战机过失速机动的那些事：必须依靠优秀的动力

图1：眼镜蛇机动

20世纪70年代，德国MBB公司的Wolfgang Herbst博士首先提出“过失速机动”理论，并进行了大量研究。过失速机动（又称超机动）将使战斗机更为敏捷灵活，但是，一直以来只是一个概念，直到1989年6月，苏联飞行员普加乔夫驾驶苏-27飞机在巴黎航展上表演了一个震惊全场的机动——飞机低速平飞进入，机头急速跃升，上仰至110°以上，形成短暂的机尾在前、机头在后高高扬起的平飞状态，形似即将出击的眼镜蛇，在此过程中飞机保持高度，但是迅速减速。这一动作被称为“眼镜蛇机动”（图1），它的面世，又一次点燃了人们追求飞行极致的梦想，掀起了业界对过失速机动的研究热情，除了对实现机动动作的痴迷，对于过失速机动的实战意义，正反两方也展开了激烈的辩论。

五花八门的过失速机动

过失速机动是飞机超过失速迎角进行的迅速改变飞机速度矢量和机头指向的一种可控的机动形式。当年的“眼镜蛇机动”也只是跨入了过失速机动的门槛。真正称得上过失速机动的飞行，与常规机动相比具有飞行迎角非常大、飞行速度低、三轴角速率大、飞机速度/方向/高度大幅度、突然变化等显著特征。

过失速机动飞行过程可分为三个阶段：第一阶段为建立大迎角阶段，拉杆使飞机以较高的俯仰角速率进入过失速迎角，在减速过程中到达并保持在某一大迎角位置；第二阶段为绕速度矢滚转阶段，目标是获得快速机头转向或瞄准能力；第三阶段是过失速机动改出阶段，推杆减小迎角改出失速，转为俯冲增速恢复到常规飞行状态。

图2：Herbst机动

1993年，X-31验证机在德国飞行员卡尔的控制下首次完整地完成了难度极大的Herbst机动（图2），在43秒内完成大迎角拉起减速、转向和高速水平飞行恢复，其中减速和转向只用了11秒，实现了盘旋半径仅为145米的180°机头转向，而常规盘旋机动获得180°转向的盘旋半径约为800米。除此之外，迄今由美、俄的过失速验证机和战斗机飞出来的过失速机动有很多种，包括轮盘机动、猫鼬机动、尾冲机动、蛇形机动、榔头机动等。

值得一提的是，对于传统飞行应极力避免的尾旋状态，对于具有过失速飞行能力的飞机也是一种可控的机动形式。飞机可以根据战斗需要进入和改出尾旋，以达到迅速改变机头指向、瞬间改变敌我态势的目的。良好的尾旋特性是过失速飞机必须具备的基本特性之一。

过失速机动的战术价值

虽然早在20世纪70年代，德国MBB公司的研究就证明过失速机动可以显著改善近距格斗能力，人们还是一度怀疑过失速机动在实战中的作用。随着近距空战被重视，过失速机动的战术价值重新被审视。

现代空战有两个方向，一是超声速区的超视距作战，一是低速下视距内的近距作战。过失速机动能力是近距空战中克敌制胜的重要保证，能够超越常规机动能力的极限，因此也成为现代战斗机追求的重要能力之一。F-22的设计团队坚定地认为，近距空中格斗的时代远远没有过去，优异的敏捷性是实现视距范围内首先开火和提高首次杀伤概率的关键，因此，F-22秉承的设计理念是不管在视距内还是超视距，总是能够有首先开火的机会，这一理念使它具有了迄今为止空优战斗机中最为优秀的机动能力，包括过失速机动能力和隐身能力。

图3过失速机动

过失速机动的有效性，很大程度上取决于空战中的敌我相对位置、飞行速度、动力系统性能以及双方武器系统的能力。过失速机动能够使飞机迅速减速和快速改变机头指向，恰当使用，可以改变近距空战中的攻防站位，使被动战机处于有利的攻击位置；在使用全方位导弹的空战中，利用过失速机动可以在更大范围内攻击敌机，可以提供更多的发射导弹的机会；过失速机动迅速改变飞机姿态的能力还有利于战机规避导弹的攻击，减小遭受攻击的概率。比如，在空战中，当敌机离我机尾部很近并准备攻击时，可以尝试通过眼镜蛇机动的动力制动作用实现突然减速，使敌机错过我机，重新获得空中优势。具有过失速机动能力的飞机，在攻击敌机时，无须囿于速度矢指向，可以通过头部指向捕获目标，获得更多的武器开火的可能性（图3）。F-16/MATV的研究已经证明，过失速机动带来的敏捷性能使飞机更长久的生存和更快地发起攻击。

怀疑过失速机动战术价值的人们，最大的忧虑是过失速机动造成的能量损失和由此可能陷入的被动处境。的确，过失速机动的完成，总是伴随着能量的损失，在过失速机动完成后，能否快速的恢复能量优势，使飞机不仅在位置上，还要在能量和攻击能力上重占优势，就看飞机是否具备足够高的推重比。因此，过失速机动的战术价值，必须要有可靠的、优秀的动力系统作为依靠才能发挥出来。

过失速机动带来的挑战

任何一个过失速机动都来之不易，设计人员精心的研究和试飞人员无畏生死的飞行才可能成就过失速机动飞行的一声惊叹。以眼镜蛇机动为例，苏霍伊设计局历时两年之久，通过大量的计算、地面试验和仿真模拟，给出了飞行条件和操纵方法，由普加乔夫在高空完成了数百次的“眼镜蛇机动”试验后，才在低空向世人展示了这一动作。过失速机动对于战斗机设计员和飞行员都是极大的挑战，它对战斗机的空气动力学、动力系统、飞行控制系统等的设计方法、试验技术、验证手段等都提出了新的需求。

空气动力学方面

失速后的复杂分离流动导致飞机的稳定性恶化，舵面控制能力急剧下降甚至失效；气动力的非线性非常严重，纵向和横、航向的耦合也相当严重，加之过失速机动的大角速率特征，非定常问题也很突出，气动力的迟滞效应明显。在这种情况下，飞机要能可控飞行，首先必须精心设计气动布局，使飞机本体具有极好的低速大迎角特性，包括很强的上仰和下俯操纵能力、克服30°～60°迎角区间的不对称滚转和偏航力矩的气动舵面控制能力、只依赖气动舵面的尾旋改出能力等。

其次，需要发展一种能准确预测复杂流动下的非线性、非定常气动力的模型，用来支撑飞行控制律的设计和飞行使用。这种模型，要在结果的精准度和工程适用性之间进行巧妙的折中，既要考虑模型适用的参数范围和结果的不确定度是否可以被飞控系统接受，还要考虑建立模型所付出的代价，以及后续扩展的成本。

飞机在某些过失速机动飞行中要完成目标捕获、瞄准和发射的任务，这对任务系统和武器系统都极具挑战。其中，在气动力设计方面，武器安全分离的设计和研究需要考虑分离流场和强烈的运动耦合的影响。

动力系统方面

对于进行过失速机动飞行的飞机，推力矢量（或称推力转向）是其动力系统不可或缺的能力，这在过失速机动研究之初就一直被认可和强调。

美国、俄罗斯和西欧等航空发达国家投入了大量的人力和经费对推力矢量技术进行系列研究，发掘它现代飞机机动性的革命性价值，取得了突破性进展，已将其应用于现有三代飞机改型以及第四代战斗机。研究表明，推力矢量技术能在飞机气动舵面失效的飞行条件下（大迎角、极低速），提供对飞机姿态的控制力，从而可以使飞机进行短距起落、悬停、大迎角/过失速机动等飞行。除此之外，推力矢量也有助于常规机动能力的提升。飞行试验表明，采用推力矢量的YF-22的机动性要明显优于空中优势战斗机苏-27、米格-29/F-15和F-16等。推力矢量增强了在跟踪目标期间的操纵品质。使用推力矢量的YF-22飞机，直到迎角60°，对俯仰姿态和迎角能够保持0.5°以内的控制精度，并且没有诱发滚转振荡和摇滚。推力矢量还提高了超声速转弯能力，飞行员评价YF-22在马赫数1.5的转弯能力与F-16在马赫数0.8时一样干脆利落。推力矢量还有益于飞机的低可探测性设计和减阻/减重设计，其提供的控制能力，使得去掉或者减小部分气动舵面成为可能，由此减少了飞机的重量和阻力，并有利于隐身。因此，推力矢量技术能够显著提高飞机的作战能力和安全性，它连同综合的飞行/推进控制系统对于希望敏捷性并维持飞机低可探测性的飞机将是必然的选择。

除了推力矢量控制能力，动力系统足够的推重比、快速响应能力和高可靠性对于过失速机动飞行及其战术价值的实现也是必须的。

飞行控制系统方面

过失速飞行必须依赖数字式电传控制，而且飞控系统需要与动力系统和气动力高度综合。过失速飞行飞控系统的核心控制律也需要更多的考虑过失速机动的特点，飞行动力学需要解算非线性、变系数的多变量六自由度联立方程组，稳定性分析难度很大。控制律要求具有合理的控制策略和鲁棒性，编写不当，可能发生飞行员诱发振荡进入失控状态。其中纵向控制律研究的重点是确定反馈系统和推力矢量控制的权限分配，确保给飞机提供最优的操纵品质。大迎角横向和航向控制律设计的重点是综合协调推力矢量与气动舵面的滚转操纵，以实现与速度矢量有关的协同滚转的性能。

过失速飞行飞控系统还需要精确的大气数据作为输入来决策控制系统的功能。由于气流分离的原因，常规大气数据传感器测量在大迎角会出现不能容忍的偏差。除了嵌入式的大气数据传感器系统，还需要采用双惯性导航系统（INS）获取数据来计算大气数据参数，补偿大迎角情况下常规大气数据传感器的不足。

过失速机动对飞控系统的硬件响应和精度也有较高的要求。在过失速机动中，舵面运动频繁而且幅度较大，如果响应滞后容易使飞机的运动发散。

验证试验与飞行试验

飞机的过失速机动能力必须通过飞行试验来证明。过失速飞行试验属于高风险科目，为了降低风险，飞行试验前需要大量的地面验证试验来支撑，因此需要发展综合性的地面验证手段，包括虚拟飞行试验、风洞自由飞试验、大气环境缩比模型飞行试验等。另外，由于气流分离、非线性、非定常和强耦合等特征，过失速飞行的参数辩识与线性系统参数辩识有本质的区别。传统的线性系统参数辩识理论不再适用，需要研究和建立适用于大迎角/过失速飞行的参数辨识方法。

过失速机动的未来

在过失速机动飞行方面，美国与俄罗斯依旧走在世界的前列。未来，过失速机动在进一步提高三轴角速率、增强机动能力的同时，仍然会以扩大可用飞行包线，进一步减少飞行限制条件为发展目标。

不断挑战机动能力的极限，让飞机在苍穹龙腾虎跃，仍然是人类不懈的追求。