追求最优的格斗敏捷性——F-16技术分析

万磁王

　　角速度先上升再下降，但根据上文的分析，上升时间很短暂，而之后的下降衰减过程才是盘旋过程的主体。图2表示了一种典型战斗机在整个空战周期中的角速度变化情况。所以衰减速度的快慢，在相当程度上决定了完成指定角度盘旋的时间的长短。如何降低角速度的衰减率，成为了令设计师绞尽脑汁的问题。一架机动性敏捷性优越的战斗机，和对手相比，需要做到在完成相同的盘旋转弯机动时，角速度衰减率较慢；或者等价的说，付出相同的角速度衰减率时，可以做出更猛烈的盘旋转弯。在经过飞行力学相关的公式推导之后，得到了下面的结论：在相同高度，相同速度，做出相同过载的盘旋时，速度衰减慢的，转弯角速度衰减率较低。换句话说，“低角速度衰减”和“低速度衰减”等价了起来。显然，这需要发动机提供大推力，同时机体的阻力要尽量小。如果两架互为对手的飞机具有几乎相同的推重比，那么再经过公式推导后发现，决定胜负的参数为：做出相同盘旋动作时（在相同高度，相同速度，做出相同过载的转弯）的升阻比，亦即机动状态的升力和阻力之比。

图2 一种典型战斗机在整个空战周期中的角速度变化情况

　　F-16拥有优越的机动升阻比。例如，在海平面高度，携带全部机炮炮弹，无外挂，内载可供2.8分钟加力的燃料时，F-16C在0.6马赫，6.5G机动时的机动升阻比为6.9，而其“老对手”米格-29系列同标准下的数值小于或等于6.6（该数值对应于系列中此项最优的米格-29A，下同）。在3000米高度，0.9马赫，9G机动过载，其余条件不变时，F-16C仍有高达6.8的机动升阻比，而米格-29系列同标准下的数值小于或等于5.3（此数据系根据气动力曲线理论求得，实际上米格-29在此速度下的强度不允许进行9G机动）。大的机动升阻比赋予了F-16C较低的角速度衰减和能量衰减，能更好的维持在角点速度附近转弯，提高自己的平均转弯角速度，降低转弯耗时。较小的速度损失也减小了对转弯结束后加速的依赖，缩短了每个动作之间的衔接。
　　另需注意，角速度先上升（T21）再下降（T22）的原因是，飞机以超过角点速度的速度开始盘旋。这个速度超前量越大，则初始角速度越低。不难想象，速度衰减慢的飞机，可以用较小的速度超前量，却依然花费相同的时间衰减到角点速度，保证在这个角速度速度上升阶段依然取得角速度优势，使得这个优势对任意时时刻都成立。某些科普文中的“快速衰减到角点速度取得优势”的说法其实具有误导性。因为速度衰减慢的飞机可以通过减小速度超前量的方法，和速度衰减快的飞机用相同的时间衰减到角点速度，而且还有更高的初始角速度。
　　以上主要讨论了第2步（盘旋）所需的性能特性。下面简要介绍包含第1步和第3步的综合表现。

万磁王

F-16C的标准空战周期
　　当今美俄几种典型第三代战斗机的技术手册纷纷解密，使得各科研院所系统的、定量的计算和比较几种战斗机的性能成为可能。在4500米高度，F-16C和另外两种飞机的空战周期对比如表1所示。计算条件为外挂中距导弹和近距导弹各两枚，50%机内燃油（不计某些飞机的超载油箱，如苏-27）。第2步转向幅度为180度。表格的前4列分别是4步所需的时间，而最后一列是某个特征点（相同速度与过载。根据上一章节的讨论，此条件可保证可比性）的速度损失率，绝对值越小越好。

机型	T1（秒）	T2（秒）	T3（秒）	T4（秒）	总时间（秒）	特征点速度损失率（米/秒²）
F-16C	0.5	9.3	0.7	10.7	21.2	7.8
苏-27SK	0.6	9.9	0.8	11.9	23.2	8.2
某算例机型	0.5	9.5	0.7	13.4	24	12.2

表1 F-16C和两种机型的标准空战周期

　　这几型飞机都有较高的敏捷性，其中F-16C综合性能最优。值得注意的是，除F-16C的其余几种飞机的单项性能不一定明显逊于F-16C，个别性能甚至优于F-16C（如瞬时盘旋角速度峰值）。但F-16C通过较低的角速度衰减取得了最短的盘旋时间，通过较低的需用攻角和高横滚敏捷性缩短了第1和第3步的时间，较高的加速性和较小的速度损失缩短了第4步的时间，为缩短总时间奠定了基础。根据发动机装机推力曲线，F-16C的推重比和其余几种飞机相比并没有明显优势，甚至在某些速度段处与劣势。而这些性能优势是建立在发动机推力以外的精妙的细节设计的，再次表明飞行器设计是一个整体，单纯发动机的强大并不能确保整体性能的优越。
　　有读者认为过于追求亚音速升阻特性的常规布局，换句话说稳定盘旋性能较优的布局，瞬时盘旋性能很可能存在缺陷，一个经常被提起的例子就是F-16。诚然，F-16家族的瞬时盘旋角速度峰值并不拔尖，但F-16是一种条件较为特殊的个案，原因是F-16的攻角限制不同于其它机型，非常复杂且严格。通常三代机的攻角限制是空速的函数，低马赫数时允许使用较高的攻角限制，高马赫数时较低。而F-16受当时严格保证航向稳定性和安全性的思路的影响，其攻角上限是过载的函数。具体来说，过载越高，则攻角限制越严。虽然纸面上其攻角上限是25度，不明显逊色于其他三代型号，但这是1G平飞中才允许使用的。随着过载增大，允许攻角上限递减，9G机动中的攻角上限只有15度，接近这个数值时飞控计算机会强制飞机“低头”阻止攻角进一步增大。考虑到气流分离之前，升力与攻角呈近似线性关系，这样做无疑会浪费其优越的亚音速升力特性。F-16虽然能量机动出色，但受攻角限制造成的升力浪费，瞬时盘旋性能一般。某些三代型号，如“幻影2000C”和“歼10A”等海平面瞬盘可以达到30度/秒，但这是以28~29度攻角达成的。相比之下，F-16C以15度攻角达成25~26度/秒的瞬盘已经实属不易，从一个侧面证实了其气动布局极高的升力斜线率。如果“幻影2000”等也使用15度攻角限制，那么它的瞬盘就很普通了。正是因为F-16对攻角的依赖不高，无需拉大攻角就能完成高角速度的机动，因而付出的阻力代价较小，根据前文的讨论可知，角速度衰减较慢。在空战周期的概念下，瞬时盘旋角速度峰值不占优的F-16，却往往凭借较低的角速度衰减，抢先完成盘旋机动，再次表明飞行器的性能是一个整体，剥离的单个的数据对比实际意义有限。

万磁王

F-16与其他机型的对抗
　　重视机动性的第三代战斗机可谓强手如林。接触过F-16的飞行员，却大多不约而同的给了它一个外号：战斗机中的“一级方程式赛车”。这些人包括前美国空军“入侵者”中队教官Fred  Clifton，前米高扬设计局试飞员Valery  Menitsky和波兰空军上尉，米格-29飞行员M.Wiączkowski。“一级方程式赛车”这样的绰号很好的概括了F-16强劲敏捷的特点。在下文中，我们着重于F-16如何对抗其他的高性能机型，尤其是瞬时盘旋性能优于F-16的机型，并且在外挂条件对F-16不利的情况下，如携带更多的翼下副油箱或者保型油箱。

在波兰对抗米格-29
　　加入北约以来，波兰空军从2006年起陆续引进了F-16C  Block52+作为新一代多用途战斗机。这些飞机不可避免的在演习中与波兰空军原先装备的米格-29机队有了一番切磋。原先米格-29统治空对空格斗演习，但这一情况随着F-16的引进而发生了变化。多次对抗F-16的米格-29飞行员M.Wiączkowski曾这样评价（见图3）：
　　“我曾经驾驶米格-29在各种数量对比下对抗过F-16，包括2对1,1对2和1对1。F-16能保持更高的速度，而且横滚响应更快，即使携带保型油箱也不会丧失横滚性能的优势。F-16机队被要求携带保形油箱，否则飞行员得不到足够的锻炼。”

图3 M.Wiączkowski访谈的截图

　　在2009年春季演习中，F-16和米格-29之间爆发多次空对空作战演习。除去超视距空战不谈，二者的近距离格斗空战共发生过两次，都使用了头盔瞄准具进行大离轴攻击。每次都是同数量的混战。如果仅看战果，双方打成2:2平。但是如果考虑到这是在F-16C  Block52+携带保型油箱的情况下取得的，则孰优孰劣不言自明。尤其是最后一战，F-16携带保形油箱，依然在空战占位中同米格-29一直保持均势，直到米格-29燃油耗尽被判负。这从另一个角度诠释了“F-16不带保型油箱，则飞行员无法得到锻炼”的说法。

万磁王

在爱琴海上空对抗幻影2000
　　F-16家族的另一个老对手是法国达索公司的幻影2000。同时装备幻影2000-5和F-16C的希腊空军，和装备F-16C的土耳其空军在爱琴海争议海域上空多次发生狗斗咬尾事件。不仅有F-16之间的内斗，更有F-16和幻影2000之间的对抗。从双方公布的录像看，F-16和幻影2000多次互相取得武器发射机会，似乎难分伯仲。但如果注意到双方挂载的巨大差异（见图4），则优势依然归F-16所有。实际上，由于争议海域距离前线机场的距离不同，希腊空军的幻影2000可以只携带机腹中央油箱，而土耳其空军的F-16必须携带两个翼下副油箱。

图4 左：被锁定的幻影2000，注意翼下无副油箱。右：被锁定的F-16，注意翼下副油箱

万磁王

在挪威对抗JAS-39
　　在最近一次冬季演习中，瑞典的JAS-39与挪威的F-16A  MUL展开了异种机格斗演习。虽然瑞典对演习结果曾三缄其口，但是随着对抗视频被泄露到视频网站上并被多个媒体报道，瑞典军方承认JAS-39在这场对抗中被F-16“用机动性压制”（见图5）。

图5 冬季演习中的F-16与JAS-39的对抗报道

万磁王

在希腊选型中对抗苏-27
　　为了替换老一代的F-4，希腊与上市价90年代初展开下一代战斗机的招标选型工作。第一轮入围的机型是苏-27，F-15和F-16。继承刚解体苏联的俄罗斯为了换取硬通货，压低了苏-27的报价，所以从标书上看，苏-27可谓是物美价廉的选择：不仅价格低，还有吸引眼球的“眼镜蛇机动”和创纪录的8000千克载弹量。但是在实机格斗对抗中，苏-27被F-16击败（见图6），导致希腊选择了第一轮时没有被特别看好的F-16。也正在这件事后，我国开始了对战斗机空战周期，敏捷性等指标的评估。

图6 希腊招标对比格斗中被F-16击败的苏-27

结束语
　　在装备保型油箱的型号出现之前，F-16从A到C型一直受惠于高敏捷性的设计特点，在诞生30年后依然是敏捷性最高的战斗机之一。可能是出于这样那样的情怀或是情结，它也是我们非常喜欢“黑”的一款飞机。但无论它是不是我们的假想敌飞机，我们都需要了解对手，尊重对手，这才是战胜对手的必要条件。