参与了 F-22 左端包线试飞的琼·比斯雷谈到:“猛禽大约在 20 度迎角附近开始抖振,直到 26 度抖振幅度有轻微增大。猛禽的抖振强度大约和 F-16 大迎角抖振的最小强度差不多,而控制比 F-15 少得多。从 26 度到大约 40 度,抖振强度基本稳定,超过 40 度后开始减小。”而来自 F-16/MATV 试飞小组的报告称:“除非在高亚音速状态,否则标准的 F-16 在正常迎角限制的飞行包线内不会出现大幅度抖振。在超过限制后的某个位置,我们遇到了明显而意味深长的抖振。在大约 40 度迎角附近出现中等幅度的抖振,一直持续到 50 度,然后幅度减弱到几乎消失。”
两相对比,我们可以看到:和经典的第三代战斗机相比,F-22 的抖振幅度明显减小,这得益于其良好的气动设计,对于大迎角条件下的武器使用(特别是航炮)非常有利。此外,报告中还有一句潜台词:飞机在大迎角下飞行稳定,不会出现机翼突然失速然后失控的局面。
根据经验和已知的信息,大多数战斗机在迎角 25~35 度之间其横向稳定性会急剧下降。如果希望进行过失速机动,这是一个必须解决的问题。在早期试验中,F-22 也有同样的问题,大约在 30 度迎角附近会出现侧滑。这虽然比设计人员期望的值要大,但也表明该机的安定性比预计的小。
要解决这个问题,必须首先确定大迎角下横、航向控制手段。
和习惯性的想法不同,大迎角下最有效直观的控制手段是方向舵,而不是常规飞行状态中使用的横向控制面(包括副翼、差动平尾等)——除了 F-22 联合试飞队外,来自 F-16/MATV 试飞员的结论也确认了这一点。不过,F-16/MATV 的垂尾是按照常规设计,其方向舵在较大迎角时已经失效,控制能力来自于矢量推力喷口;而 F-22 的方向舵铰链线明显前倾,使之在所有迎角下都有一定的控制能力,并且在迎角 40 度左右效率最高。
同样,大迎角航向控制也不再是传统的方向舵,而是原来的横向控制面。在包括 F-22 在内的多个大迎角验证试飞计划中,试飞员就已经发现,大迎角下的滚转机动看起来更像纯偏航输入。这情形其实有点类似一战时期的战斗机,那时的设计理论远未完善,副翼偏转时产生极大的偏航力矩,使得飞机首先完成偏航机动,然后才是滚转机动。当然,这两种情形只是现象类似,本质却完全不同了。对于 F-22 来说,利用差动平尾进行偏航控制并不是什么新技术,早在 1990 年 YF-22 试飞时就已经采用了。不过在试飞中仍然发现,迎角超过 50 度以后,飞机平尾的控制负荷较重,在飞控系统指令下频繁进行差动偏转,以保证飞机稳定性。在对大量试飞录像进行研究之后,设计人员得出结论:这是由于飞机横侧气动力差异大于预期值造成的。
对于控制问题,设计人员没有更改气动设计,而是通过改进飞控软件(主要就是改进控制律,使之和飞机的气动特性能够完全匹配)来解决的:在 F-22 第一次软件升级时更换了新的飞控软件,改善了 F-22 的安定性问题,现在的 F-22 在进入 25~35 度这个迎角区域时,不会在操纵品质上有任何改变。而大迎角下平尾控制负荷重的问题,也随着飞控系统升级而得到圆满解决。
要完成过失速机动,良好的俯仰控制能力必不可少。当飞机超过失速迎角后,传统气动控制面效率明显下降,此时的俯仰控制能力主要来自于推力矢量控制。需要特别指出的是,这里的俯仰控制能力并不仅仅是指飞机的俯仰率大小,还包括俯仰轴上机头精确指向能力和稳定机头指向的能力。
对此,琼·比斯雷说:“飞控系统结合推力矢量控制,赋予猛禽充分的俯仰控制能力。当我们在大迎角下改变机头指向时,俯仰控制一直反应良好。我们在 35,000 英尺急剧拉起,此时俯仰率超过每秒 40 度。如果在低空,这些眼镜蛇类的机动会更加惊人,在那里我们会有更多的剩余推力用于推力矢量。迄今为止,我们的所有大迎角动作都是在 30,000 英尺以上完成的。”
由这段话我们可以看到,F-22 具有较大的俯仰率,如果考虑到这个俯仰率是在 35,000 英尺高度获得的,那么这个表现是相当不错的——在经典的眼镜蛇机动中,苏-27 最大俯仰率可以达到 60~70 度/秒,虽然由于高度不同而不具备可比性,不过后者完全依靠气动作用实现如此大的俯仰率,苏霍伊的气动设计功底可见一斑。需要注意的是,F-22 此时的俯仰率主要得益于 TVC,因此可以持续提供较高的俯仰率;而苏-27 在眼镜蛇机动中,只能在动作初期达到较高的俯仰率,动作后期实际上是靠前期产生的巨大惯性将前机身“甩”上去,整个动作基本上不受控——因此,也有人认为眼镜蛇机动不算是真正意义上的过失速机动,而只能说是动作中的迎角超过了失速迎角。
对于俯仰轴上机头精确指向能力和稳定机头指向的能力,琼·比斯雷只用了一句话概括:“俯仰控制一直反应良好。”如果我们对比 F-16/MATV 试飞员的谈话,会发现更多有意思的东西:“俯仰控制动作不仅有效,还有充分的俯仰率余量,使得飞行员在 85 度迎角以下的任何位置都足以控制机头。如果飞行员急剧拉杆到后限,飞机可以很容易就超过 100 度迎角。在我们早期包线扩展试飞接近结束的时候,F-16/MATV 验证了这种能力。在 60 度迎角稳定住飞机后(这只需以很小力量向后拉杆),我迅速向后拉杆到底,飞机迎角增大了 30 多度,接近 100 度迎角。只需轻微前推杆,我就可以恢复到 60 度迎角或者我希望的任何俯仰位置,偏差只有 1~2 度。我们曾经令飞机进入 90 度仰角,而并未留意速度损失情况,因为我们确信可以在任何速度下控制机头指向。即使当飞机倒飞下坠时(迎角为-90 度),我们通过前后推拉杆仍然能够精确控制机头位置。如果你想要很高的俯仰率、俯仰姿态变化或者指向能力,F-16/MATV 都可以做到。”虽然在时间上 F-16/MATV 是和 F-22 并行的验证计划,但前者主要是针对多轴 TVC 技术,而在俯仰轴控制上并没有什么特别之处。有理由相信,F-16/MATV 能做到的,F-22 也能做到——在公开的 F-22 试飞录像上同样可以看到这一点。

F-16/MATV 处于 90 度攻角飞行状态
