型号,飞控计算机的电子器件和总体设计水平比这个差得远了

特别是在采用边条等组合以后,后掠翼这种上仰失控的特性就更强烈了。这也是为何全世界三四代战斗机,采用后掠翼设计的例子极少,现役型号只有苏27和米格29两者的原因。当然话虽如此,只要能在飞控中做出有效的限制手段,防止苏27逼近失速迎角——比如将它的跨超声速区域最大过载从9G降低到6.5G,苏27系列依然可以实现安全的高机动飞行。

但这带来了另一个问题:前苏联时期的电子水平和自动化控制水平烂的一塌糊涂,设计制造上因陋就简、能省则省的地方数不胜数。比如苏27sk/苏30mkk系列,由于模拟电路的设计调试复杂,他们为了节省一套控制律相关功能设计所占用的飞控计算机电路,干脆取消了飞机起降阶段的稳定性增加功能。

五:国内需要有效改进歼15的电传设计

歼15的基本设计源于中国从乌克兰获得的苏33原型机,尤其是气动外形和飞行控制系统。和国内其它苏27系仿改型号不同,中国获得的苏33原型机,是一架和定型批产机型还相差很大距离、处于严重不成熟状态的早期产物;其同批次的T10K-8号机,就是因为电传控制设计缺陷而发生故障坠毁。

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图:俄罗斯苏33在1994年的定型非常勉强,定型后仍然有大量设计缺陷和不足没有完成修正和改进——俄罗斯已经没有钱继续折腾舰载机了

张超烈士牺牲的事故,证明歼15战斗机的电传控制律软件依旧是不完善的,存在某些情况下导致致命失控问题的隐患。如果不能有效排除这些源于苏联80年代简陋设计的隐患,那么将来极有可能再出现类似的事故。

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图:战斗机飞行控制律的设计难度和轻、重型机差异无关,只和它的稳定程度、气动外形等因素相关。L-15的控制难度比苏27系更高

目前国内有多家单位在静不稳定布局、应用强烈涡流增升的气动和控制领域都有出色表现;比如歼10、FC-1、歼20的研制单位,以及L15的研制单位。如果歼15的研制单位确实不能查出、改进相关缺陷的话,将歼15的电传飞控软件交由这两家兄弟单位进行全新开发,或许会是非常好的解决方案。

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