涡流力学效应仪原理(歼15电传事故机毁人亡的俯仰失控到底啥样？两个动图，解释原理)

图：英勇牺牲的歼15飞行员张超烈士

2016年4月27日，海军某舰载航空兵部队一级飞行员张超驾驶战机进行陆基模拟着舰接地时，突发电传故障，战机完全失控并剧烈上仰；在挽救战机失败后，张超烈士不得不弃机弹射救生。由于弹射时的救生条件过于恶劣，张超烈士身受重伤，抢救无效壮烈牺牲。我们应该如何深入理解歼15电传故障？飞行员弹射为何失败？

一、为什么战斗机会出现剧烈的失控上仰？

1、先进战斗机都存在猛烈的上仰趋势，这是高机动性的必然代价

图：F22和JAS39研制过程中，也曾出现俯仰失控

战斗机在空中机动飞行时，需要大量的升力来支撑它完成盘旋和滚转等复杂的机动动作，并灵活的将飞机头部指向敌人。

仅两个方面，就向战机提出了抬头方面的能力要求：飞机的可控抬头范围要大，能让机翼与迎面气流的夹角变得更大一些，获得更高的可用升力——这也是大迎角性能的基本目的之一；此外，飞机的抬头速度要快，这样才能尽可能的进入高机动状态，才能更快的把机头指向对手。

图：F18进行超低空低速大迎角飞行表演。大迎角下飞机有很大的升力系数，这样它可以低速缓慢飞行，给观众带来刺激的视觉体验。

在进入以F16为标志（技术意义上）的三代机时代以后，战斗机在机头上仰的能力上又出现了跨越性的提升。一方面是这些飞机刻意做的头部重量占全机比例特别小，而机翼靠前（比如F16机翼比传统设计标准靠前0.4米）；天然的飞行稳定性很差、甚至是完全不稳定，只要一丁点的扰动就能让飞机猛烈抬头起来。在这种情况下，飞机要有先进而完善的电传控制系统，才能保证飞行的安全。

图：不稳定会带来的问题。比如JAS39的电传系统，早期控制律设计不完善，导致了数起人机耦合振荡最终失控的事故。

图：羽毛球重量集中在前，大迎风面积的轻质尾裙在后，就是一种极端化的静稳定设计。不管怎么击打，一飞出去最后就变成头朝前飞行。

2、苏27家族的气动设计布局使它特别易于出现上仰失控

仅从放宽静稳定度来说，苏27本来不会成为常规布局设计三代机中最易于出现剧烈上仰失控的机种。苏27在绝大多数状态下接近中立稳定，极限状态（挂载、燃油消耗分布等因素限制）下处于轻度不稳定（-5%）的稳定性设计，而F-16这个数字是-10%。

真正的病根在于，苏27对亚声速范围内高机动性和高航程兼顾追求，采用了极为危险的涡流发生器+后掠翼组合。这类设计并非仅此一例，以色列的狮式（LAVI）战斗机做的比苏27更极端——当然它的遭遇更惨，最后因为无法克服大迎角飞行下的控制问题而被迫下马。

常见的涡流发生器在三代机上包括边条和鸭翼，在四代机上包括机头的侧面棱边、进气道唇口等等。它们通过倾斜和锐利的边缘，使得迎面而来的气流被撕裂卷动成高速的漩涡体系；这些漩涡从机翼上方经过时，能够极大的增强机翼的升力表现。但漩涡增升也有个致命的特性——它随着角度的每一度变化，漩涡的强度和范围不是和缓的增强削弱，而是急剧的骤强骤弱，非常难以控制。

图：FC-1战斗机尖拱大边条上的凝结雾气，就是涡流的核心区域。

图：注意以色列LAVI采用了后掠翼的主翼以加强载荷航程能力，而且鸭翼为了获得最大的增升效果，有一半与主翼前缘重合。犹太人贪婪地把机动性和航程指标制定到高的不现实的程度，并真的以为能摆平飞行控制问题，最后导致LAVI气动布局存在不可挽救的致命缺陷，只能被迫放弃。相信歼10是复制LAVI的人，只能说毫无气动设计常识。

与LAVI的追求类似，为了获得4000公里航程（最后基础型为3900公里，sk增重加强结构后为3680公里），苏27选择了展弦比3.5的后掠翼设计，机翼后援的根部朝内收拢，呈现后掠姿态。这种机翼一旦抬头、角度加大到接近极限状态，就会从机翼最外端开始失速、丧失升力；由于前端的机翼内侧还有升力，因此它就会越来越不可遏制的抬头。苏27边条与后掠翼的危险组合，使得它一旦抬头过猛，飞机就极易进入不可遏制的失控上仰状态。

在这种情况下，苏27在低速下能飞出眼镜蛇机动这样极具观赏性的动作，但也带来了性能缺陷，苏27在跨、超声速下机动性被强制大幅度削弱（仅盘旋过载就从9G下降到6.5G）——飞机在高机动飞行的状态下阻力极大，会迅速减速；一旦掉入亚声速范围，激波消失，随着升力中心的大幅度前移，飞机就会出现一个猛烈的抬头趋势。苏27若不限制跨音速机动性，留出足够余量，则必然失控、乃至空中解体。

图：眼镜蛇机动绝非普加乔夫“无意”、“独创”的结果，而是苏27试飞工程中一个系统化的研究成果。

图：自F16以来，除了米格29、苏27，再没有别的三四代制空战斗机选择后掠翼，F-16、歼10等飞机的机翼后缘或平直、或带有前掠角度。这可不是巧合，因为涡流发生器+后掠翼组合会导致飞行控制难度大幅增加。

图：歼10主翼选择了后缘前掠的大三角翼，虽然牺牲了一些航程性能，但飞控控制能更加安全。

3、苏33在着陆时也曾发生过突防失控上仰事故

尤其是苏33为了解决舰载机改型以后，为了弥补由于防腐蚀、结构加强等设计原因导致的重心前移、气动稳定性增高，采取添加鸭翼形成三翼面布局的改动以后；鸭翼比边条的涡流增升效应更猛烈、更难以控制的问题，进一步加大了飞机的控制难度。

直到苏联解体时，苏33都没有完成定型设计，这当然也包括其电传飞控系统。而乌克兰提供给中国的T10K原型机，其电传系统的硬件和控制律设计，更都是处于相当早期的阶段，其实是有待完善的。

图：苏33舰载战斗机三面图，它在苏27基础上增加了鸭翼，飞行控制难度更大。

图：其实这次歼15在着陆时出现突发上仰的事故，苏33也曾在着舰时发生过。图为苏33在着舰降落时突发失控性上仰。

三、为何歼15飞行员弹射以后仍然牺牲？是否弹射座椅存在性能缺陷？

1、歼15使用的弹射座椅性能在三代机中属于一流水平

在歼15等国产化苏27家族机型上，负责飞行员在灾难情况下弃机弹射救生的，都是HTY-8型弹射座椅。这种弹射座椅是苏27系列（其实是苏联多数战术飞机的通用型号）K36D座椅的国产化型号，没有采用歼10的HTY-5等国内自主设计的座椅，一方面是考虑到座椅和飞机的匹配问题，另一方面也是因为K36D座椅的总体性能在三代机范围内是最好的——除了重量上大一点。

图：仿制K36D的HTY-8弹射座椅

和西方同代弹射座椅，也包括HTY-5这种西式总体设计的国产型号相比；K36D座椅在高速下的飞行稳定性极佳，减速柔和，高速救生能力具备压倒性的领先优势。而且在低空低速救生能力上，性能依旧不弱于西方先进型号。国产化的HTY-8座椅完全保留了K36D座椅的总体性能，在国际三代机范围中依然是性能一流的产品。

2、飞行员弹射时条件过于恶劣，完全超出三代座椅救生极限

根据公开新闻，张超烈士在弹射时，歼15战机已经超过80度仰角。早期战斗机座椅设计时，都带有一个13-17度的后倾角度，以缓解飞行员的长时间坐姿疲劳；而在一些强调利用座椅强化飞行员抵抗过载能力的机型上，座椅后倾角度可以达到20-30度。换句话说，张超烈士进行弹射时，实际上已经处于倒扣状态、朝着斜下方弹射出去了。

图：70年代的美国海军VSS弹射座椅测试，图中可见它要30米以上高度才可以改变座椅姿态。

加上该机当时正处于模拟着舰训练过程中，高度极低，完全可以视为零高度弹射。实际上不只是基于K36D的HTY-8座椅，任何一种三代弹射座椅都不可能在这种局面下，为张超烈士赢得人伞分离和打开救生伞的时间、高度——包括F22装备的弹射座椅，同样也不行。

理论上，弹射座椅要在当时拯救张超烈士，必须自带矢量推力火箭系统，能够根据弹射时的飞机姿态，瞬间调整座椅朝向、使其向上飞行获得救生高度。而这种将弹射座椅作为自带动力和复杂主动控制飞行器的设计，已经是第四代弹射座椅的范畴。

3、俄最新座椅也不行，美部分试验型号或许具备此类事故下的救生能力

由于技术难度和成本等方面的限制，目前全世界范围内，都没有真正的第四代弹射座椅服役。美国F22在规划之初曾经计划采用，但其研制进度完全跟不上需要而不得不放弃。目前世界上最接近第四代弹射座椅的实用型号，是俄罗斯T50装备的基于K36-3.5座椅的最新三代半改型。

图：T50配备的是最新改型的K36座椅

在美国为第四代战斗机选择弹射的过程中，曾经十分看好俄罗斯的K36座椅，因此联合俄罗斯对K36进行了重新设计；以重点解决其重量较大、因为电子水平落后而导致控制功能简陋、不具备进一步发展潜力的问题。这个型号后来就成为K36-3.5，它有两个姿态控制火箭，能够大大改善低空弹射时的高度损失，但要在零高度、斜向下状态下完成救生，恐怕也不行。

在早年的测试中，美国的一些试验型号展现过类似情况下的救生能力，但这些试验型号最终没有付诸实用，也证明它们在各方面还是存在大量不足。

4、此次歼15突防失控上仰事故还原

图1：4月27日中午接近1点时，张超驾驶117号战机准备降落，这是他当天最后一个架次，也是正式登舰前的最后一轮陆基模拟起降训练。

图2：战机轮胎着地，几乎同时张超报告“电传故障”！

图3：以240公里时速滑行的战机开始失控，机头急剧大幅上扬。

图4：张超奋力前推操纵杆，试图压低机头控制战机。

图5：发生故障4.4秒后，机身仰角已近80度，张超弹射出舱后坠地。

三、中国在未来如何才能彻底根除歼15的故障隐患？

1、中国不能继续满足于苏27系列早期飞控水平

改革开放以来，中国科研能力有了翻天覆地的变化，很多以往的弱项，现在已经变成世界前列的强项。太多以前做不到的事情，现在对于中国已经不是难事。

比如在空气动力学和飞行控制领域，歼20展现出的就是世界顶级水平。在隐身设计限制下、利用多组涡流发生器结合设计获得高机动性、兼顾超音速减阻设计，歼20要远远强过俄罗斯T50。很多欧洲80-90年代因为技术难关无法攻克——比如将鸭翼和机翼安装在同一高度，形成升力体布局的设计，也在歼20上成功应用。

图：美国工程师海因里希提出了一条著名规律：每发生1起导致死亡（重伤）的事故，背后都存在类似的29起轻伤事故和300起无伤害事故。美国空军大学在80年代初的研究也证实了这一规律：每出现一起等级飞行事故，都会发生类似的27起事故征候。我国的研究结果一样认可了海因里希规律，只不过比例略有不同。

与此相比，国内苏27家族的性能发展，也不应该再拘泥于原始设计引进时的状态。该修正的缺陷，应该全面修正；不足的功能，应该予以补足，这样才能满足未来的作战需求。比如和歼10相比，苏33的电传控制律是缺乏直接升力控制功能的；而飞机能不能在修正高度时保持姿态不变，这种解耦控制功能就是将来发展全自动着舰系统的关键基础之一。

无论是从飞行安全性，还是未来的功能扩展——比如将飞控与火控交联起来，极大的提升战机的火力反应速度；研制单位都不应继续满足于保持现有水平，而是应该为歼15等机型，设计出全新的控制律和相关飞控软件，开发出在功能类别、性能指标上都与歼10相当的新型电传系统。

2、中国应该加紧开发第四代弹射座椅

除了飞机平台的功能改善以外，国内应该加大对于第四代弹射座椅的研究力度，争取早日拿出成果。虽然从远期看，无人化空战、乃至于全面性的无人战争是强国之间的未来发展趋势；但不可否认的是，至少在数十年内，还会有大量的载人战术飞机继续发挥主流作用。

在这种背景下，开发新一代弹射座椅，以尽可能的挽救更多飞行员的生命，仍然有着无可取代的现实意义。尤其是随着国内航母力量的建设力度增强，类似张超烈士这样弹射条件特别恶劣的情况，恐怕会不可避免的增多，如果能够尽早的装备第四代弹射座椅，那么我们将能够挽救更多的家庭。

3、相信中国的科研力量，歼15必将脱胎换骨

虽然现在有所挫折，但歼15的发展前景依然是值得我们看好的，不容某些居心叵测的人蓄意抹黑。

歼15的研制单位有着国内最为悠久的历史，有着数位院士为首的德高望重的资深专家——包括被尊称为中国隐身飞机之父的两院院士在内的几乎中航决策院士专家小组绝大部分成员，有着国内最为丰厚的研究投入；无论三代机的规划论证和预先研制工作，还是四代机的初期规划和指标论证，都是由歼15研制单位主持完成的。

作为新中国航空工业的正牌长子，歼15的研制单位在历史上曾经面临过更为艰难的经历。比如歼8系列的研制过程何其艰难？然而它依然从六十年代初期，不断的成长和发展完善，派生出大量型号，每个型号都能看见研制单位一点一滴的进步。有了这样的精神，难道还怕歼15的后续型号做不好吗？

图：辽宁舰与歼15舰载战斗机