殲-10B與TVC(下)

上一篇介紹了殲-10B 1034號機搭載的TVC,以及它各個組件是怎樣轉動的。這一篇我們來看看在實際飛行中,殲-10B做出過失速機動動作時,TVC與全機其它部件如何配合工作。

殲-10B與TVC(下)


沒有機會去珠海,只好拿網上眾多航空攝影高手的圖片借花獻佛了。所有資料及圖片均來自公開網絡,所有分析均為個人觀點,不存在洩密問題。



詳解“眼鏡蛇”機動

珠海航展上,殲-10B做出了“眼鏡蛇”、“落葉飄”、“J-Turn”等驚世駭俗的特技動作,這是世界上首架進行過失速機動公開表演的現役單發戰鬥機,一時風頭蓋過殲-20。

殲-10B與TVC(下)


所有的長槍短炮、媒體大V都聚焦在殲-10B搭載的TVC上,也幾乎把所有的讚譽都送給了它,似乎裝備了TVC就可以讓一架普通的戰鬥機變得無所不能。

殲-10B與TVC(下)


但是,就像再偉大的球星也不可能一個人贏得足球比賽、再優秀的歌手也需要樂隊伴奏一樣,殲-10B能飛出這樣超越空氣動力極限的動作,除了TVC的加持,還需要各個常規氣動面的積極配合。

這一點往往被人們所忽視,但也不能怪大家,因為和TVC的偏轉相比,其它氣動面的尺寸小,動作幅度也小,偏轉速度快,彷彿是絕頂武林高手出招,電光火石之間已經奇招盡出,而普通人就算瞪大眼睛盯著上面的動圖看上很多遍也未必能看出多少奧妙之處。

為了研究機身姿態和TVC、鴨翼、前緣機動襟翼、後緣襟翼之間的關係,我把視頻轉成gif動畫,再分解成一幀幀靜止畫面,測量了每一幀的攻角(假設視頻是以完全水平的狀態拍攝的),整理出下面這張圖表:

殲-10B與TVC(下)


上表一共80格,每格0.1秒,展示了8秒鐘內完成“眼鏡蛇”機動的全過程。這是我自己對照不同版本的視頻掐著秒錶算的,不一定很準確,也不知道視頻是否加速過。另外作為對比,人眼的平均眨眼速度是0.25秒!

藍色代表攻角小於24° - 據傳殲-10A能夠達到的最大可用攻角,也就是所有殲-10系列戰鬥機都能做出的大迎角姿態;

黃色代表攻角大於24°,即殲-10B TVC超越常規構型殲-10所作出的超機動部分,持續時間6.9秒;

紅色代表攻角大於90°,持續時間3.3秒;

紫色是全過程所達到的最大攻角:110°- 後仰20°機頭在後機尾在前的狀態,維持了0.2秒。

把它們連成一串就畫出了下面的軌跡:

殲-10B與TVC(下)


再選取其中十幀放大,結合高清的實景照片來看看飛機各個部件的運行姿態:

0.3秒

殲-10B與TVC(下)


襟翼稍稍抬起開始拉起機頭,鴨翼沒動,TVC收斂也無法運動。前緣機動襟翼在整個過程中都被放到最大角度,以減小前緣與相對氣流之間的角度,使氣流能夠平順地沿上翼面流過;同時增大翼切面彎度,延緩氣流分離。

殲-10B與TVC(下)


1.3秒:

殲-10B與TVC(下)


攻角超過24度後,鴨翼短暫下壓(調整、減輕抬頭力矩?),襟翼收回到水平位置,TVC開始擴張。

殲-10B與TVC(下)


1.5秒:

殲-10B與TVC(下)


攻角繼續增大,鴨翼、襟翼收回到水平位置,TVC再次收斂。

殲-10B與TVC(下)


2.9秒:

殲-10B與TVC(下)


當攻角超越90°後,TVC從收斂狀態調整為向上偏轉,鴨翼不動,襟翼略向上偏轉。

殲-10B與TVC(下)


3.9秒:

殲-10B與TVC(下)


達到110°的最大攻角,在此之前鴨翼已經開始下壓,此時偏轉角度達到最大值,襟翼也放下到最大角度,TVC轉回水平位置。

殲-10B與TVC(下)


4.1秒:

殲-10B與TVC(下)


在機頭向前回擺的過程中,TVC迅速偏轉向下方,鴨翼和襟翼仍然保持最大偏轉角度,圍繞氣動中心提供最大的擺動力矩。

殲-10B與TVC(下)


5.5秒:

殲-10B與TVC(下)


回到90°垂直狀態,鴨翼和襟翼收起,只有TVC仍然保持下偏提供矢量低頭力矩。

殲-10B與TVC(下)


6.1秒:

機頭越過90°後仍保持相同狀態,只依靠TVC提供矢量低頭力矩。

殲-10B與TVC(下)


6.7秒:

殲-10B與TVC(下)


機頭下落階段,襟翼和TVC都位於水平位置,鴨翼放下一定角度,減少抬頭力矩,幫助迅速壓低機頭。

殲-10B與TVC(下)


7.5秒:

殲-10B與TVC(下)


回到正常攻角範圍,鴨翼收回水平位置,TVC收斂增大推力,加速脫離。

殲-10B與TVC(下)


短短八秒鐘,TVC、鴨翼、後緣襟翼在不同階段做出了相當多的動作,體現出以下幾個特點:

  1. TVC不是全程工作,僅在攻角超過90°後到回覆至70°前的不到4秒鐘裡做出了矢量偏轉,期間還調轉過方向:達到110°最大值前是向上偏轉,之後是向下偏轉,可見TVC響應靈敏,轉向迅捷,在氣動面失效的情況下發揮出最大的作用。
殲-10B與TVC(下)

  1. 換個角度來說,這架殲-10B即使沒有TVC,其最大攻角也至少能達到90°,說明其飛控系統有了很大改進,打破了殲-10系列無顧慮操作仰角的限制。
  2. 鴨翼和襟翼積極參與了飛機姿態控制,在最需要的時間點作出最恰當的動作,往往只有零點幾秒的持續時間,點到為止,恰到好處。因為鴨翼在氣動中心之前,力臂長,與襟翼配合,在過失速情況下氣動效率比常規構型的飛機要高出一截。
  3. Bump進氣道的表現非常出色。從飛機的拉煙可以看出整個“眼鏡蛇”機動的過程中空氣流場非常複雜,5.5秒時拉煙吊艙上下同時出煙,略向上飄,此時垂直的機身只有水平方向的低速移動,進氣道的徑向移動速度為負值,這樣的極端條件下整個進氣系統工作得非常穩定,進氣量的適配性非常好,沒有喘振、推力下降等情況發生。

殲-10B與TVC(下)


  1. 在攻角達到110°最大值後,TVC、鴨翼、前緣機動襟翼、後緣襟翼的動作也呈現出最複雜的組合方式,各自轉動到最大角度,方向各不相同。這樣迅速、高效、精準的操作顯然不是靠飛行員手動能夠做到的,這架殲-10B所配備的飛-火-推一體化操作系統才是過失速機動的最大功臣。
殲-10B與TVC(下)





TVC的實戰意義

“眼鏡蛇”是蘇-27賴以成名的招牌過失速動作,但是歐美軍界和媒體普遍認為它不具備實戰意義,因為蘇-27要飛出“眼鏡蛇”機動是有非常嚴格的條件限制的:不能有外掛,進入高度1000-1200米,進入速度310-420公里/小時,進入攻角22-24度,剩餘油量1220-4775公斤,發動機轉速為53%-99%,保持直線飛行;還需要關閉迎角限制器和電傳操縱系統的電門,解除飛控系統的限制,使飛機的操縱系統處於直接聯接模式。全部滿足上述條件才能完成“眼鏡蛇”機動動作。


殲-10B與TVC(下)


三翼面佈局的馬來西亞蘇-30MKM雙座型飛“眼鏡蛇”機動

而且蘇-27在“眼鏡蛇”機動中,從後仰到前衝這個過程飛機處於不可控狀態,無法改變機頭指向、高度和速度,完全憑藉之前的運行軌跡和慣性恢復正常飛行姿態,具體而言就是因為蘇-27具有出色的空氣動力設計,機體重心後投影面積比前面大,能夠像不倒翁那樣自動產生低頭力矩。

這就好比一個武林高手可以在跑動中做出後空翻的漂亮動作,但是他必須穿一雙特定的鞋子,空手不拿任何東西,肚子只吃半飽,只用七成的力氣,向前跑20步再踩3級臺階然後才能翻。如果哪天被人追,但他沒穿那雙鞋、沒跑夠20步、手上拿了東西、吃得太飽、力氣用大或者用小了,缺了哪一條他都做不出這個動作來。

殲-10B與TVC(下)


很多人從《壯志凌雲》這樣的電影中得到啟發,認為飛一個“眼鏡蛇”可以急剎車,讓追擊的敵機衝到前面去,然後發起反擊。但這樣的場景在實戰中出現的可能性微乎其微,首先除了拍電影外格鬥雙方几乎不可能同向接近到如此距離,現代高性能格鬥導彈在你手忙腳亂調整高度速度、保持直線以進入“眼鏡蛇”窗口之前早就把你打掉了;其次,就算後機追近到你屁股後面還不打你,坐等你滿足條件做出一個“眼鏡蛇”急剎車,它也可以通過滾轉、俯衝等方式進行擺脫,不會傻傻地衝到前面去讓你來個回馬槍。

如果“眼鏡蛇”只是個航展上表演用的花架子,那殲-10B裝TVC還有實戰意義嗎?

有,TVC至少可以帶來以下益處:

  1. 起飛時TVC向下偏轉,垂直方向的分力可以增大升力、減小起飛滑跑距離,對於戰時前線機場尤為有利;
  2. 大攻角狀態下TVC的全向偏轉,可以迅速、穩定、可控地改變機頭指向,極大地增強格鬥能力;
  3. 在飛行包線內提供無憂操作,即使飛機進入過失速狀態也能順利改出,增強飛行安全性,提高飛行員的信心和士氣;
  4. 在超音速區間常規氣動面性能受限的情況下,利用TVC的矢量推力控制提高超音速機動性,參見:

當然目前的這架殲-10B還只是TVC驗證機,離批量裝備部隊還有一定距離,TVC的使用壽命、可靠性、可維護性、各種戰術態勢下飛-火-推一體化控制律的優化,都還需要經過大量實戰化試飛、演習來驗證完善。


殲-10B與TVC(下)


除了經典的“眼鏡蛇”特技機動,殲-10B還飛出了難度更高的“無半徑下降轉彎(落葉飄)、“榔頭”機動和“赫伯斯特”機動(J-Turn)。

殲-10B與TVC(下)


從落葉飄等機動中,可以看到TVC的橫向偏轉、襟翼差動、鴨翼轉動到不可思議的角度:

殲-10B與TVC(下)


寫到這忽然聯想到殲-20的鴨翼,在 一文中我提出了這麼一個問題:為什麼殲-20的鴨翼要設計出這麼大的轉動角度,飛行時是否也能轉這麼多?如今看來殲-10 TVC的過失速機動給出了答案。

殲-10B與TVC(下)


在我們通常認知的高速平飛狀態,鴨翼偏轉如此大的角度固然會導致阻力劇增,甚至可能破壞結構;但是在空速接近於0,大攻角甚至是倒扣的過失速狀態下,大角度偏轉的鴨翼配合TVC能起到四兩撥千斤的作用。

殲-10B與TVC(下)


和殲-10同樣採用鴨式佈局、氣動控制面更多的殲-20能達到怎麼樣的機動性,大家發揮想象力吧。


雖然都是自己看視頻分析的,也不方便說得太多,點到為止,請大家見諒。

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剛開新號,所以還不能標註原創字樣,原創不易請多多指教,

歡迎大家一起交流討論~~


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