Сверхманевренность — это способность истребителей выполнять тактические маневры, которые невозможны с помощью чисто аэродинамических методов. Такие маневры могут включать контролируемое боковое скольжение или углы атаки, превышающие максимальную подъемную силу. [1]
Эта возможность исследовалась начиная с 1975 года в Исследовательском центре Лэнгли в США и в конечном итоге привела к разработке McDonnell Douglas F-15 STOL/MTD в качестве доказательства концептуального самолета. Saab 35 Draken был еще одним ранним самолетом с ограниченными сверхманевренными возможностями.
В 1983 году МиГ-29, а в 1986 году Су-27 были развернуты с этой возможностью, которая с тех пор стала стандартной для всех российских самолетов четвертого и пятого поколений. Были некоторые предположения, но механизм сверхманевренности самолета российского производства публично не разглашается. Однако в последние годы все чаще используются анализы после сваливания для повышения маневренности за счет использования сопел двигателя с регулируемым вектором тяги . [2]
Российский акцент на сверхманевренности на малых скоростях ближнего действия противоречит западной теории энергии и маневренности , которая выступает за сохранение кинетической энергии для получения все более лучшего набора вариантов маневрирования, чем дольше длится бой. [3] ВВС США отказались от этой концепции как контрпродуктивной для боев с BVR , поскольку маневр «Кобра» оставляет самолет в состоянии, близком к нулевой энергии, теряя большую часть своей скорости без набора какой-либо компенсирующей высоты при этом. За исключением боев 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 можно комбинировать, например, в «рулях направления» конфигурации с V-образным хвостовым оперением , но основные свойства при этом не затрагиваются. Когда поверхность управления перемещается под углом к встречному потоку воздуха, она изменяет поток воздуха вокруг поверхности, меняя распределение давления и, таким образом, создавая момент тангажа, крена или рыскания самолета.
Угол отклонения поверхности управления и возникающая в результате направленная сила, действующая на самолет, контролируются как пилотом, так и встроенными системами управления самолетом для поддержания желаемого положения , такого как тангаж, крен и курс, а также для выполнения фигур высшего пилотажа, которые быстро меняют положение самолета. отношение. Для сохранения традиционного управления маневрированием самолет должен поддерживать достаточную скорость движения вперед и достаточно низкий угол атаки , чтобы обеспечить поток воздуха над крыльями (поддержание подъемной силы), а также над его поверхностями управления.
По мере уменьшения воздушного потока снижается эффективность рулей и, следовательно, маневренность. Если угол атаки превысит критическое значение, самолет заглохнет . Пилотов обучают избегать сваливания во время фигур высшего пилотажа и особенно в бою, поскольку сваливание может позволить противнику занять выгодную позицию, в то время как пилот заглохшего самолета пытается восстановиться.
Скорость, на которой самолет способен проявлять максимальную аэродинамическую маневренность, известна как угловая воздушная скорость ; при любой большей скорости поверхности управления не могут работать с максимальной эффективностью либо из-за напряжений в корпусе самолета , либо из-за нестабильности, вызванной турбулентным потоком воздуха над поверхностью управления. На более низких скоростях перенаправление воздуха над поверхностями управления и, следовательно, сила, прикладываемая для маневрирования самолета, уменьшаются ниже максимальной мощности планера, и, следовательно, самолет не будет поворачивать с максимальной скоростью. Поэтому при пилотаже 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 на маневры, невозможные при чисто аэродинамической схеме. В последнее время более широкое использование беспилотных летательных аппаратов с реактивными двигателями и приборами («исследовательские дроны») увеличило потенциальный угол атаки, превышающий 90 градусов, и значительно расширило область безопасного полета после сваливания, а также заменило некоторые традиционные способы использования. аэродинамических труб. [2]
Не существует строгого набора правил, которым должен соответствовать самолет или характеристик, которыми он должен обладать, чтобы его можно было классифицировать как сверхманевренный. Однако, поскольку определяется сама сверхманевренность, способность самолета выполнять маневры с высоким альфа-фактором , которые невозможны для большинства самолетов, является свидетельством сверхманевренности самолета. К таким маневрам относятся « Кобра Пугачева» и маневр Хербста (также известный как «J-разворот»).
Некоторые самолеты способны выполнять «Кобру Пугачева» без помощи функций, которые обычно обеспечивают маневрирование после сваливания, таких как управление вектором тяги . Было документально подтверждено , что усовершенствованные истребители четвертого поколения, такие как Су-27 , МиГ-29 и их варианты, способны выполнять этот маневр с использованием обычных двигателей без векторной тяги. Способность этих самолетов выполнять этот маневр основана на присущей им нестабильности, как и у F-16 ; Семейства самолетов МиГ-29 и Су-27 рассчитаны на желательное поведение после сваливания . Таким образом, при выполнении маневра типа «Кобры Пугачева» самолет сваливается по мере подъема носа и отрыва потока воздуха от крыла, но, естественно, пикирует вниз даже из частично перевернутого положения, что позволяет пилоту восстановить полный контроль.
«Кобра», выполняемая самолетами без вектора тяги, по-прежнему зависит от самолета, движущегося в воздухе; однако он затрагивает не аэродинамические поверхности самолета и нормальный ламинарный поток воздуха, а скорее весь планер как твердую форму, движущуюся в воздухе, и его центр тяжести относительно вектора тяги. Выполняемый в условиях, выходящих далеко за рамки нормального аэродинамического контроля, и в условиях сваливания без изменения вектора тяги, это форма пассивной сверхманевренности, возможная из-за конструкции самолета, а не из-за вектора тяги, что дает возможность активно управлять самолетом, выходя за пределы нормального. конверт полета.
Однако считается, что маневр Хербста невозможен без изменения вектора тяги , поскольку «J-разворот» требует полукрена в дополнение к тангажу во время сваливания самолета, что невозможно с использованием обычных рулей. Кобра Пугачева может быть выполнена с меньшим изменением высоты, если используется векторная тяга, поскольку самолет можно заставить двигаться гораздо быстрее, вызывая как сваливание до того, как самолет значительно наберет высоту, так и восстановление горизонтального положения до того, как высота будет потеряна.
Хотя, как уже упоминалось выше, сверхманевренный самолет не определяется в явном виде никаким фиксированным набором характеристик, практически все самолеты, считающиеся сверхманевренными, имеют большинство общих характеристик, которые способствуют маневренности и управлению сваливанием.
Классический воздушный бой начинается на высокой скорости, но если вы промахнетесь с первого выстрела (а такая вероятность есть, поскольку есть маневры по уклонению от ракет), бой будет более продолжительным. После маневрирования самолет будет двигаться с меньшей скоростью, но оба самолета могут оказаться в положении, из которого они не смогут стрелять. Но сверхманевренность позволяет самолету за три секунды развернуться и сделать еще один выстрел. [4]
— Сергей Богдан, главный летчик-испытатель Сухого
Ключевое отличие чисто аэродинамического истребителя от сверхманевренного обычно заключается в его послестопорных характеристиках. Сваливание, как уже говорилось, происходит, когда поток воздуха над верхней частью крыла отрывается из-за большого угла атаки (это может быть вызвано низкой скоростью, но его прямая причина основана на направлении воздушного потока, контактирующего с крылом). крыло); Тогда профиль теряет свой основной источник подъемной силы и не будет поддерживать самолет до тех пор, пока не восстановится нормальный поток воздуха через верхнюю часть крыла.
В поведении самолета в сваливании можно наблюдать основное отличие аэродинамической маневренности от сверхманевренности. В сваливании традиционные поверхности управления, особенно элероны, практически не имеют возможности изменить положение самолета. Большинство самолетов спроектированы так, чтобы быть устойчивыми и легко восстанавливаемыми в такой ситуации; самолет наклонится 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 могут столкнуться с глубоким сваливанием . Конструкция самолета будет препятствовать или предотвращать уменьшение угла атаки для восстановления воздушного потока. У F-16 есть этот недостаток, отчасти из-за его электродистанционного управления, которое при определенных обстоятельствах ограничивает возможность пилота направить нос самолета вниз, чтобы уменьшить угол атаки и восстановиться. [6] Для сверхманевренного самолета нежелательны ни резкое снижение тангажа, 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 сильно сваливаться (что позволяет пилоту быстро выйти из него) и будет восстанавливаться предсказуемо и благоприятно (в идеале - для горизонтального полета; более реалистично - для столь мелкого положения носа вниз, 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 малой полосе высот, которая превосходит возможности чистого аэродинамического маневрирования.
Ключевой особенностью сверхманевренных истребителей является высокая тяговооруженность; то есть сравнение силы, создаваемой двигателями, с весом самолета, который представляет собой силу тяжести, действующую на самолет. Обычно это желательно для любого пилотажного самолета, поскольку высокая тяговооруженность позволяет самолету быстро восстанавливать скорость после маневра с большой перегрузкой. В частности, отношение тяги к массе более 1:1 является критическим порогом, поскольку оно позволяет самолету сохранять и даже набирать скорость при пикировании; такой набор высоты основан на чистой мощности двигателя без какой-либо подъемной силы, создаваемой крыльями для противодействия гравитации, и стал решающим для пилотажных маневров в вертикальной плоскости (которые, в свою очередь, необходимы для воздушного боя).
Высокая тяговооруженность необходима для сверхманевренных истребителей, поскольку она не только позволяет избежать многих ситуаций, в которых самолет может свалиться (например, во время маневров вертикального набора высоты), но и когда самолет все-таки сваливается, высокая тяговооруженность позволяет пилоту резко увеличить скорость движения даже при наклоне самолета носом вниз; это уменьшает угол, который нос должен наклонить вниз, чтобы соответствовать вектору скорости, что позволяет быстрее выйти из сваливания. Это позволяет контролировать киоски; пилот намеренно остановит самолет с помощью жесткого маневра, а затем быстро восстановится за счет высокой мощности двигателя.
Начиная с конца четвертого поколения и вплоть до поколения 4.5 разработки самолетов, прогресс в эффективности и мощности двигателей позволил многим истребителям приблизиться и превысить тяговооруженность 1:1. Большинство нынешних и планируемых истребителей пятого поколения превысят этот порог.
Несмотря на то, что истинная сверхманевренность выходит за рамки того, что возможно при чистом аэродинамическом управлении, технологии, которые позволяют самолету достичь сверхманевренности, основаны на том, что в остальном является традиционной конструкцией с аэродинамическим управлением. Таким образом, высокоманевренная за счет традиционной аэродинамики конструкция является необходимой основой сверхманевренного истребителя.
Такие особенности, как большие поверхности управления, которые обеспечивают большую силу при меньшем изменении угла от нейтрального положения, что сводит к минимуму разделение воздушного потока, конструкция подъемного корпуса , включающая использование тяг , которые позволяют фюзеляжу самолета создавать подъемную силу в дополнение к подъемной силе его крыльев, и Конструкция с низким лобовым сопротивлением, особенно уменьшающая сопротивление на передних кромках самолета, таких как носовой обтекатель, крылья и воздухозаборники двигателя, - все это имеет важное значение для создания высокоманевренного самолета.
Некоторые конструкции, такие как F-16 (который в нынешней серийной форме считается высокоманевренным, но сверхманевренным считается только демонстратор технологий F-16 VISTA ) по своей сути нестабильны; то есть самолет, если он полностью неуправляем, не будет иметь тенденцию возвращаться к горизонтальному и стабильному полету после возмущения, как это делает устойчивая конструкция. Такие конструкции требуют использования электродистанционной системы, в которой компьютер корректирует незначительные нестабильности, а также интерпретирует действия пилота и манипулирует поверхностями управления для достижения желаемого поведения, не вызывая потери управления. С учетом этой поправки на нестабильность конструкции самолет становится очень маневренным; Свободная от самоограничивающегося сопротивления, которое стабильная конструкция оказывает желаемым маневрам, намеренно нестабильная конструкция способна развивать 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 для обеспечения очень незначительных изменений положения, но часто они используются в качестве дополнения или полной замены хвостовых стабилизаторов .
Теория, лежащая в основе «утка» как единственной поверхности руля высоты, заключается в том, что ни одна конфигурация руля высоты за крыльями не является действительно удовлетворительной для целей маневрирования; поток воздуха над крыльями создает турбулентность, пусть и небольшую, 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 боеприпасов под крылом.
Оригинальное решение таких проблем, Т-образное хвостовое оперение , было в значительной степени дискредитировано как склонное к опасным «глубоким сваливаниям». Другие решения, такие как V-образное оперение, выводят комбинированные поверхности руля направления и руля высоты из воздушного потока крыльев, но снижают эффективность поверхности управления по осям чистого тангажа и рыскания.
В качестве дополнения к традиционным рулям высоты, «утка» значительно увеличивает площадь поверхности управления и часто увеличивает критический угол атаки крыльев, поскольку «утка» направляет воздух более непосредственно к передней кромке крыла. Они также могут быть спроектированы для независимой работы (т. е. вращения в противоположных направлениях), таким образом также действуя как элероны .
Утки не являются обязательными и могут иметь недостатки, включая меньшую видимость для пилота, повышенную механическую сложность и хрупкость, а также повышенную радиолокационную заметность, хотя поперечное сечение радара можно уменьшить, управляя отклонением утки с помощью программного обеспечения управления полетом, как это сделано на Eurofighter. [7] [8] F-22, например, не имеет переднего оперения, в основном из соображений малозаметности. Единственным истребителем-невидимкой, оснащенным «утками», является J-20 .
_(cropped).jpg/1280px-J-20_fighter_(44040541250)_(cropped).jpg)
В серийном Су-35 также отсутствует оперение. Многие демонстраторы технологий и испытательные стенды маневренности, такие как F-15 S / MTD, имели утки, даже если серийные самолеты, на которых они базировались, этого не сделали. Серийные истребители, такие как Eurofighter Typhoon , Dassault Rafale и Saab Gripen , используют конфигурацию треугольного крыла с утком, в то время как некоторые варианты Су-27, включая Су-30, Су-30МКИ, Су-33 и Су-37, используют переднее оперение. в дополнение к традиционным хвостовым рулям высоты.
Хотя высокая тяговооруженность и высокая аэродинамическая маневренность присущи как аэродинамическим, так и сверхманевренным самолетам, технология, наиболее непосредственно связанная со сверхманевренностью, — это вектор тяги , при котором геометрия выхлопного сопла традиционного реактивного двигателя может быть изменена для измените угол тяги двигателя в направлении, отличном от прямого назад (т. е. вверх или вниз).
Это прикладывает силу к задней части самолета в противоположном направлении, как и на обычной поверхности управления, но в отличие от поверхности управления сила векторной тяги зависит от текущей тяги двигателя, а не от воздушной скорости. Таким образом, вектор тяги не только увеличивает поверхности управления (обычно рули высоты) на скорости, но позволяет самолету сохранять максимальную маневренность ниже угловой скорости и некоторый контроль ориентации 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 самолетов, использующих эту технологию; с тех пор он был включен в предсерийные 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, для производства технологического демонстратора МиГ-29ОВТ и истребителя завоевания превосходства в воздухе Су-30МКИ соответственно, а также запланированного российского пятого поколения. разработанные самолеты, такие как Су-57, также будут использовать эту технологию. Кроме того, отечественные российские истребители Су-30 будут модернизированы двигателями с регулируемым вектором тяги. [9]
Управление вектором тяги наиболее полезно при выполнении маневров, таких как J-образный разворот в воздухе , когда нос самолета направлен вверх (и, таким образом, тяга двигателя противодействует силе тяжести, а также обеспечивает управление ориентацией). Фактически считается невозможным выполнить настоящий маневр J-образного поворота без векторной тяги. Другие маневры, которые считается невозможным выполнить под контролем, используя только аэродинамическое маневрирование, включают «Колокол» (петля на 360 ° с незначительным изменением высоты) и управляемое плоское вращение (рыскание на 360 ° вокруг точки вращения, находящейся внутри самолета). [ нужна цитата ]
альтернативный ISBN 3-540-97161-0.