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深度解析苏-27(一)——优秀的气动设计和机...

原创不易,请认可价值,转载请注明来自“今日头条 英雄光” 2019-11-27

苏联是一个曾经的超级大国,它在解体以前所构筑的华约体系是唯一能够和北约相抗衡的军事体系,其本身也是和美国相提并论的两个超级大国。在军备竞赛中,苏联的军事力量和技术水平得到了前所未有的进步。即使是在解体近30年后的今天,苏联依然对现如今的国际形势和军事势力有着极大的影响。

它所建立的苏系战机体系是唯一能够和美系战机相抗衡的存在,苏-27便是其航空工业的最为璀璨的结晶之一。如果将苏联的战斗机,打击机,轰炸机等比作一个足球队,那么苏-27便是其中最为耀眼夺目的前锋。

苏-27是当年唯一能够和F-15相抗衡的战机,也是缔造了侧卫家族的创始者,苏-27足以称得上传奇二字来形容,那么我们现在就来剖开历史的迷雾,去透过现象看本质,看一下盛名之下的真正的苏-27。

苏-27和苏-30SM(目测)正在参与飞行表演

(PS:作者在文中所涉及到的数据是比较可靠的。作者有自身的局限性,此文的观点和数据不敢保证是绝对正确的,如果文中出现错误,欢迎在评论区指正。)

(PS:前文中提到的侧卫战机和苏系战机不是相等关系,后者包括前者,前者属于后者。)

我将从以下三点来解析苏-27:1. 苏联制造苏-27的目的;2. 苏-27优秀的气动外形,机动性;3. 略差一筹的子系统。

苏联的目的

苏-27的确是一架很了不得的飞机,它和F-15同属四代机的划代序列,但是F-15实际上要早于苏-27很多年服役,F-15在1976年服役,苏-27在1985年服役,F-15在服役时,苏-27的原型机还尚未出厂,两者时间上相差近十年。

(PS:F-15其实在1974年就已经交付部队,服役时间是1976年的原因是那是第一架正式为部队生产的F-15A。)

那么上面的标题的答案是显而易见的,苏-27就是为了克制F-15而生的,苏-27的目标很简单就是反制甚至反超F-15。

(PS:其实这之间还发生了一件很有意思的事情,那就是两者的飞行记录之争。F-15在感刚刚出世的时候,被用来改造成条纹鹰用于去打破世界纪录。有意思的是,苏-27在其后也被改装为P-42,用于打破世界纪录,随后P-42打破了由F-15保持的多项世界纪录。)

条纹鹰,可以看见把油漆都刮了这一切都是为了减重,提高推重比

P-42也想尽一切办法减重,总共减去了3t以上的重量,发动机也换成了特制的

苏-27的设计思路也承接了苏联的老传统,那就是制空战机专注制空,不需要打击能力,打击和制空是泾渭分明的。在此思想的影响下苏-27机动能力是很优秀的。

(PS:美国在F-4身上找着了多功能战机的道路,在随后的F-14和F-16两个机种上都实现了多用途的功能,按理说夹在二者中间的F-15按照惯例也是这样的。但美国空军接受了此前在越南战争的受到的教训,那就是机动性依然十分重要,新的制空战机的机动能力必须十分优异,只有这样在格斗中对战一向小巧灵活的米格才能够占据绝对优势。

这个教训对当时F-15的雏形也产生了巨大的影响,F-X计划重新确定了F-15的原型,并最后得到了绝对空优,不把一磅重量用于对地的F-15。

这就是早期F-15不能对地的原因,直到F-15E出现才使得F-15成为了多功能战机,当然美国空军称F-15E为双重任务战斗机。)

早期的F-15被称为没有一磅重量用于对地

苏-27SK和早期的F-15一样是基本没有对地能力的,当然两者的原因却完全不一样,一个是传统惯例造就的,一个是越南战争的经验造就的,阴差阳错下两机也开启了四代机擅长机动性的时代。

苏-27优秀的气动外形,机动

气动外形

苏-27的气动外形很优秀,它采用了中央升力体结构,翼身融合的主体设计,苏-27也采用了长边条的设计,苏-27的边条很长,我们可以看见它的边条翼延伸到了机头的雷达罩。这些设计都是为了提高苏-27的升力系数。

苏-27的翼型设计也是一样的,苏-27的展弦比比F-15大,后掠角比F-15小,我认为应该是在优化亚音速状态下的升阻比,苏-27的也设计了前缘襟翼,通过前缘襟翼进一步增加升力系数。

这是两国F-15与苏-27唯一一次的见面交流,1992年美国应邀请前往俄罗斯进行友好访问

(PS:就单从翼型上来说除了能够改变参数的变后掠翼设计,其他的翼型设计都是不完美的,总会有部分缺陷。举个例子:展现比较大,后掠角较小的机翼适合亚音速,因为亚音速下的升阻比更高,但在突破音速的阶段会产生很大的激波阻力,这就很不利于超音速升阻比,导致飞机的超音速会较差。

不过变后掠翼的翼型设计也是有缺点的,增重和保养复杂就是缺点。)

就我列举的这些,苏-27的设计都尽可能的提升了升力系数,这就意味着苏-27在尽可能的提升升阻比,那么我们也可以从中看出苏-27的设计倾向就是机动能力,因为推重比和升阻比对于出色的机动能力有着至关重要的作用。

下放前缘襟翼可以增大翼切面的弯度,这样可以增大升力系数,经常在起飞降落的时候我们可以看见

从这些设计来看,我们可以看见苏-27的气动设计的确要比F-15更先进,所谓的后发优势的确是存在的。比如上述的前缘襟翼,是其后大部分战斗机都采用的,比如F-16,上图的虫子,F-35,F-22,J-20等等。

而F-15则采用了增加机翼前缘半径扭转的方法来产生前缘吸力,通过这个方法来得到更大的最大升阻比。

前缘吸力示意图,右侧的升阻极曲线的最大升阻比明显更大

(PS:当然这并不意味着F-15的气动设计就是垃圾,F-15的气动设计也是经过层层筛选出来的,当年北美在参与F-X计划竞标时就已经采用了,苏-27的长边条+翼身融合的设计。从这个角度来看苏-27未必没有借鉴北美当年的设计。)

机动

苏-27的机动性是优秀的,高升阻比和高升力系数为其的能量机动和角度机动都打造了一个良好的基础,毕竟说到底能量机动就是与推重比和升阻比有关,角度机动就是与最大升力系数有着很大关系。

但是苏-27的机动能力大概还是要略弱于米格-29,弱于F-16和F-15的,为什么呢?原因在于苏-27空重过高。

我们都知道苏-27SK基本空重就已经高达16.8t,而F-15A的使用空重才27500磅,也就是12.473t,这还是使用空重。

侧卫系战机往往超重严重,苏-27SK实际上还是侧卫系最轻的,图中的苏-35空重高达18.4t

上述的数据足以看到F-15和苏-27在空重上的差距,而这样的差距直接导致两机的推重比有较大差距,虽然苏-27的气动设计效果优良,其最大升力系数和最大升阻比的确高于F-15。

但是推重比的差距将直接使两机的机动能力对比形成一种两级反转的效果,这不免让人对苏-27感到些许的惋惜。

(PS:使用空重和基本空重虽然都代表飞机空重但两者的数值却有较大差距,它们所指的含义也不相同。基本空重就是完完全全空机的重量,而使用空重往往还带有飞行员,少量燃油等等,有些使用空重还带上了部分武器,比如F-35A AA1的使用空重包括了两枚AIM-120和机炮子弹,使用空重和基本空重往往能够相差近1t。

所以可以看出,苏-27和F-15的空重差距到底有多大,两者超过了4t。)

F-15A的使用空重,来源于F-15A-1-Flight-Manual-USAF-1986

当然苏-27的机动能力弱于F-15,F-16,米格-29并不代表其机动能力差,苏-27的机动其实是很好的,只不过上面的战机更强一些而已,不过经验丰富的飞行员在格斗作战的过种种足以忽略这些许的差距,扭转结果的胜负。

并不出色的敏捷性

我们首先要知道敏捷性是什么意思,在这里引用教科书上的定义——敏捷性:飞机在空中迅速,精确改变机动飞行状态的能力。

什么叫改变自身的飞行状态,我们慢慢来看,教科书上提到,敏捷性是在大离轴角导弹出现之后被提出来的,飞机的空战模式也由占位转变为指向。

(PS:占位就是在原来较落后的导弹和机炮的情况下,飞机在交战过程中,往往需要占据敌机六点钟位置,也就是屁股后;这样的话,自己就能咬尾从而获得多次击杀的机会。但大离轴角导弹出现后就不一样了,在视距范围内,我只需要尽可能的为导弹发射提供条件就可以了,所以就有了机头指向也就是指向。)

这就是对指向的解释,有了大离轴角导弹,机头不需要对准敌机也可以完成击杀

结合上述的概念,我对于敏捷性的理解就是:灵活性,飞机改变自身飞行姿态的能力。

为什么这么说呢?我们知道飞机的转弯和人是不一样的,人能够随便的四处乱跑,飞机不可以。飞机需要先横滚将机身侧过来,然后在借助气动装置操控俯仰力矩,这样才能完成转向。

那么飞机横滚改变自身姿态能力就是敏捷性,也是灵活性。当然改变自身姿态并不止有横滚,俯仰力矩操控的攻角,偏航力矩操纵的转弯等等都算是自身姿态。

只有先改变了自身飞行的姿态才能去改变机动飞行状态,比如通过操纵俯仰力矩,来让飞机爬升或下降。

就像这架客机一样,通过操纵副翼在一直改变自身的姿态,而操纵姿态快慢的标准就是敏捷性

(PS:其实飞机也是能够直接向左向右转的,这可以通过垂尾产生偏航力矩,不过这样效率很低下,所以一般战机在转弯时,都是先横滚在拉杆的。)

(PS:上述对敏捷性的描述是我自己的理解,非科班出身难免可能存在错误,欢迎指出。)

苏-27的横滚是较差的,因为发动机间距很大,导致质量分布远离中轴线,这就增加了角动惯量。根据刚体的自转运动中角速度,转动惯量和角加速度的关系:转动惯量越大,角加速度越低,角速度越低。

那么到此时结果已经有了,苏-27的横滚并不好,所以它的敏捷性也是比较一般的,在平时也并没有表现出比小飞机更灵活的姿态,普遍显得比较笨重

(PS:其实苏-27的横滚何止较差,实话实说简直就是四代机中的倒一倒二,另一个难兄难弟是F-14,两者的发动机间距都很大。)

F-14,看一下发动机间距

本文引用:

翟青 《为什么苏-27是一种优秀战斗机——苏-27设计细节介绍与分析》《国际航空》{J} 1996,3(8),1~3

方振平 《航空飞行器飞行动力学》 {M} 北京:北京航空航天大学出版社,2005,92

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