Сверхманевренность - Supermaneuverability

Кобра Пугачева маневр - один из тестов на сверхманевренность, выполняемый здесь Су-27.

Сверхманевренность это способность самолет истребитель выполнять тактические маневры, которые невозможны чисто аэродинамические механизмы. В таких маневрах может использоваться контролируемое боковое скольжение и углы атаки, превышающие максимальную подъемную силу.^[1]

Эта возможность была исследована в 1975 году в Исследовательском центре Лэнгли в США, и в конечном итоге привела к разработке Взлетно-посадочная полоса взлетно-посадочной полосы F-15 McDonnell Douglas как доказательство концепции самолета. См. Также Saab 35 Дракен для ранних самолетов с ограниченными сверхманевренными возможностями.

ВВС США отказались от этой концепции как контрпродуктивной для BVR обязательства как Кобра маневр оставляет самолет в состоянии почти нулевой энергии, потеряв почти всю свою скорость при выполнении маневра Пугачева «Кобра», не набирая при этом какой-либо компенсирующей высоты. За исключением столкновений один на один, это делает самолет очень уязвимым для ракетной и артиллерийской атаки ведомого или другого врага, даже если первоначальная угроза пролетает мимо сверхманевренного самолета.

В 1983 г. - МиГ-29, в 1996 г. - Сухой Су-27 были развернуты с этой возможностью, которая с тех пор стала стандартом для всех российских самолетов четвертого и пятого поколений. Были некоторые предположения, но механизм сверхманевренности самолета российского производства не был раскрыт общественности. Тем не мение, почтовый киоск в последние годы все чаще используются анализы для повышения маневренности за счет использования вектор тяги форсунки двигателя.^[2]

Упор России на сверхманевренность на малых скоростях на близких дистанциях противоречит западным теория энергии – маневренности, что способствует сохранению кинетической энергии, чтобы получить все более широкий набор возможностей маневрирования, чем дольше длится бой.^[3]

Аэродинамическая маневренность против сверхманевренности

F-22 Raptor, первый сверхманевренный самолет США. Он имеет вектор тяги и удельную тягу 1,26 при 50% топливе.

Традиционное маневрирование самолета достигается путем изменения потока воздуха, проходящего над поверхностями управления самолета - элероны, лифты, закрылки, воздушные тормоза и руль. Некоторые из этих рулевых поверхностей можно комбинировать, например, в «рулях направления» V-образный хвост конфигурация, но основные свойства не меняются. Когда управляющая поверхность перемещается под углом к ​​набегающему воздушному потоку, она изменяет воздушный поток вокруг поверхности, изменяя его распределение давления и, таким образом, прикладывая к летательному аппарату момент тангажа, крена или рыскания.

Угол отклонения поверхности управления и результирующая направленная сила на летательном аппарате контролируются как пилотом, так и встроенными системами управления самолета для поддержания желаемого отношение таких как тангаж, крен и курс, а также для выполнения фигур высшего пилотажа, которые быстро меняют положение самолета. Для сохранения традиционного управления маневрированием самолет должен поддерживать достаточную скорость движения вперед и достаточно низкую скорость. угол атаки для обеспечения обтекания крыльев (поддерживая подъемную силу), а также над его рулями.

По мере уменьшения потока воздуха снижается эффективность руля и, следовательно, маневренность. Если угол атаки превышает критическое значение, самолет будет ларек. Пилоты обучаются избегать сваливания во время фигурного маневрирования и особенно в бою, поскольку сваливание может позволить противнику занять выгодное положение, в то время как пилот остановившегося самолета пытается восстановиться.

Скорость, при которой самолет способен к максимальной аэродинамической маневренности, известна как угловая воздушная скорость; на любой большей скорости рулевые поверхности не могут работать с максимальным эффектом из-за напряжений планера или вызванной нестабильности турбулентным потоком воздуха над рулевой поверхностью. На более низких скоростях перенаправление воздуха над поверхностями управления и, таким образом, сила, прилагаемая для маневрирования летательного аппарата, уменьшается ниже максимальной грузоподъемности планера, и, таким образом, самолет не будет разворачиваться с максимальной скоростью. Поэтому при пилотажном маневрировании желательно поддерживать угловую скорость.

В сверхманевренном самолете пилот может поддерживать высокую степень маневренности ниже угловой скорости и, по крайней мере, ограниченное управление высотой без потери высоты ниже скорости сваливания. Такой самолет способен маневрировать, что невозможно при чисто аэродинамической конструкции. В последнее время более широкое использование реактивных беспилотных аппаратов («исследовательских беспилотных летательных аппаратов») увеличило потенциальный угол атаки, который может летать, за пределы 90 градусов и далеко в области безопасного полета после сваливания, а также заменил некоторые из традиционных применений аэродинамических труб.^[2]

Свидетельство

Не существует строгих правил, которым должен соответствовать самолет или характеристик, которые он должен иметь, чтобы быть классифицированным как сверхманевренный. Однако, поскольку определяется сама сверхманевренность, способность самолета выполнять высокие альфа маневры, невозможные для большинства самолетов, свидетельствуют о сверхманевренности самолета. Такие маневры включают Кобра Пугачева и Маневр хербста (также известный как "J-поворот").

Некоторые самолеты способны выполнять Кобру Пугачева без помощи функций, которые обычно обеспечивают маневрирование после сваливания, таких как вектор тяги. Продвинутые истребители четвертого поколения, такие как Су-27, МиГ-29 вместе с их вариантами были задокументированы как способные выполнять этот маневр с использованием обычных двигателей без вектора тяги. Способность этих самолетов выполнять этот маневр основана на присущей им нестабильности, как у самолета. F-16; семейства МиГ-29 и Су-27 предназначены для желаемых почтовый киоск поведение. Таким образом, при выполнении маневра, подобного «Кобре» Пугачева, самолет будет глохнуть, поскольку нос поднимается вверх, и поток воздуха над крылом становится разделенным, но, естественно, носом вниз даже из частично перевернутого положения, позволяя пилоту восстановить полное управление.

«Кобра», выполняемая самолетами без вектора тяги, по-прежнему зависит от самолета, движущегося по воздуху; однако это касается не аэродинамических поверхностей самолета и нормального ламинарного потока воздуха, а, скорее, всего корпуса в виде твердой формы, движущейся в воздухе, и его центра тяжести по отношению к вектору тяги. Выполняясь в условиях, выходящих далеко за рамки нормального аэродинамического управления и в условиях сваливания без вектора тяги, это форма пассивной сверхманевренности, возможная из-за конструкции самолета, а не вектора тяги, которая обеспечивает способ активного управления самолетом далеко за пределами нормы. конверт полета.

В Маневр Хербста однако считается невозможным без вектор тяги поскольку «J-образный разворот» требует полувырка в дополнение к крену при остановке самолета, что невозможно при использовании обычных рулевых поверхностей. «Кобра» Пугачева может выполняться с меньшим изменением высоты при использовании векторной тяги, поскольку самолет можно заставить двигаться по тангажу намного быстрее, вызывая сваливание до того, как самолет значительно наберет высоту, и восстанавливая горизонтальное положение до потери высоты.

Характеристики

Хотя, как упоминалось выше, никакой фиксированный набор характеристик явно не определяет сверхманевренный самолет, практически все самолеты, считающиеся сверхманевренными, обладают большинством общих характеристик, которые помогают в маневренности и управлении сваливанием.

«Классический воздушный бой начинается с высокой скорости, но если вы промахнетесь с первого выстрела - а вероятность есть из-за маневров, позволяющих избежать попадания ракет, - бой будет более продолжительным. После маневрирования самолет будет на меньшей скорости , но оба самолета могут находиться в положении, в котором они не могут стрелять. Но сверхманевренность позволяет самолету развернуться в течение трех секунд и сделать еще один выстрел ». - Сергей Богдан, главный летчик-испытатель Сухого.^[4]

Характеристики после сваливания

Основная статья: Пост-киоск

Ключевое различие между чисто аэродинамическим истребителем и сверхманевренным истребителем обычно заключается в его почтовый киоск характеристики. Срыв, как уже упоминалось выше, происходит, когда поток воздуха через верхнюю часть крыла разделяется из-за высокой угол атаки (это может быть вызвано низкой скоростью, но прямая причина зависит от направления воздушного потока, контактирующего с крылом); Тогда аэродинамический профиль теряет свой основной источник подъемной силы и не будет поддерживать самолет до тех пор, пока не восстановится нормальный воздушный поток через верхнюю часть крыла.

А Су-27 от Русские витязи пилотажная группа, сверхманевренный самолет 4-го поколения. Эта струя может легко выполнять Кобра Пугачева.

В поведении самолета в сваливании наблюдается основное различие между аэродинамической маневренностью и сверхманевренностью. В сваливании традиционные поверхности управления, особенно элероны, практически не имеют возможности изменить положение самолета. Большинство самолетов спроектированы так, чтобы быть стабильными и легко восстанавливаемыми в такой ситуации; самолет будет наклоняться носом вниз, так что угол атаки крыльев уменьшается, чтобы соответствовать текущему направлению самолета (технически известному как вектор скорости), восстанавливая нормальный воздушный поток над крыльями и поверхностями управления и обеспечивая управляемый полет.^[5]

Однако некоторые самолеты будут глубокий стойло. Конструкция самолета будет препятствовать или предотвращать уменьшение угла атаки для восстановления воздушного потока. В F-16 имеет этот недостаток, отчасти из-за проводного управления, которое при определенных обстоятельствах ограничивает способность пилота направлять нос самолета вниз для уменьшения угла атаки и восстановления.^[6] Для сверхманевренного самолета нежелательны ни резкое падение по тангажу, ни глубокое сваливание.

Сверхманевренный самолет позволяет пилоту сохранять хоть какой-то контроль при сваливании самолета и быстро восстанавливать полный контроль. Это достигается в основном за счет разработки самолета, который обладает высокой маневренностью, но не будет глубоко сваливаться (что позволяет пилоту быстро вернуться в исходное положение) и будет восстанавливаться предсказуемо и благоприятно (в идеале для горизонтального полета; более реалистично для столь же неглубокого полета с опущенным носом, как возможный). Затем к этой конструкции добавляются функции, которые позволяют пилоту активно управлять самолетом, находясь в сваливании, и сохранять или восстанавливать горизонтальный полет в чрезвычайно малом диапазоне высот, который превосходит возможности чисто аэродинамического маневрирования.

Отношение тяги к массе

Основная статья: Отношение тяги к массе

Ключевой особенностью истребителей-сверхманевров является высокая тяговооруженность; то есть сравнение силы, создаваемой двигателями, с массой летательного аппарата, которая является силой тяжести на летательном аппарате. Обычно это желательно для любого пилотажного самолета, поскольку высокое отношение тяги к массе позволяет самолету быстро восстанавливать скорость после маневра с большой перегрузкой. В частности, отношение тяги к массе более 1: 1 является критическим порогом, поскольку это позволяет летательному аппарату сохранять и даже набирать скорость в положении с поднятым носом; Такой набор высоты основан на чистой мощности двигателя, без какой-либо подъемной силы, обеспечиваемой крыльями для противодействия гравитации, и стал решающим для фигур высшего пилотажа в вертикальной плоскости (которые, в свою очередь, необходимы для воздушного боя).

Высокая тяговооруженность важна для сверхманеврирующих истребителей, потому что она не только позволяет избежать многих ситуаций, в которых самолет может сваливаться (например, во время вертикальных маневров набора высоты), но и когда самолет все же сваливается, высокое отношение тяги к массе позволяет пилоту резко увеличить скорость движения, даже когда самолет наклоняется носом вниз; это уменьшает угол, под которым носовая часть должна наклоняться вниз, чтобы встретиться с вектором скорости, тем самым быстрее выходя из сваливания. Это позволяет управлять стойлами; пилот намеренно останавливает самолет резким маневром, а затем быстро восстанавливается с помощью большой мощности двигателя.

Начиная с конца четвертого поколения и до поколения 4.5 разработки самолетов, успехи в эффективности двигателей и мощности позволили многим истребителям приблизиться и превзойти соотношение тяги к массе 1: 1. Большинство нынешних и планируемых истребителей пятого поколения преодолеют этот порог.

Высокая аэродинамическая маневренность

Несмотря на то, что истинная сверхманевренность выходит за рамки того, что возможно с чистым аэродинамическим контролем, технологии, которые подталкивают самолет к сверхманевренности, основаны на том, что в остальном является традиционной конструкцией с аэродинамическим управлением. Таким образом, конструкция, обладающая высокой маневренностью с точки зрения традиционной аэродинамики, является необходимой базой для сверхманевренного истребителя.

Такие особенности, как большие поверхности управления, которые обеспечивают большую силу с меньшим отклонением угла от нейтрального положения, что минимизирует разделение воздушного потока, подъемное тело дизайн, включая использование полосы, которые позволяют фюзеляжу самолета создавать подъемную силу в дополнение к его крыльям, и конструкция с низким лобовым сопротивлением, особенно уменьшающая лобовое сопротивление на передних кромках самолета, таких как его носовой обтекатель, крылья и воздухозаборные каналы двигателя, являются необходимыми. к созданию высокоманевренного самолета.

Некоторые дизайны, такие как F-16 (который в нынешней производственной форме считается высокоманевренным, но только технический демонстратор F-16 VISTA считается сверхманевренным) спроектированы как изначально нестабильные; то есть летательный аппарат, если он полностью неконтролируемый, не будет стремиться вернуться к горизонтальному и стабильному полету после нарушения, как это будет в изначально устойчивой конструкции. Такие конструкции требуют использования системы «по проводам», в которой компьютер корректирует незначительные нестабильности, а также интерпретирует ввод пилота и манипулирует поверхностями управления, чтобы добиться желаемого поведения без потери управления. С поправкой на нестабильность конструкции самолет становится очень маневренным; без самоограничивающегося сопротивления, которое устойчивая конструкция обеспечивает желаемым маневрам, преднамеренно нестабильная конструкция способна к гораздо более высоким скоростям поворота, чем это было бы в противном случае.

Canard контролирует

Основная статья: Canard (воздухоплавание)

В F-15 АКТИВНЫЙ в полете; дизайн модифицированный F-15 Eagle с управляемая тяга и утки.

А утка - руль руля высоты, расположенный впереди крыльев. Иногда, как с B-1B, они просто используются для стабилизации гибких частей фюзеляжа или обеспечения очень незначительных изменений положения, но они часто используются в качестве дополнения или полной замены хвостовых опор. стабилизаторы.

Теория, лежащая в основе "уток" как единственной поверхности руля высоты, заключается в том, что никакая конфигурация руля высоты за крыльями не является действительно удовлетворительной для целей маневрирования; Воздушный поток над крыльями создает турбулентность, даже небольшую, и, таким образом, влияет на рули высоты, расположенные непосредственно за крыльями. Размещение под крыльями (обычное для многих истребителей) подвергает лифты еще большей турбулентности от находящихся под крылом боеприпасов.

Оригинальное решение таких проблем, Т-образный хвост, был в значительной степени дискредитирован как склонный к опасным «глубоким срывам». Другие решения, такие как V-образный хвост Поместите комбинированные поверхности руля и руля высоты вне воздушного потока крыльев, но уменьшите эффективность поверхности управления на чистых осях тангажа и рыскания.

В качестве дополнения к традиционным рулям высоты, утки значительно увеличивают площадь управляющей поверхности и часто увеличивают критический угол атаки крыльев, поскольку утка направляет воздух более прямо к передней кромке крыла. Они также могут быть спроектированы так, чтобы работать независимо (т. Е. Вращаться в противоположных направлениях), таким образом также действуя как элероны.

Канарды не являются обязательными и могут иметь недостатки, включая пониженную видимость пилота, повышенную механическую сложность и хрупкость, а также повышенную радиолокационную заметность, хотя поперечное сечение радара можно уменьшить, управляя отклонением утка с помощью программного обеспечения управления полетом, как это сделано на Eurofighter.^[7][8] F-22, например, не имеет «уток», в основном из соображений незаметности. На серийных Су-35 также отсутствуют утки. Многие демонстраторы технологий и испытательные стенды маневренности, такие как F-15 S / MTD включили утки, даже когда серийные самолеты, на которых они базировались, не работали. Серийные истребители любят Еврофайтер Тайфун, Dassault Rafale и Saab Gripen все используют треугольное крыло с боковыми поверхностями, в то время как некоторые варианты Су-27, включая Су-30, Су-30МКИ, Су-33 и Су-37, используют утки в дополнение к традиционным хвостовым рулям высоты.

Вектор тяги

Основная статья: Вектор тяги

В Rockwell-MBB X-31, экспериментальный сверхманевренный самолет с вектор тяги

Хотя высокое соотношение тяги к массе и высокая аэродинамическая маневренность характерны как для аэродинамических, так и для сверхманеврирующих самолетов, технология, наиболее непосредственно связанная с сверхманевренностью, - это вектор тяги, в котором геометрия выхлопного сопла традиционного реактивного двигателя может быть изменена для изменения угла тяги двигателя в направлении, отличном от прямого назад (то есть вверх или вниз).

Это применяет силу к задней части летательного аппарата в противоположном направлении, аналогичном традиционной поверхности управления, но в отличие от поверхности управления сила векторной тяги зависит от текущей тяги двигателя, а не от скорости полета. Таким образом, управление вектором тяги не только увеличивает управляющие поверхности (как правило, руля высоты) на скорости, но и позволяет самолету сохранять максимальную маневренность ниже угловой скорости и некоторый контроль ориентации ниже скорости сваливания во время маневров.

Демонстраторы технологий, такие как Х-31, F-16 VISTA и F-15 S / MTD были построены для демонстрации возможностей самолета, использующего эту технологию; с тех пор он был включен в опытные и серийные истребители, такие как F-22 Raptor. Конструкторские компании Восточного блока также внедрили эту технологию в варианты самолетов четвертого поколения, такие как МиГ-29 и Су-27 производить МиГ-29ОВТ технический демонстратор и Су-30МКИ истребитель завоевания превосходства в воздухе и запланированные самолеты пятого поколения российской разработки, такие как Сухой Су-57 также будет использовать эту технологию. Кроме того, отечественные российские истребители Су-30 будут модернизированы двигателями с вектором тяги.^[9]

Вектор тяги наиболее полезен при выполнении таких маневров, как антенна J-разворот, где нос самолета направлен вверх (и, таким образом, тяга двигателя противодействует силе тяжести, а также обеспечивает ориентацию). На самом деле, как правило, считается невозможным выполнить настоящий маневр с поворотом J без векторной тяги. Другие маневры, которые считаются невозможными для выполнения под контролем с использованием только аэродинамического маневрирования, включают Bell (петлю на 360 ° с незначительным изменением высоты) и контролируемое плоское вращение (360 ° рыскания вокруг точки вращения, которая находится внутри самолета).^{[нужна цитата ]}

Оценка

Пилоты могут поднимать нос сверхманевренного самолета до экстремальных углов тангажа (до 70 градусов), что позволяет им потенциально получить преимущество, имея возможность захватить цель и стрелять по ней, но за счет высоты и / или скорость самолета. Количественная оценка такого потенциального преимущества с использованием метрик была невозможна в начале 1990-х годов - традиционные метрики, такие как графики мгновенной или постоянной скорости разворота, не подчеркивали различия, которые описывали пилоты, управляя такими самолетами.

В течение 1990-х годов было проведено несколько исследовательских проектов, в частности, один под названием «Оценка характеристик истребителей с применением передовых технологий» Энтони Кучера.^[10] не только рассмотрел пригодность существующих показателей для измерения эффектов сверхманевренности, но и разработал новую метрику для количественной оценки преимуществ и недостатков во время полета. Новая метрика позволяет производить количественную оценку самолета в терминах, которые легко понять конструкторам, пилотам и тактикам, в отличие от многих новых метрик, которые объединили существующие метрики для получения «магических» чисел, которые не имеют большого значения.

Рекомендации

1. Гал-Ор, Бенджамин (2013). Управляемая двигательная установка, сверхманевренность и роботизированный самолет. Springer Science + Business Media. п. 92. Получено 2019-02-21.
2. Гал-Ор, Бенджамин (2001) [1990], Векторная двигательная установка, сверхманевренность и роботизированный самолет, Спрингер, ISBN  0-387-97161-0, Отчет USAF и НАТО RTO-TR-015 AC / 323 / (HFM-015) / TP-1, чередовать ISBN  3-540-97161-0.
3. Свитмен, Билл (24 июня 2013 г.). «Летчик-испытатель Сухого объяснил сверхманевренность'". Авиационная неделя. Пентон. Получено 23 февраля 2014.
4. ——— (24 июня 2013 г.). "Узкие углы". Авиационная неделя и космические технологии. Нью-Йорк: Пентон Медиа. 175 (21): 33. ISSN  0005-2175. Получено 4 августа 2017.
5. Чемберс, Джозеф Р. «Lockheed Martin F-16 Fighting Falcon: лечение глубокого сваливания», Партнеры по свободе: вклад исследовательского центра Лэнгли в военные самолеты США в 1990-е годы. »; Монографии по истории авиакосмической промышленности № 19, Серия истории НАСА (NASA SP-2000 -4519). В архиве 2008-08-20 на Wayback Machine Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Washington, DC, 2000. Проверено 22 июня 2008 г.
6. Чемберс, Джозеф Р. «Lockheed Martin F-16 Fighting Falcon: лечение глубокого сваливания», Партнеры по свободе: вклад исследовательского центра Лэнгли в военные самолеты США в 1990-е годы. »; Монографии по истории авиакосмической промышленности № 19, Серия истории НАСА (NASA SP-2000 -4519). В архиве 2008-08-20 на Wayback Machine Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Washington, DC, 2000. Проверено 22 июня 2008 г.
7. https://translate.google.com/translate?u=http%3A%2F%2Fwww.airpower.at%2Fforum%2Fviewtopic.php%3Ft%3D2629&langpair=de%7Cen&hl=en&ie=UTF-8
8. https://translate.google.com/translate?u=http%3A%2F%2Feurofighter.airpower.at%2Ffaq.htm&langpair=de%7Cen&hl=en&ie=UTF-8
9. «ВВС России получат сверхманевренные самолеты». Россия вне заголовков. 13 апреля 2012 г.
10. Кучера, Муравей (2001). Оценка летно-технических характеристик истребителей с применением передовых технологий (PDF). Британская библиотека.