【空军】【海军】根深蒂固的误解(二)
另一个在中国论坛里被尊为共识的误解,技术性比较高些,亦即有关舰载机降落航母时的操作。这应该源自中国没有通用航空,评论者自己没有飞行经验,也听不懂真正飞行员的解释与纠正,於是以讹传讹,到最后大家把沉淀出来的错误论述当做真理。
这里我引用施洋的文章(参见https://www.toutiao.com/i6836148676574839299/)為典型。这倒不是因为他的水準低,刚好相反,正是因为他是很少数我愿意去读的军事类作者之一,而且很少犯错,所以才值得我花时间评论。
他説:“需要区分正反区的,主要是在飞机落地或者著舰的阶段。普通的陆基飞机在著陆时,使用的就是一般的正区操纵:飞行员依靠拉桿或推桿来修正高度…而当速度出现偏差时,飞行员则通过加减油门来进行调整。”
“因為舰载机著舰的时候需要有著舰位置的精确…反区操纵的关键,在於时刻维持飞机迎角的稳定,而对高度和轨蹟的调整则主要交给油门控制。”
用飞行员的语言来説,这是两种操作的方式:第一种是“Pitch for altitude,power for speed”,第二种刚好相反,是 “Pitch for speed,power for altitude”。问题在於最终进场(Final Approach)时应该使用哪一种,不是根据陆海差别,而是有其他的考虑。
要解释这个议题,我必须从Power Curve和Drag Polar讲起。首先请注意,如果不考虑左右转向,飞机的正常飞行有两个自由度:水平方向的空速(CAS,Calibrated Air Speed),以及垂直方向的升降率(Rate of Ascent/Descent)。而飞行员可用的输入也是两个自由度:控制引擎的油门(Power,单位是功率,又叫出力;或者Thrust,推力)和控制俯仰的操纵桿(Pitch)。如果我们限制升降率為零,也就是只考虑稳定平飞状态,那么对应著每一个空速值都有一组特定的Power/Pitch设定。暂时忽略Pitch,只看功率(Power)对速度(CAS)的函数,就是Power Curve,如下面第一张图,这来自一型叫做RV-6A的自建小飞机(Home-built)。
因为功率P=推力T*速度V,所以一旦有了PR(V)这个函数曲綫,很简单就可以得到T(V)= PR(V)/V的新函数。但是我们考虑的是稳定平飞,所以推力(Trust)必须刚好跟阻力(Drag)对消,於是D(V) 也等於 PR(V)/V可以接著被画出来(参见上面的第二张图),这个函数曲綫图叫做Drag Polar(虽然严格来説,Drag Polar指的是升力对阻力的函数,但是升力与速度的关係简单固定,所以阻力对速度的函数可以被当作是等价的)。一般因为螺旋桨引擎的油门所控制的是功率,所以适合用Power Curve来做分析;喷射引擎的油门则决定推力,必须改用Drag Polar。
Power Curve的最低值代表著剋服阻力所消耗的功率最小,而输出功率与燃料使用率成正比,所以也等於是燃料使用率最低,因此这个空速对应著最长滞空时间(Maximum Endurance)。Drag曲綫的最低点则代表著最小的阻力,阻力乘以距离是消耗掉的能量,既然一箱油所含的总能量是固定值,阻力小对应著距离长,所以这个空速是最大航程速度(Speed of Maximum Range)。如果飞机失去动力,必须紧急迫降,一般应该把速度定為Best Glide Speed(最佳滑翔速度);这里同样是在固定的总能量(这个情况下是重力位能)限制下,寻求最大航程,所以同样要求阻力最小,换句话説,最佳滑翔速度基本就是最大航程空速(必须忽略因引擎工作状态不同而造成的阻力函数变动)。因为平飞时,升力必须刚好抵消重力,这是个固定值,所以最小的阻力也对应著最大的升阻比(L/D),这个空速也可以叫做最大升阻比速度。
但是时间也是金钱,最大航程空速一般被认为在实用上太慢了,於是又定义了所谓的“Optimum Cruise Speed”(最佳巡航速度,又称Carson’s Speed),这是D(V)/V的最低值,本文用不到,所以读者无须细究,只要知道它代表著飞机的典型空速,气动外型主要是围绕著它来做优化,而且这个速度高於最大航程速度。
上图是同样的阻力对空速函数图,不过更仔细地把总阻力分解為Induced Drag(诱导阻力)和Parasite Drag(寄生阻力);前者与速度平方成反比,后者则与速度平方成正比,所以总阻力最小对应著诱导阻力和寄生阻力各半。阻力曲綫在最低值分界綫的两边有著不同的斜率:右边的斜率是正值,叫做“正区”(Area of positive command,或者Front Side of Power/Drag Curve);左边的斜率是负值,叫做“反区”(Area of Reverse Command, Back Side of Power/Drag Curve),反区的最左边是失速(Stall)綫。
前面曾提到,不考虑转弯的话,飞行轨跡有两个自由度:空速和升降率,而飞行员则依赖改变俯仰的攻角和引擎的油门来控制和修正轨跡。但是飞机对飞控输入的反应,在正区和反区是不同的。如果飞机处於平飞的稳定态,那么显然引擎的推力必须刚好抵消阻力;我们对这个阻力曲綫应该已经很熟悉了。至於攻角,则是沿著横轴从左到右随速度增加而递减的,这也是很直觉的简单事实。问题在於,当飞行员做出一个小修正时,空速和升降率会如何变化。
我找不到网络上现成的教材,只好自己画一张很简单的定性示意图,并不代表实际测量结果,纯粹是根据阻力曲綫推论出来的。这里只详细讨论“最低阻加油门”的案例来示范推理过程:在最低阻空速下,阻力基本不随速度增减而变动,所以加大油门、提高推力之后,开始加速,对应的平飞所需攻角减小,既然飞行员没有推桿,实际攻角维持不变,於是有了额外的升力,飞机开始爬升,这个爬升的角度是原攻角和新速度对应的平飞攻角的差,重力有了向后的水平分量,才抵消掉多餘的推力。
上面的推理,考虑了固定升降坡度(Ascent/Descent Slope)的案例,对飞行来説,这和平飞的唯一差别(To First Order Approximation,到一阶近似)在於重力的水平分量,这是对阻力做一个常项修正,等同於整条曲綫做上下平移,并不影响后续分析,所以针对平飞做出的结论,基本也可以应用在固定升降坡度的直飞状态。刚好Final Approach就是固定坡度(叫做Approach Slope或者Glide Slope,一般是3°,但是如果机场有山陵或高楼围绕,可以视需要定到更大的角度)、固定速度的直飞,所以也在适用之列。
从上面那张图还可以简单看出,在正区油门的效应主要在速度轴向,拉/推桿则主要影响升降率,所以“Pitch for altitude,power for speed”的操作比较自然,反区刚好相反,所以“Pitch for speed,power for altitude”才是方便的口诀。那么我们关心的Final Approach,对应的是正区还是反区呢?
以RV-6A为例,它是螺旋桨飞机,所以正/反区是由最长滞空速度来分割的,这个最长滞空速度是81mph,而进场速度(Landing Approach Speed)是75mph,在反区之内。RV-6A的失速发生在56mph,所以整个反区是在(56,81)的区间;75mph已经很接近后者。然后我们必须考虑这些速度值对应著乾净的气动外形,只有进场速度是在襟翼和起落架放下的状态,如果我们考虑这个状态下的功率曲綫,它必须向左上方移动(参见下图),所以反区也跟著向左移,其净效应是使得进场速度通常落在正/反区之间的分界綫附近;这其实也是几乎所有小螺旋桨飞机的共同性质。
读者可以从稍早那张示意图看出,在最低阻点附近的拉桿和油门操作,其作用效果也介於正/反区之间,这使得 “Pitch for altitude,power for speed”和“Pitch for speed,power for altitude”都行得通,飞行员可以依主观偏好来选择;实际上两边都有拥护者。我自己在Boston学习飞行的时候,教练属於“Pitch for speed,power for altitude”那一派;这也是美国通用航空界佔多数的主流。
但是讲到喷射机,尤其是高性能的军用战斗机,那又不太一样了。以F-18E为例(这里的资料来源是美国海军部的F/A-18E/F飞行员手册第11部《Performance Parameters》,有兴趣的读者可以到https://info.publicintelligence.net/F18-EF-200.pdf自行下载,下面的数据来自第355、60和362页),它的最低阻力速度、失速速度和进场速度分别是180、122和136节(取总重45000磅,无外挂,进场时设定半襟翼),即使考虑放下襟翼会使整个阻力曲綫左移,进场速度仍然很扎实地在反区里。这是喷射机的普遍特徵,也是“Pitch for speed,power for altitude”被认为是主流技巧的因素之一。
其实舰载机著舰的程序与在陆上机场降落相比,最大的差异在於Pattern(待降航路)和Touch Down(接地瞬间),进场的过程反而是一致的(参见美国海军航母教练準则T45C,https://www.cnatra.navy.mil/local/docs/pat-pubs/P-816.pdf):不论是坡度、速度、攻角等等参数都没有差别,所以著舰固然须要反区操作,著陆也一模一样。
但是施洋很明显地曾经和舰载机飞行员聊过天,那他的误解是怎么来的呢?我猜想是飞行员描述在陆地机场降落时,可以忽略手册上的最佳进场速度,直接以正区的高速飞向跑道,然后Flare、减速、再慢慢著陆。以前在博客上提过,我也曾经应空管中心的要求,开著小Cessna以140节的极速进场,比标準的进场速度高出一倍有餘。
最新一代的战术飞机,有著先进的电传飞控,即使在反区深处,也可以简单地把飞控模式设定為“Constant Descent”,这时操纵桿不直接控制水平尾翼,油门也不直接连接到引擎,而只是对飞控系统指定飞行员想要的下降坡度和速度,由电脑代为做每秒鐘上百次的微调,使得原本一直被认为是顶尖难度的航母著舰,一下子变成半自动的过程。连全自动著舰技术,因为是无人机上舰的前提,也显然已经被突破;所以下一代的舰载机飞行员,必然会有与以往大不相同的学习经歷。
注:文中图片均来源于网络