http://www.fyjs.cn/bbs/read.php?tid=81800
图片：
过失速机动的现状和发展趋势
Status and Trends of the Post Stall Maneuvers
摘要：过失速机动是一种机头指向与飞行轨迹解耦的机动方式，可以增加飞机格斗时的攻击机会，该文介绍了过失速机动的发展历史和现状，并对实现有实战意义的过失速机动的关键技术及其发展趋势做了分析。
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间里，战斗机空战仍不能避免进入视距内的格斗。现有的近距格斗导弹具有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能达到的最大升力系数和失速攻角基本已经达到极限，很难使飞机的常规机动性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甚至越肩攻击的能力，但是在发射初段使用推力矢量进行机动会极大的消耗火箭能量，使导弹的射程明显减小，所以使飞机的机头快速指向目标仍然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，极大的提高了机头指向目标的速度，可以大大增加战斗机在格斗中的攻击机会。研究战斗机过失速机动能力的实现，减少进行过失速机动的限制条件，具有十分重要的现实意义。
一、有限的过失速飞行能力阶段
虽然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[1，2]于70年代提出的，但是同时期研制的第三代战斗机并没有以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音速格斗机动能力，在设计上对大迎角飞行性能作了较多的考虑，所以有部分型号具有有限的过失速状态飞行甚至做一些机动动作的能力。
1.F-14战斗机
F-14是1970年底首飞的世界上第一种第三代战斗机，它由格鲁曼公司为满足美国海军70-80年代的舰队防空和制空作战要求而研制。由于F-14的研制年代较早，该机在研制阶段尚没有过失速机动理论，飞机的设计最大飞行攻角为30度。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达到攻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攻角而不会进入危险的飞行状态，有记录的试飞员故意进入的瞬态攻角高达77度，并且曾经在垂直科目中经历±90度攻角而仍能安全退出，这种瞬态的过失速拉起动作可以说是由F-14而非Su-27首创。F-14可以进行稳态飞行的攻角也明显超过了飞机的失速攻角，攻角在40度-45度之间仍能保持稳定的亚音速飞行。该机不但可以完成对称的过失速拉起动作，而且可以通过杆舵的协调操纵进行大攻角的绕速度矢量滚转，不过在大攻角时机翼外段失速，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很严重的不利偏航，所以这种滚转操纵实际上主要是方向舵在起作用，值得注意的是设计合理的方向舵往往直到很大的攻角和很低的空速仍然有舵效[3,4]。
尽管F-14的大攻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标准的空战战术在实际作战中使用，其中的原因一方面是由于舵效不足造成大攻角动作比较缓慢，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，它虽然能完成一些攻角很大的动作，但是在中等攻角范围存在抗偏离能力较弱的区域，这使该机故意进入过失速状态存在不安全的隐患。
图片：
图片：
图片：
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由于一些空军看重的性能不如通用动力公司的YF-16而未能中标。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攻角气动研究上有十分丰富的经验，飞机的大攻角飞行性能极其优异，在试飞中达到了63度的稳态飞行攻角，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优秀的大攻角飞行能力，具有大约55度攻角的配平能力，瞬态可以进入60度以上的攻角，远远超过了37.5度的失速攻角，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攻角的滚转动作，不过F/A-18的大攻角平尾舵效很高，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飞机的大攻角飞行比较安全，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有意造成一定侧滑产生轻微偏离，使飞机可以更快的滚转，因为即便差动平尾舵效较好，大攻角的滚转率仍然是不理想的。但是F/A-18在50度以上攻角时存在上仰失控和进入“落叶飘”模态的风险，这种情况改出非常缓慢，损失较多的高度，对F/A-18飞机进行大攻角机动造成了限制[5]。
3.Su-27战斗机
Su-27是最著名的可以完成过失速飞行的第三代战斗机，该机经常表演的“眼镜蛇”动作具有极高的知名度，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。但是该动作的进入条件极为苛刻，对飞机的速度，油量，重心位置，油门位置都有一定的要求，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度-60度攻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，进入大攻角区域后，平尾逐渐失去舵效，因此整个进入过程飞行员无法进行控制，也没有时间反应，而在动作的退出实际上是动作达到顶点时气动力的作用自动开始的，而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攻角，还必须控制油门以推力差纠正偏航，并不能随心所欲的进行[6]。
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，Su-27飞机正常使用的攻角也被限制在不到30度，只能认为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
从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。在这个时期使用了X-31，F-16MATV，F-18HARV和YF-22等验证机，进行了大量的试飞研究工作，获得了很多过失速机动的关键知识，发展出实用化的过失速机动。这其中最重要的是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速度矢量滚转完成180度转向的“赫伯斯特”机动的四个阶段扩展过失速机动研究[7]。
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度攻角的稳态飞行和60度攻角绕速度矢量的滚转，该机在使用推力矢量时可以在过失速状态控制俯仰角和攻角误差在0.5度以内，即使不使用推力矢量，仍能控制在1-2度，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每秒20度到30度。[8]
F-22飞机在大攻角俯仰操纵上使用平尾与推力矢量结合控制，而大攻角滚转中，使用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[9]。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攻角飞行的“猫鼬”动作和难度最高的“赫伯斯特”动作。值得注意的是今年早些时候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。
图片：
图片：
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的优秀大攻角飞行能力，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一定外挂不对称力矩和空速范围以内，飞行攻角和各轴向操纵完全没有限制的战斗机[10]。
图片：
3.Su-30MKI战斗机
Su-30MKI是出口印度的Su-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Su-37原型机坠毁后，Su-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，而且与Su-37一般只表演对称的过失速动作不同，Su-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，显示在过失速控制方面有了明显的进展。Su-30MKI在表演“锥子”的时候完成比较干净，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，目前还没有解释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。
4.MIG-29OVT试验机
MIG-29OVT是用MIG-29改装具有全向推力矢量喷管的发动机而成的试验机，目前米高扬方面也有将其称为MIG-35的说法，但是要作为全状态MIG-35原型机可能还要对机载设备做更多的改动。MIG-29OVT在过失速机动的表演上较Su-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Su-30MKI显得更紧凑。在今年的范保罗航展上，MIG-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巨大的突破。
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
飞机在试飞过程中也通过改装后边条增加大攻角低头力矩，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，希望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，就如F/A-18E/F所表现出来的那样，如果要求不是太高不一定非要使用推力矢量。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，也就没有需要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
从这些有过失速机动能力的飞机试飞结果看，使用推力矢量对提高俯仰速率，滚转率等有明显的好处，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Su-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重量和复杂性，提高了成本，对于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大攻角飞行的要求，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。飞控系统的硬件响应和精度也有较高的要求，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[12]，如果没有好的飞控硬件也是无法满足的。
4.过失速机动的发展趋势
过失速机动的发展方向的一个方面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，因为飞机迅速增加攻角时，动升力明显大于同样攻角的稳态升力，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，对于去的近距格斗的优势有重大影响，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，在新一代战斗机的研制中应该可以应用这一技术，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]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.Su-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）
目前本文在中国期刊网有电子版下载，发表于《航空科学技术》2006年第5期，不过发表的版本被删除了配图
博文
没有评论:
发表评论