【探索時分】F16vs蘇27 誰的機動性更好?

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F-16是一款劃時代的戰機,它的重要性超過同時代的蘇-27、F-15、F-14、F-18。為什麼?很簡單,因為F-16是世界上第一款靜不穩定,同時還有電傳飛控的戰鬥機。靜不穩定、電傳飛控,這些劃時代的設計,直接奠定了之後幾十年的飛機設計思路。

那什麼是靜不穩定,什麼又是電傳飛控呢?我們先從電傳飛控講起。

電傳飛控

所謂電傳飛控,英文叫做Fly-By-Wire Flight Control System,翻譯過來就是用電信號進行的飛行控制系統,聽著很繞口,它主要分兩部分,電傳和飛行控制。我們要先講一下,什麼是飛行控制系統。

我們拿開車舉例子,你在路上開著車,右轉彎,方向盤打20度,車也轉20度,一切都很順利,但是假設你在下雪天開車,地面上結冰了,特別滑,這個時候你打方向盤,轉20度,車90%它不會轉20度,它一定會打滑。這個時候你怎麼辦呢?你調整方向盤的角度,打得再大一點或者小一點,使得雖然我的輪子轉向可能是30度或者10度,但是車行走的方向還是20度。

這就是一個簡單的控制系統,只不過控制車的是你而不是計算機。控制系統一定要有一個反饋,你在開車的時候打滑,你偏移的角度,就是反饋,你接受到這個反饋後,你就對你的車進行調整和控制,使得車達到你想要的方向。它就形成了一個閉環的循環,調整了不行,繼續調整,直到車走在你想要的方向為止。如果各位朋友學過控制理論課,就知道這就叫閉環系統。

飛行中也是一樣的。只不過沒有方向盤了,是通過你的操縱桿控制飛機的各個舵面,最終目的是達到控制飛機的飛行姿態。而所謂的飛行控制系統,就是說從接收反饋到對系統進行調整這樣一個過程,不是由飛行員駕駛員來做了,而是交給計算機,自動去做。

我們還是拿汽車舉例子。你在冰天雪地裡開車,方向盤打了20度,這個時候車打滑了,不需要你手動去調整,計算機感受到車打滑的方向,自動調整車輪,有可能是15度,也有可能是30度,但是一直保證在你想要的20度的方向上前進。這樣的話駕駛員不就輕鬆了嗎?

飛機上也是一樣的。飛機在飛行的過程中遇到的環境比汽車在冰天雪地裡的環境更加惡劣,在不同的高度,空氣密度不一樣,聲速也是在變化的,你會碰到各種各樣的紊流,擾亂飛機的飛行姿態。而通過飛行控制系統,你就不需要計算反饋,手動進行調整飛行姿態,計算機就可以做這個事情。所以說,電傳飛控的出現,對於戰鬥機來說是非常大的性能提升。剛才我們講的飛控就是飛行控制。

那麼什麼是電傳呢,我們還是回到汽車這個例子。傳統的傳動是你的方向盤通過機械結構,直接連著你的輪子,你想打20度,馬上車輪就轉了20度。但是如果你加上這樣一個控制系統,就面臨一個問題,你的方向盤打了20度,但是你的車輪是由計算機來控制的,它可能需要調整,只打15度,那這個時候怎麼辦呢?

你的方向盤和你的輪子以及輪子之間,就不能直接通過機械結構連接,中間加入計算機。你方向盤轉20度,計算機感受到這個輸入,然後計算機直接去控制輪胎的方向,使得輪胎可以在19度、20度、21度間調整,這就必須要通過電信號進行傳輸,方向盤的轉向轉換成電信號輸入給計算機,計算機經過計算,驅動機械結構,使得輪胎轉向。這就是電傳。

飛機上的例子依然是相似的。飛行員操控各種操控桿,操控桿並不是直接通過機械結構和飛行舵面以及翼面相連的,而是信號轉換為電信號,計算機知道你想要什麼樣的飛行姿態,然後計算機再通過電信號去控制飛行舵面的變化。

給大家舉個例子。如果各位有開過空客的飛機,空客的主副駕駛員各有一套操作系統,這兩套操作系統之間的關係是什麼呢?是疊加。比如機長讓這個飛機拉起來一個角度,副機長也拉起來一個角度,那這兩個角度最後它就會自動計算,進行疊加,它怎麼實現的呢,就是通過電傳飛控,計算機接收到兩套操作系統的電信號,經過計算,疊加出來一個新的信號,用這個新的信號去驅動飛行舵面控制飛行姿態,這就是電傳飛控。

電傳是手段,達到飛行控制才是你的目的。不僅有電傳飛控,還有機械飛控。在最早的蘇-27驗證機上就是用的機械飛控,後來發生了多起事故之後,改用的是電傳飛控。關於蘇-27的故事,我們下一集帶給大家。

靜穩定與靜不穩定

F-16是世界上第一款使用電傳飛控的飛機。為什麼要採用電傳飛控呢?因為它是世界上第一款靜不穩定飛機,必須要用電傳飛控。那什麼又是靜不穩定呢?

舉個簡單的例子。一架飛機在平直飛行的過程中,容易受到氣流的擾動。當它的機頭受空氣擾動向上抬的時候,這個時候如果有一個低頭的力矩,飛機不就自動恢復到平直位置上了嗎?那這就是靜穩定,它自己能夠回到一個平穩的狀態。那什麼是靜不穩定?就是這個飛機在受到擾動的時候,飛機抬頭,卻受到了另一個抬頭的力矩,使它離平衡位置更遠,它不就不穩定了嗎?這就叫靜不穩定。

那麼靜穩定和靜不穩定是由什麼決定的呢?簡單來說,飛機有氣動中心,也有重心。當氣動中心在重心之前的時候,飛機受到氣流擾動,因為飛機仰角增大,升力增強,升力作用到氣動中心,如果氣動中心在重心之前,這就是一個抬頭力矩,它會增大飛機的不穩定性。飛機本來是要抬頭,你再給它一個抬頭,飛機不就不受控制了嗎?這就是靜不穩定。而如果氣動中心在重心之後,當飛機抬頭的時候,正好這是一個低頭力矩,讓飛機更加穩定,這就是靜穩定。

靜穩定好不好?當然有好處,因為飛機更好控制,那有沒有不好處,當然也有,就是你的升阻比變大,不靈活。你在平直飛行的時候,當你抬頭,你當然希望它是一個低頭力矩,保持平穩,但是當你要做出飛行動作,當你想要把飛機拉升的時候,你不就要額外克服這個低頭力矩,花費更大的升力,來提升你的飛機嗎?所以靜穩定的飛機更容易操控,但是更不靈活。而靜不穩定的飛機非常靈活,但是不容易操控。

還有一個問題,就是當飛機從亞音速跨越到超音速的時候,氣動中心會後移,這就意味著一個原本靜穩定的飛機,氣動中心後移以後,使得這個平衡的力矩變得更大,飛機就更不容易拉升變向了。

F-16的設計思路

而在F-16設計的時候,美國軍方對F-16的要求是,你是一個輕型飛機,你要在亞音速和跨音速有著極強的機動能力。所以,當時的設計方通用動力經過巧妙的構思,提出了靜不穩定的設計方案。我的飛機會更加靈活,但是不容易操控怎麼辦呢?只能通過電傳飛控。怎麼操縱呢?

比如當飛機平直飛行的時候受到氣流擾動抬頭,因為你靜不穩定,所以你受到一個抬頭力矩,這個時候飛機通過感測器,感知到飛機的偏移角度,自動計算所需要的低頭力矩,通過電信號控制飛行舵面提供所需要的力矩,使得飛機恢復到平直飛行的平穩狀態。

這樣設計的話,F-16能夠保持平穩飛行,又可以保持極大的可操作性和靈活度。所以F-16的各項指標,瞬盤、穩盤、爬升率都遠遠超過同一時期的戰機,同時在超音速階段,氣動中心後移,F-16就一下從靜不穩定變成了靜穩定飛機。

F-16的這一個設計思路是里程碑式的,奠定了後世飛機設計的基礎。後世的很多飛機,無論是美國的、蘇聯的還是歐洲的,都走了F-16這樣一個電傳飛控加靜不穩定的設計結構。

F-16與蘇-27性能數據對比

F-16是1974年首飛,世界上第二款靜不穩定飛機蘇-27三年之後才首飛。雖然蘇-27有後發優勢,但是我們後來通過蘇聯和美國的解密資料進行對比,就會發現F-16的機動性能,竟然遠遠在重型戰機兩個發動機的蘇-27之上,這不僅大大超過了蘇聯專家的想像,也超過很多軍迷朋友之前的設想。

以F-15A/F-16A為代表的西方戰鬥機在80年代的幾場衝突中,取得了壓倒性的優勢,直接震驚了蘇聯。蘇聯當時委託了蘇聯中央流體研究院用經典的工程方法估計了幾種西方飛機的性能,並且和蘇-27的飛行測試結果進行了對比。而美國本來有F-16的AGARD-242試飛報告。在中美蜜月期,中方獲得了這份報告,將其譯成中文。我們以這些資料為基礎進行分析。

在跨音速最大過載方面,F-16實測值:9G+,蘇-27實測值:7.5G。F-16的9G是因為人體承受的極限,並不是飛機本身的極限。在美國著名的Youtuber叫Dustin他的一集節目中,他和美國空軍雷鳥飛行表演隊一起飛行F-16,飛行員告訴他,F-16最大的極限是飛行員自己,並不是飛機,可見F-16的飛行性能有多麼出色。

海平面最大速度方面,F-16實測值:1.2馬赫,蘇-27實測值:1.14馬赫。

在持續轉彎過載方面,當飛機在5,000米以0.9馬赫飛行:F-16A的實測值:7G(強度限制),蘇-27的實測值:6.7G。而改進後的F-16C同條件可達7.45G。

而爬升率,也就是所說的SEP,F-16A實測值:343米/秒,蘇-27實測值:310米/秒。F-16遠遠超過蘇-27。

可以看出來,在飛機的飛行性能各個方面,F-16作為一款單發動機的輕型戰機,竟然在每一個數據上全面碾壓蘇聯雙發戰鬥機蘇-27。可以說,採用了靜不穩定和電傳飛控設計的F-16是四代戰機中空戰機動性最好的飛機,不僅遠超蘇-27,美國自己的F-15、F/A18的機動性也無法和F-16相比。F-16到目前生產了近5,000架飛機,是最受歡迎的第四代戰機。各國空軍不是傻瓜,都是專業飛行員出身,飛過那麼多的飛機,選擇F-16是有道理的。

我們知道,台灣現在裝備的F-16V就是在F-16A上發展來的,氣動布局基本沒有什麼變化。而中共的殲-11、殲-16等主力重型戰機,都是在蘇聯的蘇-27的基礎上發展來的,氣動布局也沒有太大的變化。如果我們單單討論飛機的機動性,可以說F-16面對殲-16、殲-11能取得絕對的優勢。當然,戰機的比較往往是多方面的,我們今天限於篇幅限制,以分析F-16的設計思路為主,最後對比蘇-27的測試數據,得出結論,機動性能方面,F-16勝過蘇-27家族。

蘇-27是世界上第二款靜不穩定戰機,那麼蘇-27作為蘇聯最後的榮光,又有著怎麼樣的故事呢?我們將在接下來的系列節目中,先後帶來蘇-27、殲-11、殲-16的分析,敬請期待。

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探索時分】節目組製作

責任編輯:李昊#

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