Su-57的垂直尾翼相對整架飛機來說,面積是很小的,但它卻設計成全動式,它的水平尾翼相對來說也比較小。以上特點跟F-22比尤其明顯,F-22的垂尾和平尾的面積相對整架飛機來說就大很多,而且它垂直尾翼的前半部是固定的垂直安定面,並非全動式設計。
再考慮到Su-57有向量推理噴嘴,所以這說明了什麼?
這說明了Su-57有非常先進的飛控系統,因此控制舵面就可以做得很小,但藉由靈巧的控制律,以及向量噴嘴的使用,讓戰機仍然達到很高的機動性。
從這個層面上來說,Su-57更接近英國的暴風、德法的FCAS六代機設計。甚至,Su-57扁平的機身、延續Su-27系列的舉升體設計(兩個發動機吊艙在機身下方左右隔開,使得其中間的機身也能產生升力),是目技術上可實踐的、已服役的戰術戰鬥機的設計中,最接近飛翼佈局的設計。如果不看Su-57機身下方那兩個發動機吊艙,那整架Su-57其實就是「展弦比較低、後掠角較大的」飛翼佈局飛機。也就意味者它整架飛機的升力係數較高,在機動上有優勢,短距起飛就更是不在話下。
不過,先讓我們先回到最基礎、最原始的飛行動力學來看,戰機機動的本質是什麼?力與力矩。
力與力矩,是能讓戰機機動的本質要素,從圖中可以注意到垂直尾翼、副翼和翼前緣延伸翼的前緣襟翼的舵角。(維基百科)
戰機機動可以看成它是有位移(translation),比如高速衝刺、爬升、俯衝、轉彎這類相對於某固定在地球上的座標系來說(x,y,z)座標位置的變化;以及轉動(rotation),這基本上就是指飛機姿態的改變,比如抬頭(pitch up)、低頭(pitch down),在轉彎之前要先建立一個滾轉角(roll angle)。
當然以上兩者很多時候是相輔相成的,比如要爬升(增加高度,這是一種位移;也就是增加z座標的值)之前,必須先改變飛機姿態,增加pitch angle,讓飛機抬頭(這就是姿態的改變)。
那戰機有什麼手段可以產生力和力矩,去調整自己的姿態、讓自己在三維空間中的座標改變?
力的話不外乎推力和升力,推力由發動機產生,需要的時候可以開後燃器取得更大推力;升力就由機翼產生,要產生大升力的方法有設計面積更大的機翼(如許多三角翼飛機,但翼面積過度加大會造成寄身阻力的上升和重量的增加)、稍微調整機翼的展弦比(但超音速戰機普遍需要低展弦比和高後掠角,所以只有像F/A-18這種艦載機的展弦比會相對其他機種較高)、襟翼和前緣襟翼的使用、翼前緣延伸翼在高攻角時能產生渦流去加強後方主翼的升力等。
力矩的話就是各式各樣的舵面,以及向量噴嘴。它們產生力的軸線,相對於飛機的重心,會產生一股力矩,這個力矩就可以改變飛機的姿態。比如說,水平尾翼向下打,使飛機產生抬頭力矩,讓飛機的攻角增加,然後主翼就會產生更大升力,讓飛機爬升,其高度(z座標值)就增加了。
比較大的差異在於,水平尾翼、垂直尾翼、方向舵、鴨翼等,甚至襟翼和前緣襟翼(它們在調整主翼升力係數大小的同時,也會改變主翼壓力中心,也就是升力的作用點的前後位置,因此也會對重心造成一些力矩上的改變),它們都是「氣動」舵面,當飛行速度降低時,動壓變小,它們的控制效果也會下降,相較之下,向量推力就較無此限制。
力矩能夠改變飛機的姿態(讓飛機俯仰角增加),力能夠讓飛機產生位移(向前飛行和增加高度)。從此圖也可以注意到發動機產生的強大推力,以及機翼和舉升體機身在一定攻角下產生的升力。(維基百科)
回到Su-57,由於它有更先進的控制律,加上向量推力技術的應用(俄國人從Su-30MKI、Su-35S到Su-57都在用向量推力,應該是有相當的經驗),因此它的垂直尾翼可以做得小,而且捨去前半部固定的垂直安定面(負責飛機穩定)的部分,直接做成全動式的;同理,水平尾翼的面積也得以縮小。
控制面做得小的好處在於,在平常飛行時它就不會造成那麼大的阻力(意味者讓飛機更適合高速飛行,比如超音速飛行、超音速巡航的阻力代價降低),在重量上也較輕,對匿蹤也有利。但可以想見的,它的垂尾和平尾在飛行過程中相對傳統的設計,就必須以更高的頻率不斷調整它的舵角,以達到穩定或控制的效果,這感覺就有點像首次採用放寬靜穩定技術的F-16的平尾相對於F-5的平尾的情況了。
此外,Su-57翼前緣延伸翼最前方那個角度可調的構造。它可以看成是「翼前緣延伸翼的前緣襟翼(adjustable leading–edge vortex controllers)」,跟裝在主翼的前緣襟翼是類似的東西。
當飛機在平飛或低攻角時,它的角度是水平,就跟後方的翼前緣延伸翼一樣,充當是多出來的翼面積,或著稍微向下打一點點角度,就像主翼的前緣襟翼一樣,提升一點升力係數,但這時它就有可能可以讓主翼的壓力中心位置更往前,讓飛機抬頭(畢竟它的面積比主翼的前緣襟翼大很多);當飛機在高攻角進行機動時,它如果不動、仍然保持水平的話,那就跟傳統上我們在F/A-18上看到的翼前緣延伸翼一樣了,但當它稍微向下打舵角時,可以增加翼前緣延伸翼的升力係數,或著,延後「翼前緣延伸翼的失速攻角」,讓其可以在更大的攻角持續產生渦流,去加強後方的主翼上表面的邊界層氣流,使主翼能夠產生更大的升力。
最後為全文做個總結,戰機的機動性,可以從「力」和「力矩」這兩個層面來看,「力」的部分,包含發動機提供推力,機翼展弦比、漸縮比和翼面積,以及襟翼、前緣襟翼、翼前緣延伸翼等;「力矩」的部分,水平尾翼、垂直尾翼、副翼、向量噴嘴、鴨翼等,都可以對重心產生力矩,去改變飛機的姿態。
所以萬變不離其宗,還是回歸最基礎的動力學,一個剛體(rigid body)的重心,所受到的合力與合力矩,決定了它最後的移動與轉動。在實際的航太工程研發上,這就是工程數學、動力學、自動控制的緊密結合,如果要設計它的飛行控制律,還要有電子電路學跟程式設計,用電控的架構去實現力學的那套控制理論。
※作者畢業於國立成功大學航空太空工程學系、航空太空所導航與控制組,著有「飛機設計與運作原理」、「戰鬥機設計與運作原理」。