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蘇-27“側衛”進化論(一)——不一樣的蘇霍伊

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  三十多年來,蘇霍伊蘇-27“側衛”一直是俄羅斯空軍最重要的戰斗機,是該國在高性能戰斗機制造領域的代表作,并暢銷世界各地。

  1969年12月,美國空軍選擇麥道公司的F-15方案作為未來空中優勢戰斗機。同年,蘇聯也啟動了未來戰術戰斗機PFI的研究,要求該機最大速度為高空2.0-2.2馬赫(2500-2700公里/小時),海平面1.14-1.22馬赫(1400-1500公里/小時),爬升速度300-350米/秒,無副油箱航程為高空2500公里或海平面1000公里。蘇霍伊設計局的蘇-27、米格設計局的米格-29和雅科夫列夫設計局的雅克-45/47參加了競爭。米格設計局在競爭結果公布前預感自己的米格-29無法與蘇-27正面競爭,于是建議蘇聯空軍像美國空軍的F-15和F-16那樣搞兩種高低搭配的戰斗機,把米格-29作為與蘇-27搭配的輕型戰斗機使用,同時縮小了米格-29的尺寸,從重型戰斗機變成了一種輕型戰斗機。這個建議在1971年被蘇聯空軍采納,決定同時裝備米格-29和蘇-27。

米格的PFI方案之一,有明顯的米格-25的影子,但機翼已經具有米格-29那樣的邊條和圓角翼尖,這時還是按重型戰斗機設計的

蘇霍伊、米格、雅克設計局各自提交的競爭方案

  蘇霍伊設計局的蘇-27設計代號T-10,采用曲線前緣的變彎度機翼以實現最佳升阻比。風洞試驗表明T-10以0.85馬赫巡航時的升阻比達到12.6。

  T-10在設計上把優化氣動性能放在第一位,為了追求氣動外形的干凈利落,早期方案甚至采用了自行車式起落架。隨設計的演進和降低生產難度,T-10激進的氣動外形被逐步簡化,機翼的雙曲線邊緣經過了簡化,不實用的自行車式起落架也被傳統前三點式起落架取代。

T-10早期設計的三種風洞模型,其中最左側的就是采用自行車式起落架的方案

最終定型的T-10方案,具有了蘇-27的雛形

  1977年5月20日,蘇霍伊莫斯科實驗工廠制造的首架T-10-1原型機在設計局首席試飛員弗拉基米爾·伊柳辛的駕駛下,在茹科夫斯基首飛成功。


第一架蘇-27原型機T10-1

  1979年3月,美國國防部首次公布了蘇-27的存在。

  美國間諜衛星發現這種新型戰斗機出沒于蘇聯研究和測試設施之后,美國國防部把T-10命名為“拉明-K”,拉明是指飛機首次被拍到的地點——莫斯科拉緬斯科耶機場。隨后,北約航空標準協調委員會為該機取了“側衛-A”的代號。

  1983年11月,美國國防部公布了T-10原型機的第一張照片,這張衛星照片質量非常糟糕。1985年7月21日,在蘇聯電視臺首播的帕維爾·蘇霍伊紀錄片(蘇霍伊設計局創始人)中出現了質量更好的T-10視頻,是一段10秒鐘的T-10-1首飛鏡頭。此后不久,T-10-1原型機被莫尼諾蘇聯空軍博物館收藏。

“拉明-K”衛星照片

同時期米格-29的衛星照片,也就是“拉明-L”

推倒重來

  1976年1月,蘇霍伊設計局的未來總設計師——米哈伊爾·西蒙諾夫接手負責蘇-27項目。西蒙諾夫認為T-10-1在性能上并沒有達到與F-15相抗衡的地步,需要重新設計。由于為T-10研制的一些設備超重,發動機耗油率也高于預期,所以T-10的許多設計指標都沒有實現。

堅定無畏的西蒙諾夫。他手里拿的是米格-35的一個發展方案模型,這個設計在氣動外形上的改變,是將機翼的后緣從后掠改為前掠為主;以克服后掠翼布局在跨聲速區域進行大過載時會出現失控的缺陷

  甚至在T-10-1首飛之前,西蒙諾夫就開始設計全新的T-10S了,該機的第一個設計目標是提高大攻角升力。T-10-1采用沒有前緣襟翼的S形曲線機翼,這樣雖然能降低阻力,但也降低了大攻角升力,所以必須增加前緣襟翼。于是西蒙諾夫把S形前緣拉直以安裝前緣襟翼,并用后緣襟副翼取代之前單獨的襟翼和副翼進行減重。

T-10-1的機翼設計,S形前緣沒有襟翼,后緣有單獨的襟翼和副翼

T-10和T-10S的機翼設計對比

  另一個設計目標中段機身截面積降低20%以改善跨音速性能,為此西蒙諾夫重新設計了主起落架,把發動機附件傳動箱移到發動機頂部,消滅T-10-1腹部的鼓包,還進行了許多局部氣動修形。由于發動機傳動箱的改動,垂尾也需要從發動機艙上方移到了兩側。

  最終,T-10S的垂尾安裝在發動機艙兩側的尾撐上,這減少了有效垂尾面積,于是西蒙諾夫又在尾撐下方增加了兩片腹鰭。

T-10-1使用起落架艙門兼做減速板

T-10S則采用機背大型減速板

  主起落架的重新設計又影響到了減速板,T-10-1使用起落架艙門兼做減速板,而T-10S改為安裝在機背的大型單塊式減速板,這點和F-15“鷹”一樣。

T-10S(虛線)和T-10的輪廓差異

在風洞中進行測試的T-10S縮比模型

  1981年4月20日,第一架T-10S-1原型機在弗拉基米爾·伊柳辛的駕駛下首飛,此時蘇霍伊莫斯科實驗工廠已經制造出了10架T-10原型機。不幸的是,T-10S-1在9月3日的試飛中墜毀。

T-10與T-10S的側面圖對比

  阿穆爾河畔共青城的尤里·加加林飛機制造廠從一開始就參與了T-10項目,做好了迅速投產該機的準備。

  1982年6月2日,T-10S構型的首架蘇-27生產型(北約代號“側衛-B”)在共青城下線。

試飛中的T-10-17

  1985年3月7日,共青城制造的第一架蘇-27UB雙座型(UB代表戰斗教練機)首飛。

  共青城在制造了5架蘇-27UB之后就把雙座型的生產線遷移到伊爾庫茨克飛機制造廠。當時伊爾庫茨克剛完成米格-27“鞭笞者”戰斗轟炸機的生產任務,正處于青黃不接的階段。伊爾庫茨克制造的首架蘇-27UB在1986年9月10日投產。與蘇聯空軍當時其他戰斗機的同型雙座教練機相比(如米格-29UB),蘇-27UB保留了單座型的全部火控系統和作戰能力。蘇-27UB在尺寸上與單座型一致,串列雙座的后座艙占據了單座型機背油箱的部分位置。為了補償抬高的后座,蘇-27UB還增高了垂尾。這些改變略微降低了雙座型的性能。

雙座的T-10U原型機

不一樣的蘇霍伊

  西蒙諾夫在設計T-10S時做出了兩個大膽的決定。第一是采用具有連續平滑的翼身過渡的翼身融合氣動布局(蘇聯人叫做整體氣動布局)。這種布局具有兩大明顯優點:高升阻比和能容納大量燃油和設備。

  第二是采用縱向靜不穩定設計來提高敏捷性,但由于蘇-27機頭電子設備(主要是雷達)比預期要重,所以這個目標沒有完全實現,最后蘇-27的縱向穩定性接近中立穩定。由于傳統機械式飛控系統無法操縱靜不穩定飛機,所以蘇-27采用了全新研制的線傳飛控系統,不過僅用在受益最大的縱向操縱通道中。不管怎樣,蘇-27是蘇聯制造的第一種采用線傳飛控的生產型飛機。

  上述亮點并不是蘇-27上唯一的創新,該機的發動機、火控系統和武器也都是全新研制的。

  1975年,留里卡設計局(現在的土星科研生產聯合體)開始研制AL-31F渦扇發動機。發動機的設計指標是加力推力122.58千牛(12.5噸),推重比8,巡航耗油率61克/牛頓/小時。

AL-31F渦扇發動機

  最后AL-31F生產型雖然達到推力和重量指標,但巡航耗油率超出10%以上,達68克/牛頓/小時,最大軍推耗油率79克/牛頓/小時,加力耗油率200克/牛頓/小時。由于發展新發動機總是要比研制新機需要更多時間,所以第一架T-10原型機安裝的是AL-21F3發動機,也就是蘇-17和蘇-24的發動機。最后,AL-31F發動機裝在T-10S上在1985年開始國家試飛。

  坐落在茹科夫斯基的提赫米洛夫儀器制造研究院(Tikhomirov NIIP)派出經驗豐富的科學家維克托·格里欣來主持蘇-27雷達的研制,此前NIIP已經為米格-31研制并生產了蘇聯第一臺戰斗機相控陣雷達——“盾牌”(Zaslon),所以蘇-27的新雷達在設計上也很有特色,在垂直面采用電子掃描,在水平面采用機械掃描。但是這種混合掃描的新雷達最后研制失敗了,因為對于戰斗機來說實在太重了。蘇聯空軍在1982年放棄了相控陣天線要求,命令莫斯科的穩相加速器科學生產聯合體(Phazotron-NIIR)以米格-29的N019雷達基礎上為蘇-27研制N001雷達。N001雷達基本上是N019的放大型,具有直徑和發射功率都更大的卡塞格倫天線,這兩種雷達的許多組件都能通用。


最終N001雷達性能仍然大幅落后F-15的APG-63,但重量達到550公斤,如果計入后端的散熱和電源部分等全套系統,全重接近980公斤

蘇-27的設計也是圍繞著蠢重的雷達系統展開:整個前機身從雷達整流罩起到第18號隔框,除了飛行員、彈射座椅和前起落架,座艙前方、下方、后方的三個設備艙里都被電子設備塞滿

  蘇-27采用具有兩臺Ts100計算機的S-27(產品Sh101)火控系統,由RLPK-27 N001“劍”雷達系統、OEPS-27光電瞄準系統、SEI-31-10“水仙-M”數據顯示系統、“密碼”敵我識別系統、SUO-27武器管理系統組成。

  其中N001是一種具有下視下射能力的相干脈沖多普勒雷達,對戰斗機大小的3平方米雷達截面積目標迎頭搜索距離是85-100公里,尾追搜索距離是30-40公里。雷達可邊跟蹤邊掃描多達10個目標并同時攻擊其中兩個。

OEPS-27(產品31Ye)光電瞄準系統

  OEPS-27(產品31Ye)光電瞄準系統由OLS-27(產品36Sh)紅外搜索和跟蹤(IRST)系統(內置激光測距儀,對空中目標的尾追跟蹤距離是50公里,迎頭15公里)和“裂縫-3U”(Shchel-3U)頭盔瞄準具組成。SEI-31-10“水仙花”數據顯示系統(擁有自己的“軌道-20”計算機)則包括了ILS-31平顯和IPV戰術顯示器。

OLS-27的傳感器平臺位于風擋前端

蘇-27的座艙儀表與米格-29相似,這兩種蘇聯戰斗機的姿態陀螺、水平儀、空速表和高度表都一樣

  蘇-27在火控系統上最大的創新就是把雷達、IRST和頭盔瞄準具集成在一起,這在戰術上具有很大優點。例如,如果IRST跟蹤的目標飛進云中,雷達就能接手跟蹤。

  “裂縫-3U”頭盔瞄準具也在蘇-27的近距格斗中發揮重要作用。該瞄準具由烏克蘭基輔的兵工廠中央設計局設計制造,是蘇聯的第一種頭盔瞄準具。飛行員使用瞄準具上的十字準星進行瞄準,系統通過自動跟蹤飛行員的頭部運動把瞄準信息顯示在頭盔瞄準鏡和座艙顯示器上。R-73導彈的引導頭能隨動于飛行員的頭部運動,所以無論飛機位置如何都能進行大離軸角發射,無需再費力操縱機鼻對準目標,這在當時是近距狗斗的革命性概念。


飛行員使用瞄準具上的十字準星進行瞄準,系統通過自動跟蹤飛行員的頭部運動把瞄準信息顯示在頭盔瞄準鏡和座艙顯示器上

  蘇-27配備了一套PNK-10-02飛行導航系統,由SAU-10-01自動駕駛儀、具有兩個RV-21高度計的911-01導航子系統、ARK-22無線電測向儀、MRP-76信標接收機、“克維托克-1”遠距無線電導航系統、塔康、SO-72轉發器組成。

  該機還有兩套數據鏈,分別是TKS-2-27保密數據鏈,能使多達16架蘇-27聯機作戰,此外還有“光譜-1”數據鏈,用于從陸基雷達接收目標信息。

破紀錄飛行

  在1986年10月和11月15日,維克托·普加喬夫駕駛T-10S-3原型機——P-42創下了一系列計時爬升絕對世界紀錄,分別是耗時25.373秒內爬升到3000米(比之前F-15創造的紀錄快了2.2秒);耗時37.05秒內爬升到6000米;耗時47.028秒爬升到9000米;耗時58.102秒爬升到12000米。隨后尼古拉·薩多夫尼科夫在1987年3-6月間又創下了其他一系列紀錄,如耗時44.176秒爬升到9000米,比普加喬夫快了2.8秒。薩多夫尼科夫還創造了在90秒時間內爬升到19335-19429米的高度紀錄。最終P-42創造了41項世界紀錄。為了竟可能降低重量,提高推重比,P-42拆除了許多設備,如武器系統和減速傘,甚至除掉了機身表面的油漆,鎖住機翼前緣襟翼,發動機推力提高到128.4千牛(13092千克),并且在破紀錄飛行中只裝了最少量的燃油,


創造紀錄的P-42機

爬升中的P-42

  蘇霍伊還改裝出另一架T-10-20R破紀錄飛機,拆除機鼻雷達為油箱騰出空間,并在發動機艙之間的加長尾椎中增加一個額外油箱,改用弧型翼尖以降低阻力。T-10-20R計劃用于打破500公里封閉航線的世界速度記錄,但此時蘇聯政府對破紀錄的興趣已經降低,最終T10-20R被取消。

T-10-20R破紀錄飛機

T-10-20R尖尖的機鼻

普加喬夫“眼鏡蛇”

  1989年5月,蘇-27進行了國際首秀,蘇-27 388號單座型和蘇-27UB 389雙座型參加巴黎航展。

1989年的巴黎航展中,普加喬夫做出了匪夷所思的“眼鏡蛇”機動,機頭指向在最極端的時候達到120度

事實上,“眼鏡蛇”機動中,高度還是略有增加,不過微不足道就是了

普加喬夫駕駛單座型在范保羅航展上表演“眼鏡蛇”時,飛到了130度的最大迎角

  蘇霍伊設計局試飛員維克托·普加喬夫在航展上首次公開表演了驚人的“眼鏡蛇”機動,從技術角度來看,“眼鏡蛇”屬于一種動態減速機動。1987年9月29日,試飛員伊戈爾·沃爾克在一次試飛中首次駕駛蘇-27實現了“眼鏡蛇”機動,在這個機動中,蘇-27先是高速平飛,然后機鼻上揚,攻角迅速提高到120度以機尾在前的姿態前飛幾秒,然后在不掉高度的情況下降低機鼻恢復水平飛行。由于蘇-27的直立姿態很像一條發怒的眼鏡蛇,所以這個機動被命名為“眼鏡蛇”機動。

  做“眼鏡蛇”時,飛行員必須在500-1000米高度以205-228節(380-420公里/小時)的速度飛行,然后向后快速拉桿,在達到120度最大攻角后,飛行員必須快速推桿到中立位置并增加推力,同時要防止飛機進入負攻角飛行狀態。在飛“眼鏡蛇”機動前,飛行員必須關閉飛控的攻角限制器。

維克托·普加喬夫,俄羅斯功勛試飛員

導彈

  蘇聯專門為蘇-27和米格-29研制了兩種新型空空導彈,分別是中遠距的R-27和短距R-73。

R-27中遠距空空導彈

  信號旗設計局研制的R-27空空導彈目前仍是俄羅斯主要的中距空空導彈,該彈在1979年從一架米格-23ML“鞭笞者-G”上進行了首次試射。自1983年以來,R-27的所有型號都由烏克蘭基輔的阿爾喬姆工廠生產,蘇聯/俄羅斯沒有生產過。

  R-27(AA-10“白楊”)采用模塊化結構,包括帶控制翼面、自動駕駛儀、電源、戰斗部和引信的中段彈身,兩種安裝有固定翼面和發動機的可互換后段,不同型號的引導頭。

R-27R的半主動雷達制導引導頭

  導彈采用了新穎的蝶形控制翼面(控制翼面的翼尖弦長寬于翼根),能降低阻力并在飛行末端增強導彈的機動性。半主動雷達制導的R-27R和被動紅外制導的R-27T是R-27家族中最先問世的兩種型號,于1983年投產,1987年正式進入蘇聯空軍服役。隨后蘇-27又裝備了第三種R-27——被動雷達制導的R-27P。

R-27T與R-27R導彈

  1990年服役的R-27E系列改用更強大的雙脈沖發動機,與標準型R-27的單脈沖發動機相比在射程和平均速度都有所增加。R-27E有三個子型號,分別是半主動雷達制導的R-27ER,紅外制導的R-27ET和被動雷達制導的R-27EP。

  R-27R的最大彈道射程為60公里,R-27ER是95公里,當然這種射程在實戰中絕對無法實現??湛諏椀膶崙鹕涑淘诤艽蟪潭壬先Q于高度,發射高度越低射程就越短。另一個影響因素是載機和目標的速度,雙方接近速度越高射程就越大,所以說空空導彈的迎頭射程要高于尾追射程。以R-27ER為例,盡管該彈的彈道射程高達95公里,但在實戰中,當蘇-27和目標都以485節(900公里/小時)的速度飛行在10000米高度時,R-27ER的迎頭射程為60公里,尾追射程只有30公里。高度下降到4900米時,兩個射程分別縮短至40公里和18公里。到了910米高度,又進一步降低到26公里和10公里,此時中距彈就變成近距彈了。此外,空空導彈的射程還必須考慮引導頭的限制,如R-27T和R-27ET在發射前必須先鎖定目標,這使導彈射程無法超過引導頭探測距離。此外,目標實施的防御機動和干擾也能進一步降低導彈的實際射程。

R-73短距空空導彈

  從設計角度看,R-73(AA-11“射手”)是一種體形緊湊的全向紅外制導空空導彈。莫斯科閃電設計局在1976年開始了R-73的初步設計,1982年4月在閃電設計局承擔了“暴風雪”航天飛機的研制任務后,局里300名導彈專家來到信號旗設計局繼續研制R-73。R-73導彈在1982年投入生產,在1983年11月5日正式服役。蘇聯時期有兩座生產R-73導彈的工廠,分別是莫斯科的杜克斯工廠和格魯吉亞第比利斯的第比利斯飛機協會(TASA)。蘇聯解體后,兩座工廠繼續生產R-73導彈。其中TASA表示直到20世紀90年代初,工廠仍能年產6000枚R-73導彈,1992年后的出口量超過10000枚。

  R-73導彈采用鴨式氣動布局,頭部有4片三角形控制翼面,尾部圍繞發動機安裝了4片梯形固定翼面。

  R-73通過氣動-矢量綜合控制實現出色的機動性,導彈在發射后就能做40度以上攻角的急轉彎,迅速飛向目標。在動力飛行階段,圍繞發動機噴管布置的兩個雙偏流板能通過偏折噴流來輔助氣動控制面進行俯仰和方向操縱。導彈尾翼后緣有4片機械互連的副翼,用于保證導彈在縱軸線上的穩定性?;鸺l動機燒完后,R-73就只能依靠氣動控制面進行操縱了。

R-73尾部的偏流板

  目前現役R-73有兩個型號,第一種是早期的R-73K(對應出口型是R-73E),配備有“隼”無線電近炸引信。第二種是后期的R-73L(對應出口型R-73LE),升級成“琥珀”激光近炸引信,所以鴨翼后方具有激光引信矩形窗口。

R-73L,注意鴨翼后方的激光引信矩形窗口

  R-73在飛行中段使用慣性制導,末端則由紅外引導頭制導。其“燈塔-80”引導頭是烏克蘭兵工廠設計局設計制造的,由于采用的氮氣冷卻的銻化銦傳感器,所以能全向跟蹤空中目標,而不是向上一代引導頭那樣僅能在目標尾后進行跟蹤。在蘇-27上,R-73可在任何過載下發射,不受載機機動限制。



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