苏联/俄罗斯苏-27“侧卫”战斗机家族

苏27战斗机设计师——西蒙诺夫访谈录

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问:每一个曾经在航空展或电视转播看过苏-27表演的人,哪怕只看过一次,都不得不赞叹:这样的飞机是怎么创造出来的? 我在九岁时看过一本叫做?飞行员的一些错误?的书。飞行员不可能确保自己不犯操作上的错误。飞行及飞机设计对于飞行员及设计师来说总是个难题。因为技术上或座舱接口的失误,都将送上飞行员及乘客的生命。 螺旋是最复杂的危险现象之一。本质上这是一种不可控制的空间指向运动:机首指向地面的飞机不受控制的以螺旋方式下降。避免螺旋的方法似乎就是让飞行员了解 他的飞机在失控之前的飞行限制。It should be mention that there are several similar phenomenon in aviation that begin with aircraft losing control and rolling on the sige,but not all of them result in a stupor.然

而,虽然所有的飞行员都学习不同的方法以改出不同形式的螺旋,但实际飞行时真的能改出的并不多(绝大多数都发生于飞行员的失误,少部分起 因于机械故障)。有些飞机就是因为气动力设计的问题而赶不出螺旋。

这些严苛的飞行环境在民用机上几乎是遇不到的,但在战机上,机动力就是生命,这就是为何 全世界的战机设计师都努力于飞机的运动性能。气动力性能关系到武器的筹载,并达到我们赋予战机的性能要求。 机动力是飞机改变位置的能力。自然的the must be a reason for initiating one or another maneuver.这样的原因发生于许多不同的空战环境:你一定希望当你能够攻击敌人时,敌人处于无法攻击你的位置。这就是说,谁能够转得更快、先抢位, 谁就是赢者。

1940到1960年代的经典战机因为先天运动性能的限制而遭遇许多问题。传统的空战是大批飞机同时进行的,数十架一群的飞机一齐动作,每个 人都试图在空战中生存。战机稍微异于对手的一些经典设计,就足以在空战时延长至空时间5到6分钟。空战时,引擎发挥了推力极限,而且燃油消耗是相当惊人 的。此外,即使获胜,也不是每个人都能安然返航的。空战结束后,平均每五架飞机中就有一架因为燃油用尽而回不去。这时如果飞行员能够谈社那最好,但若他是 着降落,例如说,以高速在高速公路上着陆,结果是可预见的.....。因此许多国家的飞行员再参与空战时就有回不了家的心理准备。即使在空战区域外,飞行 员必须随时注意后面的情况,以免一不小心遭敌人暗算。这样的空战结束时,燃油警告登差不多亮起了,飞行员就必须要从他优秀的战机中弹射出来。

问:如何选择单用途的飞机呢?(...a sort of a single-use aircraft?)

飞行员的生命是非常重要的,不过除了提升运动性能以外的方法是昂贵的,因此,超机动性领域的技术突破是我们最优先的任务。所谓的超机动性就是尽可能的达成?人机一体?的飞行操作。

问:有可能在设计阶段就预测飞机是否具备超机动性能吗?

你应该知道谁是可能的对手。苏-27发展时,我们的焦点在于华约与北约的对抗。我们必须生产一种超越F-14F-15F-16F-18的飞机。 这架飞机是由苏霍伊设计局及许多合作单位共同合作的。例如我们战机的雷达是NII1及KB2研制的。我们的引擎是在我们提出要求后由留里卡设计局研制的。 这样的科学及技术联合组织确保了新飞机的发展进度及质量。为了作出能打败对手的飞机,我们必须有最好的引擎、最好的雷达、最好的飞弹,其它相关设备都要是 最好的。 在研制苏-27时我们发展了许多看似能超越F-15的发明,我们认为这架飞机似乎是比F-15好的飞机,但是超越了多少?答案是非常少。在近距离作战时,我们的飞机将与F-15进入盘旋追击状态,彼此获胜机会各半。 我们了解到为了让我们的飞机相对于对手有决定性的优势,他不但要有超越对手的机动性,更要是好几倍的机动性。机动性指的是机首的指向能力。在空战中,能够先将机首指向对手,就是得到优势。因此我们认为,如果我们的飞机转弯率达到对手的两倍,我们就称之为超机动性。 超机动性能是指飞机能在任何状态以对手转弯率的两倍以上指向目标的能力。

问:在这种极限条件下,发动机似乎会故障。

首先发动机必须有超强的推力。现代军用航空发动机是含有后燃器的涡轮扇发动机(后燃器是一种增力装置,藉由燃烧注入后燃器的燃油并直接将他喷出以取得多余 的推力,这也要付出多余的燃油)。苏-27的每具发动机推力达12.5顿,同时期美国F-15的发动机单具推力约在10.8到11顿。当然还有推力以外 的性能要求。例如说,如果发动机喷嘴能够偏转大约15度,那会是很有帮助的,特别是空战时,飞机已经达到临界攻角的情况下。例如苏-27的攻角限制为 24度,但空战环境可能要求他能达到60至90,甚至是120度攻角。当飞行员做这类操作时,喷嘴必须立刻作出反应,将喷嘴转到应该的位置。 SU-30MK战斗轰炸机上使用的AL-31FP发动机的喷嘴能在水平面上偏转正负3.2度,以及在垂直平面上偏转正副15度。使用它的飞机将能做到其它飞机做不到的动作:迅速减速,像直升机一样的小半径回转。 1989年苏-27第一次现身巴黎航展时,西方有关单位评论(State Combat Aircraft Testing Institude)断言苏-27比不上F-15。但我们仍坚持我们的飞机比美国人的还要好。 当时美国人创了许多爬升纪录。爬升时间是由飞机开始滑行时计算的,计算他到达预设的高度,例如3000、6000m等,所需的时间。所以从停放在地面开始,飞机就要尽可能的再最短时间内冲到预定的高度。当时所有的世界纪录都是由F-15保持的。 我们用苏-27抢走了F-15所保持的所有纪录,证明我们的飞机在爬升性能上是超越F-15的。

问:这是怎么达到的? 首先,必须确保飞机在获得最大推力前能完全静止(以便一开始滑行就有最大加速度)。当飞机开后燃器时,只靠煞车是不够的,因此需要用别的方法。首先我们以 绳索连结飞机与一辆坦克,但,就在后燃器开启的1秒后,我们听到尖锐的声音,并发现飞机拉着坦克跑。我们把修护旁边跑道的大型工程车与坦克连在一起,才确 保了苏-27达到最大推力前的完全静止。 引擎很早就达到极限推力,就在牵引线放开后不久,飞机很快就加速并进入垂直爬升状态。飞机在垂直爬升阶段突破音速,没有一架飞机,甚至是火箭,能在这么低 的高度破音速。通常这只发生在高空,而我们在2000至3000m高就达到了。(LUZE注:显然,这里说的F-15是改装机,而这里说的破纪录的SU- 27是P-42) 典型的空战中,两架飞机彼此追击,进入盘旋状态直到可以攻击对方时。如果在一开始就达到90度攻角,我们就能很快的锁定敌机并发射飞弹。这将显著的改变近距离空战思想并在几秒内,而不是几分钟,确保胜利。

  据说一开始并没有想到苏-27能改出失速。

是的,这是TsAGI根据风洞模型吹出的结果提出的:这架飞机不能从失速中改出。所以我们设计了供给限制器,将攻角限制在24度以内。 在TsAGI,没有一架苏-27的风洞模型能够改出失速。为了验证个个现象,我们建造了1/2比例的苏-27滑翔机,由Tu-16带至10000m高 空施放。该实验机有自动控制系统,刻意让飞机进入螺旋状态,并备有螺旋解除伞以在改不出时施放。实验结果,改出与改不出的情况各半。但我们总部能告诉飞行 员:?尽情飞吧!没有问题的!?因此我们同意TsAGI的建议,限制飞机的飞行性能。这是很可悲的:我们希望我们的飞机能达到高攻角,可是却做不出这样的 飞机。 最有趣的事发生在飞行测试中。试飞是相当繁重的工作,大约要进行5000次,包括结构强度、气动力性能、射控性能等。 在?眼镜蛇?动作之前,试飞员包加契夫就做了一系列高攻角试验。对此我非常担忧,因为我知道美国F-16能够达到60度攻角,但只能以特殊的反螺旋装置才 能改出这个动作。我们选择别种方法测试我们飞机的高攻角性能,但仍相当忧心。然而,包加契夫总是成功的改出来。 后续的测试证明,苏-27在高攻角运动时不会进入螺旋状态。他能够进入高攻角并且安全的回到正常操作状态。这项发现打开超机动性的大门。但20年后的今天,我们仍不知道为什么,我们只是做了实验并且发现他。 另一个有趣的现象是由V.Kotlov发现的。在一次试飞中,因压力传感器失灵导致他得到错误的速度数据。他以为他飞得很快,因此认为自己可以爬升,他以 很陡的坡度爬升,结果在8000m高时飞机停住了,他动力的反复开关试图让飞机能回复原来姿态,但是没有,飞机开始以机尾朝下的姿态往下掉,飞行员还感受 到失重现象。这就是后来的?Bell?动作(注:Bell是钟摆,据说这是这个动作在俄国的名称,西方国家称之为?尾滑?)。

问:这都发生在几秒钟内吗?

大约20秒。但在空中感觉是很久的。 还有一次试飞时,攻角达到60度,飞机进入螺旋状态。Kotlov将之回报给地面指挥中心:?失速了?。因为当时我们认为苏-27不能改出失速,因此地面指挥员告诉飞行员:?在4000m以上就要弹射?。 弹射是飞行员非常讨厌做的事,不过为了避免更大的伤害,这位飞行员不在控制飞机,开始准备弹射。就在这时,他发现飞机改出螺旋,并且不再急速掉落。也就是 说,当你放开对苏-27的操纵时,他能自己回到原来的状态。改出后,他仍是可控的,Kotlov驾着他安全的降落。

也许这只是个巧合,不是吗?

一开使我们也这么认为,毕竟在1000次的试飞中,这是唯一的一次。但不久之后,在远东军区发生更奇怪的事。有移位飞行员进行拦截训练,飞机达到临界攻角 后就失速了,他根据地面指挥员的指示弹射出来。但,苏-27还是改出来,并且在自动飞控系统的操作下持续飞行直到燃油用尽。

这促使 我们开始了一系列实验。过程中,苏-27再进入螺旋以及从中改出时展现了某种步安定性。可以确定的是,即使最有效的反螺旋方法也不见得让飞机幸存。同时 发现,当苏-27进入螺旋时,只要把所有控制面?放松?,他就能自己改出。据分析,认为这起因于苏-27的涡流体系在高攻角及测滑时的特殊器动力特 性。 这一系列的测试要感谢航天员Igor Volk,他指导了这一些飞行试验,并确定了苏-27能在任何失控状态中改出。

那么为何风洞测试却的到相反的结果呢? 除了飞机器动布局外,飞机尺寸对空气的影响也必须考虑。流体力学中有个很重要的参数:雷诺数。是速率、尺寸、黏滞阻力等的函数,这个参数在比例模型及实际飞机上是差很多的。

为何说超机动性能可以减少飞机在雷达上的特征? 超机动性应该被看作是近距离空战所用到的能力。一旦飞行员发现自己的飞机被敌方扫描,他要做的第一件事是爬升。爬升时,速度减低,飞机渐渐因为都卜勒效应 而消失于敌雷达幕上。敌人也不是笨蛋,他也许会跟着将机头抬起,以将扫描空域向上移。然而我们的飞机以进入垂直状态且速度已经趋近于零。都卜勒雷达是只能 处理移动目标的,若目标速度为零或小到某个程度时,都卜勒雷达就会将之当杂波率除,这样敌人就看不到我们。此时他也许能目视我们,但雀无法发射雷达导引飞 弹,因为弹头同样抓不到我们。

有其它方法可以让飞机隐匿于雷达吗? 这种所谓的?匿踪?飞机正开始被重视。这种新技术将用在第五代战机上。第一种使用匿宗技术的战机是F-117A战轰机,虽然他从未成为一架战斗机。他有很低的雷达特征及很差的飞行性能,就像一个飞行熨斗。

我在某些资料上看到,在这架飞机发展过程中,你了解到机在航电系统大幅升级的急切性。这些设备在超机动飞机中可靠吗?

通常人们对俄国航电系统的负面评价是不合理的。我们同我们的雷达设计单位讨论我们要的及他们能做到的。结论是,F-15的雷达约244kg,我们的同类产 品重量将是他的好几倍。但我们不担心,我们的目的是在更远的距离找到敌人。因此我们也装备了光电探测暨标定系统,即使这样会增加飞机重量。 当SR-71战略侦察机从挪威方向?造访?时,苏-27及SU-30将警戒北方领空。SR-71再次出现时,我们的飞机已经等在空中。我们会与美国人玩 个游戏:我们不开雷达,只用光电探测系统就能在很远的距离看到SR-71,即使我们是迎面接近,也是能很远就发现他。 所以你不能说我们的电子设备是失败的。那是基于对敌机认识所提的要求。至于制作更好航电的飞机,那不是问题。

新一代飞机真的能用新型机翼的使用来提升器动性能吗? 为了减少机翼的超音速震波阻力,机翼必须有掠角。对于后掠翼而言,气动力能够平衡掉扭曲效应,使得结构趋于安全,但也因此造成升力损失。如果使用前掠翼的话,就不会有这问题,他的总升力更大,但同样的,更容易弯曲及扭曲,因此有了结构的问题。 美国人再X-29上作了这相关实验,但基于某些因素没有投入使用。而我们相信这些问题可以由复合材料解决。金属结构没有办法承受这些应力。现在我们能作出以碳、环氧树酯、有机材料危基底的高强度复合材料来解决这些问题,这种材料已经用在装甲车上。

你对第五代战机的超机动性有什么期望? 我有很深切的期盼。如果我们的队手有第五代战机,我们也就需要。这是基于势力均衡的需要。不久前我们造访某国家的航空展,他们的空军领导人对我说:?我们 需要你们的飞机,我们有不同的飞机,但我们需要俄国的飞机使得敌人不敢进犯?。这就是新一代战机的任务之一:维持世界政治力量平衡。

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