加速/爬升性能

  在超音速巡航能力的背后,隐藏着这样一个事实:猛禽的发动机推力大而阻力小,在考虑飞机重量因素后,其单位重量剩余功率(Ps,其绝对值等于同等状态下飞机的爬升率)相当惊人。

  发动机是重要因素之一。F119-PW-100 最大推力 97.9 千牛,加力推力 155 千牛,可靠性高,可以忍受油门的剧烈变化,堪称战斗机的理想动力。带固定斜板的进气道在设计上偏重于考虑超巡的要求,在设计巡航速度下具有较高的效率和较小的阻力,飞行包线右端的加速性能和 Ps 都明显改善。对于 F-22 来说,限制其最大速度的因素不是发动机推力,而是包括机体强度在内的其它因素——特别是在低空。为了避免飞行员无操作导致飞机超出最大速度限制,F-22 已经加装了最大速度提示和警告系统,以便当飞机接近极速限制时提醒飞行员。

安装矢量喷管的 F119-PW-100

  而阻力小的特点主要得益于两方面:优良的气动设计(在设计上特别考虑了超巡的需要,在 M1.5 的设计速度附近和 40,000 英尺高度条件下,总阻力最小)和内置弹舱设计。

  可以对比一下 F-15。F-15 号称冲刺速度可以达到 M2.5,但那是在净形条件下。在挂弹后,由于干扰阻力增大,该机最大 M 数仅有 M1.78,在接近 M1.7 的时候加速性严重下降。而 F-22 在这方面的表现就要好的多。按照试飞员的说法:“在所有高度上,以军用推力或者更小的推力进行水平加速非常容易,但要是使用全加力,其加速度简直令人惊骇。我希望我可以用数字来说明,不过它们现在仍然是保密的。使用军用推力,在接近音速时随阻力上升,加速性有些下降,但突破音障仍很轻松。猛禽以军用推力跨音速飞行,感觉上和 F-15 开加力差不多。打开全加力,猛禽的加速性变得稳定而强劲。在 M0.97~M1.08 之间,飞机有轻微抖振。之后,直到最大速度,猛禽的加速一直保持平稳连续。试飞时,我们喜欢尽快进入超巡状态,以最大限度地利用我们狭小的超音速空域。我们开加力进入超巡,当达到测试条件时收回油门。现在很多高速试飞已经转移到太平洋导弹靶场(Vandenburg 空军基地和 Point Mugu 海军航空站之间)进行。我们在这里有更长的直线飞行空间,并可以将音爆对当地居民的影响减至最小。”

  爬升能力方面,F-22 也相当不错。传统的战斗机快速爬升时是采用鲁特斯基爬升曲线。它们先以亚音速爬升到对流层顶(约 36,000 英尺),然后再加速到超音速进行爬升。对猛禽而言,就可以省掉这些复杂的曲线,直接从跑道上拉起加速,转入超音速爬升。“这家伙简直就象是为高速飞行而生的。”保罗·梅斯如此评价。

超音速盘旋能力

  超音速机动性能是 F-22 的设计重点之一,也是该机与第三代战斗机的“代差”标志之一。除了前述超巡、超音速加速/爬升性能外,超音速状态下的盘旋能力也有明显提高。有资料称,该机在 M1.7 时稳定盘旋过载可达 6.5G。考虑到 F-15 在同等条件下盘旋能力远逊于此,而苏-27 在 M0.9、中空才达到这个水平,不能不说这是一个相当惊人的进步。

  能够达到如此之大的超音速盘旋过载,发动机是一个重要原因,而同样重要的还有飞机的超音速升阻比和配平能力。

  关于升阻比,不难理解。要拉出足够的过载,机翼就必须产生相应的升力,伴随而来的就是诱导阻力的急剧增大(诱阻系数与机翼迎角平方成正比,与机翼展弦比成反比)。如果诱阻系数太大,诱阻增长极快,那么很快就会抵消发动机的剩余推力,飞机虽仍可能拉出较大过载,但发动机推力已不足以维持稳定飞行,当年的幻影 III 瞬时盘旋性能好而稳定盘旋性能差,正是为此。以现代航空技术水平而言,要设计出具有高升阻比的机翼或者具有良好超音速性能的机翼均非特别困难,但要将两者合而为一却非一日之功。这也是 F-22 足以自傲的一点。

  而配平能力则往往容易被人忽略。机翼的高升力是拉出大过载的基础,但升力越大,产生的俯仰力矩也越大。如果飞机自身不能提供足够的俯仰配平力矩,那么要么进入上仰发散状态而失控,要么被机翼升力产生的低头力矩压回去,无法拉到需要的迎角。特别是在超音速条件下,飞机焦点大幅度后移,机翼升力产生的低头力矩相当大,进行超音速机动需要更强的配平能力。以超音速性能著称的米格-25,就是由于配平原因而无法进行较大过载的超音速机动——该机超音速平飞时,平尾偏转就已接近极限,能用于超音速机动的余量相当小,所以虽然机体可以承受更大的载荷,但 M2 时的最大盘旋过载仅有 3G。

  要解决配平问题,一是大幅放宽静稳定度,将飞机焦点前移。这样超音速飞行时飞机焦点虽然仍会后移,但距离重心近,产生的低头力矩相对较小。不过,这样一来飞机在亚音速大迎角机动时同样会面临配平问题——这次是配平机翼产生的抬头力矩。被媒体过分渲染的近耦鸭式布局,由于鸭翼距离重心较近,配平能力不足,F-16 的总师哈瑞·希尔莱克就曾说过:“鸭翼最好的位置是在别人的飞机上。”广为人知的 LAVI 战斗机就始终未能解决大迎角配平问题。因此,在当年 ATF 方案论证时虽然出现过不少鸭式布局方案(老航迷们应该还记得 80 年代采用鸭式布局的“YF-22”的想象图),但 F-22 最终还是选择了具有较强配平能力的正常式布局,纵向静稳定度也大幅放宽。解决配平的另一个途径是采用推力矢量控制(TVC)技术。采用 TVC,其主要优点有:在气动操纵面基础上又增加了一个配平手段,配平能力自然大幅增强;高速飞行时气动操纵面偏转将产生极大阻力,而采用 TVC 可以起到同样的操纵效果却无需偏转操纵面;TVC 并不仅仅是偏转推力矢量而产生法向分力,强大的发动机喷流将在后机身形成引射作用,产生新的“升力”增量,同时参与配平。F-22 的超音速机动性大幅提高,TVC 技术功不可没。