從俄軍Su-57看現代戰機實現高機動性的設計原理

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」。