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战斗机的非常规机动
飞机的机动性
飞机的机动性能，简单讲就是飞机在一定时间间隔内改变其飞行速度、高度和方向的能力。机动性包括水平机动性和垂直机动性，而水平机动性又包括水平加（减）速性能和水平转弯性能。目前衡量机动性一般从两个方面去分析，即常规机动性和能量机动性。但是随着航空武器的发展，空中格斗的多样性和复杂性，要求飞机具有高转弯率，高加减速能力，即强调飞机的瞬时机动能力。所以飞机仅能作常规机动是远远不够的，必须具备非常规机动的能力。
非常规机动与常规机动的区别常规机动就是直接用力矩控制的常规操纵，而力是间接控制的。通常情况下，飞行员用力矩可直接控制飞机的4个自由度，即推拉杆控制俯仰角速度或升降舵偏角，压杆控制滚转角速度或副翼偏转角，蹬舵控制偏转角速度或方向舵偏转角，油门、减速板等可控制纵向加速度。还可间接控制2个自由度，即垂直加速度和横向加速度。
非常规机动是借助直接力控制实现的。所谓直接力控制，是指通过偏转适当的气动力操纵面，使飞机沿垂直方向或横侧方向作平移运动。同时非常规机动把间接控制的两个自由度，即垂直方向加速度和横侧方向加速度变为能直接控制。所以非常规机动可直接控制6个自由度，如图1所示。非常规机动
非常规机动包括：过失速非常规机动（PSM）和直接力控制的非常规机动（DFCM）。
过失速非常规机动80年代初，联邦德国W·B赫尔斯特首先提出“超机动性”概念。1985年6月，美国和联邦德国合作研制了以实现过失速机动为目标的X－31验证机。1989年在第38届巴黎国际航展中，前苏联的苏－27首次表演了“眼镜蛇”机动。在1995年巴黎国际航展上，X－31验证机进行了“过失速机动性”表演，表演包括4种机动动作，如图2所示。
过失速机动就是飞机迎角远远超过失速迎角，在速度非常小的状态下，迅速改变飞机速度矢量和机头指向的一种机动形式。过失速机动的全部含义是：飞机从常规飞行状态，拉杆作大角度跃升使迎角达到失速迎角（约30°～40°），并在减速过程中使迎角达到70°。
首先使飞机作过失速机动，当速度下降到每小时几十公里时，飞行员控制飞机绕立轴、横轴或纵轴进行旋转，从而可使机头快速指向任意方向。由于速度小，旋转角速度大，随后推杆减小迎角退出失速，转为俯冲增速恢复到常规飞行状态。这种机动的旋转角速度比常规机动瞬时角速度大一倍左右。机头能迅速指向所需方向，就有利于快速发射具有离轴能力和全向攻击的先进格斗导弹。
总之，过失速机动的基本特点是，一，飞机超过失速迎角，二，在过失速状态下，飞机还能绕纵轴、立轴和横轴转动。同时具备这两条，才是真正的过失速机动。由此看来，“眼镜蛇”机动，只是跨进了过失速领域，在迎角大于失速迎角的情况下，只具有控制俯仰飞行状态的能力。所以“眼镜蛇”机动并不具备过失速状态下的偏转和滚转能力，只能说达到了过失速状态，但还不能随意机动。
由此可见，非常规过失速机动飞机应具备4点：第一，飞机应具有足够的俯仰、偏转和滚转的操纵能力，能在机动过程中保持很高的操纵效率。为达到此要求，必须采用先进的辅助控制系统，如推力矢量技术就是其中一种。第二，飞机应具有极好的大迎角稳定性。这就必须采用闭环控制和先进的气动布局来满足。第三，飞机应选用高性能发动机，以保证在过失速机动中能正常工作。而且要求发动机的推重比高（至少大于1），耗油率低。第四，飞机应具有在很短时间内产生很大的瞬时角速度的能力，即应转得快，加减速快。过失速非常规机动战术价值
1.进一步扩展了飞行包线。从图3看出，未来歼击机既能利用高推重比迅速过渡到超音速（如Ⅰ区），实施超视距空战；也能利用推力反向技术及时减速至亚音速（如Ⅱ区），实施视距内的空战；还能通过过失速机动，在飞行包线以外的左下方（如Ⅲ区），使空战速度减小到每小时100公里左右，实施在低速条件下进行更加剧烈的格斗。这样，空战范围不仅会向高度的两极发展，也会向速度的两极发展，图3为过失速机动飞机的飞行包线示意图。
2.提高了近距格斗攻击能力。近距格斗中为了能及早发射全向攻击的格斗导弹，提高歼击机的瞬时角速度极为重要。过失速机动能使瞬时角速度达到每秒钟40°～50°，因而在格斗中能迅速抓住战机。就以“眼镜蛇”机动为例，图4和图5表示了可能再现的两种攻击机会。图4表示：盘旋格斗时实施“眼镜蛇”机动，构成开火机会的示意图。当常规歼击机A与能作“眼镜蛇”机动的歼击机B处于盘旋均势情况下（图中位置1），B机实施“眼镜蛇”机动，就可能在位置2处将机头指向A机，使A机落入B机格斗导弹离轴角（导弹在发射时，允许导弹轴偏离正确指向的角度。导弹离轴发射可提高导弹追踪目标的机动能力，扩大攻击范围，增加发射时机。）范围内，从而构成开火条件。图5表示：同向飞行格斗时，实施“眼镜蛇”机动构成开火机会的示意图。A机与B机处于同一方向飞行的均势条件，当A机作跃升，B机作“眼镜蛇”机动时，在位置3～4处，B机就有开火的机会。如果能作理想的过失速机动，其“指向－发射”能力比“眼镜蛇”机动更强，攻击对方的机会也就更多了。
3.增强了规避机动的效果。传统格斗中处于被动的一方，通常采取的规避战术是：若对方尚未进入有效射程，则采取急转弯或急剧升降的机动来破坏对方开火的条件；若对方即将进入有效射程，则采用急剧减速的突然机动，迫使其冲前，转被动为主动。这种战术在未来近距空战中依然有效，而过失速机动将使这种战术的运用大放异彩。因为过失速机动既可成倍地增大瞬时角速度，将对方“甩”到转弯外侧，破坏其开火条件，又能充分利用气动阻力进行突然减速，速度减小到失速速度以下，与对方构成极大的速度差。这样，规避战术就能灵活运用。图6为规避机动示意图。B机处于被动状态，此时B机作“眼镜蛇”机动，迫使A机冲前。
过失速机动也是规避空空导弹追踪的手段。由于过失速机动时飞机速度急剧减小，对方机载火控雷达会短时间丢失目标，无法继续对雷达制导的空空导弹进行控制，使导弹丢失目标。对于红外制导的导弹，由于作过失速机动的飞机突然收小油门和尾部冲前，这就可使导弹红外导引头接收的红外辐射能量急剧降低而丢失目标。另外，飞机在作过失速机动时的转弯角速度大，可使近距离跟踪的导弹过载剧增，以致超载而丢掉目标。
4.提高了格斗空战的效率。传统空战中飞机需要急剧机动，飞行员长时间承受高过载，一般为6～8g，这样会消耗很多体力。过失速机动时，速度小，过载也较小，约为2g左右，因此飞行员体力消耗少，有利于提高空战效率。另外，未来歼击机操纵系统要求具有侧滑协调功能，即飞行员压杆时，飞机能绕速度矢量滚转，滚转时保持迎角不变而且不产生侧滑。这样在空战格斗中就可以避免象常规飞机那样，先卸载（减小迎角）、再滚转、再加载（增大迎角）的过程，能保持原过载急速转为反方向转弯，从而可争取到宝贵的几秒钟。 直接力控制的非常规机动
直接力控制包括直接升力控制和直接侧力控制。直接力控制是指在不改变飞机飞行姿态的条件下，通过适当操纵舵面直接提供附加的升力或侧力，使飞机作垂直方向或侧向的平移运动来改变飞机的航迹。这种功能对战斗机来讲可以大大提高机动性及跟踪和攻击能力。
直接力控制的非常规操纵方法与常规操纵方法的区别是，常规操纵方法是通过力矩改变飞机的姿态，使作用在飞机上的力发生变化，来改变飞机的航迹。这实际上是力矩的控制。而非常规操纵方法是不通过力矩而改变飞机的姿态，直接操纵舵面来改变飞机上的力，从而达到改变航迹的目的。这就是直接力控制。
一．直接升力控制。常规飞机在改变其在垂直方向上的航迹时所需要的升力是靠改变机翼的迎角而得到的。而非常规的直接升力控制是通过一些附加操纵面，在不改变飞机迎角的情况下，使飞机的总升力发生变化。也就是仅产生纯升力增量而不产生俯仰力矩，从而实现飞机的垂直移动。
产生直接升力需要一个直接升力控制系统，这种控制系统所控制的气动操纵面主要有以下几种方式。图7为直接升力控制示意图，图中所示：水平鸭翼和水平尾翼联动；前后缘襟翼对称偏转；可变安装角的机翼偏转；水平鸭翼对称偏转加上后缘襟翼偏转；扰流片；吹气；鸭翼。
直接升力控制的非常规机动，一般有三种：
1．直接爬升控制，如图8所示。这种直接爬升控制是固定迎角的升降，也就是在不改变迎角和飞行速度的条件下，控制飞机的法向加速度，迅速而直接地控制飞机的垂直航迹的运动方式。
直接爬升是靠产生直接升力来控制的，而直接升力是依靠飞行员操纵直接升力按钮，通过飞行控制计算机，同向偏转襟副翼或同时偏转水平前翼和襟副翼而产生的。襟副翼和水平前翼偏转时，如果产生附加的俯仰力矩，平尾（或升降舵）就会在飞行控制计算机的指令下，作相应的偏转，产生等值、反向的俯仰力矩以保持迎角不变。在整个控制过程中，驾驶杆和杆位移都不发生变化。
由于这种运动方式飞机无需改变迎角便可上升或下降，所以适用于俯仰姿态的修正，使飞机能够精确地对准目标，有利于投弹。并为飞行员提供一种在退出俯冲时尽量减少高度损失的办法，同时也能在爬升和下滑过程中控制飞行轨迹。
2．机身俯仰指向控制，如图9所示。这种状态是在法向加速度为零（即不改变飞机的轨迹）的条件下，改变迎角，控制飞机的俯仰姿态，机头在一定范围内上仰或下俯，而航迹保持不变。例如，在装有机身俯仰指向控制的飞机上，飞行员偏转平尾（或升降舵）改变迎角时，飞行控制计算机就会使襟副翼同向偏转，产生直接升力，同由于迎角变化所引起的附加升力互相抵消，从而保证飞机的运动轨迹不变。这种机动方式对空战和对地攻击来说，将会增强战斗机捕捉目标和精确瞄准的能力。
3．垂直平移控制，如图10所示。垂直平移控制是指在不改变俯仰角的情况下，改变上升率或下降率及运动轨迹的自动控制。进行垂直平移时，飞行控制计算机首先指令襟副翼同向偏转，产生直接升力，使飞行轨迹变化。在飞行轨迹变化过程中，纵轴方向发生变化时，飞行控制计算机就会跟着指令平尾（或升降舵）作相应的偏转，以保持飞机俯仰姿态（纵轴方向）不变。
这种机动方式有利于提高空战的灵活性，还可用在编队飞行和进场着陆过程中进行垂直位置的修正。
二.直接侧力控制。直接侧力控制是直接升力控制的横向方案。在完成飞行任务中，情况复杂多变，飞机能否具有随时改变航向的能力是很重要的。在常规飞机上，飞行员要改变飞机的航向，首先要操纵副翼，给飞机一定的滚转角速度，并保持这一滚转角速度，直到达到所需的坡度，还要拉杆以增大飞机的迎角来调整飞机的升力，使飞机产生改变航向的速率。当达到所希望的航向时，飞行员反向操纵副翼，给飞机一个反向滚转角速度，使飞机回到机翼水平飞行状态。如此这样使飞机反复倾斜，就需要一定的时间，明显地存在着时间滞后。
直接侧力控制是一种保持飞机无侧滑而产生侧力，使飞机作水平曲线运动的自动控制。该控制系统工作时，飞行控制计算机先使垂直前翼与方向舵同向偏转，产生直接侧力，使飞机作曲线运动。此外，襟副翼和平尾（或升降舵）还会在飞行控制计算机的指令下，作相应的偏转，不使飞机出现侧滑和倾斜，并保持飞行高度不变。所以采用直接侧力控制就可改善飞机的横向操纵性能。最典型的做法是在机头腹部安装两个并列的垂直鸭翼，图11为直接侧力控制示意图。直接侧力控制是借助垂直鸭式翼（或差动前翼）与方向舵的协调偏转，产生纯侧力来控制的，它不产生偏航和滚转力矩，就可实现飞机无坡度，无偏航的横向移动。直接侧力控制一般可产生3种非常规机动飞行状态：
1.机翼水平转弯控制，如图12所示。机翼水平转弯是在侧滑角为零的情况下，控制飞机的横向加速度，使飞机不压坡度（即机翼保持水平），就可以转弯。该控制系统工作时，飞行控制计算机首先指令垂直前翼和方向舵同时偏转，产生直接侧力，使横向速度逐渐增大。在飞机横向平移过程中，飞行控制计算机还会指令襟副翼偏转，产生适当的偏转力矩和滚转力矩，以保持飞机的机头方向和水平姿态不变。
这种机动方式能够使飞机消除在跟踪地面目标过程中，为修正航向偏差和瞄准偏差而出现的横滚摇摆现象。在空战中可以提高飞机的反应速度，改善瞄准精度。当飞机处于被动时，则有利于摆脱对方飞机的追踪。
2.机身偏航指向控制，如图13所示。它可使飞机在保持平飞轨迹不变的情况下，即没有横向加速度时，改变飞机的侧滑角，实现机头向左或向右摆动（即改变机头的水平指向）的机动。
当该控制系统工作时，飞行控制计算机首先偏转垂直前翼，改变机头方向，使侧滑角变化，接着指令方向舵偏转，使垂尾产生附加侧力，以便使飞机总侧力为零，同时指令襟副翼反向偏转，不使飞机出现倾斜。
3.横向平移控制，如图14所示。飞机在保持航向不变的情况下，作横向移动。当飞行员控制该系统工作时，飞行控制计算机首先指令垂直前翼和方向舵同向偏转，产生直接侧力，使侧向速度逐渐增大。在飞机横向平移过程中，飞行控制计算机还会指令襟副翼偏转，产生适当的偏转力矩和滚转力矩，以保持飞机的机头方向和水平姿态不变。
这种机动方式可以消除侧风的影响，对飞机跟踪空、地目标很有效，同时也适用于偏队飞行时的位置修正。非常规机动的战场应用
在未来空战中将会广泛使用非常规机动。过失速机动是非常规机动的主要内容。这里举几个过失速机动的例子，来说明非常规机动的应用价值。
1．过失速机动和常规机动的比较，如图15所示。一架普通飞机和一架具有过失速机动能力的飞机，都从相同初始状态出发，普通飞机拉到结构强度限制的过载后，航迹开始上弯。而具有过失速机动能力的飞机，以α=50°／秒，从t=0很快到达90°迎角，其航迹的高度变化则不大，从图中看出，从t=2〃到t=8〃，普通飞机始终落在具有过失速机动能力飞机的导弹或火炮攻击包线之内，总计有6秒之久。这种“位于火力包线内的时间”可视为过失速机动占有空战优势的一种标志。
2．迎角变化率对过失速机动飞机性能的影响，如图16所示，两架飞机均具有过失速机动能力，但各以不同的迎角变化率作过失速机动，具有较高迎角变化率的飞机将占优势。由图中可见，迎角变化率差值为20°／秒时，位于火力包线内的时间为2秒，若迎角变化率的差值增加到40°／秒时，位于火力包线内的时间将增加到10秒。由此可见，迎角变化率大的飞机对飞机性能影响大。
3．逃避的过失速机动，如图17所示。普通飞机追击具有过失速机动能力的飞机时，具有过失速机动能力的飞机减速甩开普通飞机的追击，使普通飞机冲到前面，改变了双方交战的地位。这就是逃避追击时采用过失速机动的例子。
4．非常规机动飞机与普通飞机在格斗时迎角和速度变化比较。非常规机动飞机采用推力矢量控制后，与普通飞机在格斗中，前者的迎角和速度变化范围比后者的迎角和速度变化范围大得多，恢复原始速度的时间也比普通飞机快。
从上述的4个例子可以看出，非常规机动能大大提高飞机的机动性，能使飞机迅速占据有利位置或迅速将机头指向目标，获得抢先开火的机会，从而使非常规机动飞机在空战中占有明显的优势。现状与未来
第二次世界大战时期，曾有人提出战斗机的四要素为速度、高度、机动性和火力，其中将速度排在首位，可见速度对战斗机来说是至关重要的。越南战争后，人们发现战斗机的速度并不是越大越好，因为大部分空战都是在亚音速下进行的，再说速度太大还会影响其它机动性能（如盘旋性能）。另外飞行高度对于战斗机来说也不那么重要了，原因是战斗机常常用来掩护攻击机作战或为大型飞机护航，飞行高度不能太高。但是对战斗机的机动性和火力要求便上升到了更为重要的地位。现代战斗机的任务。主要是夺取制空权和保卫自己的领空，作战的主要对象是对方的战斗机、攻击机、轰炸机和巡航导弹，使用的武器主要是空对空导弹和机炮。现代空战可分为超视距空战和目视格斗空战两类。在超视距作战条件下，发现、跟踪目标完全靠机载雷达或红外探测装置，攻击则使用中程导弹。当目视发现目标时，则要进行近距格斗。这就要求战斗机具有非常规机动能力。非常规机动能力对战斗机机动性能提出了新的更高的要求。所以在设计上除了用空气动力的方法来提高战斗机的机动能力实现非常规机动飞行外，采用发动机推力矢量（MATV）技术也是一个新途径。目前，美国的X－31验证机和俄罗斯的苏－27飞机的机动飞行，引起了人们的关注。
在近距作战中，特别是以航炮作战时，对于具有非常规机动的战斗机来说是具有优势的。由前面分析可知，它可以在航迹不变的情况下改变姿态进行攻击；在被攻击时，也可以保持姿态不变进行规避脱离。新一代战斗机不仅具有超视距攻击能力，还要有近距格斗能力，因此21世纪的空战，将会形成超音速超视距空战和亚音速视距内的空战两种形式并存的局面。
另外，通过非常规机动空战量化模拟可进一步看出，具有非常规机动的战斗机对未来空战的影响，同时具有非常规机动能力的飞机在空战中的优势，也可以通过量化模拟更进一步反应出其优越性。通过简化的机动动作模拟空战，其结果表明，具有过失速机动能力的一架飞机，可以歼灭相同武器装备的两架无过失速机动能力的飞机。由于过失速机动飞机转弯率高，发动机始终处于最大油门状态，所以过失速机动飞机与普通飞机作战时，如果过失速机动飞机进攻，对方根本无法回击。所以，非常规机动技术一旦用于实战，必将在近距格斗中产生明显的战术效益。从国外对75种初始状态1∶1空战模拟的结果来看，具有过失速机动能力的歼击机取得战术优势有41次，常规歼击机（其它条件相同）取得优势只有19次，另有15次是双方均势。此类空战模拟共进行了3000多次，得到的结论是：具有过失速机动能力的歼击机取得战术优势的次数与常规歼击机的比数是2∶1。
下面进一步量化比较，假定两架飞机的气动特性和推力曲线完全相同，一架是普通飞机，另一架是具有过失速机动能力和推力矢量控制能力的飞机，两架飞机所带导弹均无离轴发射能力，作战方式采用追踪法。模拟情况如下：
模拟第一种情况，高空遭遇战。假定高度为10800米，M数均为0.9，两架飞机起始时相距2000米，同向飞行。模拟结果是，普通飞机获胜的概率为0.22，非常规机动飞机获胜的概率为0.78。两者的损失比为3.55∶1，即过失速机动飞机损失1架，普通飞机损失3.55架。
模拟第二种情况，低空近距战。假定高度为1500米，M数均为0.5，两架飞机起始相距500米，相对迎面飞行。模拟结果是，普通飞机获胜的概率为0.11，非常规机动飞机获胜的概率为0.89。损失比为8.09∶1，即普通飞机损失8.09架，非常规机动飞机损失1架。
通过以上量化模拟看出，非常规飞机比常规飞机的作战性能强得多。
美国F－22战斗机是第4代超音速战斗机的典型代表，在空战中能“先敌发现，先敌杀伤”。它的机动性好，可进行全向攻击，具有大离轴角发射和发射后不管的能力。所以F－22飞机的出现，将战斗机的机动性和敏捷性向前推进了一大步。F－22首次把过失速机动技术用在战斗机上，尤其是推力矢量的采用，大大提高了飞机的性能和机动性。F－22飞机在60°迎角下还能以30°／秒的速率滚转，从而迅速改变机头指向，使F－22飞机具有卓越的过失速机动性和敏捷性。
另外，飞行控制问题对非常规机动也是非常重要的。因为常规机动依靠控制飞机的过载来实现，目前第三代战斗机已达9g，再增大已不大可能，因为飞行员无法承受。而非常规机动，如直接力控制，可以使机动能力增强，但它的机动过载一般偏小，有1g。除气动舵面外，还可应用推力矢量产生直接力，以增强非常规机动的能力。过失速机动并不要求更高的过载，而是使飞机机头更快地指向目标。它是靠拉大迎角到70°～80°，然后绕速度矢量滚转而取得的。所以过失速机动作战是现代近距空战特点之一，具有过失速机动性能又是第四代战斗机的典型特征之一。
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2003-2-26 16:54:32
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