2009年3月20日星期五

美军资深试飞员详解F-16战机飞行控制[图]



F-16Block52型战斗机



F-16C单座战斗机


作者 乔·比尔·佐登——资深实验试飞员

F-16现在已经大量进入现役了,我们原本早该让关于F-16可以怎样不可以怎样的那些传言停止流传了。要想完全了解F-16,第一号飞行手册是首选的起点。一旦你已经消化理解了它的内容,再看看这篇文章将有助于你填补一些空白。我的本意就是尝试澄清一些灰色区域并指明某些即便是你已经飞过战隼也可能没有注意到的事情。
  如果你试图用一句话来总结F-16,你会发现这几乎是不可能的。我努力用四个词来总结它,这四个词都是以字母‘D’开头,表示F-16是这个词代表的那样或者不是这个词所描述的那样。飞F-16不困难(not difficult),F-16不是离经叛道的那种飞机(not devious),还有F-16一点也不危险(certainly not dangerous)。F-16只不过是与众不同(different)。如果你是一个研究飞行历史的学生(或者也可能是一个非常有性格的资深中校),你可能会回忆起关于上世纪四十年代末五十年代初喷气动力飞机开始取代螺旋桨飞机时许多由于紧张而湿透的手心。这种感觉来自活塞发动机与喷气发动机巨大的差异需要飞行员加以克服。是的,这种差异提供了一面镜子。一旦你已经理解了F-16的实质,你会明白它和紧跟在它之前的飞机(比如F-15,F-14,F-4,F-8,MiG-21,幻影III,等等)之间的进步比F-80,F-84,F-9F以及P-51,P-47,F-4U当中任意两种飞机的进步要大的多。一旦你可以在你的大脑的核心记忆里植入这种不同,你将开始明白为什么F-16在完成某些事情的表现是如此出色而对于某些你让它从事的事情它又是无法完成。在这篇文章中,我说说F-16的飞行控制系统。后续的文章里会再分别聊聊F-16的空气动力学,发动机特性,还有驾驶舱。在这个过程当中,你将会更加了解和欣赏这种神秘的‘电子飞机’。

 飞行控制系统是‘电子飞机’这个绰号的来源。F-16里的飞行控制系统与任何一架你曾经飞过的现役飞机都不一样(再次强调)。这一点值得再重复一遍:F-16的飞行控制系统与任何一架你曾经飞过的现役飞机都不一样。

  不同之处在哪?在过去,任何时候你移动驾驶杆(或者——但愿不会是这样——是操纵杆[译注:这里的操纵杆的原词是‘yoke’,个人理解可能是专门指运输机、直升机等非战斗机的驾驶杆,这句话表达了作者对没能驾驶战斗机的飞行员的无限同情],你会在飞机控制面上得到相应的响应(只要你不超出系统铰链力矩的限制)。在这种情况下,取决于飞行速度,重心,或者挂载配置,你得到的响应各不相同。这种现象不会在F-16身上出现。你仅仅需要考虑的是你正在移动控制面。实际过程中,根据你移动驾驶杆的猛烈程度,电脑会定位控制面以产生你需要的滚转速率或是g值。举个例子,两磅的拉力或者是推力可以在600节表速时将水平尾翼移动0.2英吋。而同样是两磅的力量在180节表速时可以将水平尾翼移动6英吋。在某些情况下,两磅的力量可以将水平尾翼拉到死锁。在随便一个空速上,两磅的力量可以给你带来0.6个G。

  只有在(1)飞机的全部重量落在支撑的机轮上,关闭开关(也就是说,你正呆在地面上);(2)当你打开手动俯仰修正开关然后向俯冲推杆;或者是(3)在手动俯仰开关打开的状态下,飞机的攻角大于29度,然后你再拉杆时你的力量才是直接作用于控制面上。作为电脑决定控制面运动方向和大小的结果,在整个飞行包线内F-16对你相同的驾驶操作给你同样的驾驶反馈。这只是你将会看到的由于指令系统电子化带来的结果之一。

由于是黑匣子在真正控制F-16的飞行,我们可以指示它不要进行指定G值,攻角,或是滚转率的动作。它将几乎没有差错地执行这些指示。少数意外也就是你为什么能够听说过一些关于F-16的恐怖故事的原因。但对此我已经实现了自我超越。

  我曾经听说过这样的正常反应:“我的飞机上不需要对G值的限制!如果我想拉10甚至是11个G,我不想被限制在9个G!”

  现在,让思考暂停一下。尽管在某些场合下这是对的,但这样的场合也是很少见的。告诉我一种其它的曾经可以让你轻轻松松拉出9个G的飞机。在你思考答案时我可以等你。

  在你思考的同时,考虑一下这样的场景:我们都用400节的真实空速向下垂直俯冲。你用10G拉起,而我用9G拉起。你将比我快一点大约在经过160英尺后恢复水平飞行。由于很少(如果有的话)有人有如此敏锐的感觉器官可以让其在开始拉起后的160英尺里(大约0.2秒)有更长的反应时间,9G和10G的差别很快就只剩下理论上意义。

  这当然还有能量损失率方面的考虑。当你持续增加攻角以达到更大的G值,拉起动作有时会导致越来越大的空速损失率,正如在任意给定时间段里产生的平均G值要比你一开始就用小一点的G值开始(并且保持)要小的多。如果你深入到工程学领域,你会发现当前的限制G值非常接近于当前你所能得到的飞行控制系统技术和F-16空气动力学的最佳值。因此,这一限制值所要保证的,是输入最大的控制量,产生最佳的飞行性能。

  对于F-16的G值限制,你相应地可以获得在操纵飞机时不用担心操作过度破坏飞机的好处。做为结果之一,这种飞机在机动初期所做出的动作令人惊讶。在惊人的短时间内,你可以获得比其它人所允许的更大的G值。并且你还可以在接下来的几秒钟内再加上一到两个G。如果你要在其它飞机上按这个节奏飞,你只能是让你飞的飞机成功散架。此外,电子飞行控制系统的攻角限制器不会让你把飞机拉到会给你带来麻烦的攻角(只是非常接近)。但是,在外部挂载方面它与你过去习惯的飞机没有什么区别。你还是必需在第一到第三十四号飞行手册上跟从前一样花大功夫。

  由于战斗机历史上在高攻角和高滚转率时发生了一些有趣的事情,我们也要指示电脑在飞行包线的特定部分限制可用的滚转速率。这导致F-16只能在第一个90度的滚转中达到每秒324度的最大滚转速率,然后由于攻角增大或是气动配置改变(比如,三类挂载开关)的原因降低最大可用滚转速率。飞行控制系统要检查一系列的飞行参数并决定允许进行多大速率的滚转,我在这里没有时间对它们一一举例。(相信我的话,尝试从整体上理解飞控制流程图就可以让任何人明白这个过程。)

  在某些人告诉我我曾经听说过的一些事情之前(更明确地说,“我的T-38每秒可以滚转720度”),让我们开诚布公地确认一些事情。首先,那是一个假数据。T-38的实际最大滚转速率几乎只有这个数据的一半。就算是这样,它还只能是在最理想条件下的第三个连续的完全偏航的滚转时出现,并且由于实在是太快了而没有什么实际的用处。相反,想象一下:F-16做90度倾斜转弯的速度跟你飞奔的速度一样快。尽管在飞行包线上的一些区域电脑将F-16的滚转速率限制在每秒100度,在相同的条件下,对于你可能遭遇到的对手,你还是拥有接近两倍的有效滚转率。任何第一次看到F-16盘旋的对手都会感到吃惊,在可以预见的未来很显然当前限定的G值和攻角都不会影响你可能会遭遇的战斗。但在我们继续其它内容之前,我还要对这个与众不同的飞行控制系统说上几句。

  回想一下这是一个比例指令系统,而不是那种你曾经飞习惯了的传动系统。在传动系统中,我们都习惯了速度改变时不同的响应反馈。因此,我们都成为了采样一族,通过检查我们自己还在控制着我们飞的飞机而让自己感到安心。我们几乎是在潜意识里做出这样的举动并且如果没有人指出来就不会知道有这样的习惯。当飞行速度降到下限时,我们试图验证我们还剩有足够的控制能力完成降落。当我们飞密集编队的时候,我们脑海里试图验证我们还有足够的控制能力防止撞到长机。还有,因为所有的传动系统都有一个很小的死区需要我们克服,我们试图反复验证哪里是死区的终结哪里是控制起作用的地方以让自己心中有数。在一些飞机上,我们试图通过驾驶杆的圆周运动以期将静态摩擦力减少到一个很小的级别。你可能不知道这些采样现象,但我们不同程度都有这样的做法。

  现在,进入了F-16的机舱,在比例指令系统的良好支持下,只要飞机物理上能够飞行俯仰和滚转响应可以保持常量。在将来,F-16会有微乎其微或是根本没有死区。同样,由于我们不再机械地移动任何东西,也就不要再考虑静态摩擦力了。所以上述内容的核心思想是:如果你不想让F-16移动,就不要碰驾驶杆!这里的意思不是说F-16太古怪。正相反,它仅仅是一架反馈非常灵敏的飞机。克服验证的冲动否则你会得到成倍的反馈。这看起来是一个很小的要求,但要改掉老习惯很难。所以要注意你飞F-16的方式。通晓如何运用你操作的驾驶杆并知道飞F-16难在哪里方便在哪里将会有所帮助。记住,如果一个修正动作是必需的话,不要害怕移动驾驶杆。但如果你不想让F-16移动,不要移动驾驶杆(也就是说,不要采样)。

了解这种比例指令系统的两种工作方式也是非常。换句话说,如果你移动驾驶杆,你会得到飞机的响应。但反过来说,如果飞机移动了而你并没有进行这样的操作,飞行控制系统将会试图抑制这种移动而不需要你的任何干预。这一系统与某些你曾经在以前的飞机上看到的增稳系统没有什么区别,差别仅仅是在它更加可靠而已。要比你曾经见过的任何一个都强大。这套系统相当于一个800磅的大猩猩,而不是你在以前飞机上看到的小松鼠。你们如果有人用心研究过控制系统将会发现在其它飞机上曾经看到过这套系统的零碎部分。F-111(我们的另一种飞机)具有些比例系统发展过程中的轮廓。F-15特别是F-18分享了大量它的设计概念。但是,它们在飞行基本控制方面都没有达到F-16的境界。

  其产生的结果之一就是F-16在高速和低空表现出极佳的飞行性能。一旦有任何的紊流对F-16形成了干扰,飞行控制系统几乎是你能意识到之前就会做出修正。这种自我调整的功能就是你在跑道上滑行时可以看到的水平稳定器产生大量的摆动。飞行控制系统没有从你那里得到任何的输入,但它可以感觉到你在滑行道上滑跑时由于颠簸产生的移动。因此,你所看到的现象就是飞行控制系统试图‘摆平’滑行道的努力。这同样是为什么在你试图做出精确度数的滚转时你需要做一个修正动作来阻止滚转率的保持。

  这一自动调整功能的一个小缺点表现在上面谈到的滚转反向修正上。你会想起先前我们说过关于这个飞行控制系统与你之前使用的系统是如何的与从不同。在你完全熟悉这种与众不同的飞机之前完成一个流畅的滚转动作需要你集中全身上下的精神。你要做的仅仅是产生一点点的滚转初始量。由于F-16的滚转加速度是如此的出色,你只要在潜意识里这样做就好了,如果你快速果断地做出这个动作,在几秒钟里你就要准备好每分钟滚上900万圈了。滚转速率在自然条件下是越来慢的。在传统的飞行控制系统上,我们只要减少驾驶杆偏移的位置。要停止滚转,我们只要放松驾驶杆让它在自动回中力的作用下向中心位置靠近(换句话说,也就是副翼偏转量减少),于是慢慢地滚转速率就降到我们要求的大小;接下来我们再施加足够的力量将驾驶杆保持在新的位置。这时候我们就一点都不能放松驾驶杆。而在F-16上,这样的动作就足够让自动调整功能停止整个滚转过程。(记住,你并没有直接操作控制面偏转的方向和大小。)滚转速率降低的过程同样也很快;因此你的身体和手有意识的伴随飞机运动的动作可能会在无意中在驾驶杆上产生输入信号。

  直到在我们适应了这个飞行控制系统之前它都会导致一些十分糟糕的滚转动作。你需要做的是(1)学会用驾驶杆上细微的力量变化调整滚转速率并且(2)摆脱你以前形成的驾驶杆位置暗示。一旦你可以让自己自如地运用细小的杆力变化控制滚转速率,你就能够做出流畅的滚转动作。尽管控制力与滚转速率的比值是线性的但并不是一个常量。斜率曲线有两段截然不同的变化。这是为了确保飞机对微小的控制输入不至于太敏感,同时对产生最大控制量所需力量的要求也不至于太高。那些精力旺盛的工程师们同时还对小控制量滚转和大控制量滚转使用两种不同的滚转时间常数。所有的这些知道一下当然更好。但是如果你简单地注意一下你用来操作驾驶杆的力量大小,你也就能够在F-16上做出非常漂亮的滚转动作。

  到现在为止我确定你们所有的人都会问为什么必需使用这种截然不同的飞行控制系统。好的,这种自我调整功能就是F-16使用这一飞行控制系统的主要原因。它允许飞机设计上使用全新的和截然不同的空气动力学原理。(原文载于美国Code one杂志。翻译:无定河边骨)

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