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眼鏡蛇機動
2011/07/20 09:58
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普加喬夫眼鏡蛇機動

前言

殲十出擊

前幾天和小孩一起看了『殲十出擊』這部影片,這是一部很典型的軍教片,內容呆板、沒啥橋段,而且很多特效鏡頭使用電腦動畫,畫的很不自然,看來大陸電影的後期製作,還有待加強!?不過唯一有意思的是,影片中曾多次提到眼鏡蛇(Cobra)機動這個名詞,只是劇情的演繹與我過去的認知出現了不小的落差,比方說,劇中的主角,不管是空中纏鬥,或者規避導彈攻擊,都似乎把眼鏡蛇機動當作空中的緊急煞車來使用!?那種感覺就像是在地面的汽車互相追逐然後突然做漂移過彎的動作一樣,於是我特地上網查證一下,果然要作這個動作限制多多,而且危險性極高。

何謂「眼鏡蛇機動」?

眼鏡蛇機動是在機動過程中飛行員快速向後拉桿使機頭上仰至110度~120度之間,形成短暫的機尾在前,機頭在後的平飛狀態,然後推桿壓機頭,再恢復到原來水平狀態。機動時飛機進入的速度約為 425 公里/小時,飛機以超過每秒 110 公里/小時的速率減速,然後減速到 148 公里/小時,這個動作僅使飛機承受 3.5~4g 的過載,在整個機動過程中,飛機的飛行高度幾乎沒有什麼變化。

眼鏡蛇機動最初現身於 1989 年 6 月的第 38 屆巴黎國際航空航天展覽會上。蘇聯蘇-27戰鬥機一亮相所進行的飛行表演就令在場的觀眾大跌眼鏡:當時威克托·布加喬夫駕機升空後大角度爬升,突然間,蘇-27機頭抬起並越抬越高,最終變成了機尾在前,機頭在後,仰立著懸停在巴黎的上空。幾秒鐘後,機頭重新落下恢復平飛狀態。因其過程就像發怒時高昂頭部的眼鏡蛇一樣,故被形象地稱為『眼鏡蛇機動』。後來為了紀念布加喬夫這位天才的表演者,這種飛行動作亦被稱為『布加喬夫機動』(Viktor Pugachev's Cobra)。

眼鏡蛇機動要領(以下內容摘自飛行力學 2000 年 3 月,作者:李中華)

一架飛機若能完成『眼鏡蛇機動』需要具備三個設計特點:第一,要有很強的上仰操縱能力;第二,應克服迎角為 30°~60° 區間的不對稱滾轉和偏航力矩(這是很容易被忽略的設計特性,對於細長體戰鬥機構形,在大迎角時靜態和動態穩定性之間存在很強的匹配關係。為了有效的避免大迎角時操縱特性和強橫航向的損失,必須仔細權衡靜力學與動力學之間的關係);第三,要有很強的下俯操縱能力。

飛行員在開始機動之前,應檢查是否具有如下的進入條件:高度(h)為 1,000 ~ 11,200m,速度(v)為 310 ~ 420 km/h,俯仰角(θ)為 22° ~ 24°,發動機轉速(n1)為 53% ~ 99%,剩餘油量為 1,220 ~ 4,775kg(對應的重心位置為 36%bA)。平衡好飛機,保持定常直線飛行,關閉迎角限製器電門,斷開電傳操縱系統電門,使飛機的操縱系統處於直接聯接模式。如果超出了上面的進入條件限制,飛機將不能很好地完成機動,並可能進入複雜飛行狀態,超過飛機強度載荷限制和飛行員生理承受能力,影響飛行安全。

首先在預定高度上動力配平飛機,保持表速為 310 ~ 420 km/h 水平飛行,之後從該初始狀態飛行員斷開電傳操縱系統電門和迎角限製器電門,迅速拉桿到底,保持短時間使機頭上仰到 110°~120°,迎角為 90°~95°,此時表速約為 300 km/h。機頭開始下沉時,推桿至中立位置,右發動機加至最大狀態,以形成偏航操縱力矩,防止航向偏離。飛機狀態接近水平時,接通電傳操縱系統電門和迎角限製器電門,調整飛機狀態,整個動作持續時間約為 5s。動作結束後,表速約為 120 ~ 130km/h,飛行高度較初始狀態略有上升,但變化量不大。

中標的眼鏡蛇

從上面的資料可以知道,眼鏡蛇機動在飛機在重量、高度、速度、外掛都有嚴格限制,另外在這個機動動作飛機飛行軌跡幾乎不變,且在機動中不能發射武器(否則引起側翻或發動機停車)且機動時間過長(7 秒以上,這時敵機差不多轉過彎來攻擊你了),機動後速度過低,飛機舵面效率極低,不利於轉換到下一個機動,基本上給我的感覺整個就是一個靜止的活鈀子。因為兩軍在空中高速纏鬥的過程,不太有可能有機會突然降速到 310 ~ 420 km/h 然後再來個大仰角的眼鏡蛇機動,喪失大量的動能,而且這種動作特徵十分明顯,對手可以輕易防範。恢復之後則速度非常低。在進入機動前和改出後,都十分脆弱,極易遭到有效攻擊。況且在大速度,大仰角的拉起會容易造成黑視。同時在拉伸到 90 度之時,發動機需要熄火,這是一個很冒險的舉動,因為在地球引力的作用下,飛機下墜,根據力矩的原理,機頭會下壓,此時發動機再度點火,在近乎水平的時候,開推力,改出。如果點火不順利,唯一的結果就是直接墜毀,特別是像單發的殲十,要在這種速度和狀態下再開俥,危險不是一般的大。同時如果仰角過大,也會造成失速尾旋。所以想利用這個動作在近距離空中格鬥的時候,繞到敵機後方佔得主攻位置,基本上敵機差不多已經跑掉了。至於想要用來躲導彈,則會因為導彈速度太快,飛機根本來不及。因為一般空空導彈的過載至少在 30 個 G 以上,殲十的過載頂多到達 7、8 個 G 左右(人身體承受極限)

另外,還有兩種非常規機動,尾沖、和弗羅洛夫最小半徑翻轉機動(法輪)。具體的動作就不解釋了,我們只要知道,這些動作的恢復條件是完全不可人為操縱的。飛行員的動作要麼不起作用,要麼因為會破壞飛機的正常運行而不被允許。所以嚴格來講,這個動作危險性很大,容易導致發動機停車過失速等問題,因此一般戰鬥部隊的條例裡都是被禁止的。而我們之所以能看到這個動作,那都是試飛部隊的工作內容,都是試飛員作出來的。而這些動作的主要意義也僅僅是說明此類氣動佈局的大迎角狀況下穩定性非常好。可以做到無側猾、無偏航,相當於擴大了飛行包線。除此之外其實用價值是很低的。

F-100

實際上早在 60 年代美國的 F-100 就能做類似的瞬時仰角達 100 多度機動動作,但他們不管這叫眼鏡蛇機動,而是一個非常可笑的名字『鐵板烤鴨 (Flat-Plating The Bird)』;而首創這個機動動作的飛行員就是鼎鼎大名的『能量機動理論之父』--美國空軍『戰鬥機黑手黨』的重要成員---約翰‧伯伊德(John Boyd)。但伯伊德所飛的 F-100 可不是什麼機動性優秀的戰鬥機,F-100 的總產量的 1/4 都在事故墜機中損失,其『寡婦製造者』的名聲不是沒有道理的。

超級眼鏡蛇機動

超級眼鏡蛇機動示意圖

蘇愷-47 裝配一種具有三元推力矢量噴口的發動機 37 UF。該發動機的尾噴管能夠作 ±15° 的偏轉,因而使得戰鬥機飛行員可以在飛機進入超常迎角區後仍然有主動控制飛機指向的能力,以截獲目標和發射導彈。二元推力矢量的應用,使得戰鬥機的機動飛行真正進入了一個『自由王國』,可以依賴發動機噴口的轉向來自由的控制,不再完全依靠機翼和舵面的升力來控制飛機。因此這樣的飛機往往可以作出令人無法想像的特殊動作,如超級眼鏡蛇(倒遮觔斗)。

戰鬥機引擎的啟動

電影鳳凰號

從上面的資料中,我們知道作眼鏡蛇機動時是需要關閉引擎的,具體是不是真的要關我不知道,因為在轉載的李中華文章中並沒有提到這一點。但是如果你看過電影『鳳凰號』應該知道,飛機引擎的啟動,並不像摩托車那樣容易(電影中啟動 C199 運輸機引擎使用說『發射藥』(類似散彈槍子彈)來啟動引擎),因為戰鬥機引擎裡面不可能有直流線圈讓你用電力來啟動(詳細請看拙作螺旋槳飛機的臆想(續)中的說明),所以必須先用大量的壓縮空氣去推動戰機的渦輪葉片,當引擎轉速超過一定值後引擎就會自動點火了。所以一般較早的飛機大多都需要氣源車與電源車來幫助啟動。

民航機上的輔助動力裝置

不過現在的大型飛機都有所謂的輔助動力裝置(Auxiliary Power Unit, APU),主要用途是讓主發動機在停止狀態下,不依靠外部器材供應電力,自行製造電力來供給液壓系統和冷氣,或者用來啟動噴射發動機。不同形態的輔助動力系統可在不同的飛機和一些大型的地面交通工具上找到。如左圖所示,位於機尾上有一個輔助動力裝置的排氣管,其邊緣似乎還有被煙熏過的積炭痕跡。當然如果把輔助動力裝置移到地面上,就成了地面動力裝置(GPU, Ground Power Units)它的作用和輔助動力裝置是一樣的,只不過功率會更大、更強些。

輔助動力裝置的核心部分是一個小型的渦輪發動機,大部分是專門設計的,也有一部分由渦槳發動機改裝而成,一般裝在機身最後段的尾錐之內,在機身上方垂尾附近開有進氣口,排氣直接由尾錐後端的排氣口排出。發動機前端除正常壓氣級外裝有一個工作壓氣級,它向機身前部的空調組件輸送高溫的壓縮空氣,以保證機艙的空調系統工作,同時還帶動一個發電機組,可以向飛機電網送出 115V 的三相電流。APU 有自己的獨立啟動電動機,由獨立的電池組供電、附加齒輪箱、潤滑系統、冷卻系統和消防裝置。它的燃油多來自飛機上總的燃油系統。APU 是動力裝置中的一個完整的獨立系統,但是在控制上它和整架飛機是一體的。它的控制板裝在駕駛員上方儀表板上,它的啟動程序、操縱、監控及空氣輸出都由電子控制系統協調,並顯示在駕駛艙相關位置,如 EICAS 系統的屏幕上。

然而一般戰鬥機或者攻擊機和民航機一樣都會配備輔助動力裝置,不過結構與民航機不同。戰鬥機的輔助動力裝置分為兩個獨立的裝置,一個叫做噴射燃油啟動器(Jet Fuel Starter,JFS),另一個叫做緊急動力裝置(Emergency Power Unit)。 噴射燃油啟動器(JFS)附屬於噴射引擎的一個渦輪軸(Turboshaft),戰鬥機啟動引擎時先打開噴射燃油啟動器。如果是單引擎戰機則只有一組噴射燃油啟動器,如果是雙引擎戰機,則會有兩組噴射燃油啟動器。

戰鬥機的緊急動力裝置.是一具瓦斯渦輪引擎,用來提供緊急情況下的電力予油壓動力。在引燃時不用瓦斯壓力計點燃噴射燃油,而是用聯氨(Hydrazine)與水混合後透過銥觸媒引燃引擎,將動力傳到發電機與油壓幫浦。

但不是所有戰機都有輔助動力裝置,像 F-16、F-5E 和 幻象 就沒有(但 IDF 有,IDF 除了APU外還有其他的動力裝置,整合成IPS, Integrated Power System, 用來空中交互啟動等)F-16 只有緊急動力裝置,就是在發動機旁邊有一個洞,然後用鼓風機灌入風,借由外界的風吹動渦輪葉片以啟動引擎,但並不能在地面時未接外氣源及外電源的情況下啟動。因此如果戰機在空中熄火,就要靠俯衝把渦輪葉片轉動,才能重新啟動引擎。

雖然輔助動力裝置是保證發動機空中停車後再啟動的主要裝備,但不一定保證每次都可以順利啟動發動機,特別是在高空之中。著名的案例是在 2007 年 5 月華航一架高雄飛往香港的空中巴士飛機,在抵達香港前、飛行高度大約降到兩萬多呎時,僅有的兩具發動機引擎竟全部熄火,形成一分鐘無動力危險飛航狀態,創下全球首例!幸虧後來引擎終於點火成功,否則飛機必須俯衝以取得速度,利用推進氣量讓引擎重新點火。然而根據飛安專家指出,當時駕駛員的反應時間只有七分鐘而已,可謂之相當危險。

結論

其實在戰鬥機進入以導彈為主的空戰模式後,大家都開始追求所謂的超視距作戰(BVR, Beyond Visual Range),所謂的狗鬥(Dog Fight)式纏鬥的需求,變的不是那麼重要,況且現在的戰鬥機越飛越快,因此像眼鏡蛇那樣的機動,就逐漸失去其實戰的價值。當然這指的是一般的空戰設想。但實際呢?有誰會知道未來的空戰會怎樣進行?畢竟現在的戰機所能攜帶的導彈是有限的,所以就算是 F/A-22猛禽戰鬥機,都還裝備了 1 門改進的 M61A2 機炮呢。

說到這裡,我要介紹一段有趣的歷史,美國大名鼎鼎的 AIM-9E 響尾蛇空對空導彈的第一次實戰使用是在台灣海峽上空。在那次空戰中,國民黨空軍的 F86 (軍刀式 Sabre)戰鬥機發射的一枚響尾蛇導彈砸進了一駕解放軍空軍的米格 17 戰鬥機,但沒有爆炸,該米格 17 戰鬥機居然帶傷安全著陸。通過這枚被『截獲』的導彈,沒多久蘇聯就成功仿製出社會主義陣營自己的尋熱導彈 K-13(北約代號AA-2 環礁),並被北越空軍用在越戰中。

解釋名詞

失速

失速是指翼型氣動攻角(Angle of Attack)增加到一定程度(達到臨界值)時,機翼相當於在氣流中豎起的平板,翼型所產生的升力(Lift Force)突然減小的一種狀態。翼型氣動迎角超過該臨界值之前,翼型的升力是隨迎角增加而遞增的;但是迎角超過該臨界值後,翼型的升力將遞減。簡單來說,飛機失速意味著機翼上產生的升力突然減少,從而導致飛機的飛行高度快速降低。注意失速並不意味著引擎停止了工作或是飛機失去了前進的速度。反過來說,當飛機做平穩的飛行時,需要升力與重力之間達成平衡,即需要升力的大小保持恆定。而空速越慢的飛機就需要越大的攻角來保持相同的升力,所以若飛機的速度下降就要同時加大攻角。隨著速度不斷降低,到了某一點攻角越過臨界值時,飛機將再也無法獲得足夠的升力,於是開始向下墜落。這一點的速度就被稱為失速速度,亦稱平飛最小速度,一般是不充許飛行員在這個速度上飛行的(除非試飛),這個速度的意義在於給飛行員一個數量上的概念,當飛行速度接近此速度時,應立即推桿改出,以免發生危險。

殲-10的平飛抖動表速為180公里/小時,其平飛最小表速應該在144公里/小時。蘇-27的平飛最小表速(又稱失速速度,下同)為200公里/小時,F-15的平飛最小表速為230公里/小時;F-16的平飛最小表速為220公里/小時。

尾旋

尾旋又稱螺旋(Spin),是飛機的攻角(迎角)超過臨界角度後,發生的一種連續的自動的旋轉運動。在尾旋發生過程中,飛機沿著一條小半徑的螺旋線航跡一面旋轉、一面急劇下降,並同時繞滾轉、俯仰、偏航三軸不斷旋轉。飛機尾旋的成因與失速有直接關係,簡單的可以說成是一側機翼比另一側機翼先進入失速,具體情況因機種的不同而有所不同,大體說來可分為兩類:一類是低速平直翼飛機的尾旋,另一類是高速後掠翼或三角翼飛機的尾旋。

過失速機動

過失速機動是一種非常規機動動作,也稱為『超機動』。它是指過失速機動就是飛機在超過失速迎角之後,仍然有能力完成可操縱的戰術機動。它主要用在為佔據有利位置的機動飛行中。 失速迎角:失速過程與飛機的飛行姿態和迎角有線性關係,所以通常也用飛機失速時的臨界迎角表示該飛機的機動能力,這就是失速迎角。至於飛機的常規機動一般是靠控制過載來實現。第三代戰鬥機的最大過載已經達到 9g,受到人的生理限制,其過載已經不可能再增大。

飛行包線

飛行包線

對於某一種飛機來說,它在某一個確定的高度上,可以保持水平飛行的速度是有一定範圍的,速度大到一定極限發動機推力不夠,小到一定極限升力又不夠,如右圖所示,以速度作為橫坐標,以高度作為縱坐標,把各個高度下的速度上限和下限畫出來,這樣就構成了一條邊界線,成為飛行包線,飛機只能在這個線確定的範圍內飛行。上面只是粗淺的解釋,實際上確定飛行包線的還有其他因素,並非完全又推力和升力極限決定。在某些高度下,速度太小了有可能飛機的縱向平衡無法保證,速度太大了可能導致結構顫振。總之,飛行包線由這些因素聯合決定,取其交集。

殲-10性能參數

機長14.57米,翼展8.78米,機高:5.3米,後掠角50-52度,翼面積40平方米,垂尾面積8.4平方米,推力122千牛頓,高空的最大速度:2.0馬赫,低空最大速度:1.2馬赫(1473公里/小時),最大升限18000米,作戰半徑1100公里,最大航程2500公里,最大起飛重量19277公斤,載彈量7000公斤,推重比大於1.1。外掛11個(機身下5個,每側翼下3個),外掛副油箱最大4100升(1500×2、1100×1)這些數據表明,殲-10除維持正常平飛外,還有足夠的推力來滿足執行各種機動動作的需要,使水平加速、爬升、盤旋等性能均有較大提升,甚至可以在空中格鬥狀態下毫不費力地垂直向上爬升。 

參考連結

普加喬夫眼鏡蛇
Su-27 飛機眼鏡蛇機動及其戰術意義
《殲十出擊》——介紹「普加喬夫眼鏡蛇」我就無語了!
《殲十出擊》裡的眼鏡蛇動作是真的 -- 作者:李中華
殲-10戰機試飛員李中華:「眼鏡蛇機動」第一人
試飛員 離死亡最近的人
再論殲-10的優越小速度性能
空軍專家披露:殲-10機動性能超強大!
全球首例 雙引擎同時停擺 華航空中熄火
引擎啟動與控制
戰機非常規機動飛行動作分析
向氣動極限衝刺2

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