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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...

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发表于 2018-4-26 10:29:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
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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。
NASA_DFRC_Herbst_manuever_diagram.jpg
图1 X-31的J转弯机动
the_herbst_maneuver.jpg
这张苏-27M的J转弯示意图更加清楚一些

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 楼主| 发表于 2018-4-26 10:29:56 | 显示全部楼层
  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)。
pic2.jpg
图2 F-18HARV使用J转弯迅速咬住常规机

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 楼主| 发表于 2018-4-26 10:30:17 | 显示全部楼层
  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)。
pic3.jpg
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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 楼主| 发表于 2018-4-26 10:30:31 | 显示全部楼层
  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:
Pictorial-view-Herbst-maneuver.jpg
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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 楼主| 发表于 2018-4-26 10:30:51 | 显示全部楼层
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。
pic5.gif
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。
pic6.gif
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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 楼主| 发表于 2018-4-26 10:31:12 | 显示全部楼层
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:
pic7.gif
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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 楼主| 发表于 2018-4-26 10:31:46 | 显示全部楼层
  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:
pic8.jpg
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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 楼主| 发表于 2018-4-26 10:32:13 | 显示全部楼层
  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:
pic9.jpg
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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 楼主| 发表于 2018-4-26 10:32:31 | 显示全部楼层
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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 楼主| 发表于 2018-4-26 10:32:57 | 显示全部楼层
前机身涡流
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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。
pic11.jpg
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

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