料敌从宽还是从严：中央流体研究院(TsAGI)对F-16的性能低估

万磁王

作者：欧阳莫
来自空军之翼

背景介绍
　　以F-15A/F-16A为代表的西方第三代战斗机在80年代的几场局部冲突中以碾压性的性能优势震撼了苏联。在西方第三代战斗机F-15A/F-16A/“狂风”等机型的飞行手册和测试报告解密之前，苏联为了获知对手的大致性能，同时也为了给自己的战斗机飞行员撰写教材指明对付这几种对手的战术策略，委托了国内的几个机构（主要是中央流体研究院，简写TsAGI）用经典的工程方法估计了几种西方飞机的性能，并且和苏-27的飞行测试结果进行了对比。多年之后，美国公开了F-16的AGARD-242试飞报告。本文的数据来源即为以上几份资料。通过对比苏联的估计值和美国的实测值，可以得知苏联对于对手的性能估计精确度如何，以及这些误差背后的技术/非技术性因素。

苏-27和西方三种机型(F-15/F-16/“狂风”F2)的数据对比的报告封面。苏-27性能取自飞行测试结果，而西方飞机性能为苏联机构估计

F-16的AGARD-242试飞结果是我国评价F-16性能的重要依据

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性能对比的重量标准

TsAGI计算报告中的飞行重量

　　TsAGI对比报告中的四种飞机，以空载轻油的理想构型（或者最多带两枚格斗弹）作为比较基准。苏-27空战飞行重量定为18920千克。F-16A空战飞行重量定为9200千克。这一数据较好地反映了苏-27最初型号苏-27B的重量特性（因已到寿，2005年前已全部退役）。说句题外话，目前苏霍伊官网上的苏-27单座基准型最轻的型号，空重已经上升到17200千克左右，所以本文中的18920千克只能反映其极轻载油（约1800千克）下的性能。F-16A的9200千克飞行重量与美国盟国大量装备的F-16MLU的半油(1550千克)带两弹作战重量基本吻合。我国在使用F-16的AGARD-242试飞报告做性能评测时，也使用的是几乎相同的飞行重量。而两台AL-31F的全加力耗油率超过一台F100的两倍。换句话说，本文中的对比条件，对苏-27极其有利：苏-27只需携带可支撑约2.2分钟全加力的燃料，而F-16携带的燃料可支撑约4.3分钟的全加力。

苏-27单座基本型的苏霍伊官网原厂数据。截图是2009年截的。重量有所增加

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本文的对比范围
　　声明：本文只对比机动飞行性能，不对比推重比，翼载荷等。因为推重比和翼载荷不是飞行性能，只有转弯加速爬升等等这些才叫飞行性能。
　　本文着重对比以下性能：海平面直线飞行SEP，海平面4-7G过载上升转弯机动SEP，跨音速最大机动过载，海平面0.7马赫持续机动过载，5000米高度0.9马赫持续机动过载。
名词解释：SEP和爬升率
　　爬升率的计算方式为速度*sin(爬升角)，亦即速度的垂直分量，其中爬升角的定义是：以该角度上升时，推力=阻力+重力的轴向分量，亦即飞机纵向应受力平衡，不能因为推力不足而减速。换句话说，假设大气条件不随高度变化（比如密度和含氧量不随高度上升而衰减），那么飞机应该能保持这个上升率一直上升，不会减速。不难看出，平飞中突然猛拉起的“蹿升率”并不是爬升率。这是很多业余爱好者，甚至部分航空从业人员都容易犯的错误。
　　SEP是单位重量剩余功率(specific excess power)的缩写。计算方式为(推力-阻力)*速度/重力。
　　不少书刊经常强调一个定理：SEP=爬升率，这其实是一个数学上的巧合，而且需要加限制条件才能成立。如果读者有中学数理基础，列出飞机轴向的力平衡方程，不难证明SEP恰好等于爬升率。但是有一种情况例外：如果飞机的推力非常大，以至于即使垂直上升时也不能达到力平衡，亦即垂直上升时还能加速，那么此时的SEP就不等于爬升率了，它丧失了物理直观，但仍然可以作为一种垂直机动能力的指标。这个值越高，意味着做垂直面的占位机动时更加快速敏捷，能量损失更小。这就是为什么某些飞机的数据图表里，以280米/秒飞行时，其SEP能超过280米/秒，让人在直观上难以理解。其含义是以280米/秒做垂直爬升时还能加速，已经超过了传统爬升率的范畴。也正是这个原因，SEP数十年来一直是重要的垂直机动能力指标。以上说的是“狭义SEP”，亦即直线飞行时的SEP。还有一种“广义SEP”，让飞机一边转弯一边计算SEP（这一算法由苏联开创），可以很好的表征其上升转弯，筋斗，尹麦曼回转等垂直机动性能。本文中会同时对比狭义和广义SEP。

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F-16苏联估计值vs F-16实测值vs苏-27实测值
跨音速最大过载：
　　F-16苏联估计值：7.33G，F-16实测值：9G+，苏-27实测值：7.5G
海平面最大速度：
　　F-16苏联估计值：1400km/k（1.14马赫），F-16实测值：1.2马赫（仍有强烈的加速趋势，因其它因素被人为限制），苏-27实测值：1400km/h（1.14马赫）
　　为了让结果更有说服力，我特意选取了F-16的满油测试数据vs苏联对F-16的半油估计数据，尽量对F-16不利。

苏联对低空最大速度和跨音速瞬时过载的估计有很大误差

这张图片解密后曾引发俄罗斯震惊。苏联时期估计F-16在0.85马赫以上可用过载只有7.33G，然而图中的F-16在0.87马赫分明拉到了9.5G。该图来自以色列空军“歌剧院行动”中轰炸完反应堆之后的规避机动，显示了实战中F-16的性能，非常有含金量

万磁王

持续转弯过载
海平面0.7马赫：
　　F-16A苏联估计值：7.5G，F-16A实测值：9G（强度限制），苏-27实测值：8.5G（强度限制）。
5000米0.9马赫：
　　F-16A苏联估计值：6G，F-16A实测值：7G，苏-27实测值：6.7G。扩展阅读：F-16C-block50同条件可达7.45G，米格-29A为6.6G。
扩展阅读：
　　F-16C-block50同条件可达7.45G，米格-29A为6.6G。这两条数据值得再说明一下：米格-29手册上直接标注了5000米高度的数据。F-16C手册上虽然没有5000米高度的数据，但是因为其气动力曲线和推力曲线是公开的，所以很容易得到5000米高度的盘旋性能数据，工作量大致相当于飞行器设计专业的一次本科生作业。

苏联估计的F-16A持续转弯过载包线，和从AGARD-242试飞报告得到的F-16A持续转弯过载包线对比

海平面直线SEP(法向过载Ny=1)
　　F-16A苏联估计值：245米/秒，F-16A实测值：343米/秒，苏-27实测值：310米/秒。

这项性能的估计误差已经大到难以直视了

海平面上升转弯SEP(法向过载Ny>1，越大则转弯越剧烈)
　　这一项尚未在F-16A的手册中找到(只有满油数据)，但是在F-16C-block50的手册中有，而且条件是空载轻油，恰好满足要求。注意图表的格式和苏联的不大一样，所以笔者加了一些箭头和说明，方便读者理解。
　　苏联只估计了F-16的Ny=3和Ny=5的相关数据，认为苏-27的测试结果足以保证70-90米/秒的优势。
　　F-16C-block50手册上给出了Ny=4~7的详尽测试数据。结果让人大跌眼镜：当Ny=4.2时，比苏-27的Ny=3的数据居然高了75米/秒。当Ny=6.5时，比苏-27的Ny=5的数据高了50米/秒，比苏-27的Ny=3的数据居然还高15米/秒。F-16在4.2G上升转弯中能维持366米/秒的SEP，不仅大大超过了苏-27的直线上升SEP幅度达56米/秒，也比米格-29的同条件直线上升SEP高21米/秒。
　　通俗的说，F-16在更剧烈的急转弯中，仍能维持更高的上升率。甚至出现了上升转弯比对手的直线上升还快的多的奇特现象。苏联直接将F-16的该项性能低估了1/3-1/2，接近于二代机水准。

更大幅度的低估。拉更剧烈的转弯，维持更高的SEP，如此之大的优势，被苏联估计成二代机的水准。

我国的态度：

　　因为历史的因缘际会，我们同时拿到了苏联的估计值和原厂的测试值，所以在数据的取舍上经常出现纠结和矛盾之处。甚至有一本教材前后数据矛盾的bug。

万磁王

结束语
　　经典工程方法用于估计活塞螺旋桨战斗机性能时精度尚可，但是对于大量使用静不稳定和涡升力设计的现代战斗机而言，输入的少量误差可能被各种非线性效应放大，导致估计结果偏差较大。
　　类似的低估问题不仅存在于F-16，也存在于F-15，不过程度低一些。F-15的瞬时盘旋性能，小速度飞行性能和各种机动过载的SEP值都有一定的低估，以后可以考虑另写一篇文章。一个有趣的现象是，TsAGI估计的F-16A性能数据，相当接近于F-16/79的实际数据。