转:能量机动理论和飞行包线图
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aquifer9 楼主
文中所述的内容都是以美国空军飞行教官伯尹德发明的能量机动理论和美国航空科技为准;如果有其他国家或其他人发明自己所谓的理论或者规范,那本文并不适用。也不要用老式战机的设计规律或者老式战机的空战方法来照套后来出现的能量机动理论。
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注:转此文并非同意其中所有论点。
2015年08月27日 18点08分 1
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aquifer9 楼主
能量机动理论并不是什么“新创”的理论,它的本质就是能量守恒定律。也就是说,能量机动理论提供了一个简化的数学公式和图表,方便的进行战机能量的计算。
现在的战斗机通过机头的探测仪器,可以探测出飞机的迎角、侧滑角等,即可计算得得到气流的方向、得到飞机的速度矢量。同时,飞机上的过载传感器也就能计算出在速度矢量上的过载和垂直于速度矢量上的过载(这两者也可以用切向加速度和法向加速度来表示,但是由于不同资料对切向加速度和法向加速度的定义存在不同,所以这里不采用这种容易让人混淆的表示方法)。
速度矢量上的过载在这里称为(Nx),也就是飞机是在加速还是减速。同时,在垂直于速度矢量上过载还可以进行分解,那就是侧力过载(Ny)和升力过载(Nz)。当侧滑角为0或者接近为0时,Ny为0或者接近为0;那就还剩下Nz这个升力过载。 也就是说,在忽略侧滑的情况下,着重讨论阻力和升力,速度方向过载(Nx)和升力过载(Nz)。
然后我们画一个图,在一定高度和速度下,纵坐标是角速度,也就是升力过载对应的角速度,而速度方向过载通过-200ps,-400ps等间接方式表示。这其实就是我们最常见的能量机动飞行包线图。也就是说,所谓的能量包线图的实质是表示飞机速度矢量上加速度和升力加速度两者之间的变化关系图(在一定外形、重量、高度、速度条件下)。
2015年08月27日 18点08分 2
这个狗屋图解释的非常清楚。[真棒]美中不足就是最小半径那条斜线没接触到包线左边界max lift,这画的不对,容易让人产生误解。应该跟包线左边界相切,切点就是最小半径。
2015年12月13日 22点12分
@鸡fit 没错,吧主发过许多高水平帖,推荐你看看“关于F-22的一些知识 https://tieba.baidu.com/p/3930120464”、“F-35 的电子系统 https://tieba.baidu.com/p/3978531122”、“F-16和F-18双料飞行员对这两款飞机的评价 https://tieba.baidu.com/p/3880911308”。第三个是发在f35吧。
2016年01月02日 01点01分
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aquifer9 楼主
能量包线图上的纵坐标是盘旋角速度(Turn Rate)。
横坐标是速度,或者用马赫数(Mach)作为坐标。
由右下到左上的间距直线是转弯半径值(Turn Radius)。
由左上到右下的间距线是飞机上的过载传感器测得的升力过载(Cockpit G),并不包含重力。
能量包线是飞机在某个高度的飞行转弯参数,不同高度包线是不同的。
可以看出来在海平面能量机动性能最好,飞行高度越高,转弯性能越差。
2015年08月27日 19点08分 3
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aquifer9 楼主
这段争议较大,与理解包线关系也不大,可以跳过。
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由于飞机在飞行中还会受到重力或者地面滑跑时还是地面的支持力,所以飞机实际飞行时的合力=阻力+升力+重力三者的矢量之和。
例如:一架飞机如果在飞行包线图上能飞9g过载,20度的盘旋角速度,在实际水平盘旋飞行时,升力方向的9g还要与重力的1g进行矢量相加才能得到盘旋的向心加速度。也就是说,这架飞机在真实的现实水平盘旋中,是约8g向心加速度,大概18度/秒左右。
一架飞机如果在飞行包线图上最小盘旋半径是1050英尺,过载是1.7g,在实际水平盘旋飞行时,升力方向的1.7g还要与重力的1g进行矢量相加才能得到盘旋的向心加速度。也就是说,这架飞机在真实的现实水平盘旋中,是约1.3g向心加速度,实际盘旋半径大概是1400-1500英尺。
再例如:飞机由水平盘旋改垂直向下盘旋,那向心加速度就是10g,这就是所谓的利用重力空战。如果飞机改为垂直向上盘旋,那向心加速度就只剩 8g了,此时飞机的盘旋性能减弱了。
再再例如:飞机要保持平飞,此时就必须依靠1g的升力过载,并且要垂直向上与重力1g抵消,才能保持平飞。也就是说能量飞行包线图上的保持平飞的速度不是包线的最左端(这里不考虑飞机加减速),而是包线图上1g过载的地方。也就是说,1g过载的图上显示有8度的盘旋角速度,一点都不奇怪,因为1g升力-1g重力=0,所以平飞;升力的8度盘旋角速度-8度的重力盘旋角速度=0,所以平飞。
再再再例如:另外一种包线图,也就是剩余功率为0时的1g过载包线图上,排除飞控、机体强度等限制,最上端为何代表最高平飞高度?通过上述解释,就很容易理解了。飞行包线图上的过载是升力方向过载而不是合力的总过载。在包线图的最高点,升力过载1g-重力1g=0,飞机就保持速度平飞了。
2015年08月27日 19点08分 4
不敢苟同,不论是在面对称飞行器还是轴对称飞行器,都不应该忽略侧力。事实上,应该将他们分开,气动力为侧力,升力和阻力的合力。也正是这三个力不过飞行器质心,才分别有了滚转俯仰偏航力矩
2018年05月11日 11点05分
为什么在绘图时不把这些因素考虑进去?那样不是更直观吗?[疑问][委屈]
2024年04月18日 11点04分
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aquifer9 楼主
如果你都看懂了,那就继续。如果还没完全理解,请认真理解上面1-3楼内容后,再往下看。
能量包线图给出了一种简化了的能量换算方法。
对于推重比1左右飞机来说,阻力产生的过载可以在大约-1g至5g之间,而升力产生的过载-3g至9g。
利用飞机的剩余功率来获得向心力,也就是说迎角的大小决定了两者的转化的程度。
如果迎角小剩余功率还有剩余,但是此时的升力小,向心力不够;
如果迎角太大,剩余功率为负,向心力大,盘旋角速度大,盘旋半径小,有利于空战,但是飞机会很快减速。
而飞行员通过拉杆的大小来决定这种剩余能量转化的程度。
而狗斗的机动,实际就是飞行员通过向左或向右偏杆来控制升力的方向,前拉杆或后拉杆来控制升力的大小。而升力过载最大有9g,这是改变物体运动状态最有效的东西,它是改变飞机在空中方位、航向、距离等要素最有力的工具,以此展开各种几何的飞行动作,例如盘旋、筋斗、YOYO等。
2015年08月27日 19点08分 5
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aquifer9 楼主
在进一步讨论之前,前了解一些基本术语。
飞机的动作
俯仰(Pitch) -- 用升降舵控制
偏航(Yaw) -- 用方向舵控制
滚转(Roll) -- 用副翼控制
2015年08月27日 19点08分 6
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aquifer9 楼主
仰角 -- 仰角一般是飞机机身轴线或者机翼弦线和水平线的夹角,仰角大小主要受发动机的限制
迎角(英文:Angle of attack,缩写为AOA,常用希腊字母α表示) -- 也有把这个叫做攻角的。
飞机迎角,定义则为机轴对相对风流之夹角。当机翼向上为正迎角,向下则为负迎角。
迎角在机动作战中非常重要,可以从飞行中拉出来的尾迹来测量。
2015年08月27日 20点08分 8
经常看到有人把这两个概念用混的 (包括互动百科迎角定义网页中的图片)。
2015年08月27日 20点08分
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aquifer9 楼主
再回来看能量机动包线
Ps=0就是所谓的稳盘曲线,在这条线上面都是顺盘,也就是在其区域盘旋飞行,飞机要损失速度或高度。
无论稳盘还是瞬盘,都能从包线中看到其最大角速度,都是能量机动。
所谓的角度机动,并非有的人所称瞬盘角速度,而应该是大迎角机动,并不在能量机动包线中。
2015年08月27日 21点08分 10
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aquifer9 楼主
五代机的超机动,并不是一个很明确的指标。
可以认为是“超级的机动” -- 特别优秀的能量机动参数。
也可以理解是“过失速机动”,其实就是大迎角机动。表演性质的过失速机动 (如眼镜蛇机动 )一般并不具有实战价值。
大迎角机动可以认为是四代半机必须具有的能力。
2015年08月27日 21点08分 11
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aquifer9 楼主
对能量机动的认识误区之一——-能量机动与传统的几何空战是冲突的
懂得能量机动理论的飞行员心里进行态势分析和计算->手控制飞行杆的拉杆程度和油门大小->控制迎角的大小->控制剩余能量的转化程度->得到-3至+9g的升力过载->不同的飞行路径->几何空战。
也就是说能量机动和传统的几何机动并不矛盾,也并不冲突。而传统的几何机动可以看成是在能量机动的一个子集,也可以说几何机动是忽略或模糊能量损失(剩余功率)条件下的能量机动。
2015年08月27日 22点08分 13
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aquifer9 楼主
对能量机动的认识误区之二——-能量机动只是稳定盘旋,对瞬时盘旋不适用
由于某些文章的误解,例如方方的某些文章,造成某些人对能量机动有错误认识,并且误认为能量机动就是稳定盘旋,已经落后了,并自创了“角度空战”。
而实际上,能量包线图上显示的很清楚,在剩余功率为负值时(速度方向加速度为负),就是通常所说的瞬时盘旋,并且能量包线图还把各种瞬时盘旋造成的减速效果,用准确的数值标出来了。其实对于用瞬时盘旋还是用稳定盘旋,只要懂得能量机动理论的飞行员,就可以在空战中采取最合适的方法就对了。不管是采用瞬盘还是采用稳盘,其实都是能量机动理论的管辖范围。
也就是说,在稳盘不如对方时,要用某些人发明的“角度优先空战”来试图获胜,靠瞬盘是不可能的,靠过失速动作都难做到,需要深失速机动动作+先进的武器系统,才能做到鸽子翻身先射,而且这种机动能量损失很大,如果一击不成就会成为别人的死靶,下面讨论。
2015年08月27日 22点08分 14
角度空战是有的,但不是瞬盘。这个以后另发帖说明。
2015年08月29日 06点08分
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aquifer9 楼主
能量机动的误区之三——-F-16只是考虑稳盘没考虑瞬盘的飞机。
这个问题在误区之二已经有所讨论。要详细讨论,还得从空战说起,最简单的空战态势和动作就是进攻、防御、对等。在防御时,处于劣势的战斗机,要在最短时间内掉头。注意这个最短时间不可能是1秒钟。也就是,不可能用30度/秒的瞬盘,因为用30度/秒的瞬盘,速度迅速降低到失速的边缘,而不可能继续进行大角度盘旋。所以采用20,22,25,26,22,16之类的瞬盘比较好,因为这样能够在5-7秒的时间转过160-180度。也就是说最好的瞬盘是看谁能最快的转过160度,使用30度以上的瞬盘,损失能量太快,坚持不到2-3秒,其转过160度的时间还不如采用24-26度瞬盘花得少。
另外,处于进攻方的战机,也需要少量时间观察出敌机的动作,然后判断,然后攻击方再想法“切到”防御方的飞行尾迹上,这整个过程也是3-5秒的时间。
所以哪种瞬盘好,不是看其1秒钟的盘旋角速度大;而是看5秒钟左右,其盘旋角度角度大的才好。
再回到F-16上来,设计师就是基于上面的讨论,让飞控限制住F-16的最大盘旋角速度,限制在25度左右。对于30度/秒的瞬盘,直接用飞控屏蔽掉,因为前面讨论过了,30的瞬盘效率并不高,而且容易减速过快导致航向稳定性的问题,甚至导致失速。所以F-16的飞行员做防御动作,直接拉杆到底就行了,不用担心其他问题,拉到底也最大是25度左右,这就是防御时最佳的瞬盘。所以F-16不仅考虑了瞬盘,而且考虑了最好的瞬盘,让飞行员使用。
2015年08月27日 22点08分 15
感觉这点,原作者有些把大迎角和瞬盘混淆了。F16是用飞控限制最大迎角25度。
2015年08月29日 06点08分
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aquifer9 楼主
能量机动的误区之四——-幻影2000是瞬盘最强的三代机战机。
由于在空战重量条件下,幻影2000可以到29.x的盘旋角速度,所以很多人直接推论三角翼升力系数高,瞬盘最强。实际上这是误区。
首先,讨论瞬盘,要统一条件,例如统一在9g过载限制下,还要大家在同一个速度下。对于F-15、F-16这类三代机,高推重比、高升重比。在某些速度,不进行飞控限制,达到30度/秒是很正常的。
其实不仅要看条件一致,最好要看大家都是30度/秒盘旋时,谁的负剩余功率小,谁的减速少,那才是最强的瞬盘。所以对于三代机来说,F-16才是瞬盘最强的三代机。
2015年08月27日 22点08分 16
这是对瞬盘的理解不同。有些资料认为瞬盘只是最大转弯率那一点,对应角点速度,也就是doghouse的尖顶,所以m2k瞬盘最强。而这作者认为只要在ps=0线以上且在max lift左边界和max G右上边界以内每一点全都算是瞬盘。
2015年12月14日 06点12分
这作者另一个观点就错得离谱了。他比较瞬盘竟然还考虑切向受力,居然还假设两机瞬盘峰值相同然后比较sep负值的大小?这就太奇葩了。[吐舌]
2015年12月14日 07点12分
实际上,瞬盘就看转弯率,由法向过载和切向速度决定,不考虑切向受力。四代机五代机右上边界都是9G过载线,区别只是左边界max lift不同。m2k只因为三角翼面积大,翼载低,所以角点速度比f16更低,所以瞬盘峰值比f16更高。
2015年12月14日 07点12分
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aquifer9 楼主
能量机动的误区之五——-稳盘不强的飞机,瞬盘可以强,可以用瞬盘来取胜。
实际上如果看懂了前面四个误区,就知道第五个也是误区了。能量包线图上画了一条一条的狗屋,从单位重量剩余功率为0是稳盘,往上是-200,-400,-800,-1000等等。如果稳盘比别人低,那就是0线的位置比别人低,要想-1000的位置比别人高,这难度是可想而知的。现在战机各种翼型都采用类似前缘或者后缘襟翼、缝翼增升,其升阻比曲线要想有大的突破是很难的。
当你-1000的位置比别人低,或者同时是30的度/秒时,剩余功率的负值比别人负得多。玩瞬盘来赢也是不可能的。
2015年08月27日 22点08分 17
这个有争议。稳盘受推重比影响大,瞬盘受翼载影响大。
2015年08月29日 06点08分
“稳盘不强的飞机,瞬盘可以强”这话没错,m2k和j10就是典型。但“可以用瞬盘来取胜”那就是想当然了,除非双方迎头交错后进入单环战,但f16可以选择进入双环战,那就得比拼sep了,m2k之流就得吃鳖了。[哈哈]
2015年12月14日 07点12分
其实只要m2k和j10速度还没减到f16的角点速度之下,那它们的转弯率跟f16就是一样的,没有任何优势。可等它们有优势后很快就降到自己的角点速度,假如此时它们还没有指向敌机,那然后过载和转弯率就会沿左边界急剧下降。而且它们补充能量又很慢。所以它们“用瞬盘来取胜”是孤注一掷的赌博。[吐舌]
2015年12月14日 08点12分
这作者还是同样的错误,先是毫无根据的假设两机瞬盘峰值相同,然后比较两机能量流失的速度快慢。[狂汗]
2015年12月14日 08点12分
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aquifer9 楼主
能量机动的误区之六——-能量机动只能计算盘旋机动性能不能评价敏捷性
前面给出的能量机动包线图是速度方向过载和升力过载(侧滑角为0条件下),当然我们也可以在迎角为0的情况下,画速度方向过载和横向过载,这也是能量机动。
同时,我们还可以在迎角、侧滑角都为0的条件下,画一定滚转速率下,速度方向过载的变化情况,这也是能量机动。
有人对敏捷性的定义不同。认为滚转加速度才是敏捷性,这也没关系,也可以画出不同滚转加速度时,速度方向上的过载变化。
甚至,我们可以画迎角和侧滑角同时存在条件下,速度方向过载和法向过载的变化的包线图。也就是说,这组合多个条件下,都可以画出速度方向上的过载变化,也就是剩余功率的变化情况。我们日常见的是速度矢量上的过载与升力过载的变化曲线,但这只不过是最常用的一种能量机动包线图,不代表能量机动只有这一种包线图。能量机动可以描述敏捷性,还可以同时在一个图上描述机动性和敏捷性,只不过这种图不常见而已。
2015年08月27日 22点08分 18
机动性的最大值不是一瞬间就能达到的,需要一个变化时间。所以单位时间内机动性的变化量,也就是机动性对时间求导,就是敏捷性。
2015年12月14日 10点12分
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aquifer9 楼主
能量机动的误区之七——-能量机动对过失速机动无效,能量机动对深失速机动无效。
有这个误区的人,常用的一个证据就是依靠F-16没有过失速机动。是的,F-16是只要稳盘和瞬盘,没要过失速机动。但是能量机动仍然是对过失速机动有效的。F-18也是一个例子,F-18也是能量机动指导下设计的。
过失速最简单的理解,可以认为是瞬盘的延续,如果包线图继续向左衍生,就是过失速领域。而瞬盘可以理解为是稳盘和过失速的过渡阶段。过失速盘旋可以理解为能量损失更大的瞬盘。此时过失速盘旋的角速度和能量损失情况,仍然可以能量机动计算出,给出一个数值和图表,方便进行计算。
由于此时迎角有30-40度,甚至更高。此时计算过失速机动的“攻击力”就是用30-40度迎角+盘旋角速度。也就是说,由于迎角大了以后,效果明显了;相当于给战机附了一个基础的角度+盘旋角速度,这样组合成一个战斗力。此时能量机动对盘旋角速度仍然计算得出,能量机动仍然有效。
由于眼镜蛇这类动作仰角过大,例如大于70度,如果定义为深度失速的话,与过失速机动类似,飞机仍然可以用能量机动测出其能量变化。
对于法--类动作,类似飞机定在空中,不断后空翻翻跟斗,也就是有俯仰速率。前面说了能量包线图有很多种。我们可以画出在迎角和俯仰速率条件下的能量包线图。此时“俯仰速率”就是其主要战力。
2015年08月27日 22点08分 19
异议:事实上能量包线没有画到过失速区域的。角度也不能去和角速度叠加。
2015年08月29日 06点08分
过失速机动中攻角早超过临界攻角了,比如Herbst转弯中攻角70度,升力系数快降到0了,法向过载主要由发动机推力提供,最多1G左右。速度又极小。那就是em图上1G过载线穿出左边界向左延伸,虽然过载极低但因为速度极小所以转弯率可能相当大。[汗]
2015年12月14日 09点12分
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aquifer9 楼主
能量机动的误区之八——-飞机盘旋性能是用飞机飞上一圈用外部仪器测量的。
飞机的最大稳盘盘旋角速度,是不是地面用人或仪器看飞机飞一圈的时间测得的呢?不是的。前面说了,飞行包线图上的盘旋过载,不是飞机受的合力产生的过载。所以飞机在某高度、某速度、某迎角条件下飞行时,只要侧滑角小到可以忽略时,那么速度矢量上的过载和升力过载都是飞机上的计算机瞬时测量出来的,不用飞机飞上一圈。
所以,飞机要测量各种高度和速度下的盘旋性能,只需要去飞飞就行了。只需要几个架次,飞行员一个拉杆动作3秒钟,就可以测得无数各种迎角下的Nx和 Nz过载,立刻就可以把包线图绘出来了。
2015年08月27日 22点08分 20
level 9
aquifer9 楼主
能量机动的误区之十——-能量机动对于飞行员不重要
许多人可能认为,能量机动是飞机设计人员的事情,和飞行员关系不大。而实际上,能量机动理论对飞行员非常重要,为什么呢?前面已经提到了几何机动其实是能量机动在忽视剩余功率情况下的模糊处理,而能量机动则可以给出准确数值。
美国人搞俄国的Su-27等模拟空战目的,除了了解Su-27飞机的性能,更要了解飞机的战术。如果一个飞行员能够了解各种飞机的性能,各种战术动作的意义,那么他在空战中就非常心里有底,应对也自如。而能量机动可以把各种机动动作的本质分析清楚,例如一个YOYO动作会照成敌机速度的如何变化,位置的变化多少。那么飞行员了解后,就很容易面对了。
例如:通常如果一个飞机由平飞变水平盘旋时,通常是左滚90度或者右滚90度,然后拉杆开始盘旋。而有些国家的飞行员却喜欢滚转270度,才开始盘旋,让人迷惑。有了能量机动理论,分析很清楚了,前面说了滚转也可以画出能量包线图,看到滚转也消耗剩余功率,所以其滚转270度的结果可知了。当你在面对这样滚转270度的飞行员空战时,就不怕了,没啥神秘的机动。看到对方作270度滚再盘,只要两机尾追时距离不是过近,那你应该高兴的与其接战。
另外,更重要的是,空战是复杂的,也许在实战中会遇到一些以前从没见过的动作,教官也不能教你所有的事情。当空战中遇到未知机动时,也不要慌,如果你懂能量机动的话,就能立刻看出对方机动的效果和目的,心里有底,万事不怕。心里无底的话,只有不怕死的飞行员才能拼出战绩。
2015年08月27日 22点08分 22
level 10
好像看过⋯⋯
2015年08月27日 23点08分 23
70%的内容是转的,加了一些我的理解
2015年08月28日 11点08分
level 5

2015年08月28日 01点08分 24
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