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過失速機動就是飛機在超過失速迎角之後,仍然有能力完成可操縱的戰術機動。它主要用在為佔據有利位置的機動飛行中。

過失速機動

1 過失速機動 -簡介

過失速機動就是飛機在超過失速迎角之後,仍然有能力完成可操縱的戰術機動。它主要用在為佔據有利位置的機動飛行中。
 失速迎角:失速過程與飛機的飛行姿態和迎角有線性關係,所以通常也用飛機失速時的臨界迎角表示該飛機的機動能力,這就是失速迎角。

2 過失速機動 -實際運用

過失速機動
現代空戰中,制導武器大量使用,但制導武器是依賴前期的雷達鎖定信息的,機載雷達的照射視線是有方向性的,而且制導武器本身的制導裝置也是有方向性的。因此,將對方儘快納入你的雷達視野或儘快逃出對方雷達或制導武器的視野是攻防的要素。如果飛機總在速限以上飛行,則無論轉彎還是爬升,其動作都會很大,時間也較長,不利於鎖定和反鎖定。過失速機動就是要求飛機在超過自身失速迎角的大迎角狀態下,對飛機的姿態做出調整,從而達到瞬間改變敵我態勢的目的的一種機動形式。

空戰中最頻繁發生的是低空和超低空近距空戰。近距空戰中最重要的作戰品質就是迅速瞄準敵機的能力,即在攻擊中不僅能快速地改變自身的速度矢量,還能使自己始終處於對手轉彎半徑的內側,這樣就能使自己更快速地進入攻擊位置,先敵開火。過去的空戰由於作戰飛機的剩餘功率較小,因而十分強調搶佔高度的機動能力,以達到以高度獲取速度的目的。現代戰鬥機在中等速度下剩餘功率都很大,加速性都很好,爬升率都很高,速度上已經沒有多大的差距,因此通過過失速機動獲取更有力的角度優勢,就成為了捷徑。

戰機在進入目視格鬥狀態之後,攻擊機要使目標機儘快進入自己允許的發射區,目標機則要擺脫攻擊機並伺機反擊。這種情況下,飛機最重要的性能是最大瞬時盤旋角速度。一般說來飛機的最大瞬時盤旋角速度在馬赫數0.4-0.6之間最大,所以要在格鬥中爭取角度優勢,就要求飛機能從最大馬赫數儘快地減速至中、低速度。飛機在進行過失速機動時,由於大迎角下自身受到的氣動阻力較大,飛機的速度可以迅速降低,有利於偏轉機頭實施快速對敵指向,或在轉彎中儘快減速和改變方向是敵機衝過目標,這在近距格鬥中具有很高的空戰效能。

然而,在傳統的飛行理論中,飛機的迎角是不能夠超過失速迎角的,否則就會失速,進入尾旋甚至墜毀。隨著現代航空科技的發展,通過採用推力矢量技術等方法,已經使飛機有可能超過失速迎角飛行了。

3 過失速機動 -技術內涵及發展

飛機的過失速機動是一種非常規機動動作,也稱為"超機動"。它是指當飛機實際迎角超過失速迎角、在飛行速度很小的狀態下,飛機還能處於受控狀態,仍能按照有關操縱指令,迅速改變飛行速度矢量和機頭指向的一種戰術機動。這種過失速機動不需要很大的機動過載,有利於快速發射和迴避格鬥導彈,有效攻擊敵機和保護自己。過失速機動的內涵是:駕駛員拉杆使飛機由常規飛行狀態以高俯仰速率作大角度躍升,使其迎角迅速達到30°~40°左右的失速迎角,並在減速過程中使迎角增大到70°左右,此時駕駛儀還能正常操縱飛機繞速度矢量軸滾轉或偏航,以便獲得快速機頭轉向或快速機身瞄準能力,隨後推桿減小迎角退出失速,轉為俯衝增速恢復到常規飛行狀態。

飛機的常規機動一般是靠控制過載來實現。第三代戰鬥機的最大過載已經達到9g,受到人的生理限制,其過載已經不可能再增大。而直接力控制等非常規機動的機動能力一般偏小,只適用於作精確瞄準和軌跡修正。因此,在對第四代戰鬥機研製過程中,提出了過失速機動概念,並將其作為第四代戰鬥機的特徵之一。實際上早在20世紀70年代中期,德國MBB公司就開始研究傳統上認為無用的飛行區域、過失速區及在過失速區機動的空戰效能。通過理論分析、數字模擬、空戰模擬台試飛發現,過失速機動可以顯著改善近距格鬥能力和減小飛行員對超機動的疑慮,近距格鬥中期望的最大失速迎角為70°,並且認為過失速機動必須依賴於推力矢量控制和數字式電傳控制。在20世紀80年代初,德國赫伯斯特(W.B.Herbst)博士首先提出"過失速機動"概念,並對此作了大量研究,得出一些重要研究成果,推薦了一些超機動動作、失速機動的速度與高度範圍及獲得失速機動必須的飛機推重比和操縱效率。赫伯斯特博士所給出的結論對於失速機動技術的研究和推力矢量控制技術的應用具有重要指導意義。

具有過失速機動能力的飛機應具備兩個基本特點:過失速飛機的實際迎角遠遠超過其失速迎角;在過失速狀態下,飛機具有繞其三個軸轉動的能力。同時具備這兩個基本特點的飛機才是真正具有過失速機動的飛機。依據以上兩條,對著名的"眼鏡蛇"機動進行一下分析:當飛機處於大失速迎角下,即飛機在過失速狀態下,"眼鏡蛇"機動只具有繞機體橫軸轉動的能力,即控制俯仰姿態的能力,而並不具備繞立軸的偏轉和繞縱軸的滾轉能力,即飛機還不能隨意機動。因此"眼鏡蛇"機動只是跨進了過失速領域,達到了過失速狀態,還不能算是真正意義上的超機動。

根據赫伯斯特博士的研究,要進行超機動的飛機必須要滿足一系列條件,即其判斷準則是:

飛機在俯仰、偏航和滾轉三個通道應具有足夠的操縱能力,在馬赫數低到0.1、迎角達到70°時仍能保持較高的操縱效率,為此需要採用推力矢量控制技術,並且應選用推重比大於1.2的高性能發動機;

飛機需要採用閉環控制和先進的氣動布局以便具有極好的低速、大迎角穩定性;

飛機應能轉得快、加減速快,即具有在很短時間內產生很大的瞬時角速度的能力。

1985年6月,美、德合作研製了X-29A、X-31A和 F-18HARV系列驗證機,來驗證飛機的超機動能力。除X-29A外,其他兩型均採用推力矢量控制。目前這三架飛機都已飛入過失速區,其機動性、敏捷性都有很大的提高。X-29A最大迎角達68°,X-31A和 F-18HARV已飛至70°迎角,並完成了一些機動動作。1993年5月,X-31A驗證機首次完成了難度最大的赫伯斯特機動(即180°急轉彎)。1995年巴黎航展中,該驗證機又成功進行了4種動作的過失速機動表演,令世人矚目,認為過失速障礙已被突破。俄羅斯對該技術極為重視,並且已取得許多重大成果。1989年第38屆巴黎國際航展,前蘇聯的蘇-27戰鬥機首次表演了"眼鏡蛇"機動,令在場觀眾嘆為觀止。此後該機在其他航展和各種飛行表演時,又多次完成該動作。其他國家如以色列也利用遙控模型飛機完成了正向和反向的"眼鏡蛇"機動等許多超機動動作。

通過對飛機過失速機動20多年的深入研究,目前已經取得了很多研究成果,並在工程上得到一定應用。美國的第四代戰機F-22、法國的"陣風"、俄羅斯的蘇-35等新式戰鬥機在設計之初就非常重視過失速機動設計,並擁有較強超機動能力,其中典型戰機F-22已經達到迎角60°以上的超機動實戰能力。

4 過失速機動 -戰術優勢

過失速機動飛行包線得到擴展

隨著戰場環境日趨惡化,未來戰鬥機應具有超視距、視距內和近距空戰能力,因此對戰鬥機的作戰區域提出了更廣泛要求。具有過失速機動能力的戰鬥機可憑藉其高推重比發動機迅速進入超聲速區域,進行超視距空戰;利用推力反向技術迅速減速至亞聲速區,實施視距內空戰;通過超機動,使空戰速度迅速減小至過失速範圍(100km/h左右),在飛行包線以外的區域實施在低速條件下的近距格鬥。由此可見空戰範圍將會向高度和速度的兩極發展,其飛行包線會進一步擴展。

近距格鬥攻擊能力及空戰效率進一步提高

在近距格鬥時,戰鬥機瞬時角速度越高,及早發射格鬥導彈機會越大,取得戰場主動權的幾率越大。而超機動能使瞬時角速度得到較大提高,達到40°~50°/s,因而在格鬥中能迅速抓住戰機,提高近距格鬥空戰能力。以近距格鬥時實施"眼鏡蛇"機動為例(如圖1所示),當具備"眼鏡蛇"機動能力的A機和不具備"眼鏡蛇"機動能力的B機在盤旋格鬥時,A機實施"眼鏡蛇"機動構成開火機會。當常規戰鬥機B與能作"眼鏡蛇"機動的戰鬥機 A在位置1處於盤旋均勢情況下,A機實施"眼鏡蛇"機動,就可能在位置3將機頭指向B機,使B機落入A機格鬥導彈離軸角範圍內,從而構成開火條件。在圖2中B機與A機處於同一方向飛行的均勢條件,當B機作躍升,A機作"眼鏡蛇"機動時,在位置3、4處,A 機就有開火的機會。如果能作理想的超機動,其"指向-發射"能力比"眼鏡蛇"機動更強,攻擊對方的機會也就更多了。

同時,過失速機動也使駕駛員節省了體力,提高空戰效率。在以往空戰中,傳統戰鬥機一般需要作6~8g的急劇機動來跟蹤或擺脫敵機,這會使飛行員體力消耗過大,空戰效率降低。採用超機動技術戰鬥機在擺脫敵機時,飛行速度會很小,過載一般為2g左右,駕駛員體力消耗較小,可有充沛體力進行空戰。

近距空戰的機動規避效果進一步增強

傳統格鬥空戰時,處於被動的一方通常採取急轉彎、急劇升降等動作來破壞對方開火條件(未進入有效射程時);或採取急劇減速,迫使敵方前沖,使己方轉被動為主動(在有效射程內)。在未來近距格鬥空戰中,這種戰術依然有效,但超機動將使這種戰術的運用效果得到極大提高。因為超機動既可成倍增大瞬時角速度,將對方甩在轉彎外側,破壞其開火條件,又能充分利用氣動阻力進行突然減速,速度減小到失速速度以下,與對方構成極大的速度差,這樣規避戰術就能靈活運用。

擺脫空空導彈追蹤更加有效

目前空空導彈制導體制大致可分為雷達制導、紅外製導及複合制導等方式。對於雷達制導的空空導彈,因超機動時飛機速度急劇減小,對方機載火控雷達會短時間丟失目標,無法繼續對空空導彈進行制導,造成導彈失的;對於紅外製導的導彈由於超機動飛機突然收小油門和尾部沖前,可使導彈紅外導引頭接受的紅外輻射能量急劇降低而丟失目標;此外飛機超機動時的轉彎角速度大,可使近距離跟蹤的導彈過載劇增,以致超載而丟失目標。

5 過失速機動 -存在的問題

首先,戰機超機動能力的實現,除了氣動、發動機、推力矢量等技術外,還需要相適應的先進飛控系統及顯示系統。因為超過失速迎角、進入失速禁區后,涉及大範圍非線性、非定常氣動力及強耦合等問題,飛機空氣動力特性非常複雜。這種超機動控制技術??與常規飛控系統有很大不同,此時飛控系統必須發展成為綜合推進一體化系統。同時橫向壓桿時產生繞速度矢量軸滾轉與大迎角時主要繞機體立軸偏航,可能使飛行員產生混淆,不清楚飛機在作什麼機動,因此必須採用專門的顯示裝置。需要與導彈的超機動能力相配合,飛機的超機動能力只有與導彈的過失速能力相配合才能充分發揮其空戰優勢。

其次,對駕駛員的駕駛技術、戰場戰機的捕捉提出較高要求。由圖2的"眼鏡蛇"機動可見,在位置3、4時A機可攻擊B機,但要在位置3、4時使A機處於攻擊姿態,駕駛員需要具備高超的駕駛技術,並且對交戰雙方態勢作出迅速準確的判斷,否則戰機將稍縱即逝!同時由於只能在較近距離格鬥時才能運用超機動,使己方飛機也暴露於敵機火力範圍內,遭到敵機攻擊的危險性增大。

最後,在超機動時,飛機短時間呈現一種「懸挂」和「滯止」狀態,在多機空戰中容易受到其他敵機的攻擊,因此超機動最適宜一對一的空戰,而不適宜於多機作戰。同時超機動雖然在快速偏轉機頭實施對敵指向、或在轉彎過程中儘快減速和改變飛行方向,引誘敵機衝過目標等方面非常有用,但大迎角狀態下的超機動不利於飛機的航跡機動。

6 過失速機動 -具體實例

美國和德國聯合研製的X-31,就是用於進行過失速機動技術驗證的驗證機。它已經完成過飛行迎角達74度的赫布斯特(Herbst)機動。

最著名的過失速機動則應該是俄羅斯的蘇-27飛出的眼鏡蛇機動,它曾經讓全世界的人震驚。

突破音速被稱作突破「音障」;飛行速度提高到馬赫數大於3之後,克服了高速帶來的高熱問題,被稱為突破「熱障」;如果成功的超越了失速迎角,也就突破了「失速障」。  

7 過失速機動 -參考資料

http://bbs.tiexue.net/post2_2134623_1.html
http://www.blogdriver.com/371/242696.html

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