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2017

不朽经典:“空中手术刀”——苏-27(科普.原创)

文 | 李嘉骞 沈海军

冷战期间,美苏两大阵营在武器研发方面不断进行角力。20世纪60年代中期,美国空军开始研发F-15重型战斗机。与之相对应,超越F-15就成了苏联进行重型战斗机研发的主要目标。苏-27就是在这一背景下出现的。

苏-27原型机于1977年首飞,随后于1982年开始量产。虽然比F-15的服役时间晚了七八年;但事实证明,这个“迟到的经典”并未令人失望。苏-27战斗机长21.49米,翼展14.7米,最大起飞重量33吨,作战半径1500千米,是一种机动性突出的重型多用途战斗机,同时也是俄罗斯苏霍伊设计局后续发展的一系列苏式重型战斗机的基础平台。

在首次亮相中,苏-27就给西方留下了极为深刻的印象。1987年9月13日,北约成员国挪威的一架P-3B反潜机对苏联进行空中侦察,并迟迟不肯离开。这时,奉命监控的一架苏-27突然从其机腹下加速拉高离去。在巨大的金属碰撞声和剧烈的震动中,P-3B的一号发动机(右舷外侧)螺旋桨被打坏,发动机舱被苏联战斗机的一个垂尾像刀割一样硬生生拉开了一条大口子。在机组人员的一片惊呼中,P-3B疯狂地掉高度,直到离海面不远的高度才最后稳住,在关掉一号发动机后侥幸安全返航。这次行动使苏-27在西方获得了“空中手术刀”的绰号。

此后,苏-27还多次在航展上展示西方战机做不出的高难度空中动作,起到了不战而屈人之兵的威慑作用。性能先进、威力强大的苏-27战斗机装备苏联空军和防空军之后,在技术上和战术上都给冷战时期的西方国家带来了很大压力。

在苏联解体后,苏-27及在其基础上发展的改进型号就成了俄罗斯战斗机出口中最重要的型号。今年是苏-27战机首飞成功40周年,在此我们回顾一下这一俄罗斯航空工业的代表机型的研制和发展历程。

一体化气动布局

20世纪60年代末,苏联政府得知美国正在研制新型高机动力、超音速的F-15战斗机。当时,苏联刚刚成功研制出米格-23战机,并投入批量生产;但这种战机性能与F-15相比要落后。 为了与美国抗衡,苏联政府要求米高扬、苏霍伊和雅克夫列夫三大飞机设计局研制在性能上能够超过F-15的新一代战机。当时,苏联国防部要求,新一代战机的主要指标要比F-15高出10%,新型战斗机不仅要有良好的近距格斗能力,还能使用导弹进行中距空战,要具有良好的飞行品质和出色的机动性。这就意味着,新一代战机的研制必须使用更强劲高效的发动机,采用更先进的气动布局。

1969年秋,苏霍伊设计局首先完成了新一代战机的第一份设计草图。1970 年2月,该局在这份草图的基础上完成了第一种T-10布局方案(苏霍伊内部编号,“T”即Triangular,代表三角翼布局;“10”代表苏霍伊设计局的第10种三角翼飞机),其特点是采用一体化气动布局。一体化布局不仅提高了飞机的气动性能,而且增加了燃油舱和设备舱的空间。为改善飞机的大迎角性能,该方案的机翼选用了曲线翼尖,并安装翼根边条;但这种一体化方案在当时遭到了多数专家的强烈反对,一度濒于夭折。总设计师设计师帕维尔·奥西波维奇·苏霍伊旗帜鲜明地支持该方案,他认为,只有采用最新成果,才能制造出一流飞机。事实证明,他的这一决定是十分正确的。

苏-27量产型

苏-27战斗机采用翼身融合体技术,悬臂式中单翼,翼根外有光滑弯曲前伸的边条翼,双垂尾正常式布局,楔型进气道位于翼身融合体的前下方,有很好的气动性能,进气道底部及侧壁有栅型辅助门,以防起落时吸入异物。全金属半硬壳式机身,机头略向下垂,大量采用钛合金,传统三梁式机翼,四余度电传操纵系统,无机械备份,使用静不稳定设计。

1972年,苏联航空工业部和空军成立联合科技委员会,审定新一代战斗机计划的设计方案。在会议上,各设计局都提出了自己的方案,如苏霍伊设计局的苏-27,米高扬设计局的米格-29(当时该机采用高单翼,两侧进气和单发结构)和雅克夫列夫设计局的雅克-45轻型战斗机、雅克-47重型战斗机。

两个月后,委员会召开了第二次会议,米高扬设计局展示了新设计的米格-29。雅可夫列夫设计局的方案由于将发动机布置在机翼上、容易因发动机故障导致飞机失事而被淘汰。

在此后的第三次会议上,米高扬设计局提出了一个意见:将战斗机研发项目分解成两个独立项目,即同时发展多任务重型战术战斗机和轻型战术战斗机,它们将使用统一的主要设备和武器。这是自1971年以来,苏联空军和飞机制造工业首次面临这样一种情况:苏联空军战斗机群此后将由两种飞机组成,一是多任务的重型战斗机,它必须有能力控制敌方防线后战役纵深(250~300千米)范围地区的制空权;二是在近距离格斗空战中,高敏捷性、推重比、大速度的轻型战斗机,它的作战范围主要在敌我交战的前线或敌后战术地域(100~150千米)争夺制空权。这与当时美国空军的战斗机计划不谋而合。

1972年夏,苏联航空工业部发布命令,决定将苏-27和米格-29分别作为新一代重型战术战斗机和轻型战术战斗机的选定方案,继续完成研制任务。

两项成就

苏-27曾有两项成就在美、英等西方国家引起人们的极大关注和广泛的重视。

第一项成就是在1986~1988年间,苏-27的修改型实验机创造了27项世界飞行纪录,其中包括到达3000米、6000米、9000米、12000米和15000米海拔高度的爬升率记录,最高19335米海拔的升限记录等;有10项是短距起降方面的,例如当有效载荷为1000千克时,从静止开始到离地只需滑跑500米(28秒)。

为了验证苏-27的性能,也是为国争光,苏霍伊改装了一架飞机,专用于创造飞行记录。这架飞机被命名为P-42,纪念1942年的斯大林格勒保卫战。为了最大限度地减轻重量和阻力,P-42剥除了一切非必要的东西,如火控系统和武器挂架、起落架上的挡泥板、涂装,甚至牺牲部分飞行稳定性,去除了腹鳍、翼尖防颤振配重/挂架和减速板,缩小了垂尾,机动前缘襟翼改为固定前缘。P-42不负众望,创造了一个又一个记录。更加彪悍的是,P-42在离开跑道拉起到垂直爬升的过程中,在两三千米高度以下就已经达到超音速。据说P-42还有很多创造纪录的潜能,20世纪90年代以后,苏霍伊设计局还打算过重新启用P-42,创造更多的纪录,但因为经济困难而作罢。

二是苏-27在航空飞行表演中首次做出过失速机动的“眼镜蛇机动”动作。所谓“眼镜蛇机动”动作,就是飞机在以400~500千米/小时的速度向前平飞时,驾驶员突然向后拉操纵杆,使机头上仰至100~120度之间,形成短暂的机尾在前、机头在后的直立飞行状态,使飞机在飞行高度不变的状态下继续飞行。机动时飞机进入的速度约为425千米/小时,在约3秒内飞行速度降低到112千米/小时,这个动作将使飞机承受3.5~4倍重力加速度的过载,然后驾驶员再使飞机恢复平飞状态。

眼镜蛇动作

苏-27的改进型较多,苏联及其解体后的俄罗斯推出的多种性能优良的战斗机实际上都是基于苏-27机型平台的改进改型。例如,苏-30、苏-35、苏27-IB和苏27-K、苏-27M等。从编号上看,它们当中有的差别很大,但实际上都是在苏-27的基础上进行改进、改型发展起来的。如苏-30(最早的编号就叫苏-27PU)与苏-27的基本型表面上并无太大变化,但改进后的机载设备比苏-27先进,因此不仅可以作为远程战斗机使用,而且还可以在空战时作为空中指挥机使用,这种苏-27的改进型飞机还首次装备了空中受油设备,在一系列的空中加油试验中最长的一次飞行时间达到15小时31分钟。

苏30战机

苏-35则主要是改进了机载电子火控设备,如加装了抗干扰性强的大功率多功能脉冲多普勒雷达,其对空目标的最大探测距离可达400千米,对下视目标的探测距离为200千米,在空对空工作时,雷达具有边扫描边跟踪能力,能同时跟踪15个空中目标,并同时截获6个目标。在空对地工作时,雷达具有地形测绘和地形跟踪能力,并采用计算机软件控制武器实行对地攻击。同时加装了平视显示器和下视显示器,载弹量也由苏-27的6吨增到8吨,还能挂热成像机载激光吊舱。

苏-27IB则是在苏-27的基础上改型为战斗轰炸机,机身下可挂两枚反辐射空对地导弹,机翼下可挂反雷达导弹,电视制导导弹和空对空导弹。

苏35原型机与量产版

为了把苏-27这种远程攻击机配备到航空母舰上,从1985年开始,俄罗斯改装了苏-27的前翼,并加装二元尾喷口,使之成为短距起降飞机,即苏-27K。苏-27M 则改装了新的雷达,驾驶舱主要仪表被荧光屏取代,数字式电传操作系统代替了原来的模拟式操纵系统,并在20世纪90年代后期开始服役。

苏-27 是苏联第一架具有均衡的强大战力的战斗机,其超凡的机动性足以在近战格斗中压倒一切对手,巨大的航程足以支持苏-27远离基地的攻势制空,完善的武备足以使其担当防空截击,宽裕的挂载能力又让苏-27具有足够的对地攻击潜力。和米格-29相比,苏-27是一架真正达到世界先进水平的战斗机,也是全世界公认的20世纪最优秀的作战飞机之一。

苏联/俄罗斯的飞机设计局

苏联的航空工业部一共有11个独立的设计局。   

俄罗斯有“苏霍伊”“米格”“卡莫夫”等十几家著名的飞机设计局,这些设计局的名字都是以该设计局创始人或最著名设计大师的名字命名的,比如“苏霍伊”设计局就是以著名飞机设计大师苏霍伊的名字命名的。各设计局均使用本设计局俄文名字的第一个音节加序号为本设计局研制的飞机命名。   俄制战斗机的著名设计局有两家——“苏霍伊”和“米高扬/格列维奇”设计局(简称”米格“设计局),它们分别设计“苏氏”战斗机,如苏-27、苏-37,以及“米格”系列战斗机如米格-29等。俄制最常见的“图”系列运输机(图-154)、轰炸机(图-160)等都是由“图波列夫”设计局研制的。军用运输机的另外一家著名设计局是“安东诺夫”设计局,其杰作如安-22、安-70运输机在世界上都是响当当的。而“伊留申”设计局则是与前两个擅长研制运输机的设计局并驾齐驱的第三家设计局,该设计局研制的运输机如伊尔-76等同样蜚声国际军火市场。“雅可夫列夫”设计局是设计截击机、教练机的高手,它研制的雅克系列截击机和教练机也闻名于世。俄罗斯直升机研制单位主要有“卡莫夫”设计局(研制的有卡-50、卡-52武装直升机等)和“米里”设计局(研制的有米-8、米-26直升机等)。

 
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沈海军 沈海军

西北工大学士(1993年)、硕士(1997年)、博士(2000年)、南京航大博士后(2002年);现任同济大学航空力学学院教授,兰州交大兼职教授,博士生导师,飞行器工程所所长。 担任《The Open Mechanical Engineering Journal》杂志编委;教育部教学指导委员会成员。中国纳米艺术第一人,中国昆虫动力飞机第一人,中国三维打印飞机成功设计与试飞第一人。
主要研究方向:飞机设计、疲劳断裂、纳米力学等。已发表论文200余篇,其中,SCI检索30篇余篇、EI检索50余篇。承担或参加过国家863、国家自然基金、航空基金等多个项目。著有《纳米科技概论》、《新型碳纳米材料-碳富勒烯》、《近空间飞行器》、《纳米艺术概论》、《航空航天概论》、《千姿百态的纳米花》等著作。
联系方式:shj@tongji.edu.cn
上海市彰武路100号,同济大学航空与力学学院,200092

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