侧卫的困惑 谈苏27系列战机的不足与改进
苏27系列发端于1970年代,当时苏联对于超音速二代机同样很不满意,苏27与米格29的设计追踪了F-15的发展,但是各有侧重,苏27的设计追踪超越原来F-15类似米格25的思路,要求保持大航程和更好的升力特性,但是F-15真正的数据传来后,苏27设计者发现出现很大的偏差。
原有T10追逐F-15标准是错的,不得不重新改进
F-15初期设计是另一种米格25,结果造成T10追逐错了对象
在原有苏27的基础上,新的设计要求保持原有的高航程特性,对亚音速能力进一步突出,用以压倒F-15格斗设计,高载油率和材料电子设备的落后使苏联设计者不得不在减重上做文章,造成的后果是,苏27的亚音速稳定盘旋性能十分强悍,爬升性能基本达到F-15水平,得益于优良的数学设计,低速大迎角过失速性能优良,但是不属于可控制干预范围,机体强度小,滚转能力不强,大迎角低头能力一般。
可以说,苏27当时设计要求超越F-15的15%气动设计的目标没有达到。国际经过性能包线对比,公认苏27性能优势主要在于包线左方,二者如同新时代的F86与米格15,各有所长这在以后的歼10对抗也很明显。苏27最大的优势在于内油系数,而由于F-15的人机设计,良好的电子设备,客观的说,苏27性能比F-15有许多不足。
苏27最大不足在于电子设备,苏联电子设备精细化某些方面在1980年代比之中国也有略式,以苏27上的钴6导航系统为例,国际一般以其中惯性导航为标准,但以西方标准只能作为惯性导航信号混合组件,体积大,重量大,误差大。苏27在飞行时,随着飞行距离的增大偏航误差也越来越大,难以真正发挥远程战斗优势。
又以雷达为例,苏27采用倒置的卡塞格伦天线,卡塞格伦天线开始是一种在微波通信中常用的天线,它是从抛物线演变而来的。卡塞格伦天线由三部分组成,即主反射器、副反射器和辐射源。其中主反射器为旋转抛物面,副反射面为旋转双曲面。
在结构上,双曲面的一个焦点与抛物面的焦点重合,双曲面焦轴与抛物面的焦轴重合,而辐射源位于双曲面的另一焦点上,如下图所示。它是由副反射器对辐射源发出的电磁波进行的一次反射,将电磁波反射到主反射器上,然后再经主反射器反射后获得相应方向的平面波波束,以实现定向发射。
卡塞格伦天线工作原理:当辐射器位于旋转双曲面的实焦点F1处时,由F1发出的射线经过双曲面反射后的射线,就相当于由双曲面的虚焦点直接发射出的射线。因此只要是双曲面的虚焦点与抛物面的焦点相重合,就可使副反射面反射到主反射面上的射线被抛物面反射成平面波辐射出去。
卡塞格伦天线相对于抛物面天线来讲,它将馈源的辐射方式由抛物面的前馈方式改变为后馈方式,这使天线的结构较为紧凑,制作起来也比较方便。另外卡塞格伦天线可等效为具有长焦距的抛物面天线,而这种长焦距可以使天线从焦点至口面各点的距离接近于常数,因而空间衰耗对馈电器辐射的影响要小,使得卡塞格伦天线的效率比标准抛物面天线要高。
但是对于加工更精密的平板缝隙天线,卡塞格伦天线加工虽然工艺要求不高,但是性能比之不足,重量过大,苏27采用倒置卡塞格伦天线,平板缝隙阵列需要较高的加工精度和制造工艺,俄国加工难以过关,有公开数据表明:美国73年的APG63比俄国85年的N001在同样累积检测率(50%)和对中等目标(RCS=3m^2)的搜索距离上,APG63要高出90%左右不一定精确。
为了增大搜索距离,苏27卡塞格伦天线阵列加大功率,近一步造成机身沉重的线路,散热系统与供电组。进一步恶化了机体重量和内部结构。
苏联对于雷达等电子系统的落后心里有数,俄国的电子系统傻大粗笨,所以一般采用是发射体制平台与战术搭配,依然能达到良好的战术标准。俄国军舰上的雷达天线就是例子,秘秘麻麻,另人生畏,但是俄国对于天线频率管理很好,搭配使用可以达到西方军舰用简洁设备起到的作用,中国引进现代级就发现,顶板雷达系统比西方很笨重,但是性能不错达到指标,因此只用自己操作平台与电子接口代替了笨重的苏俄操控平台。
但是对于战斗机来说,这种做法难以实施,因为空间实在有限。苏联对于苏27等采用的是整体指挥系统下的发挥来对抗美欧战机。无数的地面机动雷达站以及预警机为战机群提供信息窗口,苏联在战术空军层面采用了自动化指挥平台,用于汇集信息,为各个指挥站提供航路,拦截,目标信息数据,最后反映到苏27,米格29等战机上,对于复杂的空域情况,苏联采用的是划分控制扇区,每区域编队战机飞行员用多重信息窗口提供预警,只专注本区域目标,对于非规定时段进入战区战机一律视为敌机,采用打了再说,这样做法虽然存在一些不足,但是弥补了机载设备的不足。
对于中国来说,进口苏27的时代是一个奇特的时期,一方面,广大指战员对于空战的认识仍停留在1960年代,对于中距拦射,二代机对三代机对抗运用没有认识。另一方面,中国有自己的工程基础,1980年代与西方接触虽然短暂,但是幻影2000,F-16的接触,歼8-2和平典范,军刀-2(FC1)项目给了中国有识之士很大的视野,工程与战术受西方影响极大。
如上所述,苏27进口中国,由于其设计是采用苏联的C3I,自动指挥系统网络支持的,其自主作战效能在中国手中只能发挥50%左右,中国空军曾在1990年代初讨论引进苏联一整套自动化指挥系统,但是因为费用高昂,与原有系统融合困难,各军种当时抢夺有限资源(当时军费少的可怜),未能如愿。
中国空军初期的做法是利用苏27,演练21世纪的空战战术,头几批苏27不是中坚,而是训练种子,让空军转变战法与思路生根发芽。因此,苏27并没有先装备老牌部队,而更多地投入改装中心等部队。
如上所述,苏27雷达电子设备落后,中国许多接受过西方启蒙的军队与科研人员早认识到了这一点。但是也没有更好的选择。
尽管如此,苏27的引进对中国的震撼相当大,对于当时自主的歼10项目造成两个影响,一方面,苏27的引进意味着歼10动力选择有了可靠标准,另一方面,苏27使军方与国防群体对歼10产生了强烈的怀疑,要求下马的呼声一直到歼10试生产型轻松击败苏27SK才平息,差一点扼杀了歼10,如果那样,歼20更是想都别想了。
不过中国人从来就不是那么老实,俄国熊高兴了一阵,然后就是无休止的闷气。
二、三翼面,苏俄对于苏27系列的改进
苏联认识到了苏27系列的不足,以双座型号改进是一个方面,另一方面,改进电子设备,加大大迎角能力,高G能力与机体强度一直是苏霍伊的目标。
一张很有趣的图,有鸭翼的苏27,很多人声称这应该是苏33,但是在苏27初期工程阶段--1980年代初,设计师西蒙诺夫等人就认识到了苏27的诸多不足,要求改进加无源相控阵雷达,新电子设备,以及三翼面,加强机体控制,被吝啬的高层骂了个狗血喷头生产还没有落实就想着要经费发展二代,谁都认为你们贪得无厌。
但是在设计师的要求下,初期生产有一架苏27加了鸭翼,据称为第24架?不管如何,这种思路在日后1993年出现的苏35三翼面战机得到完全体现。不过俄空军对此并不完全认同。
苏33与旧苏35当时的设计为三翼面,并非主要由于机头的雷达过于沉重,由于重量的要求,苏27系列强度一直有严格限制,苏33因为航母起降强度的需要,对机体强度进行了重新设计加强,而苏35为了加强纵向高G能力,改善苏27系列机体的不足也对机体进行了更大范围的重新设计。
两者重量的增加,加之机头雷达向下力矩需要向上力矩的弥补,所以采用了前翼设计,用来增加高迎角提供升力,与X31尾部边条----弥补后部设计不良向下力矩有相同的思路,但主要起弥补机体加强,设备增多的升力和翼载荷问题。前翼不起力矩作用,耦合作用比较小。
严格意义上说,苏33是苏27海军通用化的思路,不求有苏27的综合飞行性能与飞行距离,而是加强起降与通用作战能力,类似F18的思路,航母编队作战,舰载机不过分要求亚音速机动能力,而是快速反应,数据链接支撑航母外围防空圈,更注重拦截效率。歼15,F18E/F也是如此。
而苏35则开始利用前翼,弥补机体强化与设备增重的不足,但是带来了阻力和重量,以及大迎角低头能力的不足与滚转率的平庸,并没有完全达到设计目的。
进入1980年代后,国际由美国开始认为,随着空空导弹可靠与攻角增大的发展,传统的能量冲击,稳定盘旋开始逐步让位于瞬间盘旋,大迎角低头等敏捷攻角变化,属于先发置人思路,超机动概念最为突出。这样,推力矢量开始运用。
俄国在苏35设计上没有达到目标,开始近一步利用推力矢量思路。苏37与苏30MKI也保留了前翼,不过前翼开始起前缘力矩作用,但是存在一些问题,它们的设计思路也并非主要因为平衡无源相控阵雷达考虑。而是类似十年前美国的思路,与1980年代美国推力矢量验证机F-15S/MTD一样,推力矢量喷口无可避免地增加了重量,在机体后方增加了一个向下的力矩,从而使得飞机的重心后移破坏纵向稳定性能。
美国F-15S/MTD与苏37,苏30MKI在主翼以上加装了两片前缘鸭翼,(美国F-15S/MTD的前翼直接移植了F18的尾翼,汗)设计要点为在亚声速状态下可以用于提高飞机的稳定性,超音速时则可以阻止飞机的升力中心过度前移。在需要直接升力时(飞机进场或者转向)可以用来配平喷口的低头力矩,巡航于降落时可以差动产生偏航的控制力矩。
但是在运用中,苏37,苏30MKI与F-15S/MTD可能遇到一样的问题,前翼的控制只能作为纵向扭矩,而不能作为差动控制这与歼10,歼20,阵风等有本质区别(否则三翼面控制系统的编程就是无尽的噩梦),带来了新的问题。
增加一对前翼带来的阻力与推比的不利是大家所周知的,另外,鸭翼带来一些问题一直不好解决,前缘鸭翼与进气道前缘所产生的涡流,在高迎角时会与翼尖涡流混合并覆盖主翼上方,在两边的机翼却总是不能在同一时间点产生强大而不稳定的偏航力矩。而处理好了,就是歼10那样高滚转率,近乎苏27的十倍。处理不好么
横向不稳定现象在达到过失速迎角时,会因为主翼完全失速而消失,但对高G转向所用到的中间迎角却有很大的影响。X-29利用了前缘远距鸭翼与全电传操作系统,歼10等利用的是电传操控和翼差动来弥补。
而F-15S/MTD只能从电传操作系统中限制其偏航命令苏30,苏37也是如此,因为直到现在,三翼面的控制解放还一直是个难题。并将滚转命令切换给方向舵控制滚转来抑制反向滚转以及偏航效应。F-15S/MTD风洞的测试结果表明其可以到达45度迎角而不会有翼滚现象或是让飞机进入尾旋,但这也使得飞机的滚转率在一定程度上下滑。
而苏27滚装率一直是比较低略,苏30MKI,su37也改进很小。而由于翼载荷与鸭翼阻力,总体重量增加增加,苏30MKI与苏37爬升率与稳定盘旋性能比苏27系列没有改进,苏30MKI因为属于双座型,爬升率与亚音速稳定盘旋性能比苏27系列有所下降。
某种意义上说,如果单机或双机机炮对抗,苏37,苏30MKI与F-15s/MtD一样,属于不可捉摸类型,低速高迎角低头优势比较大,这意味着更好的攻角调整,但是另一方面如上所述,滚转率对比F-15,苏27却有一点降低。而苏30MKI的稳定盘旋,爬升性能对比苏27也有所下降,虽然苏30MKI综合气动比苏30MKK好一点。
苏37,苏30MKI与F-15s/MtD一样,属于低速领域不可捉摸类型,F-15S/MTD的矢量喷口在高迎角唯一的优点是低头力矩的提高,飞机在加力状态下所产生的低头力矩,使其在低头的加速度可以达到F-15B的3倍。飞机可以在不到F-15B所需的一半时间就达到相同的角速度,而其最大迎角还是F-15B的2倍,这表示其低速的俯仰敏捷性可达到传统喷口的2~3倍。
F-15S/MTD的机动性实验仍集中于低迎角部分,在持续转向中,推力矢量可通过增加重力加速度或者降低转向速度,达到增强机动性的目的。而俯仰角与滚转阻力也比传统的气动面来的少得多,这有助于维持飞机的能量状态。
甚至反推也可以增强飞机的轴向敏捷性,其提供的反向加速度比减速板提高20%以上,作用速度也比较快,从马赫数1.4降低到马赫数0.8只需要一半飞机三分之二的时间(30秒左右)。《引自向气动极限冲刺NASA在第四代战斗机气动领域的早期探索》
但是超级机动理论实际作用现在仍在争论,能量机动与传统机动理论认为,低速大迎角低头能力等超机动丧失了速度和能量的优势,在空战中不能作为法宝。不过对于超机动无异议的是:在超机动中,能量与敏捷的转化能够让对方战机无法跟上自身的节奏,能量与敏捷度无法补充。这一点,正是主要通过高迎角滚转体现的。但是苏37,苏30MKI与F-15s/MtD的滚转?
苏37,苏35加推力矢量改进阶段,只有一架,即编号711。坠毁后不再存在苏37这一型号了。
有消息称,苏30MKI在国内对抗幻影2000时,利用低速超机动特性却没有取得优势,幻影2000利用一直良好的稳定盘旋角能力配合简洁的电子系统与法制导弹,以及优良的干扰系统总是能占上风。这一消息存疑,但是苏30MKI稳定盘旋能力下降很大,最大利用推矢勉强才能达到苏27水平一直是公认的事实。
对于此的美国空军的评价是:苏30(MKI)在0.8马赫范围内稳定盘旋中如果关闭推矢,就像石头一样往下掉!(好夸张)
苏37,苏30MKI与F-15s/MtD(主要是试验推矢喷口)的三翼面推失布局在低速攻角转化有一定优势,但是综合气动对比基本型没有什么太大优势(苏30MKI双座的综合气动对比苏27还有所下降一直是不争的事实)。
