用气动产生推力矢量的效果——浅析部分非推力矢量战机...

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用气动产生推力矢量的效果——浅析部分非推力矢量战机的“J转弯”能力
作者：李炳乾 邱海峰  
来自空军之翼


J转弯简介：比落叶飘更有效的水平面缠斗机动
　　J转弯，也称赫伯斯特壁蹬，是一种迅速完成180度回转的大角速度偏航转弯机动。该机动最早可追溯到小型螺旋桨运动飞机的“跃升倒转”，但直到1993年4月29日才由德国试飞员首次在在喷气机（X-31）上做出，可见该动作难度之大。这主要是因为J转弯需要飞机在极端情形（高攻角和高侧滑角）下依然维持偏航轴的机动能力和横滚轴的稳定性，而通常飞机的舵面此时早已丧失气动效能，所以X-31使用了推力矢量技术。示意图见图1。

图1 X-31的J转弯机动

这张苏-27M的J转弯示意图更加清楚一些

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　　由于角速度高，半径小，该机动引起多个国家兴趣，争相挖掘其实用价值。其中，美国国家航天局（NASA）通过模拟空战发现，在传统的双环绕圈战中，具备J转弯能力的F-18HARV可以迅速咬住常规机（图2）。

图2 F-18HARV使用J转弯迅速咬住常规机

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　　此外，相比于传统的“落叶飘”（pedal turn）机动，J转弯的高度损失更小（图3）。

图3 落叶飘机动的高度损失太大，不如J转弯实用

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　　同一时期的德国道尼尔（Dornier）公司通过计算机模拟，认为即使假定目标机有30度/秒的持续转弯能力，依然无法避免被J转弯咬尾。
　　通常认为J转弯的实用价值比眼镜蛇等机动更高。因为眼镜蛇机动，无论是SAAB-35做的，还是侧卫系列做的，都有一个特点：抬头多少度就会马上低头多少度，导致总指向几乎为0，且后续伴随着剧烈的高度损失，换句话说损失了空速，却没有换来有效指向。而J转弯有180度的有效指向。此外在能量的收支平衡上，J转弯也更加经济：J转弯有上升转弯和下降转弯两个部分，经过相互抵消后，总高度损失不会太大。下降转弯过程中还能趁机补充前半程损失的空速。如果飞机加速性足够，甚至能做到空速的收支平衡，显著减小两次机动的能量补充间隔。
　　进入21世纪后，结合飞行动力学的最新发展，有研究机构认为如果放弃空速补充的要求，理论上可以完全消除J转弯的高度损失，甚至让高度不减反升，如图4：

图4 一种可以让高度上升的J转弯轨迹，累计上升1400英尺

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武装直升机的J转弯
　　虽然喷气机实现这一机动是一个相对困难的过程，一个有趣的事实是，著名的阿帕奇直升机反而走在了前面。即使满载外挂和长弓雷达，阿帕奇依然可以轻松的做出J转弯，见图5。

图5 阿帕奇直升机满载弹药和长弓雷达，表演J转弯机动

　　1989年的电影《火鸟》（主演：尼古拉斯·凯奇，汤姆·李琼斯）中，包含大量阿帕奇空战格斗镜头。由于当时电脑特效尚未普及，阿帕奇以实机完成全部动作，包括J转弯，可见休斯公司对阿帕奇的机动性还是很自信的。见图6。

图6 《火鸟》电影中的阿帕奇做出J转弯机动

　　注意由于反扭矩的存在，直升机的操纵是不对称的，通常向一侧偏航比向另一侧困难。所以阿帕奇应该只擅长向某一侧完成该动作。

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不使用推力矢量完成该动作的战斗机
　　进入上世纪90年代，超常规机动能力逐渐受到重视，最直接的做法是使用推力矢量技术，但受限于成本没有普及。有部分喷气式战斗机不使用推力矢量，而采取纯粹气动的方式，实现了J转弯，用自身的机动能力成功逆转了苏联/俄罗斯基于R-73建立的离轴发射能力优势（在AIM-9X服役前）。F/A-18E/F“超级大黄蜂”即为其中典型。其初始“框架构想阶段”本没有做这方面考量，但应海航飞行员的强烈要求，麦道设计团队花费了大量精力，通过巧妙使用前机身不对称涡流（气动细节将在后文描述），成功实现了这一机动，在2002年范保罗航展过程中首次表演，而且是带副油箱完成的，凸显了实用性，见图7：

图7 F/A-18F带副油箱在2002年范保罗航展表演的J转弯机动，爬升后迅速调转机头指向

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　　虽然J转弯角速度较高，但是过载不大，普通人也可承受。2001年，澳大利亚的航空评论家，苏-27/30系列资深粉丝Kopp教授坐在F/A-18F的后座上体验了这一机动，而且体验了两次。第一次由前座飞行员完成，第二次亲自操作。他对这种类似于小型运动飞机的“跃升倒转”机动非常感兴趣，尤其是能量上的收支是平衡的，构成了能量机动和角度机动的统一：带一个副油箱的情况下，前半程的上升转弯会消耗75节空速，但是后续下降转弯又增加了135节。这表明F/A-18F即使带一个副油箱也能连续完成该动作。Kopp教授在心得中表示“这种机型有出奇好的机动品质。一旦交汇进入机动空战，F/A-18E/F对于任何俄制战斗机，包括苏-27/30，都是极难对付的对手”。另一方面，美国海航飞行员在2000年的全面作战评估中多次使用J转弯，表示该动作“可以连续做出，以取得第一指向之后的后续指向，让机炮一直瞄准目标”。这进一步表明了只要在亚音速有足够的加速性，J转弯和持续机动并不矛盾，因而也不是瞬时机动那样的“一锤子买卖”。
　　另一种不用推力矢量做出J转弯的战机是仍在拓展飞行包络线阶段的F-35。根据最新的测试情况，已经能做出J转弯。报告截图见图8：

图8 F-35机动测试报告截图。明确指出可以做出J转弯

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　　F-35的J转弯特点是角速度更高，以不到2秒的时间完成回转调头，见图9。可以和图2的F-18HARV的J转弯轨迹比较，如出一辙：

图9 以每秒20帧拍摄F-35的J转弯机动，可见角速度非常高。动作轨迹和图2的F-18HARV几乎如出一辙

　　目前尚不清楚F-35做这一动作时的能量收支情况如何。但考虑到F-35A的240-4.2构型在M0.95以下的加速性测试中表现出了不弱于空载F-16C的性能，明显高于带一个副油箱的F/A-18E/F的性能，F-35有大概率也能保证收支平衡。
　　需要注意J转弯尚未在F-35的飞行员培训中普及，这和海航F/A-18E/F飞行员不一样。目前只有少部分F-35试飞员熟悉高度损失更多的“落叶飘”（pedal  turn）机动而不是J转弯，所以F-35的这一能力在空战中究竟表现如何，还有待进一步测试。

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J转弯对气动设计的要求
基本概念
　　先插一句题外话。部分读者可能不明白某些战斗机声称“在xx度攻角维持稳定”，是否表明它具有这个攻角下的偏航、横滚等复杂机动的能力？不是这样的。通常如果不特别指明，“在xx度攻角下保持稳定”仅表示能够保持俯仰力矩平衡，平飞不成问题，但不代表具有其他轴的机动能力。
　　可能有读者会问，本文标题为什么是“气动”而不是“飞控”？换句话说，把超级大黄蜂之类的飞控给其他战斗机，能否实现同样的效果呢？答案是否定的，或者至少大部分情况下是否定的。这里需要解释一下飞控和气动的关系。用一句话总结就是：飞控相当于解方程，而气动缺陷会让方程无解。下面详细解释这句话。
　　以我们在学生阶段的物理课程为例，大多问题是“正向”的，亦即知道输入（力或者力矩），求输出（位置或者姿态）。而飞行器控制是逆向的，亦即知道输出（目标姿态等），求输入（舵面偏角等）。这叫做“动态逆”问题，相当于求解一个方程。然而求解方程的前提是“方程有解”。如果在某些极端情形下，舵面的气动效率下降到几乎为0，那么方程的解自然就不存在了。换句话说，提高气动效率是使用先进飞控的前提。正如开头所述，J转弯对极端情形（高攻角和高侧滑角）下的气动效率提出了高要求，尤其是偏航力矩要充分大。目前主要措施有两种：前机身涡流、气动舵面。

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前机身涡流

图10 前机身不对称涡流能产生偏航力矩

　　先说前机身涡流。如果前机身涡流充分强，那么飞机只要稍微有一点侧滑角，涡流不对称了，就会产生偏航力矩，导致侧滑角更大，然后导致偏航力矩更大，形成正反馈，偏航转弯就做出来了。由于前机身涡流主要由边条提供，那么越是能在高攻角产生强涡流的边条越理想。根据苏-27的设计方，俄罗斯中央流体研究院TsAGI的研究结果，几种典型边条对比如图11所示。3号普通边条在高攻角很快丧失效能，1号尖拱边条性能最好。5号窄长边条介于二者之间。由于过强的俯仰力矩导致控制难度增加，苏-27未能用上尖拱边条，但我们不能否认尖拱边条和窄长边条的优秀性能。歼20等第五代战斗机还普遍使用了机头侧棱作为辅助的涡发生器。

图11 三种边条的对比。3号普通边条在高攻角很快丧失效能，1号尖拱边条性能最好。5号窄长边条介于二者之间