能量机动理论和飞行包线图

能量机动理论和飞行包线图 文中所述的内容都是以美国空军飞行教官伯尹德发明的能量机动理论和美国航空科技为准 如果有其他国家或其他人发明自己所谓的理论或者规范 那本文并不适用 也不要用老式 战机的设计规律或者老式战机的空战方法来照套后来出现的能量机动理论 能量机动理论并不是什么 新创 的理论 它的本质就是能量守恒定律 也就是说 能量机 动理论提供了一个简化的数学公式和图表 方便的进行战机能量的计算 现在的战斗机通过机头的探测仪器 可以探测出飞机的迎角 侧滑角等 即可计算得得到 气流的方向 得到飞机的速度矢量 同时 飞机上的过载传感器也就能计算出在速度矢量 上的过载和垂直于速度矢量上的过载 这两者也可以用切向加速度和法向加速度来表示 但 是由于不同资料对切向加速度和法向加速度的定义存在不同 所以这里不采用这种容易让 人混淆的表示方法 速度矢量上的过载在这里称为 Nx 也就是飞机是在加速还是减速 同时 在垂直于速度 矢量上过载还可以进行分解 那就是侧力过载 Ny 和升力过载 Nz 当侧滑角为 0 或者接 近为 0 时 Ny 为 0 或者接近为 0 那就还剩下 Nz 这个升力过载 也就是说 在忽略侧 滑的情况下 着重讨论阻力和升力 速度方向过载 Nx 和升力过载 Nz 然后我们画一个图 在一定高度和速度下 纵坐标是角速度 也就是升力过载对应的角速 度 而速度方向过载通过 200ps 400ps 等间接方式表示 这其实就是我们最常见的能 量机动飞行包线图 也就是说 所谓的能量包线图的实质是表示飞机速度矢量上加速度和 升力加速度两者之间的变化关系图 在一定外形 重量 高度 速度条件下 能量包线图上的纵坐标是盘旋角速度 Turn Rate 横坐标是速度 或者用马赫数 Mach 作为坐标 由右下到左上的间距直线是转弯半径值 Turn Radius 由左上到右下的间距线是飞机上的过载传感器测得的升力过载 Cockpit G 并不包含重 力 能量包线是飞机在某个高度的飞行转弯参数 不同高度包线是不同的 可以看出来在海平面能量机动性能最好 飞行高度越高 转弯性能越差 这段争议较大 与理解包线关系也不大 可以跳过 由于飞机在飞行中还会受到重力或者地面滑跑时还是地面的支持力 所以飞机实际飞行时 的合力 阻力 升力 重力三者的矢量之和 例如 一架飞机如果在飞行包线图上能飞 9g 过载 20 度的盘旋角速度 在实际水平盘旋 飞行时 升力方向的 9g 还要与重力的 1g 进行矢量相加才能得到盘旋的向心加速度 也 就是说 这架飞机在真实的现实水平盘旋中 是约 8g 向心加速度 大概 18 度 秒左右 一架飞机如果在飞行包线图上最小盘旋半径是 1050 英尺 过载是 1 7g 在实际水平盘 旋飞行时 升力方向的 1 7g 还要与重力的 1g 进行矢量相加才能得到盘旋的向心加速度 也就是说 这架飞机在真实的现实水平盘旋中 是约 1 3g 向心加速度 实际盘旋半径大 概是 1400 1500 英尺 再例如 飞机由水平盘旋改垂直向下盘旋 那向心加速度就是 10g 这就是所谓的利用重 力空战 如果飞机改为垂直向上盘旋 那向心加速度就只剩 8g 了 此时飞机的盘旋性能 减弱了 再再例如 飞机要保持平飞 此时就必须依靠 1g 的升力过载 并且要垂直向上与重力 1g 抵消 才能保持平飞 也就是说能量飞行包线图上的保持平飞的速度不是包线的最左端 这里不考虑飞机加减速 而是包线图上 1g 过载的地方 也就是说 1g 过载的图上显 示有 8 度的盘旋角速度 一点都不奇怪 因为 1g 升力 1g 重力 0 所以平飞 升力的 8 度盘旋角速度 8 度的重力盘旋角速度 0 所以平飞 再再再例如 另外一种包线图 也就是剩余功率为 0 时的 1g 过载包线图上 排除飞控 机体强度等限制 最上端为何代表最高平飞高度 通过上述解释 就很容易理解了 飞行 包线图上的过载是升力方向过载而不是合力的总过载 在包线图的最高点 升力过载 1g 重力 1g 0 飞机就保持速度平飞了 如果你都看懂了 那就继续 如果还没完全理解 请认真理解上面 1 3 楼内容后 再往 下看 能量包线图给出了一种简化了的能量换算方法 对于推重比 1 左右飞机来说 阻力产生的过载可以在大约 1g 至 5g 之间 而升力产生的 过载 3g 至 9g 利用飞机的剩余功率来获得向心力 也就是说迎角的大小决定了两者的转化的程度 如果迎角小剩余功率还有剩余 但是此时的升力小 向心力不够 如果迎角太大 剩余功率为负 向心力大 盘旋角速度大 盘旋半径小 有利于空战 但 是飞机会很快减速 而飞行员通过拉杆的大小来决定这种剩余能量转化的程度 而狗斗的机动 实际就是飞行员通过向左或向右偏杆来控制升力的方向 前拉杆或后拉杆 来控制升力的大小 而升力过载最大有 9g 这是改变物体运动状态最有效的东西 它是 改变飞机在空中方位 航向 距离等要素最有力的工具 以此展开各种几何的飞行动作 例如盘旋 筋斗 YOYO 等 在进一步讨论之前 前了解一些基本术语 飞机的动作 俯仰 Pitch 用升降舵控制 偏航 Yaw 用方向舵控制 滚转 Roll 用副翼控制 仰角 仰角一般是飞机机身轴线或者机翼弦线和水平线的夹角 仰角大小主要受发动机 的限制 迎角 英文 Angle of attack 缩写为 AOA 常用希腊字母 表示 也有把这个 叫做攻角的 飞机迎角 定义则为机轴对相对风流之夹角 当机翼向上为正迎角 向下则为负迎角 迎角在机动作战中非常重要 可以从飞行中拉出来的尾迹来测量 再回来看能量机动包线 Ps 0 就是所谓的稳盘曲线 在这条线上面都是顺盘 也就是在其区域盘旋飞行 飞机要 损失速度或高度 无论稳盘还是瞬盘 都能从包线中看到其最大角速度 都是能量机动 所谓的角度机动 并非有的人所称瞬盘角速度 而应该是大迎角机动 并不在能量机动包 线中 五代机的超机动 并不是一个很明确的指标 可以认为是 超级的机动 特别优秀的能量机动参数 也可以理解是 过失速机动 其实就是大迎角机动 表演性质的过失速机动 如眼镜蛇 机动 一般并不具有实战价值 大迎角机动可以认为是四代半机必须具有的能力 5 楼谈到能量机动时为什么一口一个 升力 其实无论稳盘还是瞬盘 飞机都是用俯仰 Pitch 这个动作来完成的 不是偏航 Yaw 所以讨论时总是在 Nz 这个参数上打圈圈 从下面 F22 盘旋就能看出 当它想要转圈时 并不是做 偏航 这个动作 而是先打半个 滚 Roll 手控制飞行杆的拉杆程度和油门大 小 控制迎角的大小 控制剩余能量的转化程度 得到 3 至 9g 的升力过载 不同的 飞行路径 几何空战 也就是说能量机动和传统的几何机动并不矛盾 也并不冲突 而传统的几何机动可以看成 是在能量机动的一个子集 也可以说几何机动是忽略或模糊能量损失 剩余功率 条件下 的能量机动 对能量机动的认识误区之二 能量机动只是稳定盘旋 对瞬时盘旋不适用 由于某些文章的误解 例如方方的某些文章 造成某些人对能量机动有错误认识 并且误 认为能量机动就是稳定盘旋 已经落后了 并自创了 角度空战 而实际上 能量包线图上显示的很清楚 在剩余功率为负值时 速度方向加速度为负 就 是通常所说的瞬时盘旋 并且能量包线图还把各种瞬时盘旋造成的减速效果 用准确的数 值标出来了 其实对于用瞬时盘旋还是用稳定盘旋 只要懂得能量机动理论的飞行员 就 可以在空战中采取最合适的方法就对了 不管是采用瞬盘还是采用稳盘 其实都是能量机 动理论的管辖范围 也就是说 在稳盘不如对方时 要用某些人发明的 角度优先空战 来试图获胜 靠瞬盘是 不可能的 靠过失速动作都难做到 需要深失速机动动作 先进的武器系统 才能做到鸽 子翻身先射 而且这种机动能量损失很大 如果一击不成就会成为别人的死靶 下面讨论 能量机动的误区之三 F 16 只是考虑稳盘没考虑瞬盘的飞机 这个问题在误区之二已经有所讨论 要详细讨论 还得从空战说起 最简单的空战态势和 动作就是进攻 防御 对等 在防御时 处于劣势的战斗机 要在最短时间内掉头 注意 这个最短时间不可能是 1 秒钟 也就是 不可能用 30 度 秒的瞬盘 因为用 30 度 秒的 瞬盘 速度迅速降低到失速的边缘 而不可能继续进行大角度盘旋 所以采用 20 22 25 26 22 16 之类的瞬盘比较好 因为这样能够在 5 7 秒的时间转过 160 180 度 也就是说最好的瞬盘是看谁能最快的转过 160 度 使用 30 度以上的瞬盘 损 失能量太快 坚持不到 2 3 秒 其转过 160 度的时间还不如采用 24 26 度瞬盘花得少 另外 处于进攻方的战机 也需要少量时间观察出敌机的动作 然后判断 然后攻击方再 想法 切到 防御方的飞行尾迹上 这整个过程也是 3 5 秒的时间 所以哪种瞬盘好 不是看其 1 秒钟的盘旋角速度大 而是看 5 秒钟左右 其盘旋角度角度 大的才好 再回到 F 16 上来 设计师就是基于上面的讨论 让飞控限制住 F 16 的最大盘旋角速度 限制在 25 度左右 对于 30 度 秒的瞬盘 直接用飞控屏蔽掉 因为前面讨论过了 30 的瞬盘效率并不高 而且容易减速过快导致航向稳定性的问题 甚至导致失速 所以 F 16 的飞行员做防御动作 直接拉杆到底就行了 不用担心其他问题 拉到底也最大是 25 度左右 这就是防御时最佳的瞬盘 所以 F 16 不仅考虑了瞬盘 而且考虑了最好的瞬盘 让飞行员使用 能量机动的误区之四 幻影 2000 是瞬盘最强的三代机战机 由于在空战重量条件下 幻影 2000 可以到 29 x 的盘旋角速度 所以很多人直接推论三 角翼升力系数高 瞬盘最强 实际上这是误区 首先 讨论瞬盘 要统一条件 例如统一在 9g 过载限制下 还要大家在同一个速度下 对于 F 15 F 16 这类三代机 高推重比 高升重比 在某些速度 不进行飞控限制 达到 30 度 秒是很正常的 其实不仅要看条件一致 最好要看大家都是 30 度 秒盘旋时 谁的负剩余功率小 谁的减 速少 那才是最强的瞬盘 所以对于三代机来说 F 16 才是瞬盘最强的三代机 能量机动的误区之五 稳盘不强的飞机 瞬盘可以强 可以用瞬盘来取胜 实际上如果看懂了前面四个误区 就知道第五个也是误区了 能量包线图上画了一条一条 的狗屋 从单位重量剩余功率为 0 是稳盘 往上是 200 400 800 1000 等等 如果稳盘比别人低 那就是 0 线的位置比别人低 要想 1000 的位置比别人高 这难度 是可想而知的 现在战机各种翼型都采用类似前缘或者后缘襟翼 缝翼增升 其升阻比曲 线要想有大的突破是很难的 当你 1000 的位置比别人低 或者同时是 30 的度 秒时 剩余功率的负值比别人负得多 玩瞬盘来赢也是不可能的 能量机动的误区之六 能量机动只能计算盘旋机动性能不能评价敏捷性 前面给出的能量机动包线图是速度方向过载和升力过载 侧滑角为 0 条件下 当然我们也 可以在迎角为 0 的情况下 画速度方向过载和横向过载 这也是能量机动 同时 我们还可以在迎角 侧滑角都为 0 的条件下 画一定滚转速率下 速度方向过载的 变化情况 这也是能量机动 有人对敏捷性的定义不同 认为滚转加速度才是敏捷性 这也没关系 也可以画出不同滚 转加速度时 速度方向上的过载变化 甚至 我们可以画迎角和侧滑角同时存在条件下 速度方向过载和法向过载的变化的包线 图 也就是说 这组合多个条件下 都可以画出速度方向上的过载变化 也就是剩余功率 的变化情况 我们日常见的是速度矢量上的过载与升力过载的变化曲线 但这只不过是最 常用的一种能量机动包线图 不代表能量机动只有这一种包线图 能量机动可以描述敏捷 性 还可以同时在一个图上描述机动性和敏捷性 只不过这种图不常见而已 能量机动的误区之七 能量机动对过失速机动无效 能量机动对深失速机动无效 有这个误区的人 常用的一个证据就是依靠 F 16 没有过失速机动 是的 F 16 是只要 稳盘和瞬盘 没要过失速机动 但是能量机动仍然是对过失速机动有效的 F 18 也是一 个例子 F 18 也是能量机动指导下设计的 过失速最简单的理解 可以认为是瞬盘的延续 如果包线图继续向左衍生 就是过失速领 域 而瞬盘可以理解为是稳盘和过失速的过渡阶段 过失速盘旋可以理解为能量损失更大 的瞬盘 此时过失速盘旋的角速度和能量损失情况 仍然可以能量机动计算出 给出一个 数值和图表 方便进行计算 由于此时迎角有 30 40 度 甚至更高 此时计算过失速机动的 攻击力 就是用 30 40 度迎角 盘旋角速度 也就是说 由于迎角大了以后 效果明显了 相当于给战机附了一 个基础的角度 盘旋角速度 这样组合成一个战斗力 此时能量机动对盘旋角速度仍然计 算得出 能量机动仍然有效 由于眼镜蛇这类动作仰角过大 例如大于 70 度 如果定义为深度失速的话 与过失速机 动类似 飞机仍然可以用能量机动测出其能量变化 对于法 类动作 类似飞机定在空中 不断后空翻翻跟斗 也就是有俯仰速率 前面说了 能量包线图有很多种 我们可以画出在迎角和俯仰速率条件下的能量包线图 此时 俯仰 速率 就是其主要战力 能量机动的误区之八 飞机盘旋性能是用飞机飞上一圈用外部仪器测量的 飞机的最大稳盘盘旋角速度 是不是地面用人或仪器看飞机飞一圈的时间测得的呢 不是 的 前面说了 飞行包线图上的盘旋过载 不是飞机受的合力产生的过载 所以飞机在某 高度 某速度 某迎角条件下飞行时 只要侧滑角小到可以忽略时 那么速度矢量上的过 载和升力过载都是飞机上的计算机瞬时测量出来的 不用飞机飞上一圈 所以 飞机要测量各种高度和速度下的盘旋性能 只需要去飞飞就行了 只需要几个架次 飞行员一个拉杆动作 3 秒钟 就可以测得无数各种迎角下的 Nx 和 Nz 过载 立刻就可以 把包线图绘出来了 能量机动的误区之九 能量机动对于四代机不重要 对比 F 22 和 J 20 T 50 的大小和重量我们就知道了 F 22 都比另外两种战斗机要 轻 再联想到 F 15 出奇的轻 就知道美国美国人也是试图极力降低 F 22 的空重 F 22 是同时追求隐身和机动等多个目标 并没有忽视机动性 并没有抛弃能量机动 还告诉我们一个道理 如果是极端的方式搞气动设计和增加推力 不如多点精力减轻点重 量