Supermanewrowość
Nadmanewrowość to zdolność samolotów myśliwskich do wykonywania manewrów taktycznych, które nie są możliwe przy użyciu technik czysto aerodynamicznych . Takie manewry mogą obejmować kontrolowane poślizgi boczne lub kąty natarcia przekraczające maksymalne uniesienie.
Ta zdolność była badana od 1975 roku w Langley Research Center w Stanach Zjednoczonych i ostatecznie zaowocowała opracowaniem McDonnell Douglas F-15 STOL / MTD jako samolotu koncepcyjnego. Saab 35 Draken był kolejnym wczesnym samolotem o ograniczonych możliwościach supermanewrowania.
W 1983 roku MiG-29 , aw 1986 Suchoj Su-27 zostały rozmieszczone z tą zdolnością, która od tego czasu stała się standardem we wszystkich rosyjskich samolotach czwartej i piątej generacji. Pojawiły się pewne spekulacje, ale mechanizm stojący za supermanewrowością rosyjskiego samolotu nie został ujawniony publicznie. Jednak po przeciągnięciu w celu zwiększenia manewrowości poprzez zastosowanie dysz silnika z wektorowaniem ciągu .
Rosyjski nacisk na supermanewrowość na krótkim dystansie przy małej prędkości jest sprzeczny z zachodnią teorią zwrotności energetycznej , która faworyzuje zachowanie energii kinetycznej w celu uzyskania coraz lepszego zestawu opcji manewrowania, im dłużej trwa starcie. USAF porzuciło tę koncepcję jako kontrproduktywną dla starć BVR , taką jak manewr Cobra pozostawia samolot w stanie prawie zerowej energii, tracąc większość swojej prędkości bez uzyskiwania przy tym żadnej kompensacyjnej wysokości. Z wyjątkiem starć jeden na jednego, pozostawia to samolot bardzo podatny zarówno na atak rakietowy, jak i działo ze strony skrzydłowego lub innego wroga, nawet jeśli początkowe zagrożenie przelatuje nad supermanewrowanym samolotem.
Manewrowość aerodynamiczna vs nadmanewrowość
.jpg)
Tradycyjne manewrowanie samolotem odbywa się poprzez zmianę przepływu powietrza przechodzącego nad powierzchniami sterowymi samolotu — lotkami , sterami wysokości , klapami , hamulcami pneumatycznymi i sterem kierunku . Niektóre z tych powierzchni sterowych można łączyć - na przykład w „sterach steru” ogona w kształcie litery V konfiguracji — ale podstawowe właściwości pozostają nienaruszone. Kiedy powierzchnia sterowa jest przesuwana w celu ustawienia kąta w stosunku do nadlatującego powietrza, zmienia ona przepływ powietrza wokół powierzchni, zmieniając jego rozkład ciśnienia, a tym samym przykładając do samolotu moment pochylający, toczący się lub odchylający.
Kąt odchylenia powierzchni sterowej i wynikająca z tego siła kierunkowa działająca na statek powietrzny są kontrolowane zarówno przez pilota, jak i wbudowane systemy sterowania statku powietrznego w celu utrzymania pożądanego położenia, takiego jak pochylenie , przechylenie i kurs, a także wykonywania manewrów akrobacyjnych, które szybko zmieniają samolot postawa. Aby zachować tradycyjną kontrolę manewrowania, statek powietrzny musi utrzymywać wystarczającą prędkość do przodu i wystarczająco niski kąt natarcia , aby zapewnić przepływ powietrza nad skrzydłami (utrzymując siłę nośną), a także nad powierzchniami sterowymi.
Wraz ze spadkiem przepływu powietrza zmniejsza się skuteczność powierzchni sterowych, a tym samym zwrotność. Jeśli kąt natarcia przekroczy wartość krytyczną, samolot przeciągnie się . Piloci są szkoleni, aby unikać przeciągnięć podczas manewrów akrobacyjnych, a zwłaszcza w walce, ponieważ przeciągnięcie może pozwolić przeciwnikowi na uzyskanie korzystnej pozycji, podczas gdy pilot utkniętego samolotu próbuje odzyskać siły.
Prędkość, przy której statek powietrzny jest w stanie osiągnąć maksymalną manewrowość aerodynamiczną, nazywana jest prędkością narożną ; przy większej prędkości powierzchnie sterowe nie mogą działać z maksymalnym skutkiem z powodu płatowca lub niestabilności wywołanej turbulentnym przepływem powietrza nad powierzchnią sterową. Przy niższych prędkościach przekierowanie powietrza nad powierzchnie sterowe, a tym samym siła przyłożona do manewrowania statkiem powietrznym, jest zmniejszana poniżej maksymalnego udźwigu płatowca, a zatem samolot nie będzie obracał się z maksymalną prędkością. Dlatego w manewrach akrobacyjnych pożądane jest utrzymanie prędkości narożnej.
W supermanewrowym statku powietrznym pilot może utrzymać wysoki stopień manewrowości poniżej prędkości narożnej i przynajmniej ograniczoną kontrolę wysokości bez utraty wysokości poniżej prędkości przeciągnięcia. Taki samolot jest zdolny do manewrów, które są niemożliwe przy czysto aerodynamicznej konstrukcji. Niedawno zwiększone wykorzystanie oprzyrządowanych pojazdów bezzałogowych z napędem odrzutowym („drony badawcze”) zwiększyło potencjalny możliwy do lotu kąt natarcia poza 90 stopni i znacznie w obszary bezpiecznego lotu po przeciągnięciu, a także zastąpił niektóre tradycyjne zastosowania tuneli aerodynamicznych.
Dowód
Nie ma ścisłego zestawu wytycznych, które samolot musi spełniać ani cech, które musi posiadać, aby został sklasyfikowany jako nadmanewrowy. Jednakże, ponieważ sama supermanewrowość jest zdefiniowana, zdolność statku powietrznego do wykonywania manewrów o wysokim alfa , które są niemożliwe dla większości samolotów, jest dowodem na supermanewrowość samolotu. Takie manewry obejmują Kobrę Pugaczowa i manewr Herbsta (znany również jako „zwrot w J”).
Niektóre samoloty są w stanie wykonać Kobrę Pugaczowa bez pomocy funkcji, które normalnie zapewniają manewrowanie po przeciągnięciu, takich jak wektorowanie ciągu . Udokumentowano , że zaawansowane myśliwce czwartej generacji, takie jak Su-27 , MiG-29 wraz z ich wariantami, są zdolne do wykonywania tego manewru przy użyciu normalnych silników bez wektorowania ciągu. Zdolność tych samolotów do wykonania tego manewru opiera się na nieodłącznej niestabilności, podobnie jak w przypadku F-16 ; rodziny odrzutowców MiG-29 i Su-27 są przeznaczone do pożądanego przeciągnięcia zachowanie. Tak więc, podczas wykonywania manewru takiego jak Cobra Pugaczowa, samolot utknie, gdy nos podniesie się do góry, a przepływ powietrza nad skrzydłem zostanie rozdzielony, ale naturalnie dziób opadnie nawet z częściowo odwróconej pozycji, umożliwiając pilotowi odzyskanie pełnej kontroli.
Cobra, wykonywana przez samoloty bez wektorowania ciągu, nadal zależy od samolotu poruszającego się w powietrzu; nie obejmuje jednak powierzchni aerodynamicznych samolotu i normalnego laminarnego przepływu powietrza, ale raczej cały płatowiec jako bryłę poruszającą się w powietrzu i jego środek ciężkości w stosunku do wektora ciągu. Wykonywane w warunkach znacznie wykraczających poza normalną kontrolę aerodynamiczną i głęboko w przeciągnięciu bez wektorowania ciągu, jest to forma pasywnej nadmanewrowości, możliwa dzięki konstrukcji samolotu, a nie wektorowaniu ciągu, co zapewnia sposób na aktywne sterowanie statkiem powietrznym znacznie poza normalnym koperta lotu.
manewr Herbsta jest niemożliwy bez wektorowania ciągu , ponieważ „obrót w J” wymaga pół obrotu oprócz pochylenia, gdy samolot jest przeciągnięty, co jest niemożliwe przy użyciu konwencjonalnych powierzchni sterowych. Kobrę Pugaczowa można wykonać przy mniejszych zmianach wysokości, jeśli stosuje się ciąg wektorowy, ponieważ samolot można zmusić do znacznie szybszego kołysania, zarówno wywołując przeciągnięcie, zanim statek powietrzny znacznie zyska na wysokości, jak i odzyskując poziome położenie przed utratą wysokości.
Charakterystyka
Chociaż, jak wspomniano powyżej, żaden ustalony zestaw cech wyraźnie nie definiuje supermanewrowego statku powietrznego, praktycznie wszystkie statki powietrzne uważane za supermanewrowe mają większość wspólnych cech, które pomagają w manewrowaniu i kontroli przeciągnięcia.
Klasyczna walka powietrzna rozpoczyna się z dużą prędkością, ale jeśli spudłujesz przy pierwszym strzale – a jest to prawdopodobne, ponieważ istnieją manewry pozwalające uniknąć pocisków – walka będzie dłuższa. Po manewrowaniu samolot będzie miał mniejszą prędkość, ale oba samoloty mogą znajdować się w pozycji, w której nie będą mogły strzelać. Ale supermanewrowość pozwala samolotowi zawrócić w ciągu trzech sekund i oddać kolejny strzał.
— Siergiej Bogdan, główny pilot doświadczalny Suchoj
Charakterystyka po przeciągnięciu
Kluczowa różnica między czysto aerodynamicznym myśliwcem a supermanewrowym myśliwcem polega na ogół na jego charakterystyce po przeciągnięciu . Przeciągnięcie, jak wspomniano powyżej, ma miejsce, gdy przepływ powietrza nad górną częścią skrzydła zostaje rozdzielony z powodu dużego kąta natarcia (może to być spowodowane małą prędkością, ale jego bezpośrednią przyczyną jest kierunek przepływu powietrza stykającego się z skrzydło); płat traci wtedy swoje główne źródło siły nośnej i nie będzie wspierał samolotu, dopóki normalny przepływ powietrza nie zostanie przywrócony nad górną częścią skrzydła.
Zachowanie samolotu w przeciągnięciu polega na tym, że można zaobserwować główną różnicę między manewrowością aerodynamiczną a nadmanewrowością. W przeciągnięciu tradycyjne powierzchnie sterowe, zwłaszcza lotki, mają niewielką lub żadną zdolność do zmiany nastawienia samolotu. Większość statków powietrznych zaprojektowano tak, aby były stabilne i łatwe do odzyskania w takiej sytuacji; samolot pochyli się dziobem w dół, tak aby kąt natarcia skrzydeł został zmniejszony, aby odpowiadał aktualnemu kierunkowi samolotu (znanemu technicznie jako wektor prędkości), przywracając normalny przepływ powietrza nad skrzydłami i powierzchniami sterowymi oraz umożliwiając kontrolowany lot.
Jednak niektóre samoloty będą się głęboko przeciągać . Konstrukcja samolotu będzie hamować lub zapobiegać zmniejszaniu kąta natarcia w celu przywrócenia przepływu powietrza. F -16 ma tę wadę, częściowo ze względu na sterowanie typu fly-by-wire, które w pewnych okolicznościach ogranicza zdolność pilota do skierowania nosa samolotu w dół w celu zmniejszenia kąta natarcia i powrotu do zdrowia. Ani ekstremalne obniżenie, ani głębokie przeciągnięcie nie są pożądane w supermanewrowym samolocie.
Supermanewrowy statek powietrzny pozwala pilotowi zachować przynajmniej część kontroli, gdy samolot przeciąga się, i szybko odzyskać pełną kontrolę. Osiąga się to głównie poprzez zaprojektowanie statku powietrznego, który jest bardzo zwrotny, ale nie będzie się głęboko przeciągał (umożliwiając w ten sposób szybkie wyprowadzenie pilota) i będzie wracał do normy w przewidywalny i korzystny sposób (idealnie do lotu poziomego; bardziej realistycznie do tak płytkiej pozycji z nosem w dół, jak możliwy). Do tego projektu dodaje się następnie funkcje, które pozwalają pilotowi aktywnie kontrolować statek powietrzny podczas przeciągnięcia i utrzymywać lub przywracać poziom lotu do przodu w bardzo płytkim paśmie wysokości, który przewyższa możliwości czysto aerodynamicznego manewrowania.
Stosunek ciągu do masy
Kluczową cechą supermanewrowych myśliwców jest wysoki stosunek ciągu do masy; to znaczy porównanie siły wytwarzanej przez silniki z ciężarem samolotu, który jest siłą grawitacji działającą na samolot. Jest to ogólnie pożądane w każdym samolocie akrobacyjnym, ponieważ wysoki stosunek ciągu do masy pozwala samolotowi szybko odzyskać prędkość po manewrze z dużym przeciążeniem. W szczególności stosunek ciągu do masy większy niż 1: 1 jest krytycznym progiem, ponieważ pozwala statkowi powietrznemu utrzymać, a nawet zwiększyć prędkość w położeniu dziobem do góry; taka wspinaczka opiera się na samej mocy silnika, bez żadnej siły nośnej zapewnianej przez skrzydła w celu przeciwdziałania grawitacji i stała się kluczowa dla manewrów akrobacyjnych w pionie (które z kolei są niezbędne w walce powietrznej).
Wysoki stosunek ciągu do masy jest niezbędny dla supermanewrujących myśliwców, ponieważ nie tylko pozwala uniknąć wielu sytuacji, w których samolot może się przeciągnąć (np. pilotowi, aby gwałtownie zwiększył prędkość do przodu, nawet gdy samolot pochyla się dziobem w dół; zmniejsza to kąt, pod jakim nos musi się pochylić, aby spotkać się z wektorem prędkości, a tym samym szybciej wychodzić z przeciągnięcia. Pozwala to na kontrolowanie straganów; pilot celowo zatrzyma samolot trudnym manewrem, a następnie szybko odzyska siły dzięki dużej mocy silnika.
Począwszy od późnej czwartej generacji, aż do generacji 4.5 rozwoju samolotów, postępy w wydajności i mocy silników umożliwiły wielu myśliwcom zbliżenie się do stosunku ciągu do masy wynoszącego 1:1, a nawet go przekroczenie. Większość obecnych i planowanych myśliwców piątej generacji przekroczy ten próg.
Wysoka manewrowość aerodynamiczna
Chociaż prawdziwa supermanewrowość leży poza sferą tego, co jest możliwe przy czystej kontroli aerodynamicznej, technologie, które popychają samoloty do supermanewrowości, opierają się na czymś, co poza tym jest konwencjonalną konstrukcją sterowaną aerodynamicznie. Tak więc projekt, który jest wysoce zwrotny dzięki tradycyjnej aerodynamice, jest niezbędną podstawą dla supermanewrowego myśliwca.
Cechy, takie jak duże powierzchnie sterowe, które zapewniają większą siłę przy mniejszej zmianie kąta z położenia neutralnego, co minimalizuje separację przepływu powietrza, konstrukcję podnoszącego korpusu , w tym zastosowanie pasów , które umożliwiają kadłubowi samolotu tworzenie siły nośnej oprócz skrzydeł, oraz konstrukcja o niskim oporze, szczególnie zmniejszająca opór na krawędziach natarcia samolotu, takich jak stożek dziobowy, skrzydła i kanały dolotowe silnika, są niezbędne do stworzenia wysoce zwrotnego samolotu.
Niektóre projekty, takie jak F-16 (który w obecnej formie produkcyjnej jest uważany za wysoce zwrotny, ale tylko demonstrator technologii F-16 VISTA jest uważany za supermanewrowy) są zaprojektowane tak, aby były z natury niestabilne; to znaczy, że statek powietrzny, jeśli jest całkowicie niekontrolowany, nie będzie miał tendencji do powrotu do poziomego, stabilnego lotu po zakłóceniu, jak ma to miejsce w przypadku z natury stabilnej konstrukcji. Takie projekty wymagają zastosowania systemu „fly-by-wire”, w którym komputer koryguje drobne niestabilności, jednocześnie interpretując dane wejściowe pilota i manipulując powierzchniami sterowymi w celu uzyskania pożądanego zachowania bez powodowania utraty kontroli. W ten sposób skorygowana niestabilność projektu tworzy samolot, który jest bardzo zwrotny; wolna od samoograniczających się oporów, jakie stabilna konstrukcja zapewnia pożądanym manewrom, celowo niestabilna konstrukcja jest zdolna do znacznie większych prędkości skrętu, niż byłoby to możliwe w innym przypadku.
Kontrole Canarda
Canard to powierzchnia kontrolna windy umieszczona przed skrzydłami. Czasami, jak w przypadku B-1B , są one po prostu używane do stabilizowania elastycznych części kadłuba lub zapewniania bardzo drobnych zmian położenia, ale często są używane jako uzupełnienie lub pełna wymiana stabilizatorów montowanych na ogonie .
Teoria stojąca za kanistronami jako jedyną powierzchnią windy głosi, że żadna konfiguracja windy za skrzydłami nie jest naprawdę zadowalająca do celów manewrowych; przepływ powietrza nad skrzydłami powoduje turbulencje, jakkolwiek małe, i tym samym wpływa na windy umieszczone bezpośrednio za skrzydłami. Umieszczenie pod skrzydłami (powszechne w wielu myśliwcach) naraża windy na jeszcze większe turbulencje spowodowane amunicją pod skrzydłami.
Oryginalne rozwiązanie takich problemów, ogon w kształcie litery T , zostało w dużej mierze zdyskredytowane jako podatne na niebezpieczne „głębokie przeciągnięcia”. Inne rozwiązania, takie jak ogon w kształcie litery V, umieszczają kombinację powierzchni steru i steru wysokości poza strumieniem powietrza skrzydeł, ale zmniejszają skuteczność powierzchni sterowej w czystych osiach pochylenia i odchylenia.
Jako uzupełnienie tradycyjnych wind, kanistry znacznie zwiększają powierzchnię sterową i często zwiększają krytyczny kąt natarcia skrzydeł, ponieważ kanardy kierują powietrze bardziej bezpośrednio w kierunku krawędzi natarcia skrzydła. Można je również zaprojektować tak, aby działały niezależnie (tj. obracały się w przeciwnych kierunkach), działając w ten sposób również jako lotki .
Kanistry nie są wymagane i mogą mieć wady, w tym zmniejszoną widoczność pilota, zwiększoną złożoność mechaniczną i kruchość oraz zwiększoną sygnaturę radaru, chociaż przekrój poprzeczny radaru można zmniejszyć, kontrolując odchylenie kaczki za pomocą oprogramowania do sterowania lotem, tak jak ma to miejsce w Eurofighter. Na przykład F-22 nie zawiera kanistrów, głównie ze względu na ukrycie. W produkcji Su-35 pominięto również kanistry. Wiele demonstratorów technologii i stanowisk testowych manewrowości, takich jak F-15 S / MTD, zawierało kanistry, nawet jeśli samoloty produkcyjne, na których były oparte, nie. Myśliwce produkcyjne, takie jak Eurofighter Typhoon , Dassault Rafale i Saab Gripen używają konfiguracji delta-wing z kanardowymi powierzchniami, podczas gdy niektóre warianty Su-27, w tym Su-30, Su-30MKI, Su-33 i Su-37, wykorzystują kanistry jako uzupełnienie tradycyjnych montowanych na ogonie windy.
Wektorowanie ciągu
Chociaż wysoki stosunek ciągu do masy i wysoka manewrowość aerodynamiczna występują zarówno w samolotach aerodynamicznych, jak i nadmanewrowych, technologią najbardziej bezpośrednio powiązaną z supermanewrowością jest wektorowanie ciągu , w którym geometria dyszy wydechowej tradycyjnego silnika odrzutowego może zostać zmodyfikowana w celu ustawiać siłę ciągu silnika w kierunku innym niż bezpośrednio do tyłu (tj. w górę lub w dół).
Powoduje to przyłożenie siły do tyłu samolotu w przeciwnym kierunku, podobnie jak w przypadku konwencjonalnej powierzchni sterowej, ale w przeciwieństwie do powierzchni sterowej siła ciągu wektorowego zależy od aktualnego ciągu silnika, a nie od prędkości lotu. W ten sposób wektorowanie ciągu nie tylko zwiększa prędkość powierzchni sterowych (zazwyczaj sterów wind), ale pozwala statkowi powietrznemu zachować maksymalną manewrowość poniżej prędkości narożnej i pewną kontrolę położenia poniżej prędkości przeciągnięcia podczas manewrów.
Demonstratory technologii, takie jak X-31 , F-16 VISTA i F-15 S/MTD, zostały zbudowane w celu zaprezentowania możliwości samolotu wykorzystującego tę technologię; od tego czasu został włączony do myśliwców przedprodukcyjnych i produkcyjnych, takich jak F-22 Raptor . Firmy projektowe z Bloku Wschodniego wprowadziły tę technologię również do wariantów samolotów czwartej generacji, takich jak MiG-29 i Su-27, aby wyprodukować demonstrator technologii MiG-29OVT i Su-30MKI myśliwiec przewagi powietrznej oraz planowane rosyjskie samoloty piątej generacji, takie jak Suchoj Su-57, również będą korzystać z tej technologii. Ponadto krajowe rosyjskie myśliwce Su-30 zostaną zmodernizowane w silniki z wektorowaniem ciągu.
Wektorowanie ciągu jest najbardziej przydatne podczas wykonywania manewrów, takich jak powietrzny zakręt w kształcie litery J , w którym dziób samolotu jest skierowany do góry (a zatem ciąg silnika przeciwdziała grawitacji, a także zapewnia kontrolę położenia). Ogólnie uważa się, że wykonanie prawdziwego manewru zwrotu w J bez ciągu wektorowego jest niemożliwe. Inne manewry, które są uważane za niemożliwe do wykonania pod kontrolą przy użyciu wyłącznie manewrów aerodynamicznych, obejmują Bell (pętla 360 ° z pomijalną zmianą wysokości) i kontrolowany płaski obrót (odchylenie o 360 ° wokół punktu obrotu znajdującego się wewnątrz samolotu). [ potrzebne źródło ]
Ocena
Piloci mogą pochylać dzioby supermanewrowych samolotów do ekstremalnych kątów pochylenia (nawet 70 stopni), co pozwala im potencjalnie zyskać przewagę, będąc w stanie namierzyć cel i strzelać do niego, ale kosztem wysokości i /lub prędkość samolotu. Kwantyfikacja takiej potencjalnej przewagi za pomocą metryk nie była tak naprawdę możliwa na początku lat 90. - tradycyjne metryki, takie jak wykresy chwilowej lub trwałej prędkości skrętu, nie uwydatniały różnic, które piloci opisywali podczas latania takimi samolotami.
W latach 90. przeprowadzono kilka projektów badawczych, a jeden w szczególności zatytułowany „Ocena osiągów samolotów myśliwskich wykorzystujących zaawansowane technologie” autorstwa Antony'ego Kutschery nie tylko dokonał przeglądu przydatności istniejących miar do pomiaru skutków supermanewrowości, ale także opracował nowy metryka do ilościowego określania zalet i wad podczas lotu. Nowa metryka pozwala na ilościową ocenę samolotu, w kategoriach, które zarówno projektanci, piloci, jak i taktycy mogą łatwo zrozumieć, w przeciwieństwie do wielu nowszych metryk, które łączyły istniejące metryki w celu opracowania „magicznych” liczb, które mają niewielkie znaczenie. [ wymagane wyjaśnienie ]
| Manewry | |
|---|---|
| Tematy | |
