现代战机的非常规机动--过失速机动技术分析

 现代战机的非常规机动--过失速机动技术分析


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　　Analysis of Deep-Stall Maneuverability Technology of the Modern Battleplane 

　　□海军航空工程学院　曲东才 

　　摘要：随着对新型战机机动性要求的提高及飞机在大迎角下过失速状态的深入研究，提出了新型战机的过失速机动技术。首先对过失速机动的技术内涵、判断准则作简要介绍，然后对现代近距空战中，采用过失速机动技术，战机可能取得的战术优势及存在的一些问题进行了分析。 

　　关键词：战斗机　过失速机动　战术优势

　　航空技术的快速发展及其在军事航空领域的广泛应用，使目前研制的军用作战飞机的技、战术性能得到很大提高。例如现代新型作战飞机具有了较好的隐身性能、超声速巡航性能、短距（垂直）起降能力、超视距攻击能力、较好的机动性、敏捷性，等等。现代新型战机所具有的这些先进技、战术性能，为在复杂的未来战争中取胜奠定了物质基础。在未来空战中，超视距攻击将成为主要的攻击形式，但不可避免的是仍有30%以上的空战会进入近距格斗空战。而飞机具有良好的机动性能是取得近距格斗空战胜利的重要保障。因此未来战斗机具有较好的机动性能，甚至具备过失速机动是十分重要的。 

　　一、过失速机动技术内涵及发展

　　飞机的过失速机动是一种非常规机动动作，也称为"超机动"。它是指当飞机实际迎角超过失速迎角、在飞行速度很小的状态下，飞机还能处于受控状态，仍能按照有关操纵指令，迅速改变飞行速度矢量和机头指向的一种战术机动。这种过失速机动不需要很大的机动过载，有利于快速发射和回避格斗导弹，有效攻击敌机和保护自己。过失速机动的内涵是：驾驶员拉杆使飞机由常规飞行状态以高俯仰速率作大角度跃升，使其迎角迅速达到30°～40°左右的失速迎角，并在减速过程中使迎角增大到70°左右，此时驾驶仪还能正常操纵飞机绕速度矢量轴滚转或偏航，以便获得快速机头转向或快速机身瞄准能力，随后推杆减小迎角退出失速，转为俯冲增速恢复到常规飞行状态。

　　飞机的常规机动一般是靠控制过载来实现。第三代战斗机的最大过载已经达到９ｇ，受到人的生理限制，其过载已经不可能再增大。而直接力控制等非常规机动的机动能力一般偏小，只适用于作精确瞄准和轨迹修正。因此，在对第四代战斗机研制过程中，提出了过失速机动概念，并将其作为第四代战斗机的特征之一。实际上早在２０世纪７０年代中期，德国ＭＢＢ公司就开始研究传统上认为无用的飞行区域、过失速区及在过失速区机动的空战效能。通过理论分析、数字仿真、空战模拟台试飞发现，过失速机动可以显著改善近距格斗能力和减小飞行员对超机动的疑虑，近距格斗中期望的最大失速迎角为７０°，并且认为过失速机动必须依赖于推力矢量控制和数字式电传控制。在２０世纪８０年代初，德国赫伯斯特（Ｗ．Ｂ．Ｈｅｒｂｓｔ）博士首先提出"过失速机动"概念，并对此作了大量研究，得出一些重要研究成果，推荐了一些超机动动作、失速机动的速度与高度范围及获得失速机动必须的飞机推重比和操纵效率。赫伯斯特博士所给出的结论对于失速机动技术的研究和推力矢量控制技术的应用具有重要指导意义。

　　具有过失速机动能力的飞机应具备两个基本特点：过失速飞机的实际迎角远远超过其失速迎角；在过失速状态下，飞机具有绕其三个轴转动的能力。同时具备这两个基本特点的飞机才是真正具有过失速机动的飞机。依据以上两条，对著名的"眼镜蛇"机动进行一下分析：当飞机处于大失速迎角下，即飞机在过失速状态下，"眼镜蛇"机动只具有绕机体横轴转动的能力，即控制俯仰姿态的能力，而并不具备绕立轴的偏转和绕纵轴的滚转能力，即飞机还不能随意机动。因此"眼镜蛇"机动只是跨进了过失速领域，达到了过失速状态，还不能算是真正意义上的超机动。

　　根据赫伯斯特博士的研究，要进行超机动的飞机必须要满足一系列条件，即其判断准则是：

　　飞机在俯仰、偏航和滚转三个通道应具有足够的操纵能力，在马赫数低到０．１、迎角达到７０°时仍能保持较高的操纵效率，为此需要采用推力矢量控制技术，并且应选用推重比大于１．２的高性能发动机；

　　飞机需要采用闭环控制和先进的气动布局以便具有极好的低速、大迎角稳定性；
　　飞机应能转得快、加减速快，即具有在很短时间内产生很大的瞬时角速度的能力。
　　１９８５年６月，美、德合作研制了Ｘ－２９Ａ、Ｘ－３１Ａ和 Ｆ－１８ＨＡＲＶ系列验证机，来验证飞机的超机动能力。除Ｘ－２９Ａ外，其他两型均采用推力矢量控制。目前这三架飞机都已飞入过失速区，其机动性、敏捷性都有很大的提高。Ｘ－２９Ａ最大迎角达６８°，Ｘ－３１Ａ和 Ｆ－１８ＨＡＲＶ已飞至７０°迎角，并完成了一些机动动作。１９９３年５月，Ｘ－３１Ａ验证机首次完成了难度最大的赫伯斯特机动（即１８０°急转弯）。１９９５年巴黎航展中，该验证机又成功进行了４种动作的过失速机动表演，令世人瞩目，认为过失速障碍已被突破。俄罗斯对该技术极为重视，并且已取得许多重大成果。１９８９年第３８届巴黎国际航展，前苏联的苏－２７战斗机首次表演了"眼镜蛇"机动，令在场观众叹为观止。此后该机在其他航展和各种飞行表演时，又多次完成该动作。其他国家如以色列也利用遥控模型飞机完成了正向和反向的"眼镜蛇"机动等许多超机动动作。

　　通过对飞机过失速机动２０多年的深入研究，目前已经取得了很多研究成果，并在工程上得到一定应用。美国的第四代战机Ｆ－２２、法国的"阵风"、俄罗斯的苏－３５等新式战斗机在设计之初就非常重视过失速机动设计，并拥有较强超机动能力，其中典型战机Ｆ－２２已经达到迎角６０°以上的超机动实战能力。 

　　二、过失速机动的战术优势及其存在问题分析
　　在近距空战中，具有过失速机动能力的战斗机将比传统战斗机的空战效能更高，在近距空战中，灵活运用其具有的过失速机动，将会取得明显的作战效果。国外对７５种初始状态一对一空战模拟的结果显示：具有过失速机动能力的战斗机取得４１次战术优势，而常规战斗机取得优势只有１９次，双方均势为１５次。可见过失速机动的战术优势是非常明显的。
　　1.过失速机动战术优势分析

　　（１）飞行包线得到扩展

　　随着战场环境日趋恶化，未来战斗机应具有超视距、视距内和近距空战能力，因此对战斗机的作战区域提出了更广泛要求。具有过失速机动能力的战斗机可凭借其高推重比发动机迅速进入超声速区域，进行超视距空战；利用推力反向技术迅速减速至亚声速区，实施视距内空战；通过超机动，使空战速度迅速减小至过失速范围（１００ｋm/h左右），在飞行包线以外的区域实施在低速条件下的近距格斗。由此可见空战范围将会向高度和速度的两极发展，其飞行包线会进一步扩展。

　　（２）近距格斗攻击能力及空战效率进一步提高

　　在近距格斗时，战斗机瞬时角速度越高，及早发射格斗导弹机会越大，取得战场主动权的几率越大。而超机动能使瞬时角速度得到较大提高，达到４０°～５０°/s，因而在格斗中能迅速抓住战机，提高近距格斗空战能力。以近距格斗时实施"眼镜蛇"机动为例（如图１所示），当具备"眼镜蛇"机动能力的Ａ机和不具备"眼镜蛇"机动能力的Ｂ机在盘旋格斗时，Ａ机实施"眼镜蛇"机动构成开火机会。当常规战斗机Ｂ与能作"眼镜蛇"机动的战斗机 Ａ在位置１处于盘旋均势情况下，Ａ机实施"眼镜蛇"机动，就可能在位置３将机头指向Ｂ机，使Ｂ机落入Ａ机格斗导弹离轴角范围内，从而构成开火条件。在图２中Ｂ机与Ａ机处于同一方向飞行的均势条件，当Ｂ机作跃升，Ａ机作"眼镜蛇"机动时，在位置３、４处，Ａ 机就有开火的机会。如果能作理想的超机动，其"指向－发射"能力比"眼镜蛇"机动更强，攻击对方的机会也就更多了。

　　同时，过失速机动也使驾驶员节省了体力，提高空战效率。在以往空战中，传统战斗机一般需要作６～８ｇ的急剧机动来跟踪或摆脱敌机，这会使飞行员体力消耗过大，空战效率降低。采用超机动技术战斗机在摆脱敌机时，飞行速度会很小，过载一般为２ｇ左右，驾驶员体力消耗较小，可有充沛体力进行空战。

　　（３）近距空战的机动规避效果进一步增强

　　传统格斗空战时，处于被动的一方通常采取急转弯、急剧升降等动作来破坏对方开火条件（未进入有效射程时）；或采取急剧减速，迫使敌方前冲，使己方转被动为主动（在有效射程内）。在未来近距格斗空战中，这种战术依然有效，但超机动将使这种战术的运用效果得到极大提高。因为超机动既可成倍增大瞬时角速度，将对方甩在转弯外侧，破坏其开火条件，又能充分利用气动阻力进行突然减速，速度减小到失速速度以下，与对方构成极大的速度差，这样规避战术就能灵活运用。

　　（４）摆脱空空导弹追踪更加有效

　　目前空空导弹制导体制大致可分为雷达制导、红外制导及复合制导等方式。对于雷达制导的空空导弹，因超机动时飞机速度急剧减小，对方机载火控雷达会短时间丢失目标，无法继续对空空导弹进行制导，造成导弹失的；对于红外制导的导弹由于超机动飞机突然收小油门和尾部冲前，可使导弹红外导引头接受的红外辐射能量急剧降低而丢失目标；此外飞机超机动时的转弯角速度大，可使近距离跟踪的导弹过载剧增，以致超载而丢失目标。

　　2.过失速机动可能存在的问题分析

　　首先，战机超机动能力的实现，除了气动、发动机、推力矢量等技术外，还需要相适应的先进飞控系统及显示系统。因为超过失速迎角、进入失速禁区后，涉及大范围非线性、非定常气动力及强耦合等问题，飞机空气动力特性非常复杂。这种超机动控制技术??与常规飞控系统有很大不同，此时飞控系统必须发展成为综合推进一体化系统。同时横向压杆时产生绕速度矢量轴滚转与大迎角时主要绕机体立轴偏航，可能使飞行员产生混淆，不清楚飞机在作什么机动，因此必须采用专门的显示装置。需要与导弹的超机动能力相配合，飞机的超机动能力只有与导弹的过失速能力相配合才能充分发挥其空战优势。

　　其次，对驾驶员的驾驶技术、战场战机的捕捉提出较高要求。由图２的"眼镜蛇"机动可见，在位置３、４时Ａ机可攻击Ｂ机，但要在位置３、４时使Ａ机处于攻击姿态，驾驶员需要具备高超的驾驶技术，并且对交战双方态势作出迅速准确的判断，否则战机将稍纵即逝！同时由于只能在较近距离格斗时才能运用超机动，使己方飞机也暴露于敌机火力范围内，遭到敌机攻击的危险性增大。

　　最后，在超机动时，飞机短时间呈现一种"悬挂"和"滞止"状态，在多机空战中容易受到其他敌机的攻击，因此超机动最适宜一对一的空战，而不适宜于多机作战。同时超机动虽然在快速偏转机头实施对敌指向、或在转弯过程中尽快减速和改变飞行方向，引诱敌机冲过目标等方面非常有用，但大迎角状态下的超机动不利于飞机的航迹机动。

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