料敌从宽还是从严:中央流体研究院(TsAGI)对F-16的性能低估

2020-11-25    作者:欧阳莫

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背景介绍

  以F-15A/F-16A为代表的西方第三代战斗机在80年代的几场局部冲突中以碾压性的性能优势震撼了苏联。在西方第三代战斗机F-15A/F-16A/“狂风”等机型的飞行手册和测试报告解密之前,苏联为了获知对手的大致性能,同时也为了给自己的战斗机飞行员撰写教材指明对付这几种对手的战术策略,委托了国内的几个机构(主要是中央流体研究院,简写TsAGI)用经典的工程方法估计了几种西方飞机的性能,并且和苏-27的飞行测试结果进行了对比。多年之后,美国公开了F-16的AGARD-242试飞报告。本文的数据来源即为以上几份资料。通过对比苏联的估计值和美国的实测值,可以得知苏联对于对手的性能估计精确度如何,以及这些误差背后的技术/非技术性因素。

苏-27和西方三种机型(F-15/F-16/“狂风”F2)的数据对比的报告封面。苏-27性能取自飞行测试结果,而西方飞机性能为苏联机构估计
苏-27和西方三种机型(F-15/F-16/“狂风”F2)的数据对比的报告封面。苏-27性能取自飞行测试结果,而西方飞机性能为苏联机构估计

F-16的AGARD-242试飞结果是我国评价F-16性能的重要依据
F-16的AGARD-242试飞结果是我国评价F-16性能的重要依据

性能对比的重量标准

TsAGI计算报告中的飞行重量
TsAGI计算报告中的飞行重量

  TsAGI对比报告中的四种飞机,以空载轻油的理想构型(或者最多带两枚格斗弹)作为比较基准。苏-27空战飞行重量定为18920千克。F-16A空战飞行重量定为9200千克。这一数据较好地反映了苏-27最初型号苏-27B的重量特性(因已到寿,2005年前已全部退役)。说句题外话,目前苏霍伊官网上的苏-27单座基准型最轻的型号,空重已经上升到17200千克左右,所以本文中的18920千克只能反映其极轻载油(约1800千克)下的性能。F-16A的9200千克飞行重量与美国盟国大量装备的F-16MLU的半油(1550千克)带两弹作战重量基本吻合。我国在使用F-16的AGARD-242试飞报告做性能评测时,也使用的是几乎相同的飞行重量。而两台AL-31F的全加力耗油率超过一台F100的两倍。换句话说,本文中的对比条件,对苏-27极其有利:苏-27只需携带可支撑约2.2分钟全加力的燃料,而F-16携带的燃料可支撑约4.3分钟的全加力。

苏-27单座基本型的苏霍伊官网原厂数据。截图是2009年截的。重量有所增加
苏-27单座基本型的苏霍伊官网原厂数据。截图是2009年截的。重量有所增加

本文的对比范围

  声明:本文只对比机动飞行性能,不对比推重比,翼载荷等。因为推重比和翼载荷不是飞行性能,只有转弯加速爬升等等这些才叫飞行性能。

  本文着重对比以下性能:海平面直线飞行SEP,海平面4-7G过载上升转弯机动SEP,跨音速最大机动过载,海平面0.7马赫持续机动过载,5000米高度0.9马赫持续机动过载。

名词解释:SEP和爬升率

  爬升率的计算方式为速度*sin(爬升角),亦即速度的垂直分量,其中爬升角的定义是:以该角度上升时,推力=阻力+重力的轴向分量,亦即飞机纵向应受力平衡,不能因为推力不足而减速。换句话说,假设大气条件不随高度变化(比如密度和含氧量不随高度上升而衰减),那么飞机应该能保持这个上升率一直上升,不会减速。不难看出,平飞中突然猛拉起的“蹿升率”并不是爬升率。这是很多业余爱好者,甚至部分航空从业人员都容易犯的错误。

  SEP是单位重量剩余功率(specific excess power)的缩写。计算方式为(推力-阻力)*速度/重力。

  不少书刊经常强调一个定理:SEP=爬升率,这其实是一个数学上的巧合,而且需要加限制条件才能成立。如果读者有中学数理基础,列出飞机轴向的力平衡方程,不难证明SEP恰好等于爬升率。但是有一种情况例外:如果飞机的推力非常大,以至于即使垂直上升时也不能达到力平衡,亦即垂直上升时还能加速,那么此时的SEP就不等于爬升率了,它丧失了物理直观,但仍然可以作为一种垂直机动能力的指标。这个值越高,意味着做垂直面的占位机动时更加快速敏捷,能量损失更小。这就是为什么某些飞机的数据图表里,以280米/秒飞行时,其SEP能超过280米/秒,让人在直观上难以理解。其含义是以280米/秒做垂直爬升时还能加速,已经超过了传统爬升率的范畴。也正是这个原因,SEP数十年来一直是重要的垂直机动能力指标。以上说的是“狭义SEP”,亦即直线飞行时的SEP。还有一种“广义SEP”,让飞机一边转弯一边计算SEP(这一算法由苏联开创),可以很好的表征其上升转弯,筋斗,尹麦曼回转等垂直机动性能。本文中会同时对比狭义和广义SEP。

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