【探索时分】F16vs苏27 谁的机动性更好?

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【新唐人北京时间2022年02月03日讯】F-16是一款划时代的战机,它的重要性超过同时代的苏-27、F-15、F-14、F-18。为什么?很简单,因为F-16是世界上第一款静不稳定,同时还有电传飞控的战斗机。静不稳定、电传飞控,这些划时代的设计,直接奠定了之后几十年的飞机设计思路。

那什么是静不稳定,什么又是电传飞控呢?我们先从电传飞控讲起。

电传飞控

所谓电传飞控,英文叫做Fly-By-Wire Flight Control System,翻译过来就是用电信号进行的飞行控制系统,听着很绕口,它主要分两部分,电传和飞行控制。我们要先讲一下,什么是飞行控制系统。

我们拿开车举例子,你在路上开着车,右转弯,方向盘打20度,车也转20度,一切都很顺利,但是假设你在下雪天开车,地面上结冰了,特别滑,这个时候你打方向盘,转20度,车90%它不会转20度,它一定会打滑。这个时候你怎么办呢?你调整方向盘的角度,打得再大一点或者小一点,使得虽然我的轮子转向可能是30度或者10度,但是车行走的方向还是20度。

这就是一个简单的控制系统,只不过控制车的是你而不是计算机。控制系统一定要有一个反馈,你在开车的时候打滑,你偏移的角度,就是反馈,你接受到这个反馈后,你就对你的车进行调整和控制,使得车达到你想要的方向。它就形成了一个闭环的循环,调整了不行,继续调整,直到车走在你想要的方向为止。如果各位朋友学过控制理论课,就知道这就叫闭环系统。

飞行中也是一样的。只不过没有方向盘了,是通过你的操纵杆控制飞机的各个舵面,最终目的是达到控制飞机的飞行姿态。而所谓的飞行控制系统,就是说从接收反馈到对系统进行调整这样一个过程,不是由飞行员驾驶员来做了,而是交给计算机,自动去做。

我们还是拿汽车举例子。你在冰天雪地里开车,方向盘打了20度,这个时候车打滑了,不需要你手动去调整,计算机感受到车打滑的方向,自动调整车轮,有可能是15度,也有可能是30度,但是一直保证在你想要的20度的方向上前进。这样的话驾驶员不就轻松了吗?

飞机上也是一样的。飞机在飞行的过程中遇到的环境比汽车在冰天雪地里的环境更加恶劣,在不同的高度,空气密度不一样,声速也是在变化的,你会碰到各种各样的紊流,扰乱飞机的飞行姿态。而通过飞行控制系统,你就不需要计算反馈,手动进行调整飞行姿态,计算机就可以做这个事情。所以说,电传飞控的出现,对于战斗机来说是非常大的性能提升。刚才我们讲的飞控就是飞行控制。

那么什么是电传呢,我们还是回到汽车这个例子。传统的传动是你的方向盘通过机械结构,直接连着你的轮子,你想打20度,马上车轮就转了20度。但是如果你加上这样一个控制系统,就面临一个问题,你的方向盘打了20度,但是你的车轮是由计算机来控制的,它可能需要调整,只打15度,那这个时候怎么办呢?

你的方向盘和你的轮子以及轮子之间,就不能直接通过机械结构连接,中间加入计算机。你方向盘转20度,计算机感受到这个输入,然后计算机直接去控制轮胎的方向,使得轮胎可以在19度、20度、21度间调整,这就必须要通过电信号进行传输,方向盘的转向转换成电信号输入给计算机,计算机经过计算,驱动机械结构,使得轮胎转向。这就是电传。

飞机上的例子依然是相似的。飞行员操控各种操控杆,操控杆并不是直接通过机械结构和飞行舵面以及翼面相连的,而是信号转换为电信号,计算机知道你想要什么样的飞行姿态,然后计算机再通过电信号去控制飞行舵面的变化。

给大家举个例子。如果各位有开过空客的飞机,空客的主副驾驶员各有一套操作系统,这两套操作系统之间的关系是什么呢?是叠加。比如机长让这个飞机拉起来一个角度,副机长也拉起来一个角度,那这两个角度最后它就会自动计算,进行叠加,它怎么实现的呢,就是通过电传飞控,计算机接收到两套操作系统的电信号,经过计算,叠加出来一个新的信号,用这个新的信号去驱动飞行舵面控制飞行姿态,这就是电传飞控。

电传是手段,达到飞行控制才是你的目的。不仅有电传飞控,还有机械飞控。在最早的苏-27验证机上就是用的机械飞控,后来发生了多起事故之后,改用的是电传飞控。关于苏-27的故事,我们下一集带给大家。

静稳定与静不稳定

F-16是世界上第一款使用电传飞控的飞机。为什么要采用电传飞控呢?因为它是世界上第一款静不稳定飞机,必须要用电传飞控。那什么又是静不稳定呢?

举个简单的例子。一架飞机在平直飞行的过程中,容易受到气流的扰动。当它的机头受空气扰动向上抬的时候,这个时候如果有一个低头的力矩,飞机不就自动恢复到平直位置上了吗?那这就是静稳定,它自己能够回到一个平稳的状态。那什么是静不稳定?就是这个飞机在受到扰动的时候,飞机抬头,却受到了另一个抬头的力矩,使它离平衡位置更远,它不就不稳定了吗?这就叫静不稳定。

那么静稳定和静不稳定是由什么决定的呢?简单来说,飞机有气动中心,也有重心。当气动中心在重心之前的时候,飞机受到气流扰动,因为飞机仰角增大,升力增强,升力作用到气动中心,如果气动中心在重心之前,这就是一个抬头力矩,它会增大飞机的不稳定性。飞机本来是要抬头,你再给它一个抬头,飞机不就不受控制了吗?这就是静不稳定。而如果气动中心在重心之后,当飞机抬头的时候,正好这是一个低头力矩,让飞机更加稳定,这就是静稳定。

静稳定好不好?当然有好处,因为飞机更好控制,那有没有不好处,当然也有,就是你的升阻比变大,不灵活。你在平直飞行的时候,当你抬头,你当然希望它是一个低头力矩,保持平稳,但是当你要做出飞行动作,当你想要把飞机拉升的时候,你不就要额外克服这个低头力矩,花费更大的升力,来提升你的飞机吗?所以静稳定的飞机更容易操控,但是更不灵活。而静不稳定的飞机非常灵活,但是不容易操控。

还有一个问题,就是当飞机从亚音速跨越到超音速的时候,气动中心会后移,这就意味着一个原本静稳定的飞机,气动中心后移以后,使得这个平衡的力矩变得更大,飞机就更不容易拉升变向了。

F-16的设计思路

而在F-16设计的时候,美国军方对F-16的要求是,你是一个轻型飞机,你要在亚音速和跨音速有着极强的机动能力。所以,当时的设计方通用动力经过巧妙的构思,提出了静不稳定的设计方案。我的飞机会更加灵活,但是不容易操控怎么办呢?只能通过电传飞控。怎么操纵呢?

比如当飞机平直飞行的时候受到气流扰动抬头,因为你静不稳定,所以你受到一个抬头力矩,这个时候飞机通过感测器,感知到飞机的偏移角度,自动计算所需要的低头力矩,通过电信号控制飞行舵面提供所需要的力矩,使得飞机恢复到平直飞行的平稳状态。

这样设计的话,F-16能够保持平稳飞行,又可以保持极大的可操作性和灵活度。所以F-16的各项指标,瞬盘、稳盘、爬升率都远远超过同一时期的战机,同时在超音速阶段,气动中心后移,F-16就一下从静不稳定变成了静稳定飞机。

F-16的这一个设计思路是里程碑式的,奠定了后世飞机设计的基础。后世的很多飞机,无论是美国的、苏联的还是欧洲的,都走了F-16这样一个电传飞控加静不稳定的设计结构。

F-16与苏-27性能数据对比

F-16是1974年首飞,世界上第二款静不稳定飞机苏-27三年之后才首飞。虽然苏-27有后发优势,但是我们后来通过苏联和美国的解密资料进行对比,就会发现F-16的机动性能,竟然远远在重型战机两个发动机的苏-27之上,这不仅大大超过了苏联专家的想像,也超过很多军迷朋友之前的设想。

以F-15A/F-16A为代表的西方战斗机在80年代的几场冲突中,取得了压倒性的优势,直接震惊了苏联。苏联当时委托了苏联中央流体研究院用经典的工程方法估计了几种西方飞机的性能,并且和苏-27的飞行测试结果进行了对比。而美国本来有F-16的AGARD-242试飞报告。在中美蜜月期,中方获得了这份报告,将其译成中文。我们以这些资料为基础进行分析。

在跨音速最大过载方面,F-16实测值:9G+,苏-27实测值:7.5G。F-16的9G是因为人体承受的极限,并不是飞机本身的极限。在美国著名的Youtuber叫Dustin他的一集节目中,他和美国空军雷鸟飞行表演队一起飞行F-16,飞行员告诉他,F-16最大的极限是飞行员自己,并不是飞机,可见F-16的飞行性能有多么出色。

海平面最大速度方面,F-16实测值:1.2马赫,苏-27实测值:1.14马赫。

在持续转弯过载方面,当飞机在5,000米以0.9马赫飞行:F-16A的实测值:7G(强度限制),苏-27的实测值:6.7G。而改进后的F-16C同条件可达7.45G。

而爬升率,也就是所说的SEP,F-16A实测值:343米/秒,苏-27实测值:310米/秒。F-16远远超过苏-27。

可以看出来,在飞机的飞行性能各个方面,F-16作为一款单发动机的轻型战机,竟然在每一个数据上全面碾压苏联双发战斗机苏-27。可以说,采用了静不稳定和电传飞控设计的F-16是四代战机中空战机动性最好的飞机,不仅远超苏-27,美国自己的F-15、F/A18的机动性也无法和F-16相比。F-16到目前生产了近5,000架飞机,是最受欢迎的第四代战机。各国空军不是傻瓜,都是专业飞行员出身,飞过那么多的飞机,选择F-16是有道理的。

我们知道,台湾现在装备的F-16V就是在F-16A上发展来的,气动布局基本没有什么变化。而中共的歼-11、歼-16等主力重型战机,都是在苏联的苏-27的基础上发展来的,气动布局也没有太大的变化。如果我们单单讨论飞机的机动性,可以说F-16面对歼-16、歼-11能取得绝对的优势。当然,战机的比较往往是多方面的,我们今天限于篇幅限制,以分析F-16的设计思路为主,最后对比苏-27的测试数据,得出结论,机动性能方面,F-16胜过苏-27家族。

苏-27是世界上第二款静不稳定战机,那么苏-27作为苏联最后的荣光,又有着怎么样的故事呢?我们将在接下来的系列节目中,先后带来苏-27、歼-11、歼-16的分析,敬请期待。

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(责任编辑:李红)

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