
现代战斗机的机翼和尾翼位置似乎不成比例地靠后,是由于发动机使重心后移。为了保证足够的偏航稳定性,垂尾必须有足够的面积,要是单垂尾实在太大,就用双垂尾
偏航稳定性比较简单。飞机的侧面好像风向标一样,高大的垂尾好像风向标的羽翼。只要重心之后的机身侧面积大于重心之前,飞机在偏航方向上就是静态稳定的。在飞行中,如果机头因为大气中的扰动而偏离原航向,空气压力在后机身上的作用力大于在前机身的作用力,使机身自然回位。对于喷气式战斗机来说,发动机通常安装在机尾,重心自然靠后,使得机翼位置也只能靠后,以保证至少在典型飞行速度下升力中心不至于跑到重心的前面去,这使得现代战斗机大多像箭一样,细长的前机身,靠后的机翼,所以只能用高大的垂尾保证偏航稳定性。由于设计过程中发动机超重是常见的问题,使得飞机重心比预想的更加靠后,或者大迎角机动中,机身对垂尾的遮挡超过设计预期,战斗机在试飞后,常常发生被迫增大垂尾的事情。不过要是放宽偏航稳定性,用垂尾的不断修正动作补偿,垂尾是可以减小的,只是这对飞控技术和系统可靠性的要求提高。
除了三轴稳定性外,两两组合还可以出现新的组合稳定性问题,其中比较突出的是偏航稳定性和横滚稳定性。如果偏航稳定性过强而横滚稳定性不足,在气动扰动下可能出现所谓“荷兰滚”,飞机像醉汉一样来回摇晃。如果横滚稳定性过强而偏航稳定性不足,飞机容易进入螺旋。荷兰滚通常除了很使人头晕外,没有大碍,但螺旋要是不及时改出,就很容易导致飞机失事了。飞机在大迎角机动时,机身对垂尾有所遮挡,垂尾效率有所降低,使偏航稳定性有所降低。当偏航稳定性降低到一定程度时,就容易进入螺旋,所以高机动战斗机都采用种种措施,包括用推力转向发动机辅佐,或者像米格 I-44 那样用可调腹鳍,来增强(实际上是恢复)大迎角机动下的偏航稳定性。
稳定性说到底就是一个回位趋势,但凡事都有一个度,回位趋势太弱了,回位拖拖沓沓;回位趋势过强了,则容易矫枉过正。两者之间的最优折中是所谓控制系统的调试问题,调得不好的话,会来回震荡好多次,才落到正确的位置,像有的糟糕的电梯一样,到了规定的楼层不是干脆利索地一下子准确地停下来,而是颤悠好几次才停下来。
稳定性解决了,接下来就是机动性了。战斗机的机动性大体可分为垂直机动性和水平机动性。
水平机动性主要就是转弯性能,盘旋就是稳定地一直转弯下去。但战斗机是怎么转弯的呢?战斗机不是像航船转向靠转舵一样,用垂尾转向。事实上,垂尾可以改变飞机的指向,但不能用来转向,垂尾主要是用来维持偏航稳定性的。应该注意的是,空气的摩擦力很低,不可能通过改变飞机指向来转向。单纯改变飞机指向只能使飞机在惯性的作用下向前侧滑,也就是说,机头指向改变了,但飞机的航迹依然是向前的。飞机转向需要一个侧向的力,有了这个侧向力之后,改变飞机指向才能使飞机转向新的航向。这个侧向力是通过横滚产生的。

转弯是靠横滚和拉起来实现的,图中标出来平飞、浅横滚和深横滚转弯时的力平衡关系,注意,升力在垂直向上方向的分量必须和重力相抵,否则不能保持高度
机翼产生升力,但升力的方向和机翼平面垂直。在平飞时,如果不考虑机翼的上反和下反,机翼处于水平状态,升力和飞机的重力抵消,飞机保持一定的高度。横滚到一定角度时,机翼不再水平,升力的指向偏离垂直向上的方向,其水平分量正是使飞机转向的力。水平分量实际上就是向心力,和向心力幅度相同、方向相反的是离心力,离心力和重力的共同作用产生合力,合力大于重力本身,这就是过载。过载通常用重力作为参照,用 N 倍于重力来衡量,这就是多少个 G 过载的出处。显然,在升力相同的情况下,横滚角度越大,转弯的侧向力(也就是向心力)越大,转弯越迅捷,过载也越大。
但机翼迎角不变的话,升力不变,分解到垂直向上的分量将低于水平飞行状态,也就是说,升力将不足以抵消重力,飞机要丢失高度,所以需要增加机翼迎角以提高升力,才能保持飞行高度。横滚角度越大,机翼迎角也需要越大,这在稳定的持续盘旋时尤其重要。机翼迎角是由平尾偏转实现的。平尾偏转控制飞机升降,但这不是通过改变飞机和推力轴线的指向来实现的,而是通过改变机翼迎角以改变升力来实现的。但机翼迎角的增加不仅增加升力,还大大增加阻力,必须增加推力才能保持速度。转弯越迅捷,横滚角度越大,机翼迎角需要越大,推力也需要越大。
这还没有包括速度变化的因素。如果速度增加,升力也要增加。如果要保持同样的转弯速率或者过载,那就要减少横滚角度,增大转弯半径。

侧向力和离心力不匹配时,会出现转弯“打滑”的现象,从左到有为正常转弯、向内侧滑和向外侧滑的情况
在稳定的转弯或者盘旋中,转弯速率和横滚角度是匹配的。如果转弯速率和横滚角度不相匹配的话,转弯过程会造成“打滑”。如果转弯速率低于所相配的横滚角,飞机会向内侧侧滑;如果转弯速率大于所相配的横滚角,飞机会向外侧侧滑,这好像汽车赛车里的四轮漂移一样,飞机指向的改变大于飞机航迹的改变,这其实就是所谓瞬时转弯性能了。瞬时转弯是不稳定的,由于迎角过大,阻力急剧增加,速度降低很快,如果不及时改出,有可能进入失速。要恢复稳定的转弯,要么需要降低转弯速率,把机头拨回来一点;要么大大增加推力,克服阻力,恢复速度。
升力和推力是转弯能力的关键,具有极大的升力和推力储备意味着具有极大的转弯能力,这是高机动战斗机特别强调气动布局的高升力和发动机的大推力的道理,而不是为了极大地增加载弹量或者载油量或者速度。发动机不光要推力大,还要加速快,否则在转瞬即逝的空战机动转弯中根本来不及提升推力,这正是 F-86 水平机动性超过发动机推力更大的米格-15 的诀窍。储备升力是可以用于载弹或者载油的,但对机动性就不能要求太高了。储备推力也可以用于缩短起飞滑跑距离,但这和机动性没有什么关系了。
应该指出,飞机指向转变会改变飞机推力轴线,这也产生一个侧向力的分量,最终会使飞机转向新的航向,但这只是增强转弯性能,并不代替机翼的升力和推力的作用,尤其对于推力相对不足的飞机。即使对于现代高性能战斗机来说,横滚角超过 45 度后,机翼产生的侧向力已经超过重力;达到 9G 时,横滚角达到 84 度,机翼产生的侧向力达到重力的 8.9 倍,远远超过现代战斗机略大于 1 的推重比,这是在可预见的将来任何发动机的推力分量都不可能达到的。换句话说,推力转向发动机对提高战斗机机动性当然有用,但离取代气动控制而成为机动性的主要手段还有很长的距离。
