text: NASA在第四代战斗机气动领域的早期探索（3）
  之前我们介绍过，超机动概念提出后，遭到传统机动维护者的反对，最后不得不将其合并在“敏捷性”概念中，也就是说，超机动并不是最求别人做不到的，或是不可思议的动作，而是要将能量、速度或角速度的变化加快到敌机无法反应的程度。
  这使得大迎角状态下的大迎角轴滚转成为热名课题。在敏捷性概念的发展初期，滚转率会被认为是检验一种飞机敏捷与否的判定基础，因为在高 G 转向中的滚转，可以让战斗机迅速转换到不同的平面，甩开或者攻击盘旋性能较好的飞机。但是大迎角轴滚转，同时包含轴滚转与偏航旋转的特性，使其足以取代作战飞机传统意义上的转向动作。
  上面我们曾经介绍过 F/A-18 HARV 的双机空战试验动作就是以大迎角滚转达到战机机头指向侧面敌机的目的。包括 X-29 在内的大迎角试验飞机，其滚转率可以达到 30~45 度/秒不等，片面转向率（偏航）可达 20~40 度/秒，而一般的喷气式战斗机瞬间最大的转向率只有 15~25 度/秒。
  F/A-18 HARV 的典型空战动作
  但是在 X-31 的试验中却发现，大迎角轴滚转的特性对缠斗中也有一定的帮助，因为它不像在进行俯仰面动作会继续增大迎角而超过控制系统的使用极限，而能够维持 50~70 度迎角范围内快速控制机头指向。发展到极致就成为“直升机旋转”，此时飞机像落叶一样随风旋转，飞行轨迹虽然向下不变，但机头与武器的指向却可以快速瞄准 360 度以内的敌机，试飞结果表明，即使经验有限的飞行员也很容易掌握这种机动动作，而不像其他机动那样需要协调迎角与速度轴的变化。
  完成空战动作的测试后，X-31 计划进入到了模拟空战阶段。在模拟空战中 X-31 的对手仍然是 F/A-18。与 HARV 不同的是 X-31 在推重比方面具有明显的优势，所以在马赫数 0.3~0.5 时 X-31 的持续机动转向性能要高于 F/A-18，而 F/A-18 则在瞬间转向方面全面领先。这一切都符合当初赫伯斯特的理想；“先以持续机动性设计战斗机，再以超机动扭转飞机的瞬间机动性能。”
  1994 年与 F/A-18A 伴飞飞机编队飞行的 X-31
  由于之前的电脑模拟显示过失速所提的敏捷性对空战时使用机炮的影响比较大，对导弹则完全不同。因为导弹射击时只有迎角限制的关系，因此模拟空战中只用机炮作为武器，飞机之间的交战距离一般由机炮的极限射程开始，然后快速进入机炮缠斗。从 1993 年 11 月~1994 年，在 X-31 与 F/A-18 之间进行了一系列的模拟空战，在 X-31 飞机不使用推力矢量技术与 F/A-18 飞机同向并行开始空中格斗的情况下，16 次交战中 F/A-18 赢了 12 次；而在 X-31 使用推力矢量技术时，66 次交战 X-31 赢了 64 次。
  在与 F/A-18 的模拟空战中 X-31 可谓大获全胜出尽了风头，而这些胜利都是仰仗大迎角状态下的滚轴机动。1994 年，X-31 被转移到美国空军的 422 测试中队与 F-15 和 F-16 进行空战训练，虽然 X-31 的超级机动性能在低速领域仍然没有敌手，但因为 F-15 和 F-16 的推重比比 F/A-18 高出许多，因此在局势不利的情况下，往往可以利用推重比高的优势爬升逃逸，或者利用高度差进行攻击。
  另一方面，矢量发动机与可变收敛喷口已经准备开始量产，可用改装到现役战斗机或安装到新一代的 F-22 战斗机上。美国对 X-31 的大迎角试验失去了兴趣，相反对战机的隐身性能的兴趣却与日俱增。1994 年美国国防部的“联合攻击战斗机”（JAST 也就是后来的 JSF）计划办公室资助 X-31 进行无尾翼控制研究。由于经费有限，美国航空航天总署（NASA）仅以控制软体来抵消垂直尾翼的作用，以矢量喷口来控制飞机的偏航，并完成了 1.2 马赫的试飞。
  X-31 无垂尾概念图，NASA PS
  在无尾翼试飞期间，1 号机因空速管结冰而失去控制坠毁，2 号机则在计划书结束后封存。1999 年，德国方面提议使用 X-31 进行短距离起降的研究，这时也是赫伯斯特所看中的未来战斗机最主要的三项指标之一。美国和德国重新启封 2 号机委托波音公司进行“带矢量推力的超短距起飞着陆控制和无尾飞行研究”（VECTOR），与第一阶段的 X-31 EFM（增强机动性战斗机）研究超机动性不同，VECTOR 研究推力矢量控制下的极短距起飞和着陆技术，研究成果可以应用在未来无人机项目上。VECTOR 由美国海军和波音公司，和德国联邦国防科技与采购办公室（BWB）、德国空军第 61 试验中心（WTD）、德国 EADS 军用飞机公司、德国航空研究局（DLR）飞行系统科技学院共同实施。不同于 F-15S/MTD 在滑行时使用的反向推力装置，VECTOR 计划纯粹利用了矢量喷口将迎角提高到了 40 度，而使降落速度由 160 节降低到 100 节。2004 年 4 月 X-31 VECTOR 在帕特森河海军航空站进行的试飞首次实现了自动、推力矢量控制的着陆，攻角达 24 度。目前该计划已经结束，2 号机已经被挪至德国的博物馆进行静态展示。
  VECTOR 阶段试飞的 X-31
  F-16/MATV
  F-16 多轴推力矢量计划（MATV）原先是由 GE（通用电气）GD（通用动力） 两家公司自筹资金研究的项目，目的在于为战隼研制推力矢量喷管。美国空军最初拒绝投资此项计划，于是 GE 和 GD 找到了以色列空军，以色列人表示了浓厚兴趣。以色列空军提供了一架 F-16D 用于实验，两家美国公司开始了改装工作。到 1991 年，美国空军赖特实验室参与了此项计划并表现得十分积极。遗憾的是，以色列空军于 1992 年退出，可能是看不到实用化的希望。此外，战术空军司令部也拿出一架 F-16D Block 30 给洛克西德.福特.沃斯公司用于改装成推力矢量验证机，称为变稳测试机（VISTA)）。1992 年这架飞机飞行了 5 次，由于缺乏资金后被封存。
  F-16/MATV 改装示意图
  1993 年 11 月里一系列独特空战拉开序幕。空战中没有规则限制，一些美国空军最好的飞行员在这里和世界上第一架装备多轴推力矢量控制发动机的 F-16 交手。他们的目的是测试推力矢量控制的技术效能和过失速机动。在早期的包线扩展和开发试飞中，采用多轴推力矢量控制技术的 F-16 已经给洛克希德和空军的试飞员留下了深刻印象。在 4 个月里，这种原本限制在 25 度迎角以下飞行的飞机，已经实现了无迎角限制飞行，可以完成眼镜蛇、J 转弯等机动以及类似直升机的动作。但这种能力是否具有真正意义的技术效能，则留待试飞计划的操作阶段来解决。
  F-16/MATV 尾部装有抗尾旋伞
  过失速机动的批评家认为，战斗机绝对不能进入低速状态。他们不顾敏捷性因素，认为落入低速就等同于靶机。支持者则争辩说，推力矢量提供了敏捷性优势，使得空战变得更慢。这类争论大部分都是理论上的。 这就是内利斯基地的第 422 试飞评估中队的飞行员被召来试飞 F-16/MATV 的原因。第 422 中队担负着为现役 F-16、F-15、A-10 和 F-4G 中队的新装备/系统进行试飞和发展战术的任务。在继爱德华兹基地（及少数来自其它试飞基地）的同僚完成了扩展试飞后，422 中队开始进行作战阶段试飞，这是他们最具代表性的任务。
  F-16/MATV 的多轴推力矢量喷管
  422 中队选择了两名 F-16 的顶尖飞行员，杰?皮尔松少校和吉姆?汉德森上尉，来操纵和对抗 F-16/MATV。皮尔松在 F-16 上飞行时间超过 2,400 小时。他在群山、卢克都飞过 F-16。包括几个正在进行的作战试飞履历在内，汉德森已经在 F-16 上飞行了 1,900 小时。他同时也是 F-16 的飞行教官。两名飞行员都毕业于以严格著称的美国空军战斗机武器学校。
  皮尔松和汉德森参与了早期计划阶段，当 F-16 联合试验队在爱德华兹基地完成了包线扩展试飞后，他们很快加入 F-16/MATV 试飞。联合试验队包括洛克希德、通用电气和美国空军的试飞员、工程师、机械员和技术员。在这些人和伟大的设计组成员的努力下，包线扩展阶段非常顺利，到进入作战试飞阶段时飞机没有受到任何限制。但在进行超出 I 类限制（迎角大于 25 度）的飞行时，422 中队的飞行员仍被要求将发动机推力保持在军用推力或更高。这样可以保持足够高的推力，当然也就保证了矢量分量。（在早期试飞计划中曾经做过将油门拉回慢车的试验，但除了推力矢量分量减小外并没有其它问题。）空战高度从通常的 10,000 英尺提高到 20,000 英尺，作为附加的安全措施，以保护这架尚在试验原型系统的飞机。
  F-16/MATV 在进行可控”眼镜蛇“机动
  422 中队飞行员轮流驾驶 MATV 飞机和扮演入侵者的飞机（422 中队的 F-16 Block32）。首先进行的是一对一空战。评估期间所采用的模拟武器是 F-16 的标准机炮（采用增大射程的 PGU-28 炮弹）、AIM-9M 和 AIM-120。整个评估过程中，422 中队的飞行员被鼓励飞出最高水平的基本战斗机动。交战中没有规避射击。其目的是为了在没有其它因素影响下，对矢量推力效能进行真实的检验。一对一空战分别验证了攻击态势、防御态势和中立（对头）态势。战斗开始速度从 435 节到 250 节，用较低的速度用于模拟一场已经经过了几个盘旋的战斗。
  F-16 已经拥有可怕的机动性。但矢量推力允许攻击方飞行员获得更快的攻击占位，也可以帮助飞行员避免一些常见错误如冲前或者角度滞后。入侵者仍然可以开火，但命中率要低得多，因为 F-16/MATV 比标准的 F-16 更加难以捉摸。此外，由于已经知道 F-16/MATV 可以进行过失速机动，使得攻击方飞行员感到要采取某些防御措施，因此改变了他的战术以防备来自推力矢量战斗机的真实的、或者预感到的威胁。
  三种矢量推力战斗机编队飞行
  在防御位置，推力矢量使得 F-16/MATV 可以生存更长时间。高速中立态势一对一交战显示，F-16 的限制器有一定好处。限制器使得飞行员在盘旋中可以保持飞机能量而免于进入过失速区（那里的阻力急剧增大）。如果 MATV 飞行员过早或在错误的时间进行过失速机动，他会很快减速，从而使入侵者获得优势。不过，推力矢量允许 F-16 使用飞行包线中正常迎角限制器到最大迎角的区域，以获得最大胜利（大约在 35 度迎角附近）。因此，相对 F-16，MATV 飞行员可以获得最大盘旋能力优势。
  在一对二交战中，422 中队派出戴夫?多德森上尉专门扮演入侵者。多德森在 F-16 上飞行时间超过 1,000 小时，这个背景使得他成为最可怕的对手。空战试验包括一系列和 F-15 的空战，以及和一架专用 F-5 以及一架 F-16 入侵者飞机交战。像皮尔松和汉德森一样，多德森也是毕业于美国空军战斗机武器学校。
  F-16/MATV 尾部细节
  在一对二交战中，汉德森专职扮演敌机对付 F-16/MATV，而皮尔松和汉德森则轮流担任敌机和 F-16/MATV 前座飞行员。他们三个共进行了 62 次一对二空战。在这些交战中，入侵者总是试图让僚机占据高位以便在战斗中获得优势——同时还根据战斗机战术手册进行交战。他们的策略是当 F-16/MATV 与其前方的入侵者交战时，从上方实施攻击。如果这种战术成功，将为批评家针对过失速机动的主要论点提供事实依据。这意味着，过失速机动所带来的任何优势都可能被对手数量上的优势所轻易克服。
  但真正的结果可能令这些批评家非常惊讶：MATV 飞机在这种不公平的交手中总是能坚持下去，并经常进行令人印象深刻的攻击性过失速机动，从而迫使敌机改变战术，或者减小相互支援以对付 MATV 飞机。尽管敌僚机一直试图占据高位，但 F-16/MATV 可以使用它的过失速机动能力获得开火机会，或者至少在继续和前方敌机交战前，给予高处的僚机以一定威胁。
  评估也显示，航炮（配备增大射程的 PGU-28 炮弹）是使用最多的武器，因为格斗中距离较近，反应时间较短。导弹仅仅在一部分时间里使用，其中大多数都是在标准迎角限制内开火。（大迎角导弹正在研制中。事实上，在几次飞行中，F-16/MATV 翼尖曾经挂上装有特殊设备的 AIM-9M，以收集在大迎角环境下作用到导弹上的振动和载荷数据。）
  422 中队飞行员的意见是：尽管推力矢量永远无法替代融会贯通的基本空战技巧在空战中的作用，但这种能力确实可以显著改善飞机的攻击力。 F-16 也从这种能力中获益。目前该机挂载导弹后的可用迎角已经从 15 度（不对称挂载导弹时）提高到最大升力系数迎角（35 度）甚至更高。但这种优势在试飞计划中并没有刻意强调。
  F-15 ACTIVE
  随着超机动技术与战术的日益成熟，制造商开始进行实际产品的研发。普惠公司开始矢量喷口的研发。通用电气公司和普惠公司首先进行了带俯仰推力矢量和反推力功能的二元喷管试验。后来，这两家公司在二元矢量喷管的经验基础上，根据各自的 F110 和 F100 发动机的特点研制了具有俯仰和偏航推力矢量能力的轴对称推力矢量喷管 AVEN 和 P/YBBN 并进行了试验。
  F-15S/MTD 换装了P/YBBN 喷口，开始了 ACTIVE 实验
  P/YBBN 主要是为了对现役战斗机进行改进，但在缺乏资金的情况下，普惠找到美国政府要求拨发研究经费。普惠与麦道公司合作的 F-15S/MTD 计划可以说是常规起降战斗机安装矢量喷口的先驱。但是随着苏联的解体，F-15 的短距起降功能已经显得不再那么重要了。因此 S/MTD 计划也就没了下文。普惠公司借机向 NASA 建议用 F-15S/MTD 作为试验机来测试 P/YBBN 喷口，该计划后来被称为“综合飞行器先进控制技术计划”（ACTIVE）。
  F-15 ACTIVE 所做的改动
  计划的研究重点是测试发动机喷口的飞行包线与发动机控制系统的最佳化。F-15 本身的大迎角机动性能并不突出，而试验飞机又被安装上了不少测试设备，因此官方并没兴趣将其投入到大迎角试验计划当中，只要求其测试对后机身气流的影响以及测试矢量喷口降低噪声的方法。
  大角度爬升中的 F-15 ACTIVE
  之前我们提到过方形的矢量喷口才是双发战斗机的最佳选择，圆形喷口之间的空隙会因发生干扰流场而产生噪音与阻力，因此 F-15 加上 P/YBBN 喷口肯定是效果有限。其主要目还是帮助制造厂商检测产品，制造厂商也表示该喷口具有双重电力液压控制回路，这表示该系统可以马上应用到单发战斗机上，而这才是 P/YBBN 喷口的主要市场。
  ACTIVE 于 1993 年开始，花费了近两年的时间进行相关系统设计与软件开发，地面试验于 1995 年开始进行，次年开始进行试飞。与以往的矢量喷口的研制不同的是，过去矢量喷口的研制主要集中在低速的起降或者大迎角领域，ACTIVE 则转向高速发展。1996 年 F-15ACTIVE 完成了超声速的俯仰与偏航的测试，并且在同年 10 月完成了将飞行速度扩展到马赫数 1.95，这些数据打破了之前矢量喷口研究领域的最高记录。
  P/YBBN 喷口的几种工作模式
  由于战斗机机翼在超音速飞行时可以产生数倍于自身重量的升力，虽然试验用的 F-15 发动机的推力并不大，但是 P/YBBN 喷口的好处是阻力相对较小，可以通过配平控制而降低巡航阻力，而对于无尾翼飞机而言，这更是唯一控制飞机偏航的方法。
  F-15ACTIVE 试验机于 1997 年开始进行“高稳定机动控制”（HISTEC）的研究，该计划是利用压力测量器探测压气机表面的气流扭曲现象，当发现压气机出现即将失速的即将是，就开启高速喷气阀门阻止气流失速。这个测试也没有进行多久，此后试验机又回去进行喷口与控制系统的相关测试，所有的试验工作直到 1998 年才结束。
  美国在矢量喷口的发展最终落实在了第四代战斗机的身上——F-22，这种战斗机采用方形发动机喷口，而在进行过失速的超机时的技巧也被用于进行未来飞行员的战术训练当中。然而机头涡流为何会不对称发生进而造成横向不稳定的现象仍然是有待技术人员解决的问题。在经历了大量的风洞试验后，技术人员仍然不能掌握这一问题的成因，不过现在已经知道如何对其进行控制，在未来的计划中，战机的垂直尾翼已经显得不再必要，可以去掉以降低飞机的雷达反射面积。