超机动性技术及其战术优势探讨

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通过对飞机超机动性几十年的深入研究 , 目 前已经取得了很多研究成果 , 并在工程上得到一 定应用 [1, 3 ] 。1985年 6月 , 美 、德合作研制了 X29A、X- 31A 和 F- 18HARV 一系列验证机 , 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 Herbst 机动 (即 180°急转弯 ) , 在 1995 年巴黎国际航展 中 , 该验证机又成功进行了 4种机动动作的超机 动性表演 , 令世人瞩目 , 被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 多研究成果 。以色列也利用遥控模型飞机完成了 正向和反向的 “眼镜蛇 ”机动等许多机动动作 。 美国的第四代战机 F- 22、法国的 “阵风 ”、俄罗 斯的 “Su- 35”等新式战斗机在设计之初 , 就非 常重视超机动性设计 , 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 [ 3 ] 。
Key words: high performance fighter aircraft; close- in air combat; post- stall m aneuver; super m a2 neuverability; tactical superiority
随着航空技术的快速发展 , 以及在军事航空 领域的广泛应用 , 使目前研制的军用作战飞机的 技术 、战术性能 , 得到很大提高 , 如现代新型作 战飞机具有良好的隐身性能 、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 。现代新型战机所具有的这些 先进技术 、战术性能 , 为在未来复杂的战争中取 胜奠定了基础 。分析研究认为 , 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 , 而 飞机具有良好机动性能是取得近距格斗空战胜利 的重要保障 , 因此 , 未来战斗机具有良好机动性 能 , 以至具备超机动性是十分重要的 。
3 超机动性技术发展
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 及在过失速区战斗机动的空战效能 。通过理论分 析 、数字仿真 、空战模拟台试飞发现 , 超机动性 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°, 并且认为超机动性必须依赖于推力矢量控 制和数字式电传控制 。 80 年代初 , 德国 W. B. Herbst博士首先提出了超机动性概念 , 并对此做 了大量研究 , 且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 、高度范围及 获得失 速 机 动 必 须 的 飞 机 推 重 比 和 操 纵 功 率 。 W. B. Herbst博士所给出的结论 , 对失速机动技 术的研究和推力矢量控制技术的应用 , 具有重要 指导意义 。
收稿日期 : 2005- 07- 22
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飞机设计第 1期 2006年 3月
矢量和机头指向的一种战术机动 。这种超机动 性 , 不需要很大的机动过载 , 有利于快速发射和 回避格斗导弹 , 以便有效攻击敌机和保护自己 。
超机动性的基本内涵是 [ 1, 2 ] : 驾驶员拉杆使 飞机由常 规 飞 行 状 态 以 高 俯 仰 速 率 做 大 角 度 跃 升 , 使其迎角迅速达到 30 ~40°的失速迎角 , 并 在减速过程中使迎角增百度文库到 70°左右 , 此时驾驶 仪还能正常操纵飞机绕速度矢量滚转或偏航 , 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 。
曲东才 : 超机动性技术及其战术优势探讨
文章编号 : 1673- 4599 (2006) 01- 0065- 04
超机动性技术及其战术优势探讨
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曲东才
(海军航空工程学院 , 山东 烟台 264001)
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 , 提出了新型战机的超 机动性技术 。首先对超机动性的技术内涵 、判断准则做简要介绍 , 然后对现代近距空战中 , 战机采用超机动 性技术可能取得的战术优势及可能存在的一些问题进行了分析探讨 。
4 超机动性飞机战术优势及其存在问题分 析
在近距空战中 , 超机动性战斗机将比传统战 斗机的空战效能更高 , 灵活运用其具有的超机动 性 , 将会取得良好作战效果 。据报道 , 国外曾对 75种初始状态相同的战斗机进行一对一的空战模 拟 , 其结果显示 [ 1 ] , 具有超机动性能力的战斗机 取得 41 次战术优势 , 而常规战斗机取得优势只
QU Dong- cai (Navy Aeronautics Engineering Institute, Yantai 264001, China)
Abstract: A definition and criteria of super- maneuverability is p resented, and then possible tactical superiorities from the super- m aneuverability for high performance fighter aircraft in close- in air combat and p roblem s associated w ith the super- maneuverability are analyzed.
2 超机动性飞机判断准则
根据 W. B. Herbst博士的研究 , 超机动性飞 机必须满足以下条件 , 即其判断准则是 [ 1 ] :
(1) 飞机在俯仰 、偏航和滚转 3个通道应具 有足够的操纵能力 。在飞行 M a 数低到 0. 1、迎 角达到 70°时 , 仍能保持较高操纵效率 , 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 。
(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 、急剧升降机动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制导方式 。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 , 使导弹丢失目 标 [ 4, 5 ] 。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 , 这就可使导弹红外导 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 。 412 超机动性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 ,
Su- 27飞机是俄罗斯生产的著名战斗机 , 在 1989年第 38 届巴 黎国 际航展 中 , 首 次表 演了 “眼镜蛇 ”机动动作 , 此后又在不同航展中 , 曾 多次表演 。“眼镜蛇 ”机动迎角已经大于 90°, 那 么能否说 Su- 27 飞机真正具备了超机动性了呢 ? 分析一下 : 当飞机处于大失速迎角时 , 即飞机在 过失速状态下 , “眼镜蛇 ”机动只能绕机体横轴 转动 , 即具有控制俯仰姿态的能力 , 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 失速区 , 达到了过失速状态 , 还不能算是真正意 义上的超机动 。
曲东才 : 超机动性技术及其战术优势探讨
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有 19次 , 双方均势为 15 次 。可见 , 超机动性的 战术优势是非常明显的 。 411 超机动性战术优势分析
(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 。具有超机动性 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超失速范围 (100 km / 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就越大 , 取得战场主动权成 功率也越大 。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 [ 2 ] , 图 1为当具 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 ”机动构成开火机会的示意图 。当常规 战斗机 B 与能做 “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 机做跃升 , A 机做 “眼镜 蛇 ”机动时 , 在位置 3、 4 处 , A 机就有开火的 机会 。如果能做理想的超机动 , 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 。
1 超机动性技术内涵
飞机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 于做精确瞄准和轨迹修正 。因此 , 近年来 , 在对 第四代战斗机研制过程中 , 提出了超机动性技 术 , 并将其作为第四代战斗机的特征之一 。超机 动性 (也称过失速机动 )是 与其常规机动比较而言 的 [ 1 ] , 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
图 1 A , B机盘旋格斗时的作战态势
图 2 A , B机同向格斗时的作战态势
同时 , 超机动性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 机动技术的战斗机在摆脱敌机时 , 飞行速度会很 小 , 过载一般为 2g 左右 , 比以前大大减小 , 驾 驶员体力会消耗较小 , 可有充沛体力进行空战 。
关键词 : 战斗机 ; 近距空战 ; 过失速 ; 超机动性 ; 战术优势
中图分类号 : V212113 + 5 文献标识码 : A
Investiga tion in to Super-M aneuverab ility and A ssoc ia ted Tactica l Super ior ity for H igh Performance F ighter A ircraft
(2) 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 。
(3) 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 。
归纳起来 , 超机动性飞机必须具备 : 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 3个轴转动的能力 。同时 具备这两个基本特点的飞机 , 才是真正具有超机 动性的飞机 。
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