
处于全开状态的 F-22 尾喷管
就超音速盘旋本身的特点而言,其最大优势体现在日趋重要的超视距空战中。前面已经提到,在超视距空战中无论是攻击还是防御态势,超巡能力都非常有用,而超音速盘旋能力则是保证攻防转换顺利衔接的关键一环。当 AIM-120 进入自导段时,F-22 为了避免进入对方武器有效射程或者冲得太快进入风险极大的近距格斗,需要转向高速脱离。可以想象,对于 F-15 这类飞机而言,为了尽快转向,转弯前的速度需要保持在其角点速度附近,完成转向之后再加速脱离,这必然限制其发射 AIM-120 时的速度,减小了有效射程;或者为了提高有效射程增速到超音速,发射后再次减速,但牺牲了时间。对 F-22

过失速机动性
一般来说,S4 里面的超机动性,主要就是指过失速机动性。要具备过失速机动性,良好的大迎角飞行品质和有效的控制手段是必需的两大基础。我们先来看看 F-22 在大迎角飞行状态下的表现,这或许有助于我们理解这种飞机的优势所在。
抖振
抖振是飞机大迎角下常见的飞行特征。对于飞行员来说,抖振是一个很好的提示,它是机翼上表面后部气流开始发生分离的直接表现,等于通知飞行员:机翼已接近临界迎角,即将失速。当气流分离向前发展至机翼前缘时,机翼即完全失速。对于传统飞机来说,机翼失速可能导致飞机进入尾旋或者其它难以控制的复杂飞行状态。此外,强烈的抖振不仅可能损伤飞机结构,而且将严重影响武器系统的使用。即使是设计良好的第三代战斗机,在此时也需要飞行员仔细而谨慎地操纵——如果你不希望飞机进入非预想的超大迎角状态,那么就需要立刻检查杆舵输入,尽快减小迎角。
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。
横向品质与控制
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。
俯仰控制
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。
