組圖:美空軍F22猛禽性能優勢分析續

發表：2006-03-21 23:34

橫向品質與控制

　　根據經驗和已知的信息，大多數戰鬥機住迎角25－35度之間其橫向穩定性會急劇下降。如果希望進行過失速機動，這是一個必須解決的問題。在早期試驗中，F一22也有同樣的問題，大約任30度迎角附近會出現側滑。這雖然比設計人員期望的值要大，但也表明該機的安定性比預計的小。

　　要解決這個問題，必須首先確定大迎角下橫、航向控制手段。

　　和習慣忡的想法不同，大迎角下最有效直觀的控制手段是方向舵，而不足常規飛行狀態中使用的橫向控製麵(包括副翼、差動平尾等)－－除了 F-22聯合試飛隊外，來自F一16／MATV試飛員的結論也確認了達一點。不過，F－16／MATV的垂尾是按照常規設計，其方向舵在較大迎角時已經失效，控制能力來自於矢量推力噴口；而F-22的方向舵鉸鏈線明顯前傾，使之在所有迎角下都有一定的控制能力，並且存迎角40度左右效率最高。

　　同樣，大迎角航向控制也不再是傳統的方向舵，而是原來的橫向控製麵。在包括F一22在內的多個大迎角驗證試飛計畫中，試飛員就已經發現，人迎角下的滾轉機動看起來更像純偏航輸入。這情形其實有點類似一戰時期的戰鬥機，那時的設計理論遠未完善，剮翼偏轉時產生極大的偏航力矩，使得飛機首先完成偏航機動，然後才是滾轉機動。當然，達兩種情形只是現象類似，本質卻完全不同了。對於F一22來說，利用差動平尾進行偏航控制並不是什麼新技術，早在1990年YF－22試飛時就已經採用了。不過在試飛中仍然發現，迎角超過50度以後，飛機平尾的控制負荷較重，在飛控系統指令下頻繁進行差動偏轉，以保證飛機穩定性。在對大量試飛錄像進行研究之後，設計人員得出結論：這是由于飛機橫側氣動力差異大於預期值造成的。

　　對於控制問題，設計人員沒有更改氣動設計而是通過改進飛控軟體(主要就是改進控制律，使之和飛機的氣動特性能夠完全匹配)來解決的：在 F一22第一次軟體升級時更換了新的飛控軟體，改善了F一22的安定性問題，現在的F一22在進入25∼35度這個迎角區域時，不會在操縱品質上有任何改變。而人迎角下平尾控制負荷重的問題，也隨著飛控系統升級而得到圓滿解決。

　　俯仰控制

　　要完成過失速機動，良好的俯仰控制能力必不可少。當飛機超過失速迎角後，傳統氣動控製麵效率明顯下降，此時的俯仰控制能力主要來自於推力矢量控制。需要特別指出的是，這裡的俯仰控制能力並不僅僅是指飛機的俯仰率大小，還包括俯仰軸上機頭精確指向能力和穩定機頭指向的能力。對此，瓊．比斯雷說：「飛控系統結合推力矢量控制，賦予猛禽充分的俯仰控制能力。當我們在大迎角卜改變機火指向時，俯仰控制一直反應良好。我們在 35000英尺急劇拉起，此時俯仰率超過每秒40度。如果在低空，這些眼鏡蛇類的機動會更加驚人，在那裡我們會有更多的剩餘推力用於推力矢量。迄今為止，我們的所有大迎角動作都是在30000英尺以上完成的。」

　　由這段話我們可以看到，F一22具有較大的俯仰率，如果考慮到這個俯仰率是在95000英尺高度獲得的，那麼這個表現是相當不錯的－－在經典的眼鏡蛇機動中，蘇一27最大俯仰率可以達到60一70度／秒，雖然由於高度不同而不具備可比性，不過後者完全依靠氣動作用實現如此大的俯仰率，蘇霍伊的氣動設計功底可見一斑。需要注意的是，F一22此時的俯仰率主要得益於TVC，因此可以持續提供較高的俯仰率；而蘇一27在眼鏡蛇機動中，只能在動作初期達到較高的俯仰率，動作後期實際上是靠前期產生的巨大慣性將前機身「甩」上去，整個動作基本上不受控－－因此，也有人認為眼鏡蛇機動不算是真正意義上的過失速機動，而只能說是動作中的迎角超過了失速迎角。

　　對於俯仰軸上機頭精確指向能力和穩定機頭指向的能力，瓊．比斯雷只用了一句話概括「俯仰控制一直反應良好。」如果我們對比F一 16／MATV試飛員的談話，會發現更多有意思的東西：「俯仰控制動作不僅有效，還有充分的俯仰率余量，使得飛行員在85度迎角以下的任何位置都足以控制機頭。如果飛行員急劇拉桿到後限，飛機可以很容易就超過100度迎角。在我們早期包線擴展試飛接近結束的時候，F－16／MATV驗證了這種能力。在60 度迎角穩定住飛機後(這只需以很小力量向後拉桿)，我迅速向後拉桿到底，飛機迎角增大了30多度，接近100度迎角。只需輕微前推桿，我就可以恢復到60 度迎角或者我希望的任何俯仰位置，偏差只有1－2度。我們曾經令飛機進入90度仰角，而並未留意速度損失情況，因為我們確信可以在任何速度下控制機頭指向。即使當飛機倒飛下墜時(迎角為一90度)，我們通過前後推拉桿仍然能夠精確控制機頭位置。

　　如果你想要很高的俯仰率、俯仰姿態變化或者指向能力，F一16／MATV都可以做到。」雖然在時間上F一16／MATV是和F一22並行的驗證計畫，但前者主要是針對多軸TVC技術，而在俯仰軸控制上並沒有什麼特別之處。有理由相信，F一16／MATV能做到的，F一22也能做劍一在公開的F-22試飛錄像上同樣可以看到這一點。

　　說到這裡不得不提一下矢量噴口的跟隨性，因為這對丁利用TVC進行精確控制是非常重要的，雖然沒有試飛員提及這一點，不過在當年YF一 22因為「飛行員誘發振蕩」而撞地的事故錄像中卻看得非常清楚－－那段錄像恰好是從機尾拍攝的。在錄像中可以看到，矢量噴口參與了飛控系統對飛機的配平工作，和平尾同步頻繁偏轉，動作滯後量很小。相比之下，蘇一37的矢量噴口偏轉要慢一些，能看得出明顯滯後－－在表演錄像上，飛行員在地面偏轉操縱面檢測功能時町以看到：平尾首先偏轉到位，穩定，然後矢量噴口才轉到相應位置。雖然這種滯後無礙於蘇一37完成「伏羅洛夫法輪」等動作，但能否完成飛機精確控制就難說了。

　　負迎角

　　作為包線擴展試飛的一部分，F一22進行了負迎角試飛。根據試飛員的說法，試飛中最大負迎角達到-40度(可能是拍攝角度的關係，從錄像上看迎角大約有一60度)。在前期試飛中，在一30度迎角時出現較大側滑(這一點倒是和正迎角狀態相同)，在第一次飛快軟體升級時也針對這個問題進行了改進，現在側滑已經小得多了。整個試飛過程中沒有出現其它異常情況，試飛結果和設計人員的預測非常吻合。

　　對於負迎角飛行能力可能帶來的戰術優勢，筆者目前尚未看到官方的觀點。但就個人理解而言，負迎角飛行能力是對複雜的過失速機動的有力保障。人類飛行剛剛開始進入過失速領域，還有很多領域需要摸索。對於過失速機動能力的戰鬥機，飛行員敢不敢在實戰中應用這種獨特的能力，決定了飛機效能的發揮。如同米格一21和F一5E的對抗一樣：在性能指標上米格-21並不遜於F一5E，但這種飛機的飛行品質不如後者，「在大機動中可能失速進入螺旋」的意識使得飛行員難以將飛機的性能發揮到極致。但F一22就不一樣了。看到F-22穩定地將機頭推到預定的負迎角，任何人都會感到震撼。對於這種在正負超大迎角範圍內都可以進行穩定可控飛行的飛機，每個飛行員都不吝於充分發揮它的潛力－－自第三代戰鬥機開始，很多新機型都號稱具有「無憂慮飛行能力」，但那是通過電傳飛控系統限制飛機動作，避免進入危險區域來實現的，而到了F一22才算真正實現了「無憂慮飛行」，困為對它而言幾乎沒有什麼「危險區域」。

　　△最小速度

　　F一22已經完成了0空速試飛。這對於現代戰鬥機來說算不上什麼值得誇耀的能力，F一16、蘇一27等第三代戰鬥機在進入尾沖。鎯頭等機動時都會進入0空速狀態。真正有意思的東西在後面－－瓊-比斯雷提到「在所有機動中，猛禽反應良好。在空速20節時機頭仍然可挖。飛機在0空速下的運動是可知的。在垂直爬升0窄速狀態下，飛機甚至可以自動緩慢恢正飛狀態。在0空速或其附近機動由于飛機受重力和慣性控制，通常會沿垂線快速飄擺。在很多現代戰鬥機上，這個運動通常是鐘擺機動的開始，然後接一個垂直斤鬥。而對於猛禽而言，機頭可以很容易地穩定在向下位置，沒有明顯擺向另一側的趨勢。」

　　看出來了嗎?這段話有兩個意思：1.即使在包線最左端，F-22仍然具有穩定飛行的能力，而不會突然失控；2.F-22伍包線左端仍具有可靠的機頭指向能力－－這對於過失速機動的最終成功非常關鍵。對於第一點，大部分第三代戰鬥機(特別是第三代後期)都具有這種能力。但對於第二點，在包線左端氣動操縱面已經失效，沒有TVC的第三代戰鬥機只能依靠自身的氣動特性保持穩定墜落，直至速度增大恢復機動能力為止－－而在這段時間裏，目標可能早就飛出己機的攻擊區了。以蘇一27來說，如果它的眼鏡蛇機動真的非常幸運地迫使對於衝前，那麼只要對手有足夠的能量作高速向上機動，蘇一27是一點辦法沒有，因為已經沒有能量供其跟隨機動了，而且此時蘇一27的速度還在200公里／小時左右，如果在0空速附近，等加速完畢目標早就不知跑劍哪裡去了。但對於 F一22來說，這一點就不必擔心了，TVC足以保證其完成精確的機頭指向－－唯一遺憾的是F一22的推力矢量控制能力僅限於俯仰軸和橫軸，而航向軸仍然依賴於氣動操縱面，在0窄速狀態下是無能為力的雖然可以利用雙發推力差產生控制力矩，但發動機控制的滯後使得這種控制手段還無法適應精確靈活的控制模式。

　　△發動機失速

　　發動機是所有飛機的基礎礎，不管你想讓你的飛機幹什麼，不管你的飛機設計如何出色，失去了發動機的動力，就只有一個結果－－廢鐵一塊。 AL-31F發動機之所以名頭如此響亮，很大程度上得益於1988年那個震驚世界的「普加契夫眼鏡蛇」動作。能夠在如此惡劣的情況下仍穩定工作的發動機，其自身的可靠性不用說是相當高的。

　　那麼F一22的心臟－－F119-PW一100的可靠性又如何呢?按照瓊．比斯雷的說法，F一22在所飛過的每種條件下(包括0空速) 都進行過發動機測試，油門從軍用推力猛地推到全加力，然後迅速拉回。除了正常的油門變化外，他們還在油門過渡頂峰狀態加入快速橫側操縱輸入，以便利用液壓泵儘可能多地分享發動機功率，加大發動機的負載。即使在這樣的條件下，發動機仍然正常工作。對于飛行員來說，這實在是一個福音：F一22的設計保證了幾乎在任何狀態下都不會失控，變成一個瘋狂旋轉的陀螺，但一個在穩定可控狀態下撞地的鐵塊實在比一個失控的陀螺好不到哪裡去；而F119可以解決飛行員在這方面的顧慮。F一22最終實現「無憂慮操縱」，發動機是關鍵之一。

　　△蘇-37和F一22

　　當今世界，敢跟F一22在過失速領域叫板的飛機並不多。而最常被人拿來對比的恐怕就是已經不復存的蘇-37了。

　　這兩種飛機的氣動設計都非常優秀，具有保證飛機進入過失速領域的潛力。蘇一37的矢量噴口使它增強了俯仰軸和橫軸上的控制能力。但如前所述，蘇一37的矢量噴口在控制方面似乎有一定的滯後性(這一滯後性可能是由其轉動機製造成的)，若判斷無誤，那麼這一缺陷可能會影響到利用推力矢量對飛機進行精確控制(例如配平和大迎角下增強飛機穩定性的控制動作)，但對於持續性人動作量機動的控制並無影響(包括法輪機動在內)。此外，蘇-37沿襲了蘇一27的基本設計，而蘇一27在設計時並朱考慮到超人迎角下的方向舵效率問題，超過一定迎角後方向舵同樣會失效－－在眼鏡蛇機動中，為了抑制動作過程中不對稱機頭渦產生的偏航力矩，蘇一27系列飛機都是採用發動機推力差來加以控制，而不是方向舵，這是原因之一。從這個細節判斷，蘇一37似乎缺乏人迎角下的偏航控制能力(必須依賴發動機進行彌補)。

　　此外，對蘇一37的招牌動作「法輪機動」，實際上是從「眼鏡蛇」到「尾鉤」再到「法輪」，一脈動相承發展而來，其本質沒有多大變化：都是以飛機在超大迎角下穩定飛行的能力為基礎，利用超凡的俯仰控制能力將機頭快速拉起，通過30－60度迎角的不穩定區域；對丁蘇一27而言，此後的動作完全靠飛機自身的氣動特性自動完成，而蘇一37由於有TVC，可以提供額外的俯仰力矩，使得飛機迎角繼續增大，完成法輪機動。但在整個動作過程中，飛機所受控制很少。除此以外，蘇一37也沒有更多的表演動作來證明其超大迎角範圍內的控制能力。就這一系列的戰術意義而言，除了極大的減速能力外，眼鏡蛇系列機動無法實現精確而穩定的機頭指向，而後者對於過失速空戰至關重要。蘇一35曾經在和蘇一30的空戰表演中，以一個尾鉤機動瞄準後方的蘇一30，以航炮將其「擊落」。考慮到尾鉤機動中飛機基本不受控，因此除非目標恰好飛到彈道上，否則幾乎不可能實現，這一戰術的表演意義大於實戰意義。

　　在筆者看來，F一22真正勝過蘇一37的就在於其超大迎角範圍內的穩定控制和機頭精確指向能力，而這正是過失速空戰所追求的：利用超大迎角範圍內的穩定飛行能力，快速改變機頭指向，完成武器系統的瞄準和射擊。但就像我們所看到的，F一22最終實現這些控制能力，主要是通過改進飛控軟體實現的。對蘇-37來說，要追上F-22並不是特別困難，需要的就是時間和金錢。

　　根據F一16／MATV計畫的驗證結果，飛行員在過失速空戰中更喜歡使用骯炮，而現役格鬥導彈難以滿足過失速空戰的要求。不過，隨著 AIM一9X導彈的服役，格鬥導彈距離進入過失速空戰的目標又近了一步－－看過AIM一9X宣傳錄像的人，都會為其迎頭鎖定、發射後轉向180度攻擊目標的能力驚嘆不已。想像一下，具有過失速機動能力的F一22配合改進後的AIM一9X，在格鬥中是個什麼樣的對手?

　　△結語

　　事實上，到目前為止，外界對F-22的瞭解仍然相當有限。上面的一些看法和推測，也只是從對F一22試飛員的採訪中獲得的。如果真的要瞭解透徹現代化的猛禽，甚至要打斷F一22這桿高科技的「花槍」，恐怕我們還需要更多的努力才行。

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