Supermaneuverability - Supermaneuverability

tento článek potřebuje další citace pro ověření. Prosím pomozte vylepšit tento článek podle přidávání citací ke spolehlivým zdrojům. Zdroj bez zdroje může být napaden a odstraněn. Najít zdroje: „Supermaneuverability“  – zprávy  · noviny  · knihy  · učenec  · JSTOR (Února 2008) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

Pugachevova kobra maneuver je jedním z testů supermaneuverability, které zde provádí Su-27.

Supermaneuverability je schopnost stíhací letoun provádět taktické manévry, které nejsou možné čistě aerodynamické mechanismy. Takové manévry mohou využívat řízené boční prokluzování a úhly náběhu nad maximální zdvih.^[1]

Tato schopnost byla zkoumána počátkem roku 1975 ve výzkumném středisku Langley ve Spojených státech a nakonec vyústila ve vývoj McDonnell Douglas F-15 STOL / MTD jako důkaz konceptu letadla. Viz také Saab 35 Draken pro raná letadla s omezenými supermaneuverovatelnými schopnostmi.

USAF opustil koncept jako kontraproduktivní BVR závazky jako Cobra manévr opouští letadlo ve stavu téměř nulové energie, protože při provádění Pugachevova manévru Cobra odkrvilo téměř veškerou svou rychlost, aniž by přitom získalo kompenzaci výšky. Kromě vzájemných střetů je toto letadlo velmi zranitelné vůči raketovým i dělovým útokům křídla nebo jiného nepřátelského hráče, a to i v případě, že počáteční hrozba překročí supermaneuverované letadlo.

V roce 1983 MiG-29 a v roce 1996 Suchoj Su-27 byly nasazeny s touto schopností, která se od té doby stala standardem u všech ruských letadel čtvrté a páté generace. Spekulovalo se s určitými spekulacemi, ale mechanismus, který stojí za supermaneuverabilitou ruského letadla, nebyl veřejnosti sdělen. Nicméně, po stání Analýzy se v posledních letech stále častěji používají k posílení manévrovatelnosti pomocí vektorování tahu trysky motoru.^[2]

Ruský důraz na supermaneuverability s pomalou rychlostí na krátkou vzdálenost je v rozporu se západním teorie energetické manévrovatelnosti, která upřednostňuje zachování kinetické energie k získání stále lepšího množství možností manévrování, čím déle zasáhne.^[3]

Aerodynamická manévrovatelnost vs. supermaneuverabilita

F-22 Raptor, první supermaneuverovatelné letadlo v USA. Má vektorování tahu a poměr tahu k hmotnosti 1,26 při 50% paliva.

Tradiční manévrování s letadly se provádí změnou proudu vzduchu procházejícího přes řídicí plochy letadla - křidélka, výtahy, klapky, vzduchové brzdy a kormidlo. Některé z těchto ovládacích ploch lze kombinovat - například v „ruddervátorech“ a V-ocas konfigurace - ale základní vlastnosti nejsou ovlivněny. Když je ovládací plocha posunuta tak, aby představovala úhel s přicházejícím proudem vzduchu, mění proudění vzduchu kolem povrchu, mění jeho rozložení tlaku, a tím aplikuje na letoun moment náklonu, otáčení nebo vybočení.

Úhel vychýlení řídicí plochy a výsledná směrová síla na letadlo jsou řízeny jak pilotem, tak zabudovanými řídicími systémy letadla, aby se udrželo požadované přístup, jako je rozteč, náklon a směr, a také provádět akrobatické manévry, které rychle mění postoj letadla. Aby bylo možné zachovat tradiční ovládání manévrování, musí si letadlo udržovat dostatečnou rychlost vpřed a dostatečně nízkou rychlost úhel útoku zajišťovat proudění vzduchu přes křídla (udržování zdvihu) a také přes jeho ovládací plochy.

Se snížením průtoku vzduchu klesá také účinnost ovládacích ploch a tím i manévrovatelnost. Pokud úhel nárazu přesáhne svou kritickou hodnotu, letoun bude stánek. Piloti jsou trénováni, aby se během akrobatického manévrování a zejména v boji vyhýbali stání, protože stání může protivníkovi umožnit získat výhodnou pozici, zatímco se pilot zastaveného letadla pokusí vzpamatovat.

Rychlost, kterou je letadlo schopné dosáhnout maximální aerodynamické manévrovatelnosti, se označuje jako rohová rychlost vzduchu; při jakékoli vyšší rychlosti nemohou řídicí povrchy pracovat na maximální účinek kvůli namáhání draku nebo vyvolané nestabilitě z turbulentního proudění vzduchu přes ovládací plochu. Při nižších rychlostech je přesměrování vzduchu nad ovládacími plochami, a tím i síla působící na manévrování s letadlem, snížena pod maximální kapacitu draku, a proto se letadlo nebude otáčet maximální rychlostí. Při akrobatickém manévrování je proto žádoucí udržovat rychlost v zatáčkách.

V supermaneuverovatelném letadle může pilot udržovat vysoký stupeň manévrovatelnosti pod rohovou rychlostí a alespoň omezenou kontrolu nadmořské výšky bez ztráty výšky pod pádovou rychlostí. Takové letadlo je schopné manévrů, které jsou s čistě aerodynamickým designem nemožné. V poslední době se zvýšeným používáním bezpilotních prostředků vybavených tryskami („výzkumné drony“) zvýšil potenciální letový úhel náběhu nad 90 stupňů a také do oblastí bezpečného letu po zastavení a nahradil také některá tradiční použití větrných tunelů.^[2]

Důkaz

Neexistuje přísný soubor pokynů, které musí letadlo splňovat, ani vlastnosti, které musí mít, aby bylo možné je klasifikovat jako supermaneuverabilní. Jak je však definována samotná supermaneuverability, schopnost letadla podávat vysoké výkony alfa manévry, které jsou pro většinu letadel nemožné, jsou důkazem supermaneuverability letadla. Mezi takové manévry patří Pugachevova kobra a Herbstův manévr (také známý jako „J-turn“).

Některá letadla jsou schopna provádět Pugachevovu kobru bez pomoci funkcí, které obvykle poskytují manévrování po zastavení, jako je vektorování tahu. Pokročilé stíhače čtvrté generace, jako například Su-27, MiG-29 spolu s jejich variantami byly zdokumentovány jako schopné provést tento manévr pomocí normálních beztlačných vektorovacích motorů. Schopnost těchto letadel provést tento manévr je založena na inherentní nestabilitě, jako je tomu u F-16; rodiny trysek MiG-29 a Su-27 jsou navrženy pro žádoucí po stání chování. Při provádění manévru, jako je Pugachevova Cobra, se tedy letadlo zastaví, když se příď nakloní vzhůru a proud vzduchu přes křídlo se oddělí, ale přirozeně příď dolů i z částečně obrácené polohy, což pilotovi umožní získat úplnou kontrolu.

Cobra, jak je prováděno beztlačnými vektorujícími letadly, stále závisí na pohybu letadla vzduchem; nezahrnuje však aerodynamické povrchy letadla a normální laminární proudění vzduchu, ale spíše celý drak letadla jako pevný tvar procházející vzduchem a jeho těžiště ve vztahu k vektoru tahu. Jedná se o formu pasivní supermaneuverability, která je možná spíše díky konstrukci letadla než vektorování tahu, což je způsob, jak aktivně ovládat letadlo i mimo normální aerodynamickou kontrolu a dobře se zastavit bez vektorování tahu. letová obálka.

The Herbstův manévr je však považován za nemožný bez vektorování tahu protože „J-turn“ vyžaduje kromě naklonění, i když je letadlo zastaveno, poloviční válec, což je u běžných ovládacích ploch nemožné. Pugachevovu Cobru lze provést s menší změnou nadmořské výšky, pokud se použije vektorovaný tah, protože letadlo lze donutit, aby se houpalo mnohem rychleji, a to jak vyvoláním stání dříve, než letadlo významně získá nadmořskou výšku, a obnovením polohy na úrovni před ztrátou nadmořské výšky.

Vlastnosti

Ačkoli, jak již bylo zmíněno, žádná pevná sada funkcí výslovně nedefinuje supermaneuverovatelné letadlo, prakticky všechna letadla považovaná za supermaneuverovatelná mají většinu společných charakteristik, které napomáhají manévrovatelnosti a kontrole stání.

„Klasický vzdušný boj začíná vysokou rychlostí, ale pokud minete na první výstřel - a je zde pravděpodobnost, že existují manévry, jak se raketám vyhnout - boj bude delší. Po manévrování bude letadlo nižší rychlostí , ale obě letadla mohou být v poloze, kde nemohou střílet. Supermaneuverability však umožňuje letadlu otočit se do tří sekund a pořídit další výstřel. “ - Sergej Bogdan, hlavní zkušební pilot Suchoje.^[4]

Vlastnosti po stání

Klíčový rozdíl mezi čistým aerodynamickým stíhačem a supermaneuverabilním se obecně nachází v jeho po stání charakteristiky. Zastavení, jak již bylo zmíněno, nastane, když se proud vzduchu přes horní část křídla oddělí kvůli vysoké úhel útoku (to může být způsobeno nízkou rychlostí, ale její přímá příčina je založena na směru proudění vzduchu, který se dotýká křídla); profil křídla poté ztratí svůj hlavní zdroj vztlaku a nebude podporovat letadlo, dokud se neobnoví normální proudění vzduchu přes horní část křídla.

A Su-27 z Ruští rytíři akrobatický tým, supermaneuverovatelné letadlo 4. generace. Toto letadlo může snadno fungovat Pugachevova kobra.

Chování letadla ve stánku je místo, kde lze pozorovat hlavní rozdíl mezi aerodynamickou manévrovatelností a supermaneuverabilitou. Ve stánku mají tradiční ovládací plochy, zejména křidélka, malou nebo žádnou schopnost změnit postoj letadla. Většina letadel je navržena tak, aby byla stabilní a snadno obnovitelná v takové situaci; letadlo nakloní nos dolů, takže úhel náběhu křídel se zmenší tak, aby odpovídal aktuálnímu směru letadla (známý technicky jako vektor rychlosti), obnoví normální proudění vzduchu po křídlech a řídících plochách a umožní řízený let.^[5]

Některá letadla však ano hluboký stánek. Konstrukce letadla bude bránit nebo bránit zmenšení úhlu náběhu, aby se obnovilo proudění vzduchu. The F-16 má tuto chybu, částečně kvůli jeho ovládání fly-by-wire, které za určitých okolností omezují schopnost pilota namířit nos letadla dolů, aby snížil úhel útoku a zotavil se.^[6] V supermaneuverovatelném letadle není žádoucí ani extrémní sklon, ani hluboký stání.

Supermaneuverovatelné letadlo umožňuje pilotovi udržet alespoň určitou kontrolu, když se letadlo zastaví, a rychle znovu získat plnou kontrolu. Toho je do značné míry dosaženo konstrukcí letadla, které je vysoce manévrovatelné, ale nebude mít hluboké stání (což umožňuje rychlé zotavení pilota) a bude se zotavovat předvídatelně a příznivě (v ideálním případě na vodorovný let; realističtěji na tak mělký přístup se sklonem nosu jako možný). K tomuto návrhu jsou poté přidány funkce, které pilotovi umožňují aktivně ovládat letadlo ve stánku a udržovat nebo znovu získávat let vpřed v extrémně mělkém pásmu nadmořské výšky, který překračuje možnosti čistého aerodynamického manévrování.

Poměr tahu k hmotnosti

Klíčovým rysem supermaneuverujících stíhaček je vysoký poměr tahu k hmotnosti; to znamená srovnání síly produkované motory s hmotností letadla, což je gravitační síla na letadlo. To je obecně žádoucí v každém akrobatickém letadle, protože poměr vysokého tahu k hmotnosti umožňuje letadlu rychle se zotavit po rychlosti po manévru s vysokým G. Zejména poměr tahu k hmotnosti větší než 1: 1 je kritickou prahovou hodnotou, protože umožňuje letadlu udržovat a dokonce získávat rychlost v postoji nosem; takové stoupání je založeno na naprostém výkonu motoru, bez jakéhokoli vztlaku poskytovaného křídly proti gravitaci, a stalo se zásadním pro akrobatické manévry ve svislé poloze (které jsou zase nezbytné pro vzdušný boj).

Vysoká síla tahu k hmotnosti je nezbytná pro supermaneuverující bojovníky, protože se tak nejen vyhne mnoha situacím, ve kterých se může letadlo zastavit (například při vertikálních manévrech při lezení), ale když se letadlo zastaví, vysoký poměr tahu k hmotnosti umožňuje pilota, aby prudce zvýšil dopřednou rychlost, i když letadlo nakloní nos dolů; to zmenšuje úhel, který musí nos sklonit, aby se setkal s vektorem rychlosti, čímž se rychleji zotavuje ze stání. To umožňuje ovládání stánků; pilot úmyslně zatáhne letadlo tvrdým manévrem a poté se rychle vzpamatuje při vysokém výkonu motoru.

Počínaje pozdní čtvrtou generací a prostřednictvím generace 4.5 vývoje letadel umožnil pokrok v účinnosti a výkonu motoru mnoha bojovníkům přiblížit se a překročit poměr tahu k hmotnosti 1: 1. Většina současných a plánovaných stíhaček páté generace tuto hranici překročí.

Vysoká aerodynamická manévrovatelnost

I když skutečná supermaneuverabilita leží mimo oblast toho, co je možné s čistým aerodynamickým ovládáním, technologie, které tlačí letadlo do schopnosti supermaneuvering, jsou založeny na tom, co je jinak konvenční aerodynamicky řízený design. Design, který je vysoce ovladatelný tradiční aerodynamikou, je tedy nezbytným základem pro supermaneuverovatelného bojovníka.

Funkce, jako jsou velké ovládací plochy, které poskytují větší sílu s menší úhlovou změnou z neutrálu, což minimalizuje oddělení proudu vzduchu, zvedací tělo design včetně použití strakes, které umožňují, aby trup letadla kromě vztlaku jeho křídel vytvořil vztlak, a konstrukce s nízkým odporem, zejména snižující odpor na náběžných hranách letadla, jako je jeho kužel nosu, křídla a sací potrubí motoru, jsou zásadní k vytvoření vysoce manévrovatelného letadla.

Některé designy, například F-16 (který je v současné produkční formě považován za vysoce ovladatelný, ale pouze technologický demonstrátor F-16 VISTA je považován za supermaneuverabilní) jsou navrženy tak, aby byly ze své podstaty nestabilní; to znamená, že letadlo, pokud bude zcela nekontrolované, nebude mít tendenci se vracet na vyrovnaný, stabilní let po narušení, jak to bude v zásadě stabilní konstrukce. Takové konstrukce vyžadují použití systému „fly-by-wire“, kde počítač opravuje drobné nestability a zároveň interpretuje vstup pilota a manipuluje s ovládacími plochami tak, aby vyprodukovalo požadované chování bez vyvolání ztráty kontroly. Takto opravená nestabilita konstrukce vytváří letadlo, které je vysoce manévrovatelné; bez samoregulačního odporu, který stabilní konstrukce poskytuje požadovaným manévrům, je záměrně nestabilní konstrukce schopna mnohem vyšších rychlostí otáčení, než by bylo jinak možné.

Ovládací prvky Canard

The F-15 AKTIVNÍ za letu; design je upraven F-15 Eagle s vektorovaný tah a kachny.

A kachna je ovládací plocha výtahu umístěná před křídly. Někdy, stejně jako u B-1B, jednoduše se používají ke stabilizaci pružných částí trupu nebo k velmi nepatrným změnám postoje, ale často se používají jako doplněk nebo úplná výměna ocasu stabilizátory.

Teorie za kachnami jako jediným povrchem výtahu spočívá v tom, že žádná konfigurace výtahu na zádi křídel není pro účely manévrování skutečně uspokojivá; proudění vzduchu přes křídla vytváří turbulence, i když malé, a ovlivňuje tak výtahy umístěné přímo za křídly. Umístění pod křídly (běžné u mnoha stíhačů) vystavuje výtahy ještě větší turbulenci z pod-křídlového munice.

Původní řešení těchto problémů, T-ocas, byl do značné míry zdiskreditován jako náchylný k nebezpečným „hlubokým stánkům“. Další řešení, jako je V-ocas umístěte kombinované plochy kormidla a výškovky ven z proudu vzduchu v křídlech, ale snižte účinnost ovládacího povrchu v čistých osách stoupání a vybočení.

Jako doplněk tradičních výtahů kachny značně zvětšují plochu ovládací plochy a často zvyšují kritický úhel náběhu křídel, protože kachna směruje vzduch přímo k přední hraně křídla. Mohou být také navrženy tak, aby fungovaly nezávisle (tj. Protiběžně), a tím také fungovaly jako křidélka.

Kachny nejsou podmínkou a mohou mít nevýhody, včetně snížené viditelnosti pilota, zvýšené mechanické složitosti a křehkosti a zvýšeného podpisu radaru, ačkoli průřez radaru lze snížit ovládáním vychýlení kachny pomocí softwaru pro řízení letu, jak se to děje na Eurofighteru.^[7][8] Například F-22 neobsahuje kachny, většinou z tajných důvodů. Produkční Su-35 také vynechává kachny. Mnoho technologických demonstrantů a testovacích lůžek manévrovatelnosti, jako je F-15 S / MTD začleněné kachny, i když to sériová letadla, na nichž byly založeny, nebyla. Produkční bojovníci jako Eurofighter Typhoon, Dassault Rafale a Saab Gripen všichni používají konfiguraci s delta křídly s kachními povrchy, zatímco některé varianty Su-27, včetně Su-30, Su-30MKI, Su-33 a Su-37, používají kachny k doplnění tradičních ocasních výtahů.

Vektorování tahu

The Rockwell-MBB X-31, experimentální supermaneuverovatelné letadlo obsahující vektorování tahu

Ačkoli se u aerodynamických i supermaneuverujících letadel nachází vysoký poměr tahu k hmotnosti a vysoká aerodynamická manévrovatelnost, technologie nejpříměji spojená se supermaneuverability je vektorování tahu, ve kterém lze upravit geometrii výfukové trysky tradičního proudového motoru tak, aby se úhel motoru nastavil v jiném směru než přímo dozadu (tj. nahoru nebo dolů).

To aplikuje sílu na zadní část letadla v opačném směru, podobně jako u konvenčního ovládacího povrchu, ale na rozdíl od ovládacího povrchu je síla z vektorovaného tahu závislá na aktuálním tahu motoru, nikoli rychlosti letu. Vektorování tahu tedy nejen zvětšuje řídicí plochy (obecně výtahů) při rychlosti, ale umožňuje letadlu udržet si při manévrech maximální manévrovatelnost pod rohovou rychlostí a určitou kontrolu polohy pod pádovou rychlostí.

Demonstranti technologií, jako je X-31, F-16 VISTA a F-15 S / MTD byly postaveny tak, aby předvedly schopnosti letadla využívajícího tuto technologii; od té doby byla začleněna do předvýrobních a produkčních stíhaček, jako je F-22 Raptor. Konstrukční společnosti východního bloku také zavedly tuto technologii do variant letadel čtvrté generace, jako je MiG-29 a Su-27 vyrábět MiG-29OVT technický demonstrátor a Su-30MKI stíhač vzdušné převahy a plánovaná letadla ruské generace páté generace, jako např Suchoj Su-57 tuto technologii také využije. Kromě toho budou ruské stíhačky Su-30 upgradovány pomocí motorů pro vektorování tahu.^[9]

Vektorování tahu je nejužitečnější při provádění manévrů, jako je anténa J-turn, kde je nos letadla nasměrován vzhůru (a tak tah motoru kompenzuje gravitaci a zajišťuje řízení polohy). Obecně se považuje za nemožné ve skutečnosti provést skutečný manévr otočení J bez vektorovaného tahu. Mezi další manévry, které nelze považovat za možné provádět pod kontrolou pouze za použití aerodynamického manévrování, patří Bell (smyčka 360 ° se zanedbatelnou změnou výšky) a řízené ploché otáčení (360 ° vybočení kolem bodu otáčení, který leží uvnitř letadla).^{[Citace je zapotřebí ]}

Posouzení

Piloti mohou naklonit nos supermaneuverovatelných letadel až do extrémních úhlů sklonu (až 70 stupňů), což jim umožňuje potenciálně získat výhodu tím, že se mohou zaměřit na cíl a střílet na něj, ale na úkor výšky a / nebo rychlost letadla. Na počátku 90. let nebylo možné kvantifikovat takovou potenciální výhodu pomocí metrik - tradiční metriky, jako jsou okamžité nebo trvalé grafy rychlosti otáčení, nezvýraznily rozdíly, které piloti popsali při létání s takovými letadly.

Během 90. let proběhlo několik výzkumných projektů, konkrétně jeden s názvem „Hodnocení výkonu stíhacích letadel zahrnujících pokročilé technologie“ od Antonyho Kutschery,^[10] nejen přezkoumala vhodnost stávajících metrik k měření účinků supermaneuverability, ale pokračovala ve vývoji nové metriky pro kvantifikaci výhod a nevýhod během letu. Nová metrika umožňuje provést kvantitativní posouzení letadla, a to ve smyslu, kterému mohou designéři, piloti i taktici snadno porozumět, na rozdíl od mnoha novějších metrik, které kombinovaly stávající metriky a vytvářely „magická“ čísla, která mají malý význam.

Reference