空军世界 :: F-22“猛禽”战斗机

推力矢量技术对F22飞行性能的贡献

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F-22战斗机已经进入美国空军现役并形成初始作战能力,作为世界上第一种按照第四代性能指标要求设计的战斗机,通过美国空军在F-22战斗机上所实现的技术要求,在整体战斗机技术上建立起了第四代战斗机的基础标准。F-22战斗机根据作战需要被设计成一种高敏捷性的空中优势战斗机,设计要求中F-22所提出的作战半径、内置弹舱、复杂而完善的航空电子设备等方面的要求,都使F-22的体积和重量超过了前一代的F-15战斗机。F-22在提高飞机机动飞行性能的设计过程中,最大的困难就是如何使一架与F-15规格相当的战斗机,在空战中能够具备比F-16战斗机更好的机动性和敏捷性。F-22战斗机设计中将推力矢量技术同飞行/控制技术综合的方法,是在维持飞机隐身性能和机动飞行性能的同时,提供F-22战斗机足以应付21世纪空战环境要求的高度敏捷性的一种先进技术。

完全依靠气动控制来满足F-22对机动性和敏捷性方面的技术要求是非常困难的,虽然F-22在设计上并没有过于强调过失速机动飞行的能力,但是要求中的大迎角飞行控制能力仍然不是常规气动控制所能够满足的,因此在F-22设计开始就将发动机推力矢量和气动控制一起进行综合考虑。F-22是目前服役的先进战斗机中唯一的一种在设计阶段,就将推力矢量技术与气动控制技术进行综合设计的机型,这个技术特点使F-22在飞行性能方面达到了一个前所未有的新高度。F-22综合利用大面积气动控制面和发动机推力矢量系统,具备了很好的大迎角飞行性能和过失速飞行能力,F-22战斗机在20度迎角下的滚转速率可以达到100度/秒,并且能够在滚转过程中迅速改变飞机的速度矢量和机头指向。F-22战斗机在60度迎角的高机动飞行中的滚转速率为30度/秒,而机头指向移动速率可以达到90度/秒的惊人水平。推力矢量技术的采用使F-22战斗机在速度非常低的条件下仍然具有可靠的控制能力,即使在飞行速度已经降低到74公里/小时的时候也可以在俯仰方向完成有效的控制。
 

F-22在俯仰轴方向实现推力矢量控制技术是不需要付出气动控制面的阻力和重量代价,保证F-22得到足够的俯仰控制力矩的最有效的办法。F-22战斗机通过俯仰轴方向可差动的推力矢量控制,明显的降低了飞机运动过程中对常规气动控制面的要求,仅仅水平尾翼就可以减少1.86平方米的面积和181公斤的结构重量。应用推力矢量在减重和减阻的同时有效的提高了F-22战斗机的结构隐身性能,并且使飞机具备了不受飞机迎角姿态限制的俯仰控制能力。

F-22战斗机的二元推力矢量喷管通过独立控制的喷管调节片进行机械偏转,可偏转的调节片同时还具备控制喷口面积的能力,具有±20度调节范围的可偏转调节片在飞控计算机传递给发动机电子控制系统的指令下,能够以40度/秒的运动速率在全偏转范围内进行任意角度的调节。F-22战斗机每台发动机的推力矢量喷管都从控制系统接收各自独立的控制命令,两台发动机的俯仰控制都可以独立进行调节。F-22战斗机在推力矢量控制启动状态时,俯仰控制是由平尾的作动筒位置信号来调节矢量喷管的偏转角度,飞行员在操纵时不需要对矢量喷口调节进行任何形式的人工干预。F-22战斗机的推力矢量是由飞行计算机根据空速和飞机的迎角自动控制,发动机的推力矢量控制可以根据情况人工关闭,为了避免F-22战斗机在矢量喷管控制切断后,因为操纵不慎而出现翼尖失速或导致飞机进入深失速状态,飞行控制计算机内部储存的软件系统可以在紧急状态下使矢量喷管不需要飞行员的指令就进行启动,依靠推力矢量技术来保证飞行在极限状态下的飞行安全和自动恢复飞机的飞行姿态。

F-22在应用推力矢量系统后可以获得很高的低速机动性和飞行稳定性,YF-22战斗机原型机在试飞中试验了在迎角60度,空速152公里/小时的条件下对飞机进行配平的能力,并且还验证了F-22战斗机在迎角达到70度时仍然可以进行配平和具有稳定的俯仰力矩斜率。F-22战斗机有能力依靠推力矢量技术配平超大迎角的飞行姿态,可以完成与苏-27表演的“眼镜蛇”类似的大迎角机动动作,F-22在机动中超越苏-27“眼镜蛇”飞行动作的方面是,F-22战斗机在进行类似“眼镜蛇”机动的整个过程中可以随时保持/改出动作并进行姿态调整。根据目前所得到的F-22战斗机的试飞数据,F-22战斗机在使用标准军用推力的条件下,利用推力矢量系统在60度迎角姿态进行改出时可以获得18度/秒的最大下俯速率,即使在发动机处于慢车状态下也可以获得15度/秒的下俯速率,并且飞机在整个改出过程中都处于完全可控状态。
 

军用推力    慢车状态
从20度到10度配平(秒)    1.5    3
从60度到10度配平(秒)    3.5    7
最大俯仰速率(度/秒)    18    15
图注:F-22战斗机从大迎角姿态中改出的时间

F-22在60度以下的大迎角飞行姿态时处于完全可控状态,俯仰姿态和迎角控制可以精确到0.5度,大迎角姿态下的侧滑角和滚转控制都非常稳定,不会在大迎角飞行中产生明显的机翼下沉或摆动状态。F-22的大迎角滚转状态是由飞行控制系统根据迎角数值的变化自动调整的,F-22在迎角20度到40度之间进行滚转时的航向姿态比较稳定,当迎角超过40度后进行倾斜滚转将会形成极其有利于调整机头指向的航向变化。使用推力矢量的F-22战斗机在20度迎角时的滚转速率比空气动力控制提高了一倍,即使在迎角超过40度时还可以提供20~30度/秒的稳定转弯角速度,而这些飞行性能的获得在没有推力矢量技术的时候是完全不可想象的。

推力矢量系统还可以明显改善F-22战斗机的超音速机动性能,F-22在飞行速度M1.5时的转弯性能和响应速度与F-16的飞行速度在M0.8时基本相当,而且F-22战斗机在飞行高度11500米,空速M1.2条件下具有很强的稳定盘旋能力和单位剩余功率,可以进行三代战斗机完全无法完成的超音速持续转弯和俯仰机动。F-22是世界上第一种真正将气动控制与推力矢量有机结合到一起的作战飞机,由此也使F-22战斗机在获得了前所未有的高机动性的同时也具有高安全性和高可靠性,F-22在机动飞行时与目前第三代战斗机由飞行控制系统通过限制飞机的飞行姿态来控制飞行边界不同,气动控制与推力矢量的结合使F-22机动边界只受到飞机结构强度的限制,确保F-22能够在发挥全部飞行性能的同时进行真正意义上的无顾虑操纵。加装了推力矢量后的苏-37/30MK在机动性和敏捷性上确实有明显的提高,但是这些飞机在高机动飞行表演中所展示的飞行性能实战程度并不高,而且只有非常有经验的高级飞行员才能够飞出这些特殊的动作。F-22的飞行表演虽然在机动动作上可能没有苏-37/30MK那样花样繁多,但是任何一个合格的F-22战斗机驾驶员都可以完成“眼镜蛇”这样的高级机动动作,而且在进行类似的大迎角过失速机动动作的过程中还可以做到全程可控,可以说F-22在过失速机动飞行中的动作要比苏-37/30MK的类似动作有更强的实用性。

目前俄罗斯和欧洲国家都开发了多种采用推力矢量技术的先进航空发动机, 苏-27和米格-29的改进型中也有多种采用了带有推力矢量的发动机,但是作为推力矢量设计技术最先进,应用水平最为完善的美国却并没有在第三代战斗机上改装推力矢量发动机。美国所开发的实用型推力矢量发动机首先装备到F-22战斗机上并不是偶然的,而是美国空军和航空设计单位通过对飞机和发动机的综合验证所得到的科学结论。第三代的战斗机作为强调机动性能的先进机型,在设计时都是以气动控制作为飞机获得高机动飞行性能的基础,而推力矢量技术在对飞机的控制上与气动控制存在比较大的差别,简单的为一种采用气动控制作为设计基础的战斗机加装推力矢量的价值非常有限,所能够得到的性能改善也无法真正达到将推力矢量与气动控制完美结合的要求。美国NASA在利用F-16和F/A-18改装了推力矢量技术验证机的同时,仍然与德国共同开发全新的X-31高机动技术验证机,就是因为在现有常规飞机上改装推力矢量发动机的效果并不完善。

安装推力矢量发动机确实可以明显提高战斗机的机动性能,甚至可以完成很多常规战斗机所无法完成的高机动飞行动作,其中很多机动动作还具有改变现有空战战术的潜力,但是将推力矢量技术用来改装现役作战飞机的效果却并不明显。出现这样问题的原因主要是因为国外目前使用的第三代战斗机都是在上世纪七十年代开始发展的,那个时候推力矢量技术还处于进行技术验证的初级阶段。美国和俄罗斯在开发第三代高机动性战斗机时,都是完全依靠气动控制的方式来满足飞机对机动性能的要求。F-16、F/A-18和SU-27这类战斗机的气动设计水平非常高,但是当美国在F-15、F-16和F/A-18上改装了推力矢量技术验证机之后,通过试验却发现第三代战斗机并不能够很有效的利用推力矢量的效果,更无法达到F-22通过推力矢量辅助翼面起到的减阻减重的效果。

第三代战斗机的发动机在加装推力矢量系统之后需要增加一定的结构重量,在飞机本身的重心位置已经基本确定的情况下,改装推力矢量所增加的重量对飞机的重量分配会造成较大的影响,无论是通过调整飞机结构重量分配的方法还是在机身上增加配重,增重对于现役飞机的改装都是一个比较麻烦的问题。现役第三代战斗机的气动布局已经确定,传统的气动控制与推力矢量控制之间存在有一定的矛盾,满足气动控制需要的气动设计有的时候反到会影响到推力矢量的效率。第三代战斗机的机载导弹武器都才以外挂的形式,而外挂物的气动干扰会对过失速机动稳定性造成影响,目前俄罗斯采用推力矢量技术的几种机型在做过失速机动动作时都无法携带标准的外挂载荷,而战斗机又不可能只携带符合过失速机动飞行要求的外挂条件。

目前的技术条件下使战斗机具备过失速机动飞行能力并没有什么不可克服的技术困难,但是目前战斗机所采用的机载武器却并不具备在过失速条件下使用的能力,美国和俄罗斯在目前都没有能够在过失速条件下有效使用的导弹武器。美国空军对战斗机过失速机动作战的模拟结果中,确定目前能够在过失速机动过程中有效使用的机载武器只有航炮,当还没有空空导弹能够在过失速机动过程中使用的情况下,战斗机的过失速机动动作最大的作用只是占位而不是攻击。常规气动设计的第三代战斗机采用推力矢量进行过失速机动时,虽然飞机有能力完成大迎角条件下的过失速飞行,但是常规气动布局的设计会对推力矢量的效率形成限制。根据带有推力矢量的SU-30MK在飞行表演中所进行的过失速机动动作来看,SU-30MK进入机动的速度和姿态限制都比F-22和X-31要大,而且在动作转换过程中还存在姿态调整的过程,有时候还需要依靠推力矢量喷管的偏转来抵消翼面产生的部分消极干扰,在机动动作控制的精确性和响应速度上与F-22存在比较大的差距。F-22采用推力矢量是因为考虑到与同样具备低信号特征的战斗机发生格斗空战的需要,而设计时就将推力矢量与气动控制综合考虑的F-22,在完成机动动作时的姿态调整和恢复速度是现役战斗机改装推力矢量所完全无法比较的。

第三代战斗机在现代战争中的战术使用方法同样限制了推力矢量技术的应用,目前第三代战斗机的战术发展方向是依靠先进的雷达和机载导弹进行超视距空战,而现役格斗导弹的机动性也明显超过了战斗机的机动性。依靠推力矢量所获得的高机动性和过失速机动能力在中距空战中的意义不大,而改进格斗导弹的机动性所获得的战斗力提高幅度又要远远的超过飞机机动性提高的效果。美国和欧洲目前的观点是尽可能加强战斗机的视距外空战能力,通过指挥控制和信息情报上的优势在中距空战中就决出胜负,尽可能避免卷入战斗机之间的格斗空战。格斗导弹的发展趋势则是加强离轴发射和全向攻击能力,在格斗空战无法避免时利用导弹的性能优势来消灭对手。俄罗斯采用推力矢量技术的SU-30MKI并不具备足以配合其作战的飞行控制和武器系统,如果不能满足在过失速机动过程中完成攻击的基本要求,SU-30MKI在格斗空战中并不会有比西方战斗机更强的战斗力。

现代化战斗机是一个由多方面因素综合作用所构成的整体,每一代战斗机的出现除了代表着在航空技术上所获得的发展之外,更加重要的是对战斗机的战术应用认识上的提高。战斗机在设计之初所确定的技术指标和使用方式决定了飞机的整体设计特点。战斗机的现代化改进虽然在技术上可以得到一定的发展和完善,但是由使用方式决定的固有设计特点却无法依靠技术改进来进行调整,第二代战斗机无论进行任何形式的改进也无法达到第三代战斗机的标准,以第三代战斗机的设计也根本不可能具备发展成第四代战斗机的基础条件。

F-22的生产型目前已经进入美国空军作战部队服役,第四代战斗机已经由潜在的威胁变成了实实在在的技术压力。根据目前所采用的常规空战机动动作为依据进行分析,F-22的常规机动飞行性能要比苏-27S高的多,在敏捷性和大迎角飞行性能上的优势则更加明显,苏-27S甚至苏-37/30MK在与F-22进行常规格斗空战时都将处于全面的劣势。现代化战斗机如果在整体技术上形成了代的差距,就极其可能由技术落后的一方承受完全被动的单方面打击。第三代战斗机在基础设计思想和技术特点上与四代机存在明显的差距,企图让三代战斗机依靠技术改进来达到与四代机正面对抗的能力是完全不可能实现的。F-22这种战斗机也许在某些方面还存在有一定的不足和缺憾,但是至少在另外一种满足第四代战斗机整体技术要求的高性能战斗机服役之前,F-22面对目前所能够遇到的对手仍然可以说是无敌的。先进战斗机只有使用同类的先进战斗机才可以进行对抗,认为在目前的第三代战斗机上经过改进升级就可以用来对抗第四代战斗机,无论是从技术上还是战术上都是个危险的错误。

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