过失速机动的现状和发展趋势（有眼镜蛇）

wufan

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过失速机动的现状和发展趋势
    Status and Trends of the Post Stall Maneuvers
    南京航空航天大学  张文宇 童明波
关 键 词：过失速机动 战斗机 格斗 发展趋势在目前与将来相当长的时期内，战斗机空战仍会存在近距格斗的模式。虽然现有的近距格斗导弹已具备近似全向攻击的能力，战斗机大致指向目标就可以进行攻击，但是现代战斗机通过气动布局的优化所达到的最大升力系数和失速迎角已基本达到极限，很难再使飞机的常规机动性相对于其他战斗机有明显的优势，而且战斗机进行常规机动在一定范围内还要受到人体承受过载能力的限制。虽然新一代近距格斗导弹具有大离轴角发射甚至越肩攻击的能力，但是在发射初期使用推力矢量会极大地消耗火箭能量，使导弹的射程明显减小。由以上原因可以看出，使飞机的机头快速指向目标，是提高飞机格斗能力的重要手段。过失速机动由于实现了机头指向与飞行轨迹解耦，极大地提高了机头指向目标的速度，大大增加了战斗机在格斗中的攻击机会。

一、 有限的过失速飞行能力阶段
　　过失速机动的理论是德国MBB公司先进战斗机部主任沃尔夫冈·赫伯斯特（Wolfgang Herbst）博士于20世纪70年代提出的。虽然同时期研制的第三代战斗机并没有用这一未经验证的理论来指导设计，但是第三代战斗机强调亚声速格斗机动能力，在设计上对大迎角飞行性能作了较多的考虑，所以部分型号具有有限的过失速状态飞行的能力。

　　 1. F-14战斗机
　　 F-14是世界上第一种第三代战斗机，它是由格鲁门公司为满足美国海军20世纪70～80年代的舰队防空和制空作战要求而研制的，于1970年底首飞。F-14在研制阶段尚没有过失速机动理论，飞机的设计最大飞行迎角为30°，但是飞机合理的气动布局和有效的抗偏离设计措施使飞机在试飞中迎角和侧滑角范围大大超过了设计值。
　　在试飞中发现，飞机可以通过快速拉杆达到极高的瞬态迎角而不会进入危险的飞行状态。有记录的试飞员主动进入的瞬态迎角高达77°，并且曾经在垂直科目中经历±90°迎角而仍能安全退出。这种瞬态的过失速拉起动作可以说是由F-14而非苏-27首创。F-14可以进行稳态飞行的迎角也明显超过了飞机的失速迎角，迎角在40°～45°仍能保持稳定的亚声速飞行。F-14不但可以完成对称的过失速拉起动作，而且在大迎角时可以通过杆舵的协调操纵绕速度矢量轴滚转。不过此时机翼外段失速，扰流片操纵基本无效，差动平尾的操纵不但效果不明显，而且还可能发生反效和严重的不利偏航，所以这种滚转操纵实际上主要是方向舵在起作用。显然，设计合理的方向舵在很大的迎角和很低的空速时仍然有舵效。
　　尽管F-14的大迎角飞行性能在当时是独一无二的，但是这种性能并没有发展成在实际作战中使用的标准空战战术。原因一方面是由于舵效不足造成大迎角动作比较缓慢，难以形成有效的攻击机会，另一方面由于F-14在设计上并没有考虑进行过失速的机动作战，它虽然能完成一些迎角很大的动作，但是在中等迎角范围存在抗偏离能力较弱的区域，这使该机主动进入过失速状态存在不安全的隐患。

　　 2. F/A-18战斗机
　　 F/A-18战斗机的前身是诺斯罗普公司为竞争美国空军轻型战斗机计划而研制的YF-17飞机，但是YF-17在竞标中败于通用动力公司的YF-16。虽然YF-17是竞标失败的飞机，但是研制单位诺斯罗普公司在大迎角气动研究上有十分丰富的经验，飞机的大迎角飞行性能极其优异，在试飞中达到了63°的稳态飞行迎角。这种优秀的低速飞行能力也是海军选中YF-17发展成F/A-18的原因之一。
　　 F/A-18飞机继承了YF-17优秀的大迎角飞行能力，具有大约55°迎角的配平能力，瞬态可以进入60°以上的迎角，远远超过了37.5°的失速迎角，并且飞机在各轴向仍能保持一定的控制能力。与F-14一样，F/A-18也可以通过杆舵协调操纵完成超过失速迎角的滚转动作，不过F/A-18在大迎角时平尾舵效很高，可以用差动平尾来做主要的滚转操纵，方向舵用于消除差动平尾产生的不利偏航。F/A-18飞机的大迎角飞行比较安全，所以也比较常用，熟练的F/A-18飞行员会使用自行摸索出的一种侧滑产生的轻微偏离，使飞机可以更快的滚转。因为即便差动平尾舵效较好，大迎角的滚转率仍然是不理想的。但是F/A-18在50°以上迎角时存在上仰失控和进入"落叶飘"模态的风险，限制了F/A-18飞机进行大迎角机动。

　　 3. 苏-27战斗机
　　苏-27是最著名的可以完成过失速飞行的第三代战斗机，该机的"眼镜蛇"动作一度被认为是可以使飞机快速指向或者使追击的敌机冲前的一种战术动作，具有极高的知名度。但是该动作的进入对飞机的速度、油量、重心位置、油门位置都有一定的要求，条件极为苛刻，在实战中难以把握使用的机会。"眼镜蛇"本质上是一个不可控的过失速动作，在进入的时候，由于要尽量避免30°～60°迎角区域飞机不对称滚转和偏航力矩的影响，要求迅速拉杆到底，飞机产生极大的俯仰角速度。进入大迎角区域后，平尾逐渐失去舵效，因此整个进入过程飞行员无法控制，也没有时间反应。而动作的退出实际上是动作达到顶点时在气动力的作用下自动开始的，飞行员也必须把握一定的俯仰速率避免过慢进入尾旋和过快进入负迎角，还必须控制油门以推力差纠正偏航。
　　由于这样的特点，"眼镜蛇"动作难以作为实用的机动动作来使用。苏-27飞机正常使用的迎角也被限制在不到30°，故苏-27只能是在个别飞行员操纵时具有有限的过失速飞行能力。
二、实用化的过失速机动
　　 20世纪90年代初，美国开始使用专门的验证机来验证过失速机动，并将结果应用到第四代战斗机F-22的研制中。这个时期使用了X-31、F-16MATV、F-18HARV以及YF-22等验证机，进行了大量的试飞研究工作，发展出了实用化的过失速机动。这其中最重要的研究是X-31进行的逐步完成稳态过失速飞行，到稳态过失速飞行中进入绕速度矢量轴滚转（称为"锥子"），再到盘旋中进入过失速状态，最后完成瞬态拉起进入过失速后绕速度矢量轴滚转180°的"赫伯斯特"机动的四个阶段的扩展过失速机动研究。

　　 1.F-22战斗机
　　 F-22是世界上第一种，也是目前唯一一种服役的第四代战斗机。该机采用气动舵面与推力矢量结合的控制手段，具有很完善的过失速机动能力。在YF-22验证机阶段，验证了60°迎角的稳态飞行和绕速度矢量的滚转，该机在使用推力矢量时可以在过失速状态下控制俯仰角使迎角误差在0.5°以内，即使不使用推力矢量，仍能使误差控制在1°～2°，并且有足够的低头控制能力。使用推力矢量可以使过失速状态滚转率提高20°～ 30°/s。
　　 F-22飞机在大迎角俯仰操纵上使用平尾与推力矢量结合控制，而大迎角滚转中，主要使用方向舵进行滚转控制，由推力矢量来提供俯仰配平，差动平尾的滚转控制能力急剧下降，但是有明显的偏航控制能力，这种控制方式不符合一般飞行员的驾驶习惯，但是通过控制律的编写可以简化飞行员的操纵，满足"无忧虑"飞行的要求，使一般飞行员也可以掌握过失速机动。F-22可以完成"尾冲"、"眼镜蛇"、"锥子"等比较简单的过失速机动，也可以完成在水平盘旋中进入过失速，然后绕速度矢量滚转成直立的稳态大迎角飞行的"猫鼬"动作和难度最高的"赫伯斯特"动作。2006年在兰利空军基地的公开表演中，由战斗值班的第1联队第27中队飞行员驾驶的F-22在观众面前以较低的高度完成了"眼镜蛇"、"猫鼬"和"赫伯斯特"动作。

　　 2. F/A-18E/F战斗机
　　 F/A-18E/F战斗机是在F/A-18C/D基础上进行重大改进之后的三代半战斗机。该机不仅继承了原型机优秀的大迎角飞行能力，而且通过气动设计和控制律的改进大大扩展了这种能力，成为第一种在飞行手册中明确指出在外挂力矩不对称和一定空速范围以内，飞行迎角和各轴向操纵完全没有限制的战斗机。
　　与其他具有过失速机动能力的飞机不同，F/A-18E/F完全依靠气动舵面来控制飞机，因此配平迎角要小一些，不能完成X-31演示的那些标准的动作，但是可以在稍小的迎角下完成类似"眼镜蛇"、"猫鼬"和"赫伯斯特"的动作。虽然迎角有些差别，但是仍然明显超过了飞机的失速迎角，动作的实质没有什么区别。F/A-18E/F的大迎角滚转控制与老型号的F/A-18不同，用方向舵来做滚转操纵，平尾用作俯仰配平和偏航控制。通过控制律的协调，F/A-18E/F尽管没有使用推力矢量，大迎角滚转率仍然明显超过了老型号。

3. 苏-30MKI战斗机
　　苏-30MKI是出口印度的苏-30版本，与家族中的其他型号不同，采用了三翼面布局和推力矢量控制。在唯一的711号苏-37原型机坠毁后，苏-30MKI的原型机成为苏霍伊设计局在各大航展上表演过失速机动的主要型号。与苏-37一般只表演对称的过失速动作不同，苏-30MKI经常表演具有绕速度矢量滚转成分的过失速动作，也可以表演稳态的过失速飞行，表明在过失速控制方面有了明显的进步。苏-30MKI在表演"锥子"的时候没有出现动作过度，但是在进行类似"赫伯斯特"的表演时总是在动作末尾左右摇晃一两次才稳定，这是飞行员有意的表演还是飞机在控制上仍然不够完善而出现超调，目前还没有解释。
　　 4. 米格-29OVT试验机
　　米格-29OVT是米格-29改装具有全向推力矢量喷管发动机的试验机，目前米高扬方面也有将其称为米格-35的说法，但是要作为全状态米格-35原型机可能还要对机载设备做更多的改动。米格-29OVT在过失速机动的表演上较苏-30MKI更加繁复，经常表演两个连续的过失速筋斗，或者是绕速度矢量连续滚转两次的动作，在动作的衔接连贯性上也比苏-30MKI显得更紧凑。在2006年的范堡罗航展上，米格-29OVT还表演了由"赫伯斯特"和"直升机"机动结合的带有一个水平旋转的动作，显示出该机的确在过失速控制方面取得了重大的突破。

[ 本帖最后由 wufan 于 2009-3-13 03:23 编辑 ]

wufan

三、过失速机动的关键技术和发展趋势
1. 气动布局
　　气动布局仍然是实现过失速机动的最关键因素，即使是采用全向推力矢量控制的X-31。
　　飞机在试飞过程中可通过改装后边条增加大迎角低头力矩，改变头部粗糙度降低前体涡流不对称性等气动手段来改善过失速飞行能力。完成过失速机动要求飞机有足够的各轴向稳定性，要有足够的低头力矩来改出动作，有足够的各轴向控制能力，通过合理的气动设计可以基本满足这些要求。采用推力矢量控制进行过失速机动仍然有赖于良好的气动设计，因为过失速条件下进气道工作环境很恶劣，如果没有合理的设计，发动机将无法正常工作，也就没有足够的推力分量来进行控制，而且如前所述推力矢量目前尚不能完全抵消气动上的缺陷。
　　 2. 推力矢量
　　从具有过失速机动能力飞机的试飞结果看，使用推力矢量对提高俯仰速率、滚转率等有明显好处，F-16MATV的试飞证明使用推力矢量控制可以使某些原本不具备过失速飞行条件的飞机获得一定的过失速机动能力，而对于原本没有足够过失速控制能力的飞机（如苏-27系列等）可以通过使用推力矢量来增强控制能力，完成更复杂的过失速机动。但是推力矢量技术增加了重量和复杂性，提高了成本。对于通过气动设计就可以满足设计要求的飞机，不一定要选择推力矢量。现役的三代半飞机虽然都有一定的大迎角飞行能力，但是多数不使用推力矢量。
　　 3. 飞控技术
　　过失速机动的流动状态十分复杂，气动面的受力往往与正常飞行有明显的区别，要求编写专门的控制律，如果控制律编写不当的话，很可能发生飞行员诱发振荡进入失控状态。飞控响应滞后也容易使运动发散，从F-22的试飞看，平尾等舵面运动非常频繁，幅度也很大，如果没有好的飞控硬件也是无法满足的，因此对飞控系统的硬件响应和精度也有较高的要求。
　　 4. 过失速机动的发展趋势
　　过失速机动的一个发展方向是进一步减小进行机动的限制条件，扩大允许进行过失速机动的重心和不对称力矩范围。但是允许进行过失速机动的速度范围可能不会再增加，因为飞机迅速增加迎角时，动升力明显大于同样迎角的稳态升力，在较大的空速下进行这样的机动容易达到飞机结构和人体承受能力的极限；另一个发展方向是提高控制能力，进一步增加绕各轴转动的角速度，提高控制精度以满足指向攻击的要求。

四、 结束语
    过失速机动是第四代战斗机的一项重要特征，对于提高近距格斗的能力有重大意义。
    我国进行过失速机动的研究起步较晚，主要停留在理论计算和部件试验上，目前尚没有进
行完整的飞行验证，但是近年发展比较快。如果在新一代战斗机的研制中应用这一技术，将会
消除我国与发达国家战斗机在机动性上的差距。
    参考文献 ：
    1  全昌业.X-31过失速包线扩展综述，飞行试验，1996（2）
    2  高浩，朱培申，高正红.高等飞行动力学.国防工业出版社，2004
    3 R. Kress.Variable Sweep Wing Design,AIAA Paper No. 80-3043
    4  The Society of Experimental Test Pilots1973 Report.technical review volume
11，number4
    5  徐德康.F/A-18A战斗机的大迎角试飞研究--大迎角飞行试验计划.国际航空，1984（8
）
    6  李中华.苏-27飞机眼镜蛇机动及其战术意义.飞行力学，2000（1）
    7  张曙光，高浩.X-31飞机的设计特点和试飞情况.飞行力学，1996（3）
    8  杜耀斌.YF-22原型机的推力矢量辅助机动试飞.国外试飞，1996（1）
    9  魏金钟.超机动和F-22.国际航空.1993（9）
    10  NATOPS Flight Manual Navy Model F/A-18E/F 165533 and Up Aircraft. Naval
Air Systems Command，2001
    11  王启.增强超大黄蜂飞机的大迎角机动性和尾旋改出特性.试飞研究，2000（4）
    12  Jon Beesley. F-22 Pilot Perspective--The Raptor At High Angles Of
Attack.Code One，2000（4）

[ 本帖最后由 wufan 于 2009-3-13 03:22 编辑 ]

windycrane

好文.这才是技术贴

BTW:虽然是转的 但是转的很好![s:8] [s:8]

silverliu

好文.这才是技术贴。

转载文章，请注明作者、出处。

F16CJ

过失速的状态下，如果不可控，别人完全可以绕回来继续攻击
二战中期的0战，遇到F4U做破S机动的时候，0战只能拉起爬升，有经验的美军飞行员很快发现0战在拉起的时候会失速一会儿，只要F4U右转绕圈快点，完全能在对方改出大迎角之前到达6点位置射击，这个时候的0战虽然在低速，但是无法操纵（速度太低舵面不起作用），基本就是一个靶。

拜仁

午饭文章里的仰角应该是攻角吧？仰角不能超过30度那还怎么快速爬升了？飞机里有个“攻角限制器”，是为了飞行安全的，如果要飞过失速机动就要先断开它，然后在拉杆蹬舵什么的。

wufan

原帖由 silverliu 于 2009-3-13 07:48 发表
好文.这才是技术贴。

转载文章，请注明作者、出处。

发表于《航空科学技术》2006年第5期

wufan

原帖由 拜仁 于 2009-3-13 17:54 发表
午饭文章里的仰角应该是攻角吧？仰角不能超过30度那还怎么快速爬升了？飞机里有个“攻角限制器”，是为了飞行安全的，如果要飞过失速机动就要先断开它，然后在拉杆蹬舵什么的。

一些小错误或者说是笔误是正常的，应该是攻角，仰角还没听说过有什么限制。

wufan

发现没？真是技术的东西没几个人感兴趣。
感兴趣的还是口水。

aceforever

童老大写一篇科普文章还搞那么多referense， BS一下