漫談戰鬥機的機動性

戰鬥機滾轉有什麼用

戰鬥機就是要機動、靈活，否則呆頭呆腦的，沒有把敵人打下來，自己早早就報銷了。但說到戰鬥機的機動性，聽到的常常是推力、升力、失速特性。推力不是管速度的嗎？升力不是管載重的嗎？失速特性不是管速度低得變態的時候不至於掉下來的嗎？這些和以速度和機動性為生命的戰鬥機有什麼關係呢？

說到機動性，先要談穩定性。飛機在空氣中飛行，好像浮著一樣。如果沒有任何穩定性措施，一有風吹草動，就可以在俯仰、偏航、滾轉（也稱橫滾）三個方向上飄離原來的狀態。這就好像一個皮球浮在水裡，從任何方向一撥，就會不停地轉，自己停不下來。當然，浮球最後會由於摩擦阻力的關係停下來，但飛機在空中要是靠空氣的摩擦阻力而最後停下來，那早就飛得七顛八倒了。

在三軸穩定性中，俯仰穩定性是最重要的，要是時不時來一個倒栽蔥，或者無控上揚導致失速，那飛機在空中是呆不了多久的。浮在空中的飛機是以重心為支點轉動的，這對俯仰、偏航都是一樣的。機翼產生的升力也有一個相應的點，稱為升力中心（或者壓力中心，因為升力的實質是上下翼面之間的壓力差）。在理想情況下，重心和升力中心應該重合，這樣飛機在俯仰方向上就是平衡的。

在實際上，即使在設計時兩者能做到重合，在飛行中也很難保持絕對重合，燃油的消耗，氣流的擾動，都可以使兩者的相對位置發生變化。另外，機翼在不同的迎角下，產生升力的部位也要發生變化。大迎角時，升力中心前移；速度增加時，升力中心後移。由於這些不可逾越的實際問題，單純依賴設計時重心和升力中心的重合是不可能確保俯仰穩定性的。傳統設計是將升力中心略為靠後，而重心在前，這樣，由於種種因素而發生機頭上揚時，增大的機翼迎角產生更大的升力，產生重心之後的機身上抬作用，抑制機頭上揚；而外界擾動導致機頭下俯時，降低的機翼迎角降低升力，使重心之後的機身下垂，同樣達到恢復飛機姿態的作用。至於正常水平飛行時重心和升力中心不重合而導致的機頭自然下垂趨勢，則靠平尾的略為壓尾的動作來恢復平衡，或者靠鴨翼的略微抬頭動作。這個恢復平衡的動作稱為配平，是水平飛行中的一大阻力來源，所以民航客機常用抽調燃油到機尾油箱的辦法來實現配平，避免了氣動阻力。戰鬥機不大可能這麼做，但透過放寬俯仰方向上的靜穩定度，也就是說，縮短重心和升力中心的距離，在典型飛行條件下使重心和升力中心接近重合，最大限度地降低配平阻力；更高速度時升力中心自然後移，恢復靜態穩定性，但在低於典型速度的條件下甚至則容許升力中心處於重心之前，用自動飛行控制系統不斷地驅動平尾動作做出補償，難怪有電傳飛控一秒鐘動作60次以保證飛行姿態的說法。

說道平尾和鴨翼，採用平尾的稱為正常佈局飛機，採用鴨翼的稱為鴨式佈局飛機。平尾和鴨翼就是把控制面放在機翼之後還是之前的差別，平尾能做的動作，鴨翼也能做，只是反一個方向而已。平尾和鴨翼的作用與其說是改變飛機的俯仰指向，不如說是改變機翼的迎角，這是必須注意的。

橫滾穩定性也很重要，在極端情況下，機身橫滾到90度，機翼將不產生升力，如果不迅速恢復水平，就要迅速掉高度，最後墜機。在不那麼極端的情況下，橫滾可能導致飛機側滑，也就是機頭指向不變，但機身平行地向橫傾方向滑動。飛機橫滾時，機翼向下擺動的一側不僅在飛機速度的作用下有通常的向前切割空氣產生升力的作用，還有向下拍擊空氣產生額外升力的作用。兩者的合成作用相當於這一側機翼的迎角增加，升力比水平飛行時有所提高。機翼的另一側向上擺動，相當於迎角減小，升力比穩定水平飛行是有所降低。

兩相作用，橫滾中的飛機有自然回到水平的趨勢。由於機翼的升力方向垂直於機翼平面，機翼上反的話，也就是說，機翼像淺V形一樣，向下擺動一側的機翼更接近水平，產生額外升力；向上擺動一側的機翼更偏離水平，升力急劇下降，所以機翼上反強化了橫滾穩定性，有助於迅速恢復水平。機翼下反則像倒置的淺V形，向下擺動一側的機翼更加偏離水平，升力急劇下降；向上擺動一側的機翼則更加接近水平，產生額外升力，加劇橫滾趨向，實際上是促進橫滾失穩的。促進橫滾失穩有什麼好呢？橫滾穩定性太高有時候不好，飛機的轉向不是靠垂尾上的舵面，而是透過橫滾一定的角度，要是橫滾穩定性太高了，飛機的轉向性就很糟，所以這需要在設計上取得一個折中。橫滾的支點在機翼和機身的結合處。下單翼飛機的機翼在機身底部，好像機身坐在機翼上一樣。由於重心較高，機身有天然的失穩趨向，需要機翼上反，增加橫滾穩定性。下單翼飛機的機翼上反，也給翼下騰出來有用的空間，可以吊掛翼下發動機，民航客機大多是這樣的。戰鬥機採用下單翼可以縮短起落架長度，同樣用上反來重建足夠的橫滾穩定性。上單翼飛機則相反，好像機身吊在機翼下一樣。由於重心低和單擺效應，上單翼飛機的橫滾穩定性天然就高，為了重建足夠的機動性，需要機翼下反。運輸機採用上單翼較多，可以使貨艙地板較低，便於裝卸，下反機翼下的發動機也便於維修。戰鬥機採用上單翼的話，便於吊掛炸彈、導彈，也需要機翼下反以重建足夠的機動性。不過現代戰鬥機多采用中單翼，機翼不帶上反或下反。這樣的佈局比較中性，兼顧穩定性和機動性的要求。

後掠翼給橫滾穩定性帶來變數。在橫滾導致側滑時，內側機翼“迎向”氣流，造成等效後掠角降低，升力提高，機翼上抬；外側機翼則相反，造成飛機向橫滾方向的反向橫滾傾向，可以等效為機翼上反的橫滾增穩效應。前掠翼則相反，可以等效為機翼下反的橫滾失穩效應。

偏航穩定性比較簡單。飛機的側面好像風向標一樣，高大的垂尾好像風向標的羽翼。只要重心之後的機身側面積大於重心之前，飛機在偏航方向上就是靜態穩定的。在飛行中，如果機頭因為大氣中的擾動而偏離原航向，空氣壓力在後機身上的作用力大於在前機身的作用力，使機身自然回位。對於噴氣式戰鬥機來說，發動機通常安裝在機尾，重心自然靠後，使得機翼位置也只能靠後，以保證至少在典型飛行速度下升力中心不至於跑到重心的前面去，這使得現代戰鬥機大多像箭一樣，細長的前機身，靠後的機翼，所以只能用高大的垂尾保證偏航穩定性。由於設計過程中發動機超重是常見的問題，使得飛機重心比預想的更加靠後，或者大迎角機動中，機身對垂尾的遮擋超過設計預期，戰鬥機在試飛後，常常發生被迫增大垂尾的事情。不過要是放寬偏航穩定性，用垂尾的不斷修正動作補償，垂尾是可以減小的，只是這對飛控技術和系統可靠性的要求提高。

除了三軸穩定性外，兩兩組合還可以出現新的組合穩定性問題，其中比較突出的是偏航穩定性和橫滾穩定性。如果偏航穩定性過強而橫滾穩定性不足，在氣動擾動下可能出現所謂“荷蘭滾”，飛機像醉漢一樣來回搖晃。如果橫滾穩定性過強而偏航穩定性不足，飛機容易進入螺旋。荷蘭滾通常除了很使人頭暈外，沒有大礙，但螺旋要是不及時改出，就很容易導致飛機失事了。飛機在大迎角機動時，機身對垂尾有所遮擋，垂尾效率有所降低，使偏航穩定性有所降低。當偏航穩定性降低到一定程度時，就容易進入螺旋，所以高機動戰鬥機都採用種種措施，包括用推力轉向發動機輔佐，或者像米格I-44那樣用可調腹鰭，來增強（實際上是恢復）大迎角機動下的偏航穩定性。

穩定性說到底就是一個回位趨勢，但凡事都有一個度，回位趨勢太弱了，回位拖拖沓沓；回位趨勢過強了，則容易矯枉過正。兩者之間的最優折中是所謂控制系統的除錯問題，調得不好的話，會來回震盪好多次，才落到正確的位置，像有的糟糕的電梯一樣，到了規定的樓層不是乾脆利索地一下子準確地停下來，而是顫悠好幾次才停下來。

穩定性解決了，接下來就是機動性了。戰鬥機的機動性大體可分為垂直機動性和水平機動性。

水平機動性主要就是轉彎效能，盤旋就是穩定地一直轉彎下去。但戰鬥機是怎麼轉彎的呢？戰鬥機不是像航船轉向靠轉舵一樣，用垂尾轉向。事實上，垂尾可以改變飛機的指向，但不能用來轉向，垂尾主要是用來維持偏航穩定性的。應該注意的是，空氣的摩擦力很低，不可能透過改變飛機指向來轉向。單純改變飛機指向只能使飛機在慣性的作用下向前側滑，也就是說，機頭指向改變了，但飛機的航跡依然是向前的。飛機轉向需要一個側向的力，有了這個側向力之後，改變飛機指向才能使飛機轉向新的航向。這個側向力是透過橫滾產生的。

機翼產生升力，但升力的方向和機翼平面垂直。在平飛時，如果不考慮機翼的上反和下反，機翼處於水平狀態，升力和飛機的重力抵消，飛機保持一定的高度。橫滾到一定角度時，機翼不再水平，升力的指向偏離垂直向上的方向，其水平分量正是使飛機轉向的力。水平分量實際上就是向心力，和向心力幅度相同、方向相反的是離心力，離心力和重力的共同作用產生合力，合力大於重力本身，這就是過載。過載通常用重力作為參照，用N倍於重力來衡量，這就是多少個G過載的出處。顯然，在升力相同的情況下，橫滾角度越大，轉彎的側向力（也就是向心力）越大，轉彎越迅捷，過載也越大。

但機翼迎角不變的話，升力不變，分解到垂直向上的分量將低於水平飛行狀態，也就是說，升力將不足以抵消重力，飛機要丟失高度，所以需要增加機翼迎角以提高升力，才能保持飛行高度。橫滾角度越大，機翼迎角也需要越大，這在穩定的持續盤旋時尤其重要。機翼迎角是由平尾偏轉實現的。平尾偏轉控制飛機升降，但這不是透過改變飛機和推力軸線的指向來實現的，而是透過改變機翼迎角以改變升力來實現的。但機翼迎角的增加不僅增加升力，還大大增加阻力，必須增加推力才能保持速度。轉彎越迅捷，橫滾角度越大，機翼迎角需要越大，推力也需要越大。

這還沒有包括速度變化的因素。如果速度增加，升力也要增加。如果要保持同樣的轉彎速率或者過載，那就要減少橫滾角度，增大轉彎半徑。

在穩定的轉彎或者盤旋中，轉彎速率和橫滾角度是匹配的。如果轉彎速率和橫滾角度不相匹配的話，轉彎過程會造成“打滑”。如果轉彎速率低於所相配的橫滾角，飛機會向內側側滑；如果轉彎速率大於所相配的橫滾角，飛機會向外側側滑，這好像汽車賽車裡的四輪漂移一樣，飛機指向的改變大於飛機航跡的改變，這其實就是所謂瞬時轉彎效能了。瞬時轉彎是不穩定的，由於迎角過大，阻力急劇增加，速度降低很快，如果不及時改出，有可能進入失速。要恢復穩定的轉彎，要麼需要降低轉彎速率，把機頭撥回來一點；要麼大大增加推力，克服阻力，恢復速度。

升力和推力是轉彎能力的關鍵，具有極大的升力和推力儲備意味著具有極大的轉彎能力，這是高機動戰鬥機特別強調氣動佈局的高升力和發動機的大推力的道理，而不是為了極大地增載入彈量或者載油量或者速度。發動機不光要推力大，還要加速快，否則在轉瞬即逝的空戰機動轉彎中根本來不及提升推力，這正是F-86水平機動性超過發動機推力更大的米格-15的訣竅。儲備升力是可以用於載彈或者載油的，但對機動性就不能要求太高了。儲備推力也可以用於縮短起飛滑跑距離，但這和機動性沒有什麼關係了。

應該指出，飛機指向轉變會改變飛機推力軸線，這也產生一個側向力的分量，最終會使飛機轉向新的航向，但這只是增強轉彎效能，並不代替機翼的升力和推力的作用，尤其對於推力相對不足的飛機。即使對於現代高效能戰鬥機來說，橫滾角超過45度後，機翼產生的側向力已經超過重力；達到9G時，橫滾角達到84度，機翼產生的側向力達到重力的8。9倍，遠遠超過現代戰鬥機略大於1的推重比，這是在可預見的將來任何發動機的推力分量都不可能達到的。換句話說，推力轉向發動機對提高戰鬥機機動性當然有用，但離取代氣動控制而成為機動性的主要手段還有很長的距離。

垂直機動主要指爬升和俯衝，筋斗是爬升和俯衝的組合，不是單獨的垂直機動動作。

飛機在爬升時，自然要首先壓平尾，使飛機指向向上。但和飛機轉向一樣，這之後的爬升機理不是靠發動機的推力軸線的改變，而是機翼升力。壓平尾使得機翼的迎角增大，升力增大，使飛機向上爬升。隨著飛機的航跡由水平向傾斜向上改變，機翼相對於氣流的迎角有所恢復，升力回落，而這時重力在爬升航跡的方向上的分量成為額外的阻力，所以必須增大推力才能維持速度。由於慣性的作用，飛機拉起的時候，可能會向前滑行一點然後才爬升。另一個極端是拉起過度，機翼進入失速，那飛機非但不會爬升，還會因為升力喪失而掉下去，通常是伴隨著大迎角下偏航穩定性的喪失而進入螺旋。還有一個比較特別的情況是不拉起，但增加速度。如果機翼迎角不變，升力隨速度增加，這時飛機自然進入淺爬升狀態。這既在意料之外，又在情理之中，因為飛機在平飛狀態下機翼也是有一定的迎角的，只是速度和迎角達成平衡，維持平飛而已。隨著迎角增大，升力成線性增大（直到失速發生），但阻力的增加開始時較慢，然後加速上升，所以升力和阻力之比（稱為升阻比）有一個最高點，和升阻比達到最大時的迎角相匹配的平飛飛行速度就是所謂巡航速度。

在俯衝時，平尾上抬以減小機翼迎角，降低升力，把飛機導向下滑的航跡。同樣升力在最初減少，當建立穩定的下滑航跡時，升力回覆到和平飛相當的狀態。由於重力在下滑航跡方向的分量和推力疊加，飛機必須減少推力才能維持速度，否則會向下越飛越快。同樣，慣性也可以使飛機在實際下滑前先向前滑行一段，速度降低而機翼迎角不變也將使飛機進入自然的淺下滑。

但所有氣動控制都是在機翼沒有發生失速的前提下才談得上的。氣流連續地流經機翼上下表面，產生壓力差，這是機翼產生升力的機制。如果機翼迎角過大，上翼面的氣流會和機翼上表面發生分離，升力機制受到破壞，這就是失速。在失速狀態下，機翼不再產生升力，飛機就要掉下來。任何一個迎角都有一個最低速度，低於這個速度，機翼就要進入失速。但任何機翼都有一個最大迎角，超過這個迎角後，不管速度多高，機翼都將進入失速。所以在低於最大迎角時，增加速度就可以改出失速，但超過最大迎角後，只有壓低迎角才能改出失速，增加速度是沒有用的。當然，用超強的發動機推力用蠻力“頂”住飛機，補償失去的機翼升力，這也是可以的，這就是所謂過失速飛行了。

飛行速度太低，當然可以導致失速，但飛行速度高了，不等於不能導致失速。比如說，在俯衝中，如果突然過度拉起，由於慣性和離心力的作用，機頭雖然拉起了，但航跡還是在繼續下滑，這時機翼的迎角可以超過最大迎角，結果是儘管有足夠的速度，但飛機非但沒有拉起，反而因為失速而墜地。

在水平盤旋的時候，失速速度也要高於平飛狀態，也就是說更容易進入失速，因為離心力使得飛機“變重”了，機翼需要額外升力才能維持高度。

失速恢復不難，只要有足夠的高度。還記得重心通常處於升力中心之前嗎？在失速狀態下，升力和配平力都消失了，飛機頭重腳輕的本色就顯示出來了，自然地機頭下墜，壓低迎角，靠重力增加速度，改出失速，只是這通常要掉很多高度。

應該注意的是，這裡討論的都是在機翼正常升力機制下的氣動控制。過失速狀態下，氣動控制失效。超音速飛行的升力機制是靠激波，而不是機翼上下翼面的壓力差，所以氣動控制機制也不同。這兩者都是發動機推力轉向得以大顯身手的地方，但這超過本文範圍了。

戰鬥機機動是一個很有趣的話題，很容易有太多的迷思和想當然，尤其對升力、推力和失速的作用有很多誤區。但是理清了，還是很有意思的，不是嗎？

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