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深度解析:何为军用飞机的机动性(下)
来源:未知发布时间:2021-05-29 23:37

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定量分析一架飞机的机动性

吾们晓畅飞机平飞时升力与重力均衡。而在拉杆转曲时,迎角添大、CL添大,升力大于重力。升力/重力便是法向过载也就是ny,CL添大到CLmax(或CLbu),则该机的升力达到该速度下的极限,而诱导阻力也随升力系数添大而添大,在取得CLmax时,推力无法均衡诱导阻力。

此时,飞机机动会减速只能做瞬时盘旋。在肯定速度内,升力受CLmax限定。随着速度添大,动压添大,最大升力添大。超过肯定速度时,最大升力超出飞机的组织强度限定。飞机升力又受机体组织强度的限定,在某一特定构型的情况下,并伪定对称受载(滚转情况下存在偏差称载荷,组织强度边界缩短)。以速度为横轴,ny为纵轴,由升力边界与组织边界组成了飞机瞬时盘旋时的速度-过载包线。也就是v-n图,Su-27SK战斗机21400kg下的v-n图如图4-1所示。

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图4-1 Su-27SK战斗机21400kg下瞬时v-n图

v-n图中,升力边界与组织边界会有一个交点。这个交点所对答的速度称为角点速度。在跨音速阶段,飞机做机动减速,减速的同时气动中央急剧前移,气动中央前移导致飞机骤然上抬产生附添的过载。因此,很众飞机选择进入跨音速后限定飞机行使过载。如图所示Su-27SK战斗机在0.85马赫以上过载降落至6.5g。而F-15战斗机为了足够发挥出飞机机动性,异国浅易采取一刀切的手段。

按照飞机的马赫数和高度,制定了一套非线性转折的函数来限定行使过载。并随时议定过载告警体系(OWS)用平显字符和声音向飞走员挑示现在过载限定,使得飞机能够在矮空跨音速9g飞走,OWS关闭时过载限定则为7.33g。v-n图同样必要对答特定的重量,联相符速度迥异重量下的ny也能够议定ny1=ny2*m2/m1的公式进走换算。同时,分隐微图中横坐标也专门主要,是真空速照样外速抑或是马赫数?图4-1所示的v-n图横坐标为指使马赫数,由空速管读数得来,大迎角时即使在海平面也会有偏差。

详见:https://www.bilibili.com/read/cv6082964

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空中的Su-27SK战机

给定速度给定高度下的瞬时盘旋仅受CL与翼载荷的影响。当飞机以一个相对较幼的迎角机动时,升力较幼,诱导阻力也相对较幼,推力能够均衡阻力。此时,飞机做机动不会亏损或获得能量,SEP=0,飞机做安详盘旋或称定常盘旋,由各速度下SEP=0时的ny与组织边界同样围城一个v-n图,称为定常盘旋v-n图。如图4-2所示,为F-15C在37000lb重量清洁构型下的安详盘旋v-n图。

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图4-2 F-15C在37000lb重量清洁构型下的安详盘旋v-n图

安详盘旋过载同时由升阻比与推重比决定,如飞机设计手册教材的公式:

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ny1=ny2*m2/m1的重量换算公式同样适用于安详盘旋过载,很众苏俄飞机的飞走手册中就写有这一转换公式,例如图4-3所示MIG-21bis飞走手册。

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然而,飞机在空战中要实现角度的变换真实必要的是角速度而不光是过载。盘旋时的角速度被称为盘旋率,圆周活动时飞机到圆心的距离称为转曲半径。在飞机进走程度盘旋时,升力并不十足挑供向心力,如图4-3所示。

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图4-3 飞机程度盘旋时的受力分析

将升力分解到x与y倾向,升力的竖直分量均衡重力,而水等分量挑供向心力使飞机盘旋。即G = Ly,Lx = m*v*w,Lx =√(L^2 – Ly^2),Ly = G,√(nyG^2 – G^2)= m*v*w,w = g*√(ny^2-1)/v也就是教材所写的盘旋率计算公式(23-17),n就是过载ny,而据此也可推导出盘旋半径计算公式(23-19):

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从这一公式能够得知:同样的ny线速度越幼,盘旋率越矮,固然都是8g,Su-27能在0.48马赫拉出8g,而MIG-21bis必要在0.7马赫才能拉出8g过载。隐微,前者的机动性更益。以图4-2为例,F-15C在37000lb 0.7马赫时稳盘过载约为8.5g。若换算为35000lb下过载,则是8.5*37000/35000 = 9g。按照公式23-17, 0.7马赫折相符238m/s,w = 9.8*√(9^2-1)/238。效果乘180除以3.14(弧度换算成角度)得到可计算出此时稳盘率为21.11度/s。

将迥异SEP限定下,v-n图中的每一个点换算成盘旋率。以盘旋率为纵坐标,速度为横坐标,迥异SEP下的升力边界与组织边界围成了外征飞机能量机动性的狗屋图。F-15C在10000ft高度50%内油携带4枚麻雀4枚响尾蛇时的狗屋图如图4-4所示。

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图4-4 F-15C狗屋图

在角点速度以内,盘旋率随速度添大而添大。在大于角点速度时,受组织限定,欧宝首页ny不变,速度添大,盘旋率减幼。因此,角点速度是取得最佳盘旋率的速度。如图所示在F-15C该机况下在0.55马赫取得角点速度。此时,盘旋率为23度/s,SEP矮于-2000ft/s。做机动流失能量,Ps=0的曲线上,取得最大稳盘率为13度/s,角点速度为0.87马赫。

除此v-n图与狗屋图之外,Ps等值线也是常用的分析飞机能量机动性的图外。如图4-5所示,TF-15A(F-15B)飞机清洁构型33524lb 1G过载时的Ps等值线,议定该图能够读出特定高度特定马赫数下的单位盈余功率值。

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图4-5 TF-15A的Ps等值线(ny=1g)

以0.95马赫大约2000英尺高度为例,TF-15A的SEP达到1200ft/s,折相符366m/s,考虑到F-100-PW-100引擎与F-100-PW-220引擎在海平面0.9马赫处推力几乎相等,无视单双座构型的迥异,能够议定换算到35000lb重量的手段估算清洁F-15C战斗机在0.95马赫挨近海平面时的SEP为350m/s。

按照迥异的过载,也能够画出联相符Ps下的等值线。如图4-6所示为F-20战斗机携带两枚响尾蛇导弹16015lb的Ps=0等值线,该曲线能够读出迥异高度迥异速度下该机的安详盘旋过载。以该图为例,在海平面0.75马赫下该机的安详盘旋过载达到9g,0.75马赫折相符255m/s,议定公式23-17,w = 9.8*√(9^2-1)/255,效果乘180除以3.14(弧度换算成角度)可计算出该机的最大稳盘率为19.7deg/s,而幻影2000C战斗机在两导弹半油下海平面最大稳盘率为17.4deg/s,早期Su-27战斗机在18920kg下8.5g过载稳盘率挨近21deg/s,经重量换算可推出Su-27SK战斗机在19500kg下最大稳盘率约为20deg/s,频繁被视为廉价矮端的F-20战斗机,其海平面最大稳盘率超过了幻影2000,达到了挨近Su-27优等的程度,实在是令人吃惊。

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图4-6 F-20战斗机Ps=0等值线

为何探求机动性

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速度与爬升率是航炮时代的空战关键

衡量一架飞机作战性能的指标有很众。在航炮时代,机炮射程与现在视态势感知的局限性,使得速度上风方能够容易逃出对手的武器射程。同时也能够容易地将对手纳入己方的武器射程。速度的快慢和爬升率的高矮很大程度上成为衡量早期战斗机性能的主要指标。

但空空导弹的展现和发展很大程度上转折了游玩规则。武器包线的膨胀,使得单纯倚赖高速逃逸敌方武器的射程变得不再能够。随着飞机航电设备的挺进,态势感知变得不那么难得,机动性也更容易被发挥。在视距内空战(WVR)中,基本的空战机动主要分为单环和双环两栽式样,如图5-1所示。

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图5-1 单环与双环

单环战中,盘旋半径较幼的一方能切对手内圈。对于瞬时盘旋率上风较大的机体,单环战能获得较大上风。但若稳盘处于较大劣势,则瞬盘上风能够只会创造一个窗口的机会。双环必要角度上风的积累,稳盘率较高的一方能获得较大上风。实际上以前文所示F-15C战斗机狗屋图为例,取得最大瞬盘率时的能量流失率高达-2000ft/s,瞬时盘旋率这一指标能取得的时间比很众人想的还要短暂,甚至能够不能以取得第一个窗口的上风。即使是大离轴角搏斗弹通俗的今天,考虑到导弹离轴发射时较大的能量亏损,也很难靠瞬盘率强拉第一个窗口将对手击杀。

从这个角度上来讲,瞬盘率高很众能够取得一点上风,稳盘率高一点能够取得很众上风。以是F-16选择用攻角限定器削失踪狗屋图尖端,以保证较矮的能量流失率。F-16C Block-50即使在10000ft 200阻力因子的条件下角点能量流失率仅为-1200ft/s。自然,相通于幻影-2000一类的高瞬盘矮稳盘也能够尝试剪刀一类的手段获取上风。

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F16的兴旺机动性 对空中交战很有协助

在很众人的眼里,机动益像只对近战搏斗有意义。原形上,机动性同样对超视距作战有主要的作用。中距空战往往从巡航开起,掀开添力巡航的油耗太大。在无法确保十足不进入近距搏斗的情况下,挑前开添力耗油将会对后期作战造成负面影响。从这个角度来讲,巡航速度比开添力的最大极速更有意义。因此,当代战斗机挑得更众的是超音速巡航而不是极速3马赫。三代机中诸如台风和行使100-229或110-229的F-15E等具备肯定超巡能力的机体,在超视距作战有较大上风。

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图5-2 F-100-PW-229的F-15E能在不开添力清洁构型下达到1.15马赫

现役空空导弹照样异国一击必杀的把握。固然一些中距空空导弹的射程在较高的高度膨胀到了100km优等的射程,但实际上能有效命中的射程会远矮于此。导弹跟踪机动中的飞机也会大幅度地亏损能量。从这个角度讲,飞机做机动也是能够压缩中距空空导弹的有效射程和降矮命中率。以是,R-27R在鉴定导引头作用距离不如AIM-7F的情况下,会选择引入惯性引导添指令修整的阶段来延迟其射程(怅然射程照样比不过AIM-7F)。即使是必要载机不息照射的半主动bvr时代,也会有一个规避与添添照射的过程。

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图5-3 MIG-29交战手册对半主动中距空战的描述

规避空空导弹也是一个较为长时间的不息机动过程。稳盘率和较矮的能量流失率比瞬盘率来的有意义,较高的SEP也有利于飞机机动后的能量添添与占位。从这个角度来望,F-16也是专门正当中距空战的机体。

自然,飞机是用来作战的, 并不是比拼一个单一指标就能决定其益坏的。纵使机动性有这么众主要的作用,也要按照其设计需求及客不都雅条件综相符考虑其航电、武备、能量以及机动等方方面面的指标。设计都是折中下的效果。笔者期待议定机动性这一指标的探讨,激发各位的钻研亲炎,对飞机的性能评价有一个更深入和客不都雅的晓畅。

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