青出于蓝歼10B的蛇舞玄机

2019-02-01傅前哨

航空知识 2019年2期

傅前哨

2018年珠海航展上，歼10B推力矢量技术验证机的过失速机动表演技惊四座。

“眼镜蛇机动”的意义

时钟拨回到1989年。在这一年的6月，苏联研制的苏-27“侧卫”战斗机首次飞赴西欧，参加巴黎航展，并在法国的天空上进行了公开的飞行表演，结果一鸣惊人。这架先进的重型战斗机以其新奇的“吊钟”式机动和独门绝技“普加乔夫眼镜蛇机动”惊呆了记者和观众，令军界和航空界人士为之叹服，从而一举奠定了它在第三代战斗机中领跑的地位。

推力矢量版歼10B在第十二届珠海航展上表演“眼镜蛇机动”与苏.27首次公开这一动作相隔了近30年的时间。那么，能否就此认为，我们用了如此长的时间才最终追上了苏-27的水平，在自主研发的国产战机上再现了这一特殊的过失速机动动作呢？我个人认为，情况并非如此。

需要强调指出：歼10B推力矢量驗证机向观众展演的是真正的“眼镜蛇机动”，而苏-27所完成的仅仅是“眼镜蛇摆动”。“机动”与“摆动”一字之差，表明二者间存在着非常明确的区隔。它们的操纵方式、控制方法、依托的技术基础以及拓展的余地均不尽相同。从旁观者的角度看，“眼镜蛇机动”与“眼镜蛇摆动”的运动变化过程似乎没什么两样，但实际上前者是对后者的重大超越，意义非凡。

“眼镜蛇摆动”的过程

众所周知，苏-27战斗机成名于“眼镜蛇机动”（实为摆动）这一过人的能力和骄人的特技。其实，此项表演动作（或性能）不是由航空工程师们设计出来的，而是由苏-27的试飞员进行性能包线边界试飞和电气操纵系统测试时无意间发现并摸索完善的。它并非一个操纵时全程可控的动作，而是拉杆后自行完成的一个连续摆动的动作。实施过程中必须遵守特定的程序，努力保持平衡，不能逾越相关的限制条件，不得进行人为的干预（尤其要禁止横航向操纵），以免使飞机进入失速尾旋状态。

在做“眼镜蛇摆动”动作前，飞行员先驾驶苏-27飞机以320～425千米/小时左右的速度水平进入，且发动机需保持85%的转速。接着，关闭飞机的迎角限制器，断开机载电传操纵系统，改用常规的、平时用于备份的应急电气操纵系统。完成切换工作后，飞行员开始拉杆（此时，飞机接近于中立稳定状态）。当机头抬起20度时，再猛地将驾驶杆拉到底（抱在飞行员的怀里）使飞机在2～3秒钟的时间内猛然上仰至115度左右，形成短暂的机头在后，而机尾在前的“直立”平飞姿态。伴随着这一过程，机体会产生剧烈的抖动和侧向的晃动，但达到115度迎角后，抖动和晃动便自动消失，进入极短暂的静止状态。此时，飞机的姿势类似于机头向上的尾冲状态。随后，苏-27自动低头、改出，在约2秒的时间内下俯120～140度（不是人为推杆操纵，而是由飞机自动完成）。当迎角减小至20～30度时，接通电传操纵系统和迎角限制器，转入正常驾驶方式。飞行员操纵驾驶杆，使飞机恢复到水平的状态。整个摆动的过程，也就历时5～6秒，机动过载约为3.5～4g，其飞行高度变化不大，但飞行速度则急减至150千米/小时左右。

由于该动作结束之后的飞行速度小于苏-27的最小机动速度，飞行员必须在稳杆的同时，加大油门，迅猛增速，在脱离危险区间的同时积累能量。

“眼镜蛇摆动”的原理

苏-27飞机不依靠推力矢量喷管而能完成“眼镜蛇摆动”动作，的确很了不起。那它是怎么做到的呢？这与该机的气动特性和飞行品质有关。

“侧卫”采用了当时比较先进的边条翼技术，能够充分利用边条产生的强劲脱体涡流给机翼增升，从而改善其大迎角机动性能。然而，旋涡在翼面上的生成、发展、破裂、飘移，对全机的升力、俯仰力矩以及纵向、航向、横向的安定性、操纵性影响很大，往往使飞行品质变差，人们不得不用复杂的电传操纵系统去适应它。可以说，离开了电传操纵系统的辅佐，飞行员很难在某些区间内驾驭这款战斗机。

苏-27的相关教程和大纲中规定，一旦电传操纵系统发生故障，飞行员可切换到电气操纵系统，利用该系统驾机返航。但此时对飞机的操控必须谨慎小心，杆量、舵量的幅度不能大，要柔和地将迎角控制在4度以下。

通过对上述操控情况的分析，不难得出以下结论：

首先，采用模拟式电传操纵系统的苏-27尽管已经放宽了静安定余度，但飞机仍被设计成静稳定的，只不过其纵向安定度比较小（该机的焦点位于全机重心之后，与重心的距离大约为平均气动弦长的1.5%左右）。否则，它不可能用一套与机械操纵系统类似的电气操纵系统作为备份。假如苏-27在亚声速状态下是静不安定的，那么，机械与电气操纵系统均无法适应这种情况，不可能用它们进行正常、安全的驾驶。

虽然名为“普加乔夫眼镜蛇”，但苏联第一个完成这个动作的是试飞员伊戈尔·沃克。沃克1956年加入苏联空军，1965年成为格罗奠夫试飞院的试飞员。作为飞行员。沃克拥有超过7000个飞行小时的经验。驾驶过80个不同的机型。1977年，沃克被选为苏联宇航员.并参加了联盟T-12任务。

其次，受边条脱体涡强弱、飘移、破裂等动态变化的影响，苏-27的纵向力矩曲线呈现出比较明显的非线性化特点，迎角在5度左右时，其曲线便会出现波折。到了大迎角区，该机纵向力矩曲线的非线性化更为严重，几乎完全上扬，处于发散的状态。其表现形式就是若没有电传操纵系统进行主动控制，使之恢复稳定，飞机将自动抬头、后仰，且难以收敛。即使飞行员已经判别清楚情况，使用推杆的方式，仍然难以让飞机依据操纵意图下俯，恢复正常。在某些情况下，由于飞机的状态已超出了电传操纵系统的适用范围，也会出现无法控制的现象。

再次，为保证良好的飞行品质和飞行安全，正常使用时，不允许苏-27的迎角超过某一特定值，其驾驶舱内装有迎角限制器（同样采用边条翼技术的F-16战斗机的限制迎角与之相当，在25度迎角左右）。这一装置并不是专门针对飞机的失速迎角而设的（边条翼飞机的失速迎角一般可达30～40度），主要是根据其方向安定性和横侧安定性边界确定的。其影响因素往往与边条脱体涡的上下左右飘移对各气动面如垂直尾翼）的诱导效应有关。当然，机身、机翼、襟翼对平尾和垂尾等控制舵面的遮蔽干扰，也不能忽略。

“眼镜蛇摆动”的实现虽与飞机的动力系统有些关联，但和推力矢量技术无关，它基本上属于一个纯气动的问题。苏-27所完成的“眼镜蛇摆动”虽然很惊人，但如果仔细推敲，便会发现，它没有按套路出牌：虽然该机也利用了其气动特性上的优点（比如涡升力大、失速迎角大、升力线斜率高等），但主要还是利用甚至发展了某些气动上的缺点（比如纵向力矩曲线的非线性化），并且在实施时敢于冒险，突破制约，最终达成了化害为利的目的。从某种角度讲，正是将苏-27的气动限制放开，将缺点放大，才创造出了神奇的“眼镜蛇摆动”动作，将不可能转变为可能。

推力矢量版歼10B的特点

歼10B推力矢量技术验证机采用鸭式气动布局、“蚌”式腹部进气道、4余度数字式电传操纵系统以及国产的三元推力矢量喷口，就综合技术水平而言，要比苏一27高一筹。该机放宽了静安定余度，且是同代战斗机中放宽静安定余度最大的机型之一。在亚声速飞行阶段，飞机基本上都是处于纵向不安定的状态，完全要靠电传操纵系统自动调控舵面，使之趋于平衡。这一点是与苏-27存在差别的。因此，它没有设置普通的电气操纵系统，而是用一套模拟式电传操纵系统作为备份。实验和试飞表明，静安定余度放得越宽，飞机性能的提升就有可能更大。当然，无限制地放宽也不行，往往会带来一些负面的影响，这需要设计师们对放宽的幅度进行综合权衡。

新版歼10B验证机利用推力矢量喷管的偏转完成“眼镜蛇机动”，无疑要比苏-27依靠气动特性（纵向力矩的非线性化）改变迎角的方式要容易得多，也自由得多。与F-22的只能用于俯仰控制的二元推力矢量喷管相较，可全向转动的三元推力矢量喷管在操控方面当然也有优势。它能大大扩展飞栅性能包线左下角的边界，在中低空、中低速机动状态，飞行员几乎可以随心所欲地驾驶战机，而不怕进入失速螺旋等非稳态的状况。也就说，它在实施“眼镜蛇机动”时，没有太多的限制条件，中途可以进行三轴（横向、航向以及纵向）操纵，从而变换出其他的高机动或过失速机动动作。即使在此过程中，出现失稳等危险情况，通过偏转矢量喷管，也很容易改出。

由于多了一套推力矢量装置，因此新版歼10B验证机的操控系统更复杂，软硬件都需重新设计。歼10B是将火控/飞控/发动机控制系统综合为一体的，自动化水平相当高。增设推力矢量喷管后，需要把新的矢量控制融入该系统，实验、测试和软件编写的工作量相当大。其重点之一是让飞机的各个气动操控翼面的偏转与矢量喷管的转动协调运行，二者分工合作，以保证在不同速度、不同迎角、不同侧滑角和滚转角等状态下，均能对指令做出快速的反应，对飞机实施有效的操控。

1989年，普加乔夫驾驶388号苏-27戰斗机在巴黎航展上完成了眼镜蛇机动，“普加乔夫眼镜蛇”由此得名。

歼10B推力矢量技术验证机在准备做“眼镜蛇机动”之前，也要先断开迎角限制器，但不会将数字式电传操纵系统切换为模拟式电传操纵系统，因为无此必要。不过，要保证推力矢量喷管及其控制系统与飞控系统接通、交联，处于可用状态。

“眼镜蛇机动”有没有用？

尽管二三十年来，在航空界在军界一直在讨论苏-27创造的“眼镜蛇机动”（如前所述，实为“摆动”）的战术价值。许多专家认为，“眼镜蛇机动”可以称为“动力制动”。其战术意义在于：一旦被敌机咬尾，通过该动作进行“急刹车”，让对手瞬间前冲，从而变被动为主动。这一说法似乎有些道理。而另一种观点认为，做“眼镜蛇机动”时，飞机会猛然抬头，后仰，从而可以让战斗机向上发射导弹，攻击其上方的目标。这类设想看上去不错，其实毫无道理和根据。用空空导弹拦截敌方目标的前提是：发现目标、跟踪目标、锁定目标，构成发射条件后，导弹才能实施攻击。而这是需要时间的，在短短几秒钟的摆动时间内，如何能让机载雷达、光电探测系统或人眼快速捕捉目标，并稳定地跟踪目标？刚看到点影子，机头就晃过去了。那么停下来瞄准行吗？当然不行，“眼镜蛇摆动”就像荡秋千，只能往复摇摆，不可能随心所欲地驻止在某个位置上。

其实，根本不必争论。苏-27的“眼镜蛇摆动”对空战而言没有用。原因很简单：这个动作在航空兵部队中“不能用”、“不准用”！

试飞员可以尝试着玩花活，而苏-27飞行员则不允许越雷池一步。因为，要做“眼镜蛇摆动”动作前，需要关闭飞机上的迎角限制器和电传操纵系统，改用机载电气操纵系统，否则，飞机不可能完成上仰120度的摆动动作。不过，苏-27一旦突破了25度左右的迎角限制，便有可能立马陷入纵、横、航向静不稳的怪圈，遭遇意想不到的险境。

而更要命的是，飞机转用电气操纵系统时，受纵向力矩严重非线性化和全机安定度太小等因素的影响，要想保证安全，其实际使用迎角不得超过4、5度。即使如此，驾驶起来仍需小心翼翼，操纵动作不能太大。在这样的情况下，实施一个普通的机动都很难，何况要让飞行员完成“眼镜蛇摆动”这样的超级动作？从保证飞行安全的角度讲，不允许飞行员擅自关闭飞机上的迎角限制器、转换操纵系统是有道理的。

那么，采用推力矢量喷管的歼10B在进行超机动飞行时，是否也会受到诸多限制？当然会有，但不多。因为它更可控，更安全，操控的空间更大，机动的余地更大、机动的能力更强。我们不妨设想一下，在国产推力矢量战机进行“眼镜蛇机动”时，突然压杆、蹬舵，进行横航向操纵，会出现什么情况？可快速变换方向和姿态。例如，当上仰角达到120度时，突然滚转180度，战斗机的机头便瞬间指向后方了。

由此可见，对歼10B验证机来说，“眼镜蛇机动”真的有用。那么，航空兵部队的飞行员能用吗？当然可以，推力矢量喷管就是为实现此类超级机动准备的。

F-22的二元矢量喷管.之所以称之为“二元”并不是因为其只能上下偏转，而是因为该喷管横截面为矩形。同理，因为歼10B配备的矢量发动机喷管横截面为圆形，且能够360度旋转，所以称为全向三元推力矢量喷管。

有了推力矢量技术，许多过失速机动动作航空兵部队的飞行员都可以完成。他们做出的高机动、超机动动作便具有了不同的战术意义。空中作战，先敌发现，先敌攻击是战胜对手的先决条件。因此，近距格斗时，特别强调机头的快速指向能力，推力矢量技术正是帮助战斗机达成高机敏性、高机动性和超机动性的先进手段。

青出于蓝而胜于蓝

歼10B验证机仿“眼镜蛇摆动”而成就出的“眼镜蛇机动”，可称得上是青出于蓝而胜于蓝。单就此动作而言，目前世界上能与之比肩的仅苏-35等少数机型而已。

希望中国的飞机设计师和飞行员能够继承我军的光荣传统，发扬创新精神，在已取得成就的基础上进一步挖掘歼10B推力矢量技术验证机和其它国产先进战机的潜力，创造出独具中国特色的更多、更新、更好的超机动动作。

朝鲜战争期间，中国人民志愿军空军飞行员在战争实践中边学、边打、边练、边创，发明出了许多非常实用的空战战术和技术。志愿军飞行员根据米格-15喷气式战斗机的性能特点和操稳特性创造的，用于尽快夺取占位优势的“向上综合机动”、“向下综合机动”等机动动作，充分发挥了人和武器的作用，在空戰中非常实用。与敌机缠斗时，我军飞行员通过“综合机动”，往往能够在双方的初始态势对等的条件下，迅速占据处于敌机尾后的位置，抢得开火的先机。许多美军的战斗机，就是被志愿军飞行员用此种方法打下来的。

Tips

二元喷管和三元喷管

歼10B技术验证机所采用的三元推力矢量喷管，皱一些专家解读为可以在三个维廑上偏转（全向偏转）的尾喷口。因此它能够实现俯仰、方向、横侧控制。而美国的F-22所配装的二元推力矢量喷管只能做上下偏转，实施俯仰控制。这种说法只讲对了一半，两教飞机矢量喷管的推力偏转维度确实不同，但对二元推力矢量喷管、三元推力矢量喷管的理解射是完全错误的。

所谓二元、三元并非形容喷管的偏转维度，否则空气动力学中的“二元机翼”、“三元机翼”又作何解释？对发动机喷管而言，这里的二元、三元是特指喷管的截面形状：二元喷管的截面是矩形的（大宽高比的长方形）。其内管流（发动机喷流）近似于二元流;三元喷管的截面是圆形的，其内管流为三元流。举例说明：B-2随身轰炸机、F-117A隐身攻击机采用的是大长宽比的二元喷管。F-22战斗机配装的墨二元推力矢量喷管。苏-27、歼10战斗机使用的是三元喷管。苏-35和新版歼10B验证机选配的是三元推力矢量喷管。讲全一点，后两者的尾喷管可称为“能够三维偏转（或全向转动）的三元推力矢量喷管”。