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用气动产生推力矢量的效果——浅析部分非推力矢量战机的“J转弯”能力

发布时间:2018-04-25  原作者:李炳乾 邱海峰   点击数:

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J转弯对气动设计的要求

基本概念

  先插一句题外话。部分读者可能不明白某些战斗机声称“在xx度攻角维持稳定”,是否表明它具有这个攻角下的偏航、横滚等复杂机动的能力?不是这样的。通常如果不特别指明,“在xx度攻角下保持稳定”仅表示能够保持俯仰力矩平衡,平飞不成问题,但不代表具有其他轴的机动能力。

  可能有读者会问,本文标题为什么是“气动”而不是“飞控”?换句话说,把超级大黄蜂之类的飞控给其他战斗机,能否实现同样的效果呢?答案是否定的,或者至少大部分情况下是否定的。这里需要解释一下飞控和气动的关系。用一句话总结就是:飞控相当于解方程,而气动缺陷会让方程无解。下面详细解释这句话。

  以我们在学生阶段的物理课程为例,大多问题是“正向”的,亦即知道输入(力或者力矩),求输出(位置或者姿态)。而飞行器控制是逆向的,亦即知道输出(目标姿态等),求输入(舵面偏角等)。这叫做“动态逆”问题,相当于求解一个方程。然而求解方程的前提是“方程有解”。如果在某些极端情形下,舵面的气动效率下降到几乎为0,那么方程的解自然就不存在了?;痪浠八?,提高气动效率是使用先进飞控的前提。正如开头所述,J转弯对极端情形(高攻角和高侧滑角)下的气动效率提出了高要求,尤其是偏航力矩要充分大。目前主要措施有两种:前机身涡流、气动舵面。

前机身涡流

图10 前机身不对称涡流能产生偏航力矩
图10 前机身不对称涡流能产生偏航力矩

  先说前机身涡流。如果前机身涡流充分强,那么飞机只要稍微有一点侧滑角,涡流不对称了,就会产生偏航力矩,导致侧滑角更大,然后导致偏航力矩更大,形成正反馈,偏航转弯就做出来了。由于前机身涡流主要由边条提供,那么越是能在高攻角产生强涡流的边条越理想。根据苏-27的设计方,俄罗斯中央流体研究院TsAGI的研究结果,几种典型边条对比如图11所示。3号普通边条在高攻角很快丧失效能,1号尖拱边条性能最好。5号窄长边条介于二者之间。由于过强的俯仰力矩导致控制难度增加,苏-27未能用上尖拱边条,但我们不能否认尖拱边条和窄长边条的优秀性能。歼20等第五代战斗机还普遍使用了机头侧棱作为辅助的涡发生器。

图11 三种边条的对比。3号普通边条在高攻角很快丧失效能,1号尖拱边条性能最好。5号窄长边条介于二者之间
图11 三种边条的对比。3号普通边条在高攻角很快丧失效能,1号尖拱边条性能最好。5号窄长边条介于二者之间

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