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1 # 筆不意馳
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2 # 英雄光
從F22到F35,是不是說明美國放棄能量機動理論了?這個問題意思是F-22是遵循能量機動理論的,但是F-35不遵循能量機動理論,所這個過程的變化證明美國放棄了能量機動理論。
也就是說問題的關鍵就在於F-35是否放棄了能量機動理論?如果F-35的確放棄了能量機動理論,那麼問題就可以變成陳述句。
那麼F-35放棄了能量機動理論嗎?顯然是沒有的。
對於這個問題我們必須對能量機動理論有足夠的瞭解,什麼是能量機動理論,能量機動理論的核心是什麼?
我們稍微學過一些物理的人都應該知道能量守恆定律,即能量不會憑空出現也不會憑空消失。
能量機動理論就是綜合評價飛機機動性的一個理論,它的主要內容就是飛機要快速的進行獲得能量。
而後能量機動理論也給出了衡量飛機獲得能量快慢的量綱和公式:SEP(單位重量剩餘功率)
這就是SEP公式,第一張圖是推導過程,第二張圖上面的是定常飛行狀態下的公式,下面是普通形式,其實就是多了攻角和過載的影響
知道了公式我們再來解釋一下SEP的概念,SEP被稱為單位重量剩餘功率。
我們看一下第一幅圖中的公式Vv=△T*V/W,其中的△T=Ta-Tr(可用推力-需用推力=剩餘推力),△T就是剩餘推力。
上過初中我們都應該知道P=F*V,那麼再這個基礎上帶入上式就是剩餘推力*速度/重量,得到的結果就是單位重量剩餘功率。
此圖上上面的完整推導公式,因為是由爬升率構造的微積分變化公式,所以SEP公式實際上與爬升率是一致的,不過物理意義截然不同
我們知道了SEP的物理意義,它為什麼被稱為單位重量剩餘功率,那麼我們就知道了SEP越高,那麼該飛機的單位重量剩餘功率越高,也就意味著,在相同時間內,SEP值越高的戰機能夠做功得到的能量也就越多。
這就是能量機動理論的含義,能量機動理論的核心就是在同樣的時間內如何快速的獲取能量。
這也為什麼米格-31這類的高空高速截擊機的能量機動並不好的原因,雖然高空高速下的米格-31的重力勢能和動能很高,但是它的SEP卻並不高,所以它的能量機動並不好,在失去能量後,它的能量恢復速度很慢
我們知道了能量機動理論的核心內容,那麼我們再來看一下F-35究竟屬不屬於能量機動設計的範疇。
我們透過上述公式可以知道SEP想要越高,推重比(Ta/W)和升阻比(K)必須越高,那麼F-35是否著重了推重比和升阻比呢?
我們需要知道F-35的推重比大概資料和升阻比大概資料。幸運的是,我們可以透過已有資料大致推斷出來。
F-35A AA1(第一架F-35,也是驗證機)的基本空重是12.265t,使用空重也才13.314t,生產型F-35AF進一步的減重,配上經過增推後的F-135,F-35的推重比相比於注重機動能力的四代機中也是絕對的佼佼者。
圖為F-35A AA1,此機是第一架F-35,看垂尾上的編號
當然推重比我們不能夠按照空機推重比來算,而是應該按照正常的空戰起飛重量來計算整機推重比。
那麼將F-35的載油係數與蘇-27Sk相同量化之後,F-35A AA1的空戰整機空重依然十分低,13314+1900(相同載油係數下的半油重量),也只有15214KG,也就是15.214t。要知道這個重量的F-35A AA1是在攜帶了半油+兩枚AIM-120+所有的機炮子彈+飛行員重量+少量燃油,AF生產型會進一步減重,而且使用空重+半油的直接計算方法也會導致燃油部分有少量疊加。
那麼基於上述考慮,F-35A的空戰重量我個人認為在14.3t~14.7t左右,那麼結合F-135的推比,F-35A的推重比大概:1.35~1.32。使用空重下的空機推重比是:1.46。(這個數值沒有考慮到F-135的增推,而且是以臺架加力推力19.5t得到的)
南京航空航天大學航空宇航學院有人基於飛機三檢視進行輪廓線提取來重建F35全機理論外形的方法大致估算過F-35的最大升阻比和最大升力係數,得出的結論是亞音速最大升阻比約為14,最大升力係數約為1.558。高推比再加上F-35很高的亞音速升阻比,可以得知F-35的能量機動性是很出色的。
最大亞音速升阻比為14,空戰推重比在1.35~1.32,這樣的推重比和升阻比說實話是非常非常高的。
所以F-35的能量機動依然很好,美國並沒有放棄能量機動理論。
從F22到F35,是不是說明美國放棄能量機動理論了?美國沒有放棄能量機動,恰恰相反F-35也是透過能量機動理論設計的。
既然說到這裡了,我就再往後說一段吧,國內對於戰鬥機發展史其實有一段描述是這樣的:70年代的飛機是能量機動理論指導設計的,80年代的飛機是以瞬時機動指導設計的,現在的飛機是以過失速機動指導設計的。
其實這樣的描述是不準確的,能量機動理論是簡潔的描述飛機機動能力的公式,不過在能量機動理論出現之前,就已經開始被應用了,包括現在的四代機也在應用能量機動理論。
因為能量機動理論寫明白了飛機如何提高機動能力,除非有飛機不需要機動能力,比如轟炸機,否則都要涉及到能量機動理論的範疇。
所以嚴格的區分各個時代戰機的理論指導思想是不準確的。
F-4和米格-19的機動能力都很好,可以說是二代機中的巔峰
但是二代機中還有一部分是注重高空高速截擊能力的,因為冷戰時期爆發了一批高空高速的打擊機對雙方都形成了巨大的威懾,所以截擊機是必然的趨勢。所以看起來二代機是沒有接受過能量機動理論的指導,但實際上也是在間接的應用了。
米格-21雖然也是二代機,但三角翼的出身決定了它更注重截擊能力
在能量機動理論出現之後,機動性再一次被提上日程,誕生了以機動性為主導內容的三代機,其中F-15,F-16,蘇-27都是其中的翹楚。
再後來成熟的大離軸角導彈的出現之後,改變機頭指向變得十分重要,飛機空戰從原先的佔位變成了指向,這也是為什麼說80年代的飛機是瞬時理論指導設計的。
但這其實也不準確,在上文中我曾經說過,F-35預估的最大升力係數大概為1.558,這已經很高了,我們知道最大升力係數一定程度上決定了飛機的瞬盤能力也就是短時間內改變機頭指向能力。
F-15雖然是三代機,但它的最大升力係數是1.55,蘇-27的最大升力係數還要略高於F-15,難道早在60,70年代就開始研究的F-15和蘇-27也經過了瞬時機動理論的指導設計嗎?顯然不是的。
我們通常會把這些界限劃分的清清楚楚,但實際遠不是這樣的,瞬盤一直以來就是飛機重要的機動效能指標之一,早在大離軸角導彈出現之前。
其後的過失速機動就更離譜了,目前為止大多數的過失速機動能力都沒有實戰價值,原因就是短時間內會損失大量的能量。
這是經過裁剪的F-18與蘇-27眼鏡蛇機動的對比動圖,之所以不全是因為圖片太大無法上傳。我們可以看見無論是F-18還是蘇-27在眼鏡蛇機動過後都損失了大量的動能
從F22到F35,是不是說明美國放棄能量機動理論了?沒有,F-35也參考了能量機動理論,事實上任何注重機動能力的飛機都是不可能繞開能量機動理論的。
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3 # 從此蕭郎是路人甲
F35也遵循能量機動理論,而且是能量機動理論2.0版本的代表作。
對戰鬥機感興趣的人一定會對博伊德的大名如雷貫耳,這位傳奇人物改變了現代空戰以及戰機設計,其最大的貢獻就是提出了能量機動理論。
“瘋子少校”博伊德,原來是一名F86戰鬥機飛行員,後來進入美國空軍武器學校擔任空戰教官,獲得“40秒博伊德“的稱號,意思是在模擬空戰對抗中,他能在40秒之內擊落任何對手。博伊德還曾在喬治亞理工學院系統學習了航空工程課程,可謂是兼具豐富實戰經驗與紮實理論功底的複合型人才。正是他的這種履歷,為其後來提出能量機動理論打下了基礎。
在上個世紀60、70年代,戰鬥機的任務主要是攔截對手搭載核武器的轟炸機,因此追求高空高速的截擊能力,裝備複雜航電,以超視距空空導彈為標準武器,基本放棄格鬥效能,典型代表就是F4鬼怪。但是越南戰場上更快、更高的F4戰機在小巧靈活的米格17、米格21面前一度非常難堪,機動效能處於下風。
博伊德結合自己豐富的空戰實踐以及系統的思考,再加上大量的計算,終於解開了空戰謎團,那就是在飛行包線任意一點,單位剩餘能量多的戰機將佔據空戰優勢,而單位剩餘能量=(推力-阻力)*速度/質量。這就是著名的能量機動理論。
能量機動理論讓之前”只可意會不可言傳“的空戰秘密轉化為簡潔、優美的數學公式,不但為空戰提供了理論指導,而且還對後世戰機設計指明瞭方向。
雖然博伊德參與了F15專案,但是F16才是第一款嚴格以能量機動理論為原則設計出來的戰鬥機,而F16的設計師希拉剋爾與博伊德同是”戰鬥機黑手黨“的成員。F16的設計以追求高機動性為原則,放棄速度和高度指標。F16機身小巧、發動機推力大,而且採用了翼身融合、邊條翼、放款靜穩定機身、電傳飛控等一系列新技術,機動效能非常強悍。F16是最成功的三代機,誕生40多年來生產數量超過4600架,而且目前最新的F16V仍在生產中。F16的成功證明了能量機動理論的巨大價值,實際上之後所有的三代機在設計時都遵循了這一理論。
進入四代機時代後,隱身效能成為戰機設計最重要的方面,但是像F22仍然遵循能量機動理論,透過高升阻比機身、低翼載機翼以及推力巨大的發動機,F22仍然具有強大的機動效能。
看看F22的包線圖,即便不依靠隱身能力,單憑機動效能(尤其是超音速機動效能)F22也能吊打一眾三代機。
但是到了F35這裡,情況就稍微不一樣了。F35肥胖臃腫的機體、相對較厚的機翼看起非常笨拙,與小巧玲瓏的F16有云泥之別。
F35把自己搞成這副尊容,實在是沒有辦法,因為它本身是一款”七分對地、三分制空“的攻擊機,為了滿足大航程、大載彈量的需求,必須犧牲顏值、成為肥電。
但是憑藉先進的氣動設計以及推力高達18噸的F135發動機,F35仍然由於不俗的機動效能,尤其是大攻角飛行效能,低速狀態下機動效能不輸F16,而且能夠完成落葉飄等超機動動作。
需要說明的是,博伊德在上個世紀60年代提出的能力機動理論有其時代侷限性,能量機動理論僅僅考慮飛機的機動效能,並且把空戰侷限在近距格鬥領域。在後來的空戰越來越趨向於超視距空戰,因此戰機態勢感知能力、航電效能越來越重要。而且,戰鬥機也越來越強調多用途,要求具備更強的載荷航程效能。
於是,嚴格按照能量空戰理論設計的F16,逐漸也變成了”鼓包怪獸“。如果博伊德泉下有知,看到F16成為這個樣子,不知會作何感想。
但是,我們如今尊崇博伊德,並不僅僅是他提出了能量機動理論。更可貴的是,博伊德在職業生涯晚期,又根據未來空戰的要求,提出了”博伊德迴圈“,算是能量激動理論的2.0版本。
”博伊德迴圈“又稱OODA迴圈,是英文觀察(observe)、調整(orient)、決策(decide)、行動(act)四個單詞首字母的縮寫。OODA迴圈理論的基本觀點是:戰爭可以看做是敵對雙方互相較量誰能更快更好地完成“觀察—調整—決策—行動”的迴圈程式。誰能更快的完成OODA迴圈,誰就能贏得對抗的勝利。博伊德這一理論不但對戰爭尤其是空戰提出了根本性的指導,而且在商業競爭中也應用廣泛。
根據OODA理論,戰鬥機最重要的就是態勢感知和資訊化能力,因為先敵發現成為最重要的事情,而F35的設計完全遵循了這一理論。F35不以機動效能為重點,但是擁有當前最強大的態勢感知和網路中心戰能力,是OODA理論指導戰機研製的典型代表。
值得一提的是,殲20的設計也遵循了OODA原則,把資訊化能力擺在突出位置,有興趣的朋友可以搜一下楊偉總師在《空戰發展漫談》的公開演講,在這篇演講中楊偉院士談到了殲20如何聚焦OODA。
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並不能這麼說,只能說是設計師的取捨偏重不同罷了。
能量機動理論,只是用來解釋空戰飛機機動性的一種理論,並不是空戰的全部。像F35飛機在設計當中,首先要顧及各種改進型號的空間餘度,特別是垂直起降型號,為了照顧它的需求,其他改進型飛機的重心也受到了影響。
其實,當年也只有F16A完全按照能量機動理論設計的,到F16C時,就開始違背能量機動理論了。