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迈入20世纪90年代后先进战机总会在研制需求或宣传上强调“超机动性”。顾名思义,“超机动性”就是指超越平凡的“机动性”,这又特别指“灵巧性”,也就是能够快速改变姿态的特性。
在这里我们以这种含糊的“顾名思义”作开头,是因为对超机动性而言,这个含糊的定义刚好也是最方便的定义。原因在于,不同国家、不同时期对超机动性的定义都不尽相同,唯一相同的正是这个含糊笼统的“灵巧”性质。例如在苏-27研发初期,设计师希望这架飞机具有超机动性以便在提升近战能力之余提升安全性,因此将超机动性定义为“拥有2倍于对手的可控迎角”,后来老苏-35问世后,由于可以轻易完成“眼镜蛇”、“勾拳”等迎角超过90度的机动动作且全程可控,故已可称为超机动战机。美国ATF计划竞标时,YF-22以一般飞机无法企及的持续60度迎角展现其达成超机动的超强能力。俄制MFI的超机动性则要求90度以上的可控迎角。而部分现代战机如F/A-18E/F甚至号称已没有迎角限制。自苏-37问世起,俄罗斯人的超机动性则指配有矢量推力且能在失速后保有控制性的能力。
超机动性的具体用途
最早的超机动研究是20世纪70年代中期由德国进行的,当时不但没有飞机能在失速后机动,甚至连电传飞控系统都还没有普及化。然而德国人却认为,在电传飞控系统普及化的将来,飞机有可能将飞行范围扩展至失速后领域,于是通过物理模型、数值分析、模拟空战等方法探索出几种过失速机动动作并研究其实战价值,从而制定出失速飞机所需的能力指标。最早(1980年)提出过失速研究报告的是被誉为”超机动之父”的贺伯斯特博士(Herbst)。他认为过失速飞机应具备以下条件:
1)在马赫数低至0.1,迎角达70度时要可控:
2)高度4000米,马赫数0.6以下时,飞控系统与动力系统要能允许飞机达70度迎角仍保持稳定且可控:
3)推重比大于1.2.
4)飞机要有电传飞控系统与矢量推力。
这个定义与现有的超机动战机或许有所出入,但其点出“超低速超大迎角都要可控”、“先进飞控”、以及“矢量推力”这三个要素。正因为超机动性的定义因时因地因人类科技等级而易,故讨论时拘泥于任一种出现过的严格定义并无太大意义。本文所要讨论的超机动性是已存在的最好的超机动战机如F-22、米格-29 0VT等所具备的,即“短时间拉到超大迎角”、“失速后都要可控”、“配备矢量推力”。这基本上就是当前俄罗斯对超机动性的定义,也与贺伯斯特的定义大体吻合。至于老苏-35、F/A-18E/F这类可以失速后控制但不具备矢量推力者,便不在此超机动性定义之内。
超机动性的用途最简单也最通俗的说法就是“增加近距空战获胜概率”。法国曾以数值模拟方法算出,矢量推力超机动战机遇上传统战机时,高空与低空击毁比分别为3.55和8.1。关键就在于超机动性所带来的高迎角能力。可将超机动性的贡献概分为三个阶段进行讨论:失速前、失速后高迎角、以及失速后高迎角的后续机动。
1)失速前:具备过失速控制能力的飞机能提高失速前可控迎角,进而增强传统空战领域的战斗力。近距空战时,若提高迎角,一方面可以减少敌我视角差,争取发射武器的机会。另一方面就是增加翼面气动力,从而在同样的高度、速度下更快达到高过载,或是在速度更低、高度更高的情况使用高过载。传统飞机失速迎角大约在35度以上,但碍于偏航稳定性限制而往往局限在25度以内。有了过失速控制能力后,就能突破迎角限制,从而发挥更强的回转能力,增强传统空战领域的战力。特别是搭配矢量推力后,可以在更广的条件下(更低的速度、更高的高度、更大的飞行重量下)“压榨”出战机的飞行性能。苏-35BM的飞行表演便体现出这种将超机动性用于提升传统飞行性能的可行性:
2) 失速后高迎角:失速后高迎角对回转能力几乎无贡献,但机首在极短时间拉出极大迎角,能比回转方式更快地指向目标。例如苏-27的眼镜蛇动作就是在1.5秒左右将迎角拉至90~100度,比回转方式少了几秒,帮助飞行员抢得发射武器的先机。除了更快指向目标外,失速后大迎角还能帮助飞机减速,这不但可用于缠斗,还能用于发射完视距外导弹后迅速脱离战场。失速后高迎角更适合在缠斗打得难分难解,而稍有闪失就会被消灭的情况,例如飞行性能相当的战机在进入缠斗时彼此为了抢得射击位置常会进入所谓的“剪式运动”,通常最后能量损失较多或推力不足的一方会被击落,这时便可进入过失速大迎角以自救,苏-27的眼镜蛇动作便可在“剪式运动”中实现。如果是在正常飞行情况下进入失速状态,通常由于有一定的起始速度,气动力通常足以让飞机保持相当高的俯仰率,也足以进行快速的高迎角滚转,此时矢量推力的作用不是那样明显,当然也会有辅助效果:
3)失速后高迎角的后续机动:使用“失速后高迎角”后,速度骤减。此时对于翼控过失速飞机而言,由于翼面气动力有限,使得战机难以进行快速指向,为了重新获得高机动性,它必须尽快加速或落下高度以便重新获得能量或藉此换取额外的指向性,这与传统飞机失控后的解除方法类似,只因在先进飞控系统的协助下飞机能更快回到可控状态。但对于矢量过失速飞机而言,它还能藉由矢量推力快速指向对手,瞄准并消灭对方,这是它与翼控过失速最大的不同,也是最大的优势。例如苏-30MKI与米格-29 0VT在速度为零情况下还可以进行360度零半径筋斗,或是在失速动作后让飞机机腹朝下并以矢量推力进行可控的平螺旋(又称为“直升机”动作),这一方面可以减少掉高,另一方面还有机会应付后续敌人。
上述三种功能与现在大行其道的能量机动理论相结合,就成为过失速战机的“独门武功”。过失速战机平时可以遵守能量空战的原则与敌机战斗,此时藉由过失速飞机的失速前高迎角性能,其转弯与过载性能更好,加上迎角又比较大,因而有更多发射武器的机会。但有时候这只是理想,事实上这个方法未必真能有机动能力优势。两个主要原因可能会夺走其优势: 1)首先,战机未必能永远确保能量。因为战机要咬住敌人、抢得火控机会就往往要用高过载,而高过载往往就要牺牲能量。也许战机前一刻才用了高过载解决当时的对手,又也许之前连续用了很多小过载对付许多敌人……这些,都会夺走其能量。倘若此时遭遇新的敌人,就可能因为能量不足而无法施展该有的能量机动优势。另一方面,所谓的“能量”也包括高度(势能),空战时往往需要抢得高处以利后续作战,而爬升过程必然损耗能量。传统战机此时若遭遇敌机将处于不利地位,而过失速战机此时却反而具有优势:
2)在实战情况下,理论上拥有能量机动优势的飞机(如苏-27相对于同期欧美战机)与对手相比未必具有能量机动优势。这是因为同时代的飞机,能量机动能力差异不是非常显著,而实战时的酬载条件又未必公平。以苏-27与F-16的比较为例,当比较两种气动设计的能量机动能力时,会设定一些公平条件,如燃油酬载比例、武器酬载比例等。但实战环境中未必如此公平:如在同样酬载条件下,苏-27的翼载较低,但实战中苏-27却可能遇到酬载比例低一点的F-16(例如苏-27进攻而F-16防守),这样苏-27的翼载反而更高。苏-27的最大爬升率比F-16大,但实战中因为酬载、爬升起始速度等因素,这个优势又未必能发挥。苏-27的最大迎角、最大转弯率比F-16高,但在速度、酬载等条件不同时,这个优势也不见得能得到发挥。换言之,由于现代战机的飞行性能差异不是非常显著,使得在实战中常常是优劣难判。
在这些情况下,如果飞行员还抱着伟大的“空战圣经”不知变通,那么下一刻就可能被击落。反之,飞行员可以用过失速机动在极短的时间内指向眼前的对手并消灭之。例如,当两架传统战机相互试图“咬住”对方时,就有可能进入所谓的“剪式运动”,苏-27能在这一过程中使用“眼镜蛇机动”,令对手无力招架。另一个例子可见于一场苏-35与苏-30MK的模拟空战,当时双方进入传统的盘旋咬尾空战,苏-35就以“勾拳”指向苏-30MK并将其“击落”。
当然,在进入超机动并解决眼前对手后飞机可能较为被动,有可能受到敌方后续战机的威胁,但在如不使用过失速机动就会马上被击落的情况下,后续威胁当然是之后再说,毕竟远方敌机反而比较好应付,而我方也可以有僚机掩护。以“过失速机动必须面对敌方僚机威胁”为由而否定其优点的,实乃假设过失速战机必须以寡击众的不公平结果。此外,与超视距作战不同的是,即使是有绝对近战优势的战机,也没有“绝对安全”这回事,过失速机动亦然,传统空战方式亦然,因此以“过失速机动无法像理想超视距作战那样保证安全”来否定其价值是不正确的。
在此,要特别强调过失速机动在战术爬升过程中的应用。“占据高处”是相当重要的空战方式,一方面,高空空气稀薄而阻力较低,往往可以有较大的速度与航程,而高高度与高速度又换来较大的武器射程。另一方面,必要时飞机可以降低高度以迅速进入利于空战的环境(以势能换取动能),因此爬升动作相当重要。但爬升过程必然损失能量,倘若战机不幸在爬升过程中遭遇敌机,便会处于相当不利的态势。在中远程作战中,飞机大都是事先爬升抢位以待战斗,但对于混乱战场或刚执行完上一场空战而欲爬升的战机而言,并不能排除在爬升中遭遇敌机的可能性。对传统战机而言,爬升过程中除了速度降低以外,探测视野与武器射界的限制也使其未必能发射武器(例如大角度爬升时遭遇水平方向的敌机),处境极为不利。而对于过失速战机而言,爬升过程中除了提升高度外,速度也较利于超机动性的发挥,此时若遭遇敌机,可尽快进入过失速领域以击败对手,之后可以机腹朝地面的方式尽量减少下降速度(苏-30MKI与米格-29 0VT常表演这种动作),而以“可控平螺旋”像直升机一样在水平面上作360度指向以对付后续威胁,或执行水平加速,如此在战斗后高度并不会下降太多。简言之就是“超机动性可以提升战术爬升动作的安全性”。
超机动性的技术需求
超机动动作最主要的特征是极大迎角(甚至超过失速迎角)下的运动能力,这通常又包括“拉出大迎角”、“在极大迎角控制俯仰姿态的能力”、“持续维持高迎角飞行”以及“高迎角滚转”。前两项可视为一体,确保了俯仰方向的控制,最后一项其实是第三项的进化,确保横向的控制,因此这四项特性确保了飞机在三维方向的超机动指向。
在平飞状态下对飞机施加滚转控制(绕机身主轴的力矩)只会令飞机绕机身主轴旋转,不会改变指向。然而在有迎角的情况下施加滚转控制,飞机的升力与滚转会发生耦合现象,此时“滚转动作”将同时包括“飞机绕自身主轴自转”以及“飞机主轴以重心为支点绕飞行方向旋转”两项,后者对飞机而言相当于偏航,会改变飞机指向。高迎角滚转动作除了可以用升力滚转耦合现象解释外,也可以用陀螺进动性来解释。旋转中的陀螺在转轴偏移重力方向时会出现“转轴绕重力方向旋转”的现象,称为“进动性”。高迎角滚转时,升力便提供力场,旋转的飞机相当于陀螺,因此发生进动现象。要能安全地运用高迎角滚转,需要有很可靠的偏航控制能力。
因此超机动性的基础说穿了就是“拉迎角”、“高迎角稳定与可控”、“偏航稳定与可控”。拉迎角可由出色的气动布局甚至搭配矢量推力来达成,但迎角超过一定限度后会开始遭遇安全问题。首先是高迎角下的进气自然不如平飞时稳定,因此需要好的进气系统(导流进气道、辅助进气口等让气流稳定的措施)以及较能忍受不平稳进气的发动机。而在超过一定迎角但尚未失速时(以苏-27而言,在35~60度),有时候飞机的涡流体系被破坏而变得不对称,此时会出现强大的偏航力而引起螺旋,其力度甚至超过矢量推力,必须解决此问题才能安全地在这个快要失速的区域进行机动。在苏-27的“眼镜蛇机动”过程中,由于短时间内迎角便越过该不安定区而进入过失速区,涡流体系已完全破坏因此反而没有这种问题,苏-35BM的正常迎角提升到45度,可能已解决此控制问题。
单就以上特性而言,矢量推力看似不是必需的。老苏-35也可以在一定速度下猛然抬头并藉由惯性而完成360度筋斗,同时表演许多苏-37的超机动动作,F/A-18E/F据称在酬载对称的情况下也没有迎角限制,F/A-18的实验机还曾经展示在落下的过程中以奇异的摆荡方式改变指向的特殊机动。不过归根到底,控制面的控制力来自气动力,它取决于外在环境与飞行速度,当速度趋近于零时控制力也极小,不可能显著改变飞行姿态,而仅能给予飞机一个运动趋势,让飞机随着时间的增长去朝该趋势运动。这也意味着老苏-35. F/A-18E/F这类“翼控过失速战机”在执行完超机动动作后除了掉速度也会掉高度,与传统战机本质上类似。而矢量推力则是直接以发动机的推力进行控制,即使在速度完全为零而控制面没有控制力的情况下,矢量推力仍能控制飞机。此外,几乎所有超机动动作的第一个条件都是“短时间内拉大迎角”。在没有矢量推力的情况下,拉迎角的能力取决于飞机气动稳定性、酬载、飞行速度等,只有在某些酬载与速度条件下飞机才能发挥出最佳运动性能。当飞机酬载过重、速度过低、或高度过高时,便可能因为气动力不足或气动力矩不足而无法快速拉大迎角,这时有再精良的控制系统也无法发挥超机动性(因为那是物理限制)。另外,在超声速时也因气动稳定度提高而难以拉迎角。F-16.苏-27这一代的战机在亚声速下能有25~30度迎角,而高速下却只有6~10度。 反之,若采用矢量推力,则几乎任何时候都可以拉大迎角,这一方面是它认何时候都有控制力,另一方面是矢量推力的力臂几乎是固定的(只受重心位置影响)而不会受到气动中心的影响。苏-30MKI与米格-29 0VT表演的“连续双法轮”动作中的第二个法轮便是完全依赖矢量推力而完成360度筋斗的动作,这时飞机的俯仰率变化可以考虑为“超声速时升力中心后退至接近重心以至于气动力矩极小的情况下,矢量推力所能提供的俯仰率”。此外,有别于无矢量推力超机动战机往往必须以落下高度换取指向性,矢量推力超机动战机甚至可以用矢量推力让自身尽快指向上方而维持高度,可控性更高。因此有了矢量推力之后,飞机便能几乎不受酬载与气动条件限制而拉大迎角,进而“压榨”飞机的升力性能或进入超机动区(唯一的限制只有结构强度),并在包括零速度的环境下仍能快速改变机首指向,例如在执行完超机动动作后可进行“可控平螺旋”之类既可应付后续威胁又能尽量维持高度的机动。就此观点而言,矢量推力实乃超机动战机的必备条件。
超机动性对现代战机的必要性
看似“奢华”的超机动性其实与飞机的头号要求——飞行安全是一体的两面。超机动性体现在空战上是更快改变姿态的能力,而另一方面极大的可控迎角甚至失速后控制能力表示飞机在“压榨”飞行性能的同时较少有失控坠毁的顾虑,而超低速可控性与矢量推力的运用能减少起飞滑跑距离甚至降低起降速度,这也是传统航空技术所追求的。事实上,苏-27的设计师一开始追求超机动性的一大原因正是飞行安全问题,根据前总设计师西蒙诺夫的访谈,其认为有相当多飞机的损失是源于飞行员的操作失误,因而如果能大幅提升可控范围(包括可控迎角)就可以显著降低失事概率。
因此可以说,超机动性所需的技术能直接用于大幅提升安全性。具体来说,两者所需的硬件是共通的,唯独超机动性所需的软件当然比单纯确保飞行安全复杂得多,而且越强的超机动性自然需要越复杂的软件。软件等级大体上可分为三个层次:确保飞行安全、确保飞机失速迎角以内的控制性、确保失速后控制性。换言之,超机动技术并非一般想象的那样是独立于传统航空技术之外的。不过,超机动性要追求到多高的层次则是另一个问题。对当前的超机动战机而言,失速后控制性已成为必备条件,而很多人所不知道的是,这却从某种程度而言是来自意外。
除德国以外,美国与苏联也分别在不同时期开展了自己的超机动研究,不过却得到类似结论:超机动性的确可以提升近战效果,但要实现则有不少技术问题需要解决。然而在超视距空战时代,与其加强近战性能不如加强超视距战力。因此并没有特别为飞机开发目前苏-30MKI、米格-29 0VT经常展现的那种超机动技术。然而,在苏-27服役以后被意外发现其在超过失速迎角后还可以恢复平飞,甚至即使已进入“螺旋”也会自发改出。经一系列试验后,研究人员探索出让苏-27短暂进入90~110度迎角的飞行技术,其中之一便是闻名全球的“眼镜蛇机动”。这种还不可控的极限迎角动作可说是天上掉下的礼物,而这本来要依赖相当复杂的科技才能获得的飞行性能现在却因为种种巧合而成为“现成”技术,让俄罗斯能轻易地顺水推舟而研究出失速后的控制技术,在后来的老苏-35已经以翼面控制达到失速后的可控性,而自苏-37起更整合了矢量推力。也因为这种失速后机动已成为现实,因此若不具备此能力则可能意味着近战时会处于弱势,从而客观上导致先进战机纷纷“被迫”追求失速后控制技术。
因此对现代战机来说,应以追求超机动性为“目标”,即使达不到最高水平也至少能大幅提升飞行安全。而若要与列强争锋,则一定要具备失速后控制技术,尽管这在超视距作战中用处不大。
几种常见的过失速机动争议的探讨
失速机动,特别是矢量过失速机动对近距空战的增益是十分显著的。当具备矢量过失速能力之后,苏-37与F-22(在能量机动领域具备压倒性优势)之间的差距就大幅缩小了,更别说遇到其他不不具备压倒性优势的对手了。这些优势将改变近距空战的模式,甚至有可能影响战机的设计思路。这项优点基本上已无异议,但至于是否要在开发战机时将过失速机动列为必备性能,则牵涉到设计者认为值不值得的问题。就公开资料来看,目前仅有俄罗斯继续从事过失速机动的战术研究,有将之应用于下一代战机设计的意图,而欧美厂商或研究欧美战机的航空专家则普遍认为不值得投入,反对者所持的依据主要为:
1)过失速机动的操作原则违反了当代战机近战机动的准则——“能量机动”理论:
2)超视距空战时代不值得投资仅能用于近战的过失速机动技术:
3)离轴发射导弹与头盔瞄准具的搭配在近程作战时可快速锁定并打击周围目标,因此不必强调战机本身的机动能力:
4)过失速机动状态的战机容易沦为远方敌机的活靶。过失速机动与“能量机动”是否冲突?
“能量机动”理论是现代战机气动外形的设计依据之一,其大体是说,飞机必须尽可能保持在高能量(高高度、高速度)以及适合机动的状态,以便于必要时将能量换取为空战动作(转弯、指向、追击咬尾等),在空战动作期间要尽可能维持能量,并在空战损失能量后能够尽快恢复。换言之,所谓的“要维持能量”,其实是说不要没事做高机动动作浪费能量,以便为必要时的高机动做准备,而不是说不能使用高机动。如果所谓“要维持能量”就等同于“不能做高机动”的话,那么战机就应该设计成F-104.米格-25那种低机动构型,而不是苏-27、F-16这种高机动设计。
过失速机动进入超低速状态看似与能量机动抵触,实则未必。能量机动提出时并没有矢量推力技术,当时飞机的控制力完全来自气动力,因此飞行性能很大程度上受外在大气条件、飞行速度、自身酬载等的影响,而有了矢量推力之后,可以直接由推力进行指向控制 因此过去飞机的指向能力与能量大小成正相关,使得为了高机动当然要维持能量,但有了矢量推力后,指向能力已不取决于能量大小,因此对于矢量过失速战机而言,能量减少并不意味着不能应付威胁。 另外,矢量过失速机动的一项优点就是“指向能力相对不受筹载、速度的限制”。这一优点使飞行员可以把“空战圣经”中的一些有关能量管理的教范放到一边,却依然能够发挥出强悍的空战性能:飞机能量过低,会因气动力不足而无法产生高过载:能量过高,又会导致灵活性降低以及回转半径增大……种种实际因素都会限制飞机的指向性。例如现代战机在理想条件下迎角可达20~30度,但高速时就只有6~10度。因此,为了让战机保有最佳指向性,飞机的能量不是越高越好,而是要限制在某个区间。反之,矢量过失速战机即使不在这个区间也能有绝佳的指向性能。这种“便利性”(飞行员可以忽略以往许多操作限制)与“普适性”(飞机在各种状态下都具有强悍的机动性能)也正是武器设计时的重要考量。
因此,虽然矢量过失速机动的操作方式没有完全比照“空战圣经”,但具有更强、更不受限的缠斗性能,又由于过失速控制能力主要取决于控制系统而与飞机自身的能量不相冲突,因此,让飞机具备过失速机动能力并没有违反“空战圣经”的初衷。例如苏-37就是一种能够很好维持能量,指向能力又超强的战机,这正是“空战圣经”所追求的高机动战机。
超视距时代是否有必要增强近战性能
随着低可视与隐身技术的发展,未来战机彼此互相发现与开火的距离未必很大,特别是隐身战机之间的交战距离恐怕仍只有刚迈入超视距时代的等级甚至视距内等级。而隐身技术搭配各种干扰措施也能够提升反制威胁的成功率,因此将来中近距空战仍应占有不可忽视的比例,为了保险,增加近距格斗性能自然有其必要性。
全方位格斗导弹与高机动飞机的取舍
目前许多导弹厂商认为,飞机的机动性再强也不如格斗导弹,加上格斗导弹的离轴发射角越来越大,甚至接进全方位。因此,空中芭蕾舞者应该是导弹而不是飞机。飞机应该还是以维持能量为最高原则,让离轴发射的导弹与敌机缠斗即可。无可否认,几年之内或许是如此,武器工程师不断拓展离轴发射导弹的射界与射程以确保优势,但当离轴发射导弹逐渐普及化,且彼此性能相当时,飞机的机动性将再度扮演格斗的要角,与导弹相辅相成。
以上论点是有历史可循的:第一代格斗导弹只能锁定飞机尾部,战机必须咬住敌机6点钟方向,因此缠斗胜负仍取决于飞机的机动性,与机炮缠斗没两样,只不过导弹可以打得远些且更精准。紧接着,全向格斗导弹问世,这种导弹可以迎面攻击,使得飞机只需将机首对准敌机即可,不一定要咬尾,即不需做猛烈机动就能击落敌人,这使得配备全向格斗导弹的战机通过相对较少的机动就可以击落只配备追尾式格斗导弹的敌机。但飞机并未因此只成为导弹的载台:全向格斗导弹逐渐普及,能先指向敌机、将敌机“放”进可射击区域的就是胜利者,此时飞机机动性的重要性再次凸显。俄罗斯R-73与头盔瞄准具搭配相对于传统全向格斗导弹的优势,就如同全向格斗导弹对追尾格斗导弹的优势。只要离轴发射角大于对手,就可以做相对少的机动击落之。今日的格斗导弹离轴角又比当年R-73大许多,AIM-9X、ASRAAM等已具备±90度的离轴发射能力,而俄制R-73M2甚至还具备打击后方目标的能力。配备这些导弹的战机在近战场合遇上传统飞机时的确可以让导弹包办缠斗工作。
然而,笔者推测,当离轴发射导弹逐渐普及,战机都拥有同等级的离轴发射能力时,飞机指向能力将再次抬头,与导弹相辅相成以期早一步歼敌。原因与导弹射程有关,导弹射程通常随离轴角增大而减少。因此当敌机位于导弹在该方向的离轴最大射程附近或更远处使得无法以离轴发射进行打击时,若飞机能尽快指向目标,减少导弹离轴发射角,就能延长导弹在目标方向的射程,从而扩大防卫半径。简言之,在近距空战场合,过失速机动能让战机以较差的格斗导弹与对手打平,或是以同级的格斗导弹取得空战优势。
过失速战机在超视距空战场合的处境
许多评论认为过失速战机在面对后续威胁时会显得无招架之力,其主要依据是“这时飞机速度过低而没有反制威胁的能力”,在探讨这个问题之前,可以依据导弹性能与过失速机动特性而概略区分出过失速战机与不同距离下的敌机的优劣性。
导弹的射程是随情况变动的,实际上是导弹飞行距离与目标飞行距离的总和。所谓的“最大射程”大约是指目标面对导弹飞行时的射程,而“有效射程”通常是从侧面攻击的射程,也就大约是目标接进速度为零时的射程,而“追击射程”是目标完全背向导弹远离时的射程,大约就是敌我机相对速度为零时的射程。以最大射程100千米的导弹为例,其有效射程为50~60千米,追击射程不超过25~30千米。过失速状态下的飞机可以假设为静止,这种零速度状态不仅降低了我机射程,也降低了敌机射程,而且敌机射程可能还下降得更多,为了简单假设降幅相同。
据作者分析,在“敌高我高”(双方都在高空)时以有效射程与不可逃逸射程可概分出三个特征区间。双方距离超过有效射程时,基本上彼此都打不到对方:当双方距离进入有效射程时,双方开始有机会相互攻击,距离越接近有效射程,双方越有充足的时间逃跑,因此这个区域的敌机也不会构成威胁:而越靠近追击射程,则过失速战机越难以加速方式逃逸,这时便必须主动攻击对手或使用各种反制手段,而敌机却有充分时间脱离我方导弹的威胁,因此这会是过失速机动的劣势区:然而若双方距离再靠近,便可能出现“如果敌方一开始已经指向过失速战机,则过失速战机居于劣势,但若双方尚未指向对方,则过失速战机基于指向性优势而有较大的获胜机会”的情形,这时双方其实互有优劣。
以上特征区间是依据“敌高我高”时假设双方用同一种导弹所制定的参考值,高度不同时导弹射程会减少但上述参考值不变。低高度时导弹射程会下降,例如最大射程100千米的R-77低空最大射程仅25千米,在这种距离内飞机指向性变得相当重要,过失速战机便几乎没有劣势区间。因此大致可以得出结论,过失速战机的明显劣势区只有在“敌高我高时短程导弹有效射程与中程导弹有效射程之间的前半段”以及“敌高我低”的情况,但需注意的是传统战机在“敌高我低”时也处于不利态势,因此这并非过失速机动独有的弱点。 此外,以上简易分析是假设双方使用相同的导弹,实际上若配备射程相对较大的导弹,便可以增加优势区间。例如俄制R-73系列短程导弹遇上美制AIM-9系列便具备射程优势,因此“俄制过失速战机”与“美制传统战机”比较时,优势区间将更大。经由简单分析可以了解,真正能威胁过失速战机的敌机并不在远方,而是位于中近距离的一小部分距离区间,对于更近的敌机双方平手或是过失速战机占有优势。详细的优劣比较有待更精确的研究,但由此已可判定所谓的“过失速战机很慢所以对于后续威胁没有招架之力”是不正确的论点。
将过失速机动引入飞机设计
矢量过失速机动对中近距空战有不可磨灭的贡献,而近距空战在可预见的未来又难以避免,甚至会占不小的比例,且在超视距情况下并不像反对意见所言那般危险。因此打造一架具备矢量过失速能力的战机相当值得考虑。其中又包括两种设计思路:其一是将矢量过失速作为辅助,其二是将过失速机动视为主要近战方法。
1)矢量过失速作为辅助:这种飞机在气动外形设计上仍依据“空战圣经”来设计,平时以传统机动方式空战,维持速度,借助矢量过失速能力而提高失速前高迎角,必要时再使出矢量过失速机动保命。这种设计思路的成果是“好上加好,无可挑剔”的飞行性能,如俄制苏-30MKI.米格-29 0VT、苏-35BM、T-50.美制F-22等。
2)以矢量过失速机动作为主要近战手段:这种飞机在气动外形的设计上已经不必理会种种严格而又相互矛盾的要求,飞机只要飞得起来,在很小的迎角范围内有高升阻比即可,至于近战机动则完全交给控制系统以及矢量推力。
第二种飞机的总体飞行性能当然比不上第一种,如第一种可以进行大迎角持续盘旋而第二种就未必可以,但第二种思路无疑大大降低了飞机设计的难度,其成果或许不是飞行性能最好的飞机,但近战性能却未必逊色多少,此外可能还有更多好处。例如倘若F-117具备矢量过失速性能,则虽然它总体飞行性能逊于苏-37,但近战性能却仍不容小窥,另外又多出苏-37所望尘莫及的隐身能力。又例如如果要用比较小的推力达到像F-22那样的超声速巡航能力,可以藉由增大后掠角与缩小翼面积来达成,这显然不利于高机动,倘若这架飞机拥有过失速机动能力,便能弥补追求低飞行阻力所造成的机动能力过低的问题。当然,“过失速F-117”的例子太极端,该例只是要说明过失速机动可能带给飞机设计的变革,而不是说一定要如此设计。如果要采取第二种思路,应该还是要与传统的设计方法综合考虑,制造出“虽不完美,但最起码擅于取得能量,又擅于瞬时指向”的理想战机。
除了机体的高机动性外,再搭配如R-73M2、R-77、MICA.IRIS-T这类相对长射程的格斗导弹,以及相应的自动控制机制,就能够与过失速机动相辅相成,最终形成中近程空战的技术优势。
总结
过失速控制、矢量推力控制、射程相对较大的格斗导弹,这些恰恰皆为俄罗斯所有,其不但掌握上述技术,而且早就具备量产能力。除推重比尚不及赫伯斯特博士所推荐的1.2之外,苏-37、苏-30MKI等20世纪90年代问世的俄制战机早已属于实用型过失速战机。在使用新型发动机如AL-41F1-S后,推重比不足的问题也将获得解决。而西方除欧洲拥有MICA、IRIS-T等射程较大的格斗导弹外,目前并不具备立即拥有实用型过失速战机的可能,因为就公开数据来看,欧美不热衷于过失速机动的实用化,欧洲的矢量推力发动机尚未达到量产阶段且着眼点在短距起降而非过失速控制。因此,估计在一段时间内,既存的过失速战机如苏-30MKI、米格-29 0VT、苏-35BM、T-50将在中短程空战领域占有技术性优势。考虑到低可视技术对交火距离的拉近作用以及实战环境下中远程空战的不确定性,新型俄制战机将具有不可忽视的空战性能。
在这里我们以这种含糊的“顾名思义”作开头,是因为对超机动性而言,这个含糊的定义刚好也是最方便的定义。原因在于,不同国家、不同时期对超机动性的定义都不尽相同,唯一相同的正是这个含糊笼统的“灵巧”性质。例如在苏-27研发初期,设计师希望这架飞机具有超机动性以便在提升近战能力之余提升安全性,因此将超机动性定义为“拥有2倍于对手的可控迎角”,后来老苏-35问世后,由于可以轻易完成“眼镜蛇”、“勾拳”等迎角超过90度的机动动作且全程可控,故已可称为超机动战机。美国ATF计划竞标时,YF-22以一般飞机无法企及的持续60度迎角展现其达成超机动的超强能力。俄制MFI的超机动性则要求90度以上的可控迎角。而部分现代战机如F/A-18E/F甚至号称已没有迎角限制。自苏-37问世起,俄罗斯人的超机动性则指配有矢量推力且能在失速后保有控制性的能力。
超机动性的具体用途
最早的超机动研究是20世纪70年代中期由德国进行的,当时不但没有飞机能在失速后机动,甚至连电传飞控系统都还没有普及化。然而德国人却认为,在电传飞控系统普及化的将来,飞机有可能将飞行范围扩展至失速后领域,于是通过物理模型、数值分析、模拟空战等方法探索出几种过失速机动动作并研究其实战价值,从而制定出失速飞机所需的能力指标。最早(1980年)提出过失速研究报告的是被誉为”超机动之父”的贺伯斯特博士(Herbst)。他认为过失速飞机应具备以下条件:
1)在马赫数低至0.1,迎角达70度时要可控:
2)高度4000米,马赫数0.6以下时,飞控系统与动力系统要能允许飞机达70度迎角仍保持稳定且可控:
3)推重比大于1.2.
4)飞机要有电传飞控系统与矢量推力。
这个定义与现有的超机动战机或许有所出入,但其点出“超低速超大迎角都要可控”、“先进飞控”、以及“矢量推力”这三个要素。正因为超机动性的定义因时因地因人类科技等级而易,故讨论时拘泥于任一种出现过的严格定义并无太大意义。本文所要讨论的超机动性是已存在的最好的超机动战机如F-22、米格-29 0VT等所具备的,即“短时间拉到超大迎角”、“失速后都要可控”、“配备矢量推力”。这基本上就是当前俄罗斯对超机动性的定义,也与贺伯斯特的定义大体吻合。至于老苏-35、F/A-18E/F这类可以失速后控制但不具备矢量推力者,便不在此超机动性定义之内。
超机动性的用途最简单也最通俗的说法就是“增加近距空战获胜概率”。法国曾以数值模拟方法算出,矢量推力超机动战机遇上传统战机时,高空与低空击毁比分别为3.55和8.1。关键就在于超机动性所带来的高迎角能力。可将超机动性的贡献概分为三个阶段进行讨论:失速前、失速后高迎角、以及失速后高迎角的后续机动。
1)失速前:具备过失速控制能力的飞机能提高失速前可控迎角,进而增强传统空战领域的战斗力。近距空战时,若提高迎角,一方面可以减少敌我视角差,争取发射武器的机会。另一方面就是增加翼面气动力,从而在同样的高度、速度下更快达到高过载,或是在速度更低、高度更高的情况使用高过载。传统飞机失速迎角大约在35度以上,但碍于偏航稳定性限制而往往局限在25度以内。有了过失速控制能力后,就能突破迎角限制,从而发挥更强的回转能力,增强传统空战领域的战力。特别是搭配矢量推力后,可以在更广的条件下(更低的速度、更高的高度、更大的飞行重量下)“压榨”出战机的飞行性能。苏-35BM的飞行表演便体现出这种将超机动性用于提升传统飞行性能的可行性:
2) 失速后高迎角:失速后高迎角对回转能力几乎无贡献,但机首在极短时间拉出极大迎角,能比回转方式更快地指向目标。例如苏-27的眼镜蛇动作就是在1.5秒左右将迎角拉至90~100度,比回转方式少了几秒,帮助飞行员抢得发射武器的先机。除了更快指向目标外,失速后大迎角还能帮助飞机减速,这不但可用于缠斗,还能用于发射完视距外导弹后迅速脱离战场。失速后高迎角更适合在缠斗打得难分难解,而稍有闪失就会被消灭的情况,例如飞行性能相当的战机在进入缠斗时彼此为了抢得射击位置常会进入所谓的“剪式运动”,通常最后能量损失较多或推力不足的一方会被击落,这时便可进入过失速大迎角以自救,苏-27的眼镜蛇动作便可在“剪式运动”中实现。如果是在正常飞行情况下进入失速状态,通常由于有一定的起始速度,气动力通常足以让飞机保持相当高的俯仰率,也足以进行快速的高迎角滚转,此时矢量推力的作用不是那样明显,当然也会有辅助效果:
3)失速后高迎角的后续机动:使用“失速后高迎角”后,速度骤减。此时对于翼控过失速飞机而言,由于翼面气动力有限,使得战机难以进行快速指向,为了重新获得高机动性,它必须尽快加速或落下高度以便重新获得能量或藉此换取额外的指向性,这与传统飞机失控后的解除方法类似,只因在先进飞控系统的协助下飞机能更快回到可控状态。但对于矢量过失速飞机而言,它还能藉由矢量推力快速指向对手,瞄准并消灭对方,这是它与翼控过失速最大的不同,也是最大的优势。例如苏-30MKI与米格-29 0VT在速度为零情况下还可以进行360度零半径筋斗,或是在失速动作后让飞机机腹朝下并以矢量推力进行可控的平螺旋(又称为“直升机”动作),这一方面可以减少掉高,另一方面还有机会应付后续敌人。
上述三种功能与现在大行其道的能量机动理论相结合,就成为过失速战机的“独门武功”。过失速战机平时可以遵守能量空战的原则与敌机战斗,此时藉由过失速飞机的失速前高迎角性能,其转弯与过载性能更好,加上迎角又比较大,因而有更多发射武器的机会。但有时候这只是理想,事实上这个方法未必真能有机动能力优势。两个主要原因可能会夺走其优势: 1)首先,战机未必能永远确保能量。因为战机要咬住敌人、抢得火控机会就往往要用高过载,而高过载往往就要牺牲能量。也许战机前一刻才用了高过载解决当时的对手,又也许之前连续用了很多小过载对付许多敌人……这些,都会夺走其能量。倘若此时遭遇新的敌人,就可能因为能量不足而无法施展该有的能量机动优势。另一方面,所谓的“能量”也包括高度(势能),空战时往往需要抢得高处以利后续作战,而爬升过程必然损耗能量。传统战机此时若遭遇敌机将处于不利地位,而过失速战机此时却反而具有优势:
2)在实战情况下,理论上拥有能量机动优势的飞机(如苏-27相对于同期欧美战机)与对手相比未必具有能量机动优势。这是因为同时代的飞机,能量机动能力差异不是非常显著,而实战时的酬载条件又未必公平。以苏-27与F-16的比较为例,当比较两种气动设计的能量机动能力时,会设定一些公平条件,如燃油酬载比例、武器酬载比例等。但实战环境中未必如此公平:如在同样酬载条件下,苏-27的翼载较低,但实战中苏-27却可能遇到酬载比例低一点的F-16(例如苏-27进攻而F-16防守),这样苏-27的翼载反而更高。苏-27的最大爬升率比F-16大,但实战中因为酬载、爬升起始速度等因素,这个优势又未必能发挥。苏-27的最大迎角、最大转弯率比F-16高,但在速度、酬载等条件不同时,这个优势也不见得能得到发挥。换言之,由于现代战机的飞行性能差异不是非常显著,使得在实战中常常是优劣难判。
在这些情况下,如果飞行员还抱着伟大的“空战圣经”不知变通,那么下一刻就可能被击落。反之,飞行员可以用过失速机动在极短的时间内指向眼前的对手并消灭之。例如,当两架传统战机相互试图“咬住”对方时,就有可能进入所谓的“剪式运动”,苏-27能在这一过程中使用“眼镜蛇机动”,令对手无力招架。另一个例子可见于一场苏-35与苏-30MK的模拟空战,当时双方进入传统的盘旋咬尾空战,苏-35就以“勾拳”指向苏-30MK并将其“击落”。
当然,在进入超机动并解决眼前对手后飞机可能较为被动,有可能受到敌方后续战机的威胁,但在如不使用过失速机动就会马上被击落的情况下,后续威胁当然是之后再说,毕竟远方敌机反而比较好应付,而我方也可以有僚机掩护。以“过失速机动必须面对敌方僚机威胁”为由而否定其优点的,实乃假设过失速战机必须以寡击众的不公平结果。此外,与超视距作战不同的是,即使是有绝对近战优势的战机,也没有“绝对安全”这回事,过失速机动亦然,传统空战方式亦然,因此以“过失速机动无法像理想超视距作战那样保证安全”来否定其价值是不正确的。
在此,要特别强调过失速机动在战术爬升过程中的应用。“占据高处”是相当重要的空战方式,一方面,高空空气稀薄而阻力较低,往往可以有较大的速度与航程,而高高度与高速度又换来较大的武器射程。另一方面,必要时飞机可以降低高度以迅速进入利于空战的环境(以势能换取动能),因此爬升动作相当重要。但爬升过程必然损失能量,倘若战机不幸在爬升过程中遭遇敌机,便会处于相当不利的态势。在中远程作战中,飞机大都是事先爬升抢位以待战斗,但对于混乱战场或刚执行完上一场空战而欲爬升的战机而言,并不能排除在爬升中遭遇敌机的可能性。对传统战机而言,爬升过程中除了速度降低以外,探测视野与武器射界的限制也使其未必能发射武器(例如大角度爬升时遭遇水平方向的敌机),处境极为不利。而对于过失速战机而言,爬升过程中除了提升高度外,速度也较利于超机动性的发挥,此时若遭遇敌机,可尽快进入过失速领域以击败对手,之后可以机腹朝地面的方式尽量减少下降速度(苏-30MKI与米格-29 0VT常表演这种动作),而以“可控平螺旋”像直升机一样在水平面上作360度指向以对付后续威胁,或执行水平加速,如此在战斗后高度并不会下降太多。简言之就是“超机动性可以提升战术爬升动作的安全性”。
超机动性的技术需求
超机动动作最主要的特征是极大迎角(甚至超过失速迎角)下的运动能力,这通常又包括“拉出大迎角”、“在极大迎角控制俯仰姿态的能力”、“持续维持高迎角飞行”以及“高迎角滚转”。前两项可视为一体,确保了俯仰方向的控制,最后一项其实是第三项的进化,确保横向的控制,因此这四项特性确保了飞机在三维方向的超机动指向。
在平飞状态下对飞机施加滚转控制(绕机身主轴的力矩)只会令飞机绕机身主轴旋转,不会改变指向。然而在有迎角的情况下施加滚转控制,飞机的升力与滚转会发生耦合现象,此时“滚转动作”将同时包括“飞机绕自身主轴自转”以及“飞机主轴以重心为支点绕飞行方向旋转”两项,后者对飞机而言相当于偏航,会改变飞机指向。高迎角滚转动作除了可以用升力滚转耦合现象解释外,也可以用陀螺进动性来解释。旋转中的陀螺在转轴偏移重力方向时会出现“转轴绕重力方向旋转”的现象,称为“进动性”。高迎角滚转时,升力便提供力场,旋转的飞机相当于陀螺,因此发生进动现象。要能安全地运用高迎角滚转,需要有很可靠的偏航控制能力。
因此超机动性的基础说穿了就是“拉迎角”、“高迎角稳定与可控”、“偏航稳定与可控”。拉迎角可由出色的气动布局甚至搭配矢量推力来达成,但迎角超过一定限度后会开始遭遇安全问题。首先是高迎角下的进气自然不如平飞时稳定,因此需要好的进气系统(导流进气道、辅助进气口等让气流稳定的措施)以及较能忍受不平稳进气的发动机。而在超过一定迎角但尚未失速时(以苏-27而言,在35~60度),有时候飞机的涡流体系被破坏而变得不对称,此时会出现强大的偏航力而引起螺旋,其力度甚至超过矢量推力,必须解决此问题才能安全地在这个快要失速的区域进行机动。在苏-27的“眼镜蛇机动”过程中,由于短时间内迎角便越过该不安定区而进入过失速区,涡流体系已完全破坏因此反而没有这种问题,苏-35BM的正常迎角提升到45度,可能已解决此控制问题。
单就以上特性而言,矢量推力看似不是必需的。老苏-35也可以在一定速度下猛然抬头并藉由惯性而完成360度筋斗,同时表演许多苏-37的超机动动作,F/A-18E/F据称在酬载对称的情况下也没有迎角限制,F/A-18的实验机还曾经展示在落下的过程中以奇异的摆荡方式改变指向的特殊机动。不过归根到底,控制面的控制力来自气动力,它取决于外在环境与飞行速度,当速度趋近于零时控制力也极小,不可能显著改变飞行姿态,而仅能给予飞机一个运动趋势,让飞机随着时间的增长去朝该趋势运动。这也意味着老苏-35. F/A-18E/F这类“翼控过失速战机”在执行完超机动动作后除了掉速度也会掉高度,与传统战机本质上类似。而矢量推力则是直接以发动机的推力进行控制,即使在速度完全为零而控制面没有控制力的情况下,矢量推力仍能控制飞机。此外,几乎所有超机动动作的第一个条件都是“短时间内拉大迎角”。在没有矢量推力的情况下,拉迎角的能力取决于飞机气动稳定性、酬载、飞行速度等,只有在某些酬载与速度条件下飞机才能发挥出最佳运动性能。当飞机酬载过重、速度过低、或高度过高时,便可能因为气动力不足或气动力矩不足而无法快速拉大迎角,这时有再精良的控制系统也无法发挥超机动性(因为那是物理限制)。另外,在超声速时也因气动稳定度提高而难以拉迎角。F-16.苏-27这一代的战机在亚声速下能有25~30度迎角,而高速下却只有6~10度。 反之,若采用矢量推力,则几乎任何时候都可以拉大迎角,这一方面是它认何时候都有控制力,另一方面是矢量推力的力臂几乎是固定的(只受重心位置影响)而不会受到气动中心的影响。苏-30MKI与米格-29 0VT表演的“连续双法轮”动作中的第二个法轮便是完全依赖矢量推力而完成360度筋斗的动作,这时飞机的俯仰率变化可以考虑为“超声速时升力中心后退至接近重心以至于气动力矩极小的情况下,矢量推力所能提供的俯仰率”。此外,有别于无矢量推力超机动战机往往必须以落下高度换取指向性,矢量推力超机动战机甚至可以用矢量推力让自身尽快指向上方而维持高度,可控性更高。因此有了矢量推力之后,飞机便能几乎不受酬载与气动条件限制而拉大迎角,进而“压榨”飞机的升力性能或进入超机动区(唯一的限制只有结构强度),并在包括零速度的环境下仍能快速改变机首指向,例如在执行完超机动动作后可进行“可控平螺旋”之类既可应付后续威胁又能尽量维持高度的机动。就此观点而言,矢量推力实乃超机动战机的必备条件。
超机动性对现代战机的必要性
看似“奢华”的超机动性其实与飞机的头号要求——飞行安全是一体的两面。超机动性体现在空战上是更快改变姿态的能力,而另一方面极大的可控迎角甚至失速后控制能力表示飞机在“压榨”飞行性能的同时较少有失控坠毁的顾虑,而超低速可控性与矢量推力的运用能减少起飞滑跑距离甚至降低起降速度,这也是传统航空技术所追求的。事实上,苏-27的设计师一开始追求超机动性的一大原因正是飞行安全问题,根据前总设计师西蒙诺夫的访谈,其认为有相当多飞机的损失是源于飞行员的操作失误,因而如果能大幅提升可控范围(包括可控迎角)就可以显著降低失事概率。
因此可以说,超机动性所需的技术能直接用于大幅提升安全性。具体来说,两者所需的硬件是共通的,唯独超机动性所需的软件当然比单纯确保飞行安全复杂得多,而且越强的超机动性自然需要越复杂的软件。软件等级大体上可分为三个层次:确保飞行安全、确保飞机失速迎角以内的控制性、确保失速后控制性。换言之,超机动技术并非一般想象的那样是独立于传统航空技术之外的。不过,超机动性要追求到多高的层次则是另一个问题。对当前的超机动战机而言,失速后控制性已成为必备条件,而很多人所不知道的是,这却从某种程度而言是来自意外。
除德国以外,美国与苏联也分别在不同时期开展了自己的超机动研究,不过却得到类似结论:超机动性的确可以提升近战效果,但要实现则有不少技术问题需要解决。然而在超视距空战时代,与其加强近战性能不如加强超视距战力。因此并没有特别为飞机开发目前苏-30MKI、米格-29 0VT经常展现的那种超机动技术。然而,在苏-27服役以后被意外发现其在超过失速迎角后还可以恢复平飞,甚至即使已进入“螺旋”也会自发改出。经一系列试验后,研究人员探索出让苏-27短暂进入90~110度迎角的飞行技术,其中之一便是闻名全球的“眼镜蛇机动”。这种还不可控的极限迎角动作可说是天上掉下的礼物,而这本来要依赖相当复杂的科技才能获得的飞行性能现在却因为种种巧合而成为“现成”技术,让俄罗斯能轻易地顺水推舟而研究出失速后的控制技术,在后来的老苏-35已经以翼面控制达到失速后的可控性,而自苏-37起更整合了矢量推力。也因为这种失速后机动已成为现实,因此若不具备此能力则可能意味着近战时会处于弱势,从而客观上导致先进战机纷纷“被迫”追求失速后控制技术。
因此对现代战机来说,应以追求超机动性为“目标”,即使达不到最高水平也至少能大幅提升飞行安全。而若要与列强争锋,则一定要具备失速后控制技术,尽管这在超视距作战中用处不大。
几种常见的过失速机动争议的探讨
失速机动,特别是矢量过失速机动对近距空战的增益是十分显著的。当具备矢量过失速能力之后,苏-37与F-22(在能量机动领域具备压倒性优势)之间的差距就大幅缩小了,更别说遇到其他不不具备压倒性优势的对手了。这些优势将改变近距空战的模式,甚至有可能影响战机的设计思路。这项优点基本上已无异议,但至于是否要在开发战机时将过失速机动列为必备性能,则牵涉到设计者认为值不值得的问题。就公开资料来看,目前仅有俄罗斯继续从事过失速机动的战术研究,有将之应用于下一代战机设计的意图,而欧美厂商或研究欧美战机的航空专家则普遍认为不值得投入,反对者所持的依据主要为:
1)过失速机动的操作原则违反了当代战机近战机动的准则——“能量机动”理论:
2)超视距空战时代不值得投资仅能用于近战的过失速机动技术:
3)离轴发射导弹与头盔瞄准具的搭配在近程作战时可快速锁定并打击周围目标,因此不必强调战机本身的机动能力:
4)过失速机动状态的战机容易沦为远方敌机的活靶。过失速机动与“能量机动”是否冲突?
“能量机动”理论是现代战机气动外形的设计依据之一,其大体是说,飞机必须尽可能保持在高能量(高高度、高速度)以及适合机动的状态,以便于必要时将能量换取为空战动作(转弯、指向、追击咬尾等),在空战动作期间要尽可能维持能量,并在空战损失能量后能够尽快恢复。换言之,所谓的“要维持能量”,其实是说不要没事做高机动动作浪费能量,以便为必要时的高机动做准备,而不是说不能使用高机动。如果所谓“要维持能量”就等同于“不能做高机动”的话,那么战机就应该设计成F-104.米格-25那种低机动构型,而不是苏-27、F-16这种高机动设计。
过失速机动进入超低速状态看似与能量机动抵触,实则未必。能量机动提出时并没有矢量推力技术,当时飞机的控制力完全来自气动力,因此飞行性能很大程度上受外在大气条件、飞行速度、自身酬载等的影响,而有了矢量推力之后,可以直接由推力进行指向控制 因此过去飞机的指向能力与能量大小成正相关,使得为了高机动当然要维持能量,但有了矢量推力后,指向能力已不取决于能量大小,因此对于矢量过失速战机而言,能量减少并不意味着不能应付威胁。 另外,矢量过失速机动的一项优点就是“指向能力相对不受筹载、速度的限制”。这一优点使飞行员可以把“空战圣经”中的一些有关能量管理的教范放到一边,却依然能够发挥出强悍的空战性能:飞机能量过低,会因气动力不足而无法产生高过载:能量过高,又会导致灵活性降低以及回转半径增大……种种实际因素都会限制飞机的指向性。例如现代战机在理想条件下迎角可达20~30度,但高速时就只有6~10度。因此,为了让战机保有最佳指向性,飞机的能量不是越高越好,而是要限制在某个区间。反之,矢量过失速战机即使不在这个区间也能有绝佳的指向性能。这种“便利性”(飞行员可以忽略以往许多操作限制)与“普适性”(飞机在各种状态下都具有强悍的机动性能)也正是武器设计时的重要考量。
因此,虽然矢量过失速机动的操作方式没有完全比照“空战圣经”,但具有更强、更不受限的缠斗性能,又由于过失速控制能力主要取决于控制系统而与飞机自身的能量不相冲突,因此,让飞机具备过失速机动能力并没有违反“空战圣经”的初衷。例如苏-37就是一种能够很好维持能量,指向能力又超强的战机,这正是“空战圣经”所追求的高机动战机。
超视距时代是否有必要增强近战性能
随着低可视与隐身技术的发展,未来战机彼此互相发现与开火的距离未必很大,特别是隐身战机之间的交战距离恐怕仍只有刚迈入超视距时代的等级甚至视距内等级。而隐身技术搭配各种干扰措施也能够提升反制威胁的成功率,因此将来中近距空战仍应占有不可忽视的比例,为了保险,增加近距格斗性能自然有其必要性。
全方位格斗导弹与高机动飞机的取舍
目前许多导弹厂商认为,飞机的机动性再强也不如格斗导弹,加上格斗导弹的离轴发射角越来越大,甚至接进全方位。因此,空中芭蕾舞者应该是导弹而不是飞机。飞机应该还是以维持能量为最高原则,让离轴发射的导弹与敌机缠斗即可。无可否认,几年之内或许是如此,武器工程师不断拓展离轴发射导弹的射界与射程以确保优势,但当离轴发射导弹逐渐普及化,且彼此性能相当时,飞机的机动性将再度扮演格斗的要角,与导弹相辅相成。
以上论点是有历史可循的:第一代格斗导弹只能锁定飞机尾部,战机必须咬住敌机6点钟方向,因此缠斗胜负仍取决于飞机的机动性,与机炮缠斗没两样,只不过导弹可以打得远些且更精准。紧接着,全向格斗导弹问世,这种导弹可以迎面攻击,使得飞机只需将机首对准敌机即可,不一定要咬尾,即不需做猛烈机动就能击落敌人,这使得配备全向格斗导弹的战机通过相对较少的机动就可以击落只配备追尾式格斗导弹的敌机。但飞机并未因此只成为导弹的载台:全向格斗导弹逐渐普及,能先指向敌机、将敌机“放”进可射击区域的就是胜利者,此时飞机机动性的重要性再次凸显。俄罗斯R-73与头盔瞄准具搭配相对于传统全向格斗导弹的优势,就如同全向格斗导弹对追尾格斗导弹的优势。只要离轴发射角大于对手,就可以做相对少的机动击落之。今日的格斗导弹离轴角又比当年R-73大许多,AIM-9X、ASRAAM等已具备±90度的离轴发射能力,而俄制R-73M2甚至还具备打击后方目标的能力。配备这些导弹的战机在近战场合遇上传统飞机时的确可以让导弹包办缠斗工作。
然而,笔者推测,当离轴发射导弹逐渐普及,战机都拥有同等级的离轴发射能力时,飞机指向能力将再次抬头,与导弹相辅相成以期早一步歼敌。原因与导弹射程有关,导弹射程通常随离轴角增大而减少。因此当敌机位于导弹在该方向的离轴最大射程附近或更远处使得无法以离轴发射进行打击时,若飞机能尽快指向目标,减少导弹离轴发射角,就能延长导弹在目标方向的射程,从而扩大防卫半径。简言之,在近距空战场合,过失速机动能让战机以较差的格斗导弹与对手打平,或是以同级的格斗导弹取得空战优势。
过失速战机在超视距空战场合的处境
许多评论认为过失速战机在面对后续威胁时会显得无招架之力,其主要依据是“这时飞机速度过低而没有反制威胁的能力”,在探讨这个问题之前,可以依据导弹性能与过失速机动特性而概略区分出过失速战机与不同距离下的敌机的优劣性。
导弹的射程是随情况变动的,实际上是导弹飞行距离与目标飞行距离的总和。所谓的“最大射程”大约是指目标面对导弹飞行时的射程,而“有效射程”通常是从侧面攻击的射程,也就大约是目标接进速度为零时的射程,而“追击射程”是目标完全背向导弹远离时的射程,大约就是敌我机相对速度为零时的射程。以最大射程100千米的导弹为例,其有效射程为50~60千米,追击射程不超过25~30千米。过失速状态下的飞机可以假设为静止,这种零速度状态不仅降低了我机射程,也降低了敌机射程,而且敌机射程可能还下降得更多,为了简单假设降幅相同。
据作者分析,在“敌高我高”(双方都在高空)时以有效射程与不可逃逸射程可概分出三个特征区间。双方距离超过有效射程时,基本上彼此都打不到对方:当双方距离进入有效射程时,双方开始有机会相互攻击,距离越接近有效射程,双方越有充足的时间逃跑,因此这个区域的敌机也不会构成威胁:而越靠近追击射程,则过失速战机越难以加速方式逃逸,这时便必须主动攻击对手或使用各种反制手段,而敌机却有充分时间脱离我方导弹的威胁,因此这会是过失速机动的劣势区:然而若双方距离再靠近,便可能出现“如果敌方一开始已经指向过失速战机,则过失速战机居于劣势,但若双方尚未指向对方,则过失速战机基于指向性优势而有较大的获胜机会”的情形,这时双方其实互有优劣。
以上特征区间是依据“敌高我高”时假设双方用同一种导弹所制定的参考值,高度不同时导弹射程会减少但上述参考值不变。低高度时导弹射程会下降,例如最大射程100千米的R-77低空最大射程仅25千米,在这种距离内飞机指向性变得相当重要,过失速战机便几乎没有劣势区间。因此大致可以得出结论,过失速战机的明显劣势区只有在“敌高我高时短程导弹有效射程与中程导弹有效射程之间的前半段”以及“敌高我低”的情况,但需注意的是传统战机在“敌高我低”时也处于不利态势,因此这并非过失速机动独有的弱点。 此外,以上简易分析是假设双方使用相同的导弹,实际上若配备射程相对较大的导弹,便可以增加优势区间。例如俄制R-73系列短程导弹遇上美制AIM-9系列便具备射程优势,因此“俄制过失速战机”与“美制传统战机”比较时,优势区间将更大。经由简单分析可以了解,真正能威胁过失速战机的敌机并不在远方,而是位于中近距离的一小部分距离区间,对于更近的敌机双方平手或是过失速战机占有优势。详细的优劣比较有待更精确的研究,但由此已可判定所谓的“过失速战机很慢所以对于后续威胁没有招架之力”是不正确的论点。
将过失速机动引入飞机设计
矢量过失速机动对中近距空战有不可磨灭的贡献,而近距空战在可预见的未来又难以避免,甚至会占不小的比例,且在超视距情况下并不像反对意见所言那般危险。因此打造一架具备矢量过失速能力的战机相当值得考虑。其中又包括两种设计思路:其一是将矢量过失速作为辅助,其二是将过失速机动视为主要近战方法。
1)矢量过失速作为辅助:这种飞机在气动外形设计上仍依据“空战圣经”来设计,平时以传统机动方式空战,维持速度,借助矢量过失速能力而提高失速前高迎角,必要时再使出矢量过失速机动保命。这种设计思路的成果是“好上加好,无可挑剔”的飞行性能,如俄制苏-30MKI.米格-29 0VT、苏-35BM、T-50.美制F-22等。
2)以矢量过失速机动作为主要近战手段:这种飞机在气动外形的设计上已经不必理会种种严格而又相互矛盾的要求,飞机只要飞得起来,在很小的迎角范围内有高升阻比即可,至于近战机动则完全交给控制系统以及矢量推力。
第二种飞机的总体飞行性能当然比不上第一种,如第一种可以进行大迎角持续盘旋而第二种就未必可以,但第二种思路无疑大大降低了飞机设计的难度,其成果或许不是飞行性能最好的飞机,但近战性能却未必逊色多少,此外可能还有更多好处。例如倘若F-117具备矢量过失速性能,则虽然它总体飞行性能逊于苏-37,但近战性能却仍不容小窥,另外又多出苏-37所望尘莫及的隐身能力。又例如如果要用比较小的推力达到像F-22那样的超声速巡航能力,可以藉由增大后掠角与缩小翼面积来达成,这显然不利于高机动,倘若这架飞机拥有过失速机动能力,便能弥补追求低飞行阻力所造成的机动能力过低的问题。当然,“过失速F-117”的例子太极端,该例只是要说明过失速机动可能带给飞机设计的变革,而不是说一定要如此设计。如果要采取第二种思路,应该还是要与传统的设计方法综合考虑,制造出“虽不完美,但最起码擅于取得能量,又擅于瞬时指向”的理想战机。
除了机体的高机动性外,再搭配如R-73M2、R-77、MICA.IRIS-T这类相对长射程的格斗导弹,以及相应的自动控制机制,就能够与过失速机动相辅相成,最终形成中近程空战的技术优势。
总结
过失速控制、矢量推力控制、射程相对较大的格斗导弹,这些恰恰皆为俄罗斯所有,其不但掌握上述技术,而且早就具备量产能力。除推重比尚不及赫伯斯特博士所推荐的1.2之外,苏-37、苏-30MKI等20世纪90年代问世的俄制战机早已属于实用型过失速战机。在使用新型发动机如AL-41F1-S后,推重比不足的问题也将获得解决。而西方除欧洲拥有MICA、IRIS-T等射程较大的格斗导弹外,目前并不具备立即拥有实用型过失速战机的可能,因为就公开数据来看,欧美不热衷于过失速机动的实用化,欧洲的矢量推力发动机尚未达到量产阶段且着眼点在短距起降而非过失速控制。因此,估计在一段时间内,既存的过失速战机如苏-30MKI、米格-29 0VT、苏-35BM、T-50将在中短程空战领域占有技术性优势。考虑到低可视技术对交火距离的拉近作用以及实战环境下中远程空战的不确定性,新型俄制战机将具有不可忽视的空战性能。