Сверхманевренность — это способность истребителей выполнять тактические маневры, которые невозможны с использованием чисто аэродинамических методов. Такие маневры могут включать контролируемое боковое скольжение или углы атаки за пределами максимальной подъемной силы. [1]
Эта возможность была исследована в 1975 году в исследовательском центре Лэнгли в США и в конечном итоге привела к разработке McDonnell Douglas F-15 STOL/MTD в качестве концептуального самолета. Saab 35 Draken был еще одним ранним самолетом с ограниченными сверхманевренными возможностями.
В 1983 году МиГ-29 и в 1986 году Су-27 были развернуты с этой возможностью, которая с тех пор стала стандартной для всех российских самолетов четвертого и пятого поколения. Были некоторые предположения, но механизм, лежащий в основе сверхманевренности самолетов российского производства, публично не раскрывался. Тем не менее, анализы после сваливания все чаще использовались в последние годы для улучшения маневренности посредством использования сопел двигателей с вектором тяги . [2]
Русский акцент на сверхманевренности на малых скоростях на близком расстоянии противоречит западной теории энергетической маневренности , которая отдает предпочтение сохранению кинетической энергии для получения все более лучшего набора вариантов маневрирования по мере того, как длится сражение. [3] ВВС США отказались от этой концепции как от контрпродуктивной для сражений BVR , поскольку маневр Cobra оставляет самолет в состоянии почти нулевой энергии, теряя большую часть своей скорости без набора какой-либо компенсирующей высоты в процессе. За исключением сражений один на один, это делает самолет очень уязвимым как для ракетных, так и для артиллерийских атак ведомого или другого противника, даже если первоначальная угроза пролетает мимо сверхманевренного самолета.
.jpg/1280px-Two_F-22A_Raptor_in_column_flight_-_(Noise_reduced).jpg)
Традиционное маневрирование самолета осуществляется путем изменения потока воздуха, проходящего через поверхности управления самолета — элероны , рули высоты , закрылки , воздушные тормоза и руль направления . Некоторые из этих поверхностей управления могут быть объединены — например, в «руль направления» конфигурации V-образного хвоста — но основные свойства не изменяются. Когда поверхность управления перемещается, чтобы представить угол к набегающему потоку воздуха, она изменяет поток воздуха вокруг поверхности, изменяя распределение давления и, таким образом, прикладывая к самолету момент тангажа, крена или рыскания.
Угол отклонения поверхности управления и результирующая направленная сила на самолете контролируются как пилотом, так и встроенными системами управления самолета для поддержания желаемого положения , такого как тангаж, крен и курс, а также для выполнения фигур высшего пилотажа, которые быстро изменяют положение самолета. Для поддержания традиционного управления маневрированием самолет должен поддерживать достаточную поступательную скорость и достаточно малый угол атаки , чтобы обеспечить поток воздуха над крыльями (сохраняя подъемную силу), а также над его поверхностями управления.
С уменьшением воздушного потока снижается эффективность управляющих поверхностей и, следовательно, маневренность. Если угол атаки превышает критическое значение, самолет свалится . Пилотов учат избегать сваливания во время выполнения фигур высшего пилотажа и особенно в бою, поскольку сваливание может позволить противнику занять выгодное положение, пока пилот свалившегося самолета пытается восстановиться.
Скорость, на которой самолет способен на максимальную аэродинамическую маневренность, называется угловой воздушной скоростью ; на любой большей скорости управляющие поверхности не могут работать с максимальным эффектом из-за напряжений в корпусе самолета или вызванной нестабильности от турбулентного воздушного потока над управляющей поверхностью. На более низких скоростях перенаправление воздуха над управляющими поверхностями, а следовательно, и сила, прикладываемая для маневрирования самолета, уменьшаются ниже максимальной мощности корпуса самолета, и, таким образом, самолет не будет поворачивать с максимальной скоростью. Поэтому при выполнении фигур высшего пилотажа желательно поддерживать угловую скорость.
В сверхманевренном самолете пилот может поддерживать высокую степень маневренности ниже угловой скорости и, по крайней мере, ограниченный контроль высоты без потери высоты ниже скорости сваливания. Такой самолет способен на маневры, которые невозможны при чисто аэродинамической конструкции. В последнее время возросшее использование реактивных, оснащенных приборами беспилотных летательных аппаратов («исследовательские дроны») увеличило потенциальный угол атаки, пригодный для полета, за пределы 90 градусов и в области безопасного полета после сваливания, а также заменило некоторые традиционные применения аэродинамических труб. [2]
Не существует строгого набора правил, которым должен соответствовать самолет, или характеристик, которые он должен иметь, чтобы быть классифицированным как сверхманевренный. Однако, как сама сверхманевренность определяется, способность самолета выполнять высокие альфа- маневры, которые невозможны для большинства самолетов, является свидетельством сверхманевренности самолета. К таким маневрам относятся «Кобра» Пугачева и маневр Хербста (также известный как «J-turn»).
Некоторые самолеты способны выполнять «Кобру Пугачева» без помощи функций, которые обычно обеспечивают маневрирование после сваливания, таких как управление вектором тяги . Современные истребители четвертого поколения, такие как Су-27 , МиГ-29 и их модификации, были задокументированы как способные выполнять этот маневр с использованием обычных двигателей без управления вектором тяги. Способность этих самолетов выполнять этот маневр основана на присущей им неустойчивости, как у F-16 ; семейства реактивных самолетов МиГ-29 и Су-27 разработаны для желаемого поведения после сваливания . Таким образом, при выполнении маневра, такого как «Кобра Пугачева», самолет будет сваливаться, поскольку нос поднимается вверх, а воздушный поток над крылом отделяется, но естественным образом опускается носом вниз даже из частично перевернутого положения, позволяя пилоту восстановить полный контроль.
Cobra, выполняемая самолетом без вектора тяги, по-прежнему зависит от самолета, движущегося в воздухе; однако она не задействует аэродинамические поверхности самолета и нормальный ламинарный поток воздуха, а скорее весь планер как твердую форму, движущуюся в воздухе, и его центр тяжести по отношению к вектору тяги. Выполняясь в условиях, далеко выходящих за рамки обычного аэродинамического контроля и в условиях сваливания без вектора тяги, это форма пассивной сверхманевренности, возможная из-за конструкции самолета, а не из-за вектора тяги, что обеспечивает способ активного управления самолетом далеко за пределами нормального диапазона полета.
Однако считается, что маневр Хербста невозможен без управления вектором тяги , поскольку «J-turn» требует полубочки в дополнение к тангажу, пока самолет находится в состоянии сваливания, что невозможно при использовании обычных поверхностей управления. «Кобра» Пугачева может быть выполнена с меньшим изменением высоты, если используется управление вектором тяги, поскольку самолет может быть настроен на тангаж гораздо быстрее, как вызывая сваливание до того, как самолет значительно наберет высоту, так и восстанавливая горизонтальное положение до того, как высота будет потеряна.
Хотя, как уже упоминалось, не существует фиксированного набора характеристик, однозначно определяющих сверхманевренный самолет, практически все самолеты, считающиеся сверхманевренными, имеют большинство общих характеристик, которые способствуют маневренности и контролю сваливания.
Классический воздушный бой начинается на высокой скорости, но если вы промахнетесь с первого выстрела — а вероятность этого есть, поскольку существуют маневры, позволяющие избежать ракет — бой будет более продолжительным. После маневрирования самолет будет иметь меньшую скорость, но оба самолета могут оказаться в положении, когда они не смогут стрелять. Но сверхманевренность позволяет самолету развернуться в течение трех секунд и сделать еще один выстрел. [4]
— Сергей Богдан, главный летчик-испытатель ОКБ Сухого
Ключевое различие между чисто аэродинамическим истребителем и сверхманевренным обычно заключается в его характеристиках после сваливания . Сваливание, как уже упоминалось, происходит, когда поток воздуха над верхней частью крыла отделяется из-за большого угла атаки (это может быть вызвано низкой скоростью, но его прямая причина основана на направлении воздушного потока, контактирующего с крылом); тогда аэродинамический профиль теряет свой основной источник подъемной силы и не будет поддерживать самолет, пока нормальный поток воздуха не восстановится над верхней частью крыла.
Поведение самолета в сваливании — это то, где можно наблюдать основное различие между аэродинамической маневренностью и сверхманевренностью. В сваливании традиционные поверхности управления, особенно элероны, имеют мало или вообще не имеют возможности изменить положение самолета. Большинство самолетов спроектированы так, чтобы быть устойчивыми и легко восстанавливаться в такой ситуации; самолет будет наклоняться носом вниз, так что угол атаки крыльев уменьшится, чтобы соответствовать текущему направлению самолета (технически известному как вектор скорости), восстанавливая нормальный поток воздуха над крыльями и поверхностями управления и обеспечивая управляемый полет. [5]
Однако некоторые самолеты будут впадать в глубокий свал . Конструкция самолета будет препятствовать или предотвращать уменьшение угла атаки для восстановления воздушного потока. У F-16 есть этот недостаток, отчасти из-за его управления по проводам, которое при определенных обстоятельствах ограничивает возможность пилота направлять нос самолета вниз для уменьшения угла атаки и восстановления. [6] Ни экстремальный сваливание, ни глубокий сваливание не желательны для сверхманевренного самолета.
Сверхманевренный самолет позволяет пилоту сохранять хотя бы некоторый контроль, когда самолет сваливается, и быстро восстанавливать полный контроль. Это достигается в значительной степени за счет проектирования самолета, который является высокоманевренным, но не будет глубоко сваливаться (что позволяет пилоту быстро восстановиться) и будет восстанавливаться предсказуемо и благоприятно (в идеале до горизонтального полета; более реалистично до как можно более низкого положения носом вниз). Затем к этой конструкции добавляются функции, которые позволяют пилоту активно управлять самолетом во время сваливания и сохранять или восстанавливать прямой горизонтальный полет в чрезвычайно малом диапазоне высот, который превосходит возможности чистого аэродинамического маневрирования.
Ключевой особенностью сверхманевренных истребителей является высокое отношение тяги к весу; то есть сравнение силы, создаваемой двигателями, с весом самолета, который является силой тяжести на самолете. Это, как правило, желательно для любого пилотажного самолета, так как высокое отношение тяги к весу позволяет самолету быстро восстанавливать скорость после маневра с высокой перегрузкой. В частности, отношение тяги к весу больше 1:1 является критическим порогом, так как оно позволяет самолету поддерживать и даже набирать скорость в положении с поднятым носом; такой подъем основан на чистой мощности двигателя, без какой-либо подъемной силы, обеспечиваемой крыльями для противодействия гравитации, и стал решающим для пилотажных маневров на вертикали (которые, в свою очередь, необходимы для воздушного боя).
Высокая тяга к весу имеет важное значение для сверхманевренных истребителей, поскольку она не только позволяет избежать многих ситуаций, в которых самолет может свалиться (например, во время вертикальных подъемных маневров), но и когда самолет все же сваливается, высокая тяга к весу позволяет пилоту резко увеличить скорость движения, даже когда самолет наклоняется носом вниз; это уменьшает угол, на который нос должен наклониться вниз, чтобы соответствовать вектору скорости, тем самым быстрее выходя из сваливания. Это позволяет контролировать сваливание; пилот намеренно сваливает самолет с помощью жесткого маневра, а затем быстро восстанавливается с помощью высокой мощности двигателя.
Начиная с конца четвертого поколения и вплоть до поколения 4.5 развития самолетов, достижения в эффективности и мощности двигателей позволили многим истребителям приблизиться и превзойти соотношение тяги к весу 1:1. Большинство нынешних и планируемых истребителей пятого поколения превзойдут этот порог.
Хотя настоящая сверхманевренность лежит за пределами того, что возможно при чистом аэродинамическом управлении, технологии, которые выводят самолеты на сверхманевренный уровень, основаны на том, что в противном случае является обычной аэродинамически контролируемой конструкцией. Таким образом, конструкция, которая является высокоманевренной с точки зрения традиционной аэродинамики, является необходимой основой для сверхманевренного истребителя.
Такие особенности, как большие поверхности управления, которые обеспечивают большую силу при меньшем угловом изменении от нейтрального положения, что минимизирует разделение воздушного потока, конструкция несущего корпуса , включающая использование поясов , которые позволяют фюзеляжу самолета создавать подъемную силу в дополнение к подъемной силе крыльев, и конструкция с низким сопротивлением, в частности, уменьшающая сопротивление на передних кромках самолета, таких как носовой обтекатель, крылья и воздухозаборники двигателей, имеют решающее значение для создания высокоманевренного самолета.
Некоторые конструкции, такие как F-16 (который в текущей форме производства считается высокоманевренным, но только технический демонстратор F-16 VISTA считается сверхманевренным) спроектированы так, чтобы быть изначально нестабильными; то есть самолет, если он полностью неуправляем, не будет стремиться вернуться к ровному, устойчивому полету после возмущения, как это делает изначально стабильная конструкция. Такие конструкции требуют использования системы «управления по проводам», где компьютер корректирует незначительные нестабильности, а также интерпретирует ввод пилота и манипулирует поверхностями управления для получения желаемого поведения, не вызывая потери управления. Таким образом, скорректированная нестабильность конструкции создает самолет, который является высокоманевренным; свободный от самоограничивающего сопротивления, которое стабильная конструкция обеспечивает желаемым маневрам, намеренно нестабильная конструкция способна на гораздо более высокие скорости поворота, чем это было бы возможно в противном случае.
Утка — это поверхность управления рулем высоты, расположенная перед крыльями. Иногда, как в случае с B-1B , они просто используются для стабилизации гибких частей фюзеляжа или обеспечивают очень незначительные изменения положения, но часто они используются как дополнение или полная замена хвостовых стабилизаторов .
Теория, лежащая в основе утков как единственной поверхности руля высоты, заключается в том, что никакая конфигурация руля высоты позади крыльев не является по-настоящему удовлетворительной для целей маневрирования; воздушный поток над крыльями создает турбулентность, какой бы небольшой она ни была, и таким образом влияет на рули высоты, расположенные непосредственно за крыльями. Размещение под крыльями (обычное для многих истребителей) подвергает рули высоты еще большей турбулентности от подкрыльевых боеприпасов.
Первоначальное решение таких проблем, T-образное оперение , было в значительной степени дискредитировано из-за склонности к опасным «глубоким срывам». Другие решения, такие как V-образное оперение , помещают комбинированные поверхности руля направления и высоты из воздушного потока крыльев, но снижают эффективность поверхности управления в чистых осях тангажа и рыскания.
В качестве дополнения к традиционным рулям высоты, утки значительно увеличивают площадь поверхности управления и часто увеличивают критический угол атаки крыльев, поскольку утка направляет воздух более непосредственно к передней кромке крыла. Они также могут быть спроектированы для работы независимо (т. е., для вращения в противоположных направлениях), таким образом, также действуя как элероны .
Утки не являются обязательными и могут иметь недостатки, включая ухудшение видимости пилота, повышенную механическую сложность и хрупкость, а также повышенную радиолокационную сигнатуру, хотя эффективную площадь поперечного сечения радара можно уменьшить, управляя отклонением уток с помощью программного обеспечения управления полетом, как это сделано на Eurofighter. [7] [8] Например, F-22 не включает утки, в основном из соображений скрытности. Единственный истребитель-невидимка, который включает утки, — это J-20 .
_(cropped).jpg/1280px-J-20_fighter_(44040541250)_(cropped).jpg)
Серийный Су-35 также не имеет утков. Многие демонстраторы технологий и испытательные стенды маневренности, такие как F-15 S/MTD, включали утки, даже когда серийные самолеты, на которых они были основаны, не имели их. Все серийные истребители, такие как Eurofighter Typhoon , Dassault Rafale и Saab Gripen, используют конфигурацию дельтавидного крыла с поверхностями утков, 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.
Хотя высокое отношение тяги к массе и высокая аэродинамическая маневренность присущи как аэродинамическим, так и сверхманевренным самолетам, технология, наиболее непосредственно связанная со сверхманевренностью, — это управление вектором тяги , при котором геометрия выхлопного сопла традиционного реактивного двигателя может быть изменена для наклона тяги двигателя в направлении, отличном от прямого направления назад (т. е. вверх или вниз).
Это прикладывает силу к задней части самолета в противоположном направлении, подобно обычной поверхности управления, но в отличие от поверхности управления сила от векторной тяги зависит от текущей тяги двигателя, а не от скорости полета. Таким образом, вектор тяги не только усиливает поверхности управления (обычно рулей высоты) на скорости, но и позволяет самолету сохранять максимальную маневренность ниже угловой скорости и некоторое управление положением ниже скорости сваливания во время маневров.
Демонстраторы технологий, такие как X-31 , F-16 VISTA и F-15 S/MTD, были построены для демонстрации возможностей самолета, использующего эту технологию; с тех пор она была внедрена в предсерийные и серийные истребители, такие как F-22 Raptor . Компании-разработчики Восточного блока также внедрили эту технологию в варианты самолетов четвертого поколения, такие как МиГ-29 и Су-27, чтобы произвести технологический демонстратор МиГ-29ОВТ и истребитель завоевания превосходства в воздухе Су-30МКИ соответственно, а также запланированные самолеты пятого поколения российской разработки, такие как Су-57, также будут использовать эту технологию. Кроме того, отечественные российские истребители Су-30 будут модернизированы двигателями с управляемым вектором тяги. [9]
Управление вектором тяги наиболее полезно при выполнении таких маневров, как воздушный J-разворот , когда нос самолета направлен вверх (и, таким образом, тяга двигателя противодействует гравитации, а также обеспечивает управление ориентацией). Обычно считается невозможным выполнить настоящий J-разворот без векторной тяги. Другие маневры, которые считаются невозможными для выполнения под контролем с использованием только аэродинамического маневрирования, включают Bell (петля на 360° с незначительным изменением высоты) и управляемый плоский штопор (360° рыскания вокруг точки вращения, которая находится внутри самолета). [ необходима цитата ]
альтернативный ISBN 3-540-97161-0.