俄羅斯側滑電影

Ⅳ 【藍天之夢】04，攻角、爬升角和俯仰角

【 導     語】

當人類站立起來，把目光從地面引向空中後，就開始夢想著能像鷹一樣在藍天上翱翔。

宇宙的基本原理具有隨機性，生物靠隨機性來變異，靠死亡和倖存獲得篩選，但是人類不滿足上帝似乎不太公平的的安排，為此我們靠大腦和雙手製造出了翅膀，飛上了藍天，實現了人類飛天之夢，這就是人類文明。

莊子在【逍遙游】一文中說：若夫乘天地之正，而御六氣之辯，以游無窮者，彼且惡乎待哉？意思是只要遵循宇宙萬物之規律，把握六氣之變化，就能飛翔遨遊於無窮無盡的境域，他還需要仰賴什麼呢？這是莊子的空氣動力學，屬於狹義飛行相對論，因為老莊可能認為曲率張量是0。

莊子接著又說：故曰：至人無己，神人無功，聖人無名。意思是至人能夠達到忘我的境界，精神世界完全超脫物外，這是莊子對待飛翔的態度，屬於莊子的空氣動力哲學。這時老莊可能看到了時光的曲率，意思到了微分同胚誘導下的對稱性，於是他直接拐彎到人的心靈深處，就產生了老莊版的廣義飛行相對論。

都說少學孔孟老學庄，意思就是孔孟是教你入世的，老莊是教你出世的。到了該學老莊的年齡，就按照老莊的教誨去學習飛行吧。

【藍天之夢】就是本著老莊廣義飛行相對論，以無為的境界去學習飛行，沒有任何功利目的，並且試圖從一些特殊的視角，與讀友們一起順著老莊的空氣動力哲學思路，去探討空氣動力學。

【戰地日記】通過戰爭的視角，記錄了第一代空軍人如何懷揣夢想，從陸地猛虎變為藍天雄鷹。他們最初像一隻雛鷹那樣，掙扎著在暴風驟雨中學會了飛，並且在戰火紛飛中逐步成長，在槍林彈雨中展翅翱翔，最終成長為一隻目空天下、搏擊蒼穹的中華雄鷹。

【藍天之夢】則通過剛學到的航空理論，結合當年先輩們的戰斗經歷，活學活用，把理論和實戰相結合，技術和戰術相對接，沿著先輩們在藍天留下的痕跡，試圖在浩渺的歷史空間尋找一幕幕電閃雷鳴的瞬間，在那些逝去的藍天空戰中解析成與敗，勝與憾的因果。

尋找歷史真相，還原戰斗過程，【藍天之夢】除了與讀友一起研究老莊飛行相對論，探討航空理論知識外，還期待在分析戰例時，能為歷史留下足跡，為後人祭奠先輩提供素材葷料，饕軍事歷史愛好者魂牽夢繞之癮。

在學習航空理論時，有一些定義（Definitions）必須先有所了解，才能在後續的學習中不至於攪渾概念。前兩篇主要介紹了飛機的翼型和升力等基礎性概念，這一篇主要介紹和飛機升力有關的角度。

與飛機升力有關的最重要角度有：攻角、俯仰角和爬升角。

一， 攻角

攻角 （Angle of attack，簡稱AOA），指的是飛機機翼 弦線 （Chord line）與 相對風 （空氣流場向量）的夾角。

攻角是英文的直譯，中國翻譯為 迎角 ，我個人覺得中國的翻譯最貼近物理學含義，因為迎角就是相對於機翼的前進方向(相對於氣流的方向)與機翼弦線的夾角，它是確定機翼在氣流中姿態的最重要參數。

01， 攻角與升力的關系

升力是一種機械力 ，它是通過固體和流體相互作用和接觸產生的速度差而形成的， 沒有運動就沒有升力 。

攻角產生機翼上下洗的壓力差，也就是機翼吸力面和壓力面之間的壓力差而產生升力（後面篇幅將詳細介紹空氣動力學原理）。

飛機要獲得升力，主要依靠機翼，而翼型必須要有攻角或彎度，有彎度的翼型，其零升力攻角不為零，也就是說攻角在0度時，有中弧線的翼型才有升力。

而對稱翼不具有中弧線，所以在攻角為0度時沒有升力，必須要有攻角，翼型才能提供升力。

升力大小跟攻角和速度的大小成正比，由於攻角增大而使升力增大，如果是由於速度增大導致升力增大，那麼攻角不但不增大而且會減小。

升力的方向大約垂直於弦線 ，攻角改變升力的方向也改變，平飛時垂直分量等於重力，飛機開始爬升。帶桿抬頭，攻角增大，升力增大。攻角不變 ，速度增大，升力也增大。

攻角的大小也是可以改變的，通常民航或通航飛機的攻角設定不超過17度，而戰斗機的攻角則更大。

02， 入射角

入射角 （Angle of incidence），指的是飛機 縱軸線 與機翼 弦線 之間的夾角。

在飛機設計時就根據不同用途的飛機以及翼型來確定飛機的入射角，通常機翼安裝在機身兩側，機翼的chord line（弦線）稍微上揚，與relative wind（相對風）有個夾角，這個角就叫angle of  incidence（入射角）。

入射角中文通常翻譯成裝置角或 安裝角 ，意思是飛機安裝時就擁有固定的攻角。這樣飛機在起飛和飛行時不必打水平控制面，就可以有額外的作用力協助穩定飛行。

例如我平時練習的Cessna-172 skyhawk（塞斯納172天鷹），入射角就設定在6度。

由於機翼設計Wing twist（機翼扭曲）能夠使翼尖保持水平時，翼根有些angle of incidence，翼根就具有比翼尖先失速的特性存在，當翼根Stall（失速）的時候，飛機還能夠保持控制（關於失速在後面篇幅專門講解）。

03， 攻角、升力、阻力的關系

影響飛機 升力 的主要因素一是 攻角 ，二是 飛行速度和空氣密度 ，三是 機翼面積 。機翼產生的升力取決於機翼形狀，機翼面積和飛機速度。

飛機大部分升力是由機翼產生的，而升力是垂直於飛行方向的力。

飛機攻角不同升力系數也會改變。攻角增加，升力系數呈現直線上升，但是攻角達到某個角度時，空氣無法沿著機翼上方流動，升力系數就不會繼續上升。

當 升力系數超過最大值時 ，升力會急速減少，阻力會急速增加，使得飛機成為 失速狀態 。如下圖：

飛機生成的阻力取決於飛機的大小。 阻力也是一種空氣動力  ，因此取決於機體在空氣中移動時機體周圍空氣的壓力變化。

總的空氣動力等於壓力乘以機體周圍的表面積。阻力是沿著飛行方向力的組成部分。像其他氣動力一樣，升力阻力與物體的面積成正比。

阻力主要分為兩種：

一是機翼產生升力時衍生的 誘導阻力 （Inced drad），低速時飛機要產生升力，需要較大的攻角，因此也會產生較大的誘導阻力，速度越低，阻力越大，升阻比越小。

二是因空氣和飛機的相對運動產生的 寄生阻力 （Parasite drag），高速飛行時的阻力以寄生阻力為主，速度越高，阻力越大，升阻比越小。

另外造成阻力的因素還有壓力阻力、摩擦阻力、形狀阻力、造波阻力、干擾阻力等。

影響阻力大小主要是機翼的形狀和傾角，阻力的大小決定阻力系數的大小。升阻比（L/D）是指飛機在同一攻角下升力與阻力的比值，飛機的 升阻比越大，其空氣動力性能越好。

最大升阻比的速度一般會在阻力最低速度及升力最大速度之間，所以最大升阻比的速度等於巡航速度。

二， 爬升角

爬升角 （angle of climb），爬升角是飛機 上升軌跡與水平線 之間的夾角。

我們平時在機場，看到飛機在跑道上滑行，然後仰起機頭與跑道形成的角度主要是爬升角。

飛行學校教練授課中

01， 爬升角

飛機沿向上傾斜的軌跡所作的等速直線飛行就叫爬升。爬升是飛機取得高度的基本方法。爬升中作用於飛機的外力和平飛相同，有升力、重力、拉力（推力）和阻力。

飛機爬升角越大，說明經過同樣的水平距離後，上升的高度越高。上升高度與水平距離的比值，就是上升梯度。飛機的剩餘拉力（或剩餘推力）越大，或飛機重量越輕，則上升角和上升梯度越大。

如果爬升角為 負 ，也叫 下降角 。

02， 爬升率

爬升率 （Rate of climb），是指飛機升高海拔的速度，飛機降低海拔的速度稱為下降率。

飛機的爬升率與機翼的翼載荷、發動機的推重比以及載重量等因素相關。例如我平時飛行練習的塞斯納教練機，有次後面加坐了2個人，明顯感覺起飛爬升時較平時緩慢。

戰例：【 戰地日記 】第二十章記載：1955年1月10日，陰，杭州筧橋。12:25，空20師張偉良副師長率領28架杜-2轟炸機起飛，由於 載彈量達到極限， 加上跑道結冰， 飛機滑行到跑道頂端才拉起升空 ......

分析如下：杜-2轟炸機的爬升率為8.2米/秒；翼載荷220千克/平方米；推重比0.31；載彈量3000千克。

1，當載彈量達到極限時， 重力將導致滑行速度變慢 ，速度慢則升力降低，只能通過增大速度獲得升力，而重載飛機起飛階段要獲得加速度，必須加大滑跑距離，如果滑跑距離不夠，可能造成升力不夠，無法起飛。

2，杜-2轟炸機採取 雙尾翼 設計，雙尾翼在飛行中可以減小側滑時產生的滾轉力矩，提高大攻角時的航向穩定性，但是也 增大了阻力 ，消耗了起飛時的升力。

三， 俯仰角

俯仰角 （pitch angle，nose up or down），指的是機體坐標系 X軸 與 水平面 的夾角。

當機體坐標系的X軸在慣性坐標系XOY平面上方時，俯仰角為正，否則為負。即平行於機身軸線並指向飛機前方的向量與地面的夾角。

01， 飛行坐標系

飛行器各角度都可以歸結為 坐標系之間的幾何關系 ，要想表達俯仰角等角度，必須先確定坐標系。

飛行中最常用的坐標系有： 本體坐標系 、當地鉛垂坐標系、氣流坐標系和航跡坐標系（坐標系以後篇幅會專門介紹）。確定了這些常用的坐標系之後，就可以定義角度了。

上圖的 Y軸 ，也稱為橫軸（Leteral axis），決定著飛機的 俯仰 角度（Pitch）的變化。

俯仰角作為飛行術語，本文以本體坐標系為基礎，做一個簡單的介紹，在後面的篇幅會對坐標系和各個軸以及角度之間的關系做詳細論述。

02， 俯仰角

俯仰角 （Pitch angle）= 爬升角 （Angle of climb）+ 攻角 （Angle of attack)。

俯仰角可以簡單的定義為：機體軸（沿機頭方向）與地平面（水平面 ）之間的夾角，飛機抬頭為正。

如果以機體坐標縱軸（Longitudinal axis）角度來定義：俯仰角就是機體坐標系X軸與水平面的夾角。當X軸的正半軸位於過坐標原點的水平面之上（抬頭）時，俯仰角為正，否則為負。

【 關於超臨界攻角和俯仰角的特例】

前文提到 超臨界攻角 會造成飛機進入 失速 狀態，但是由於現代飛機的氣動設計和發動機的強大推力，使得飛機能做出一些非常規的動作。

眼鏡蛇機動 又叫普加喬夫眼鏡蛇，是前蘇聯飛行員普加喬夫在1988年6月的巴黎航展上，駕駛蘇-27戰機第一次在全世界面前表演了完整的眼鏡蛇機動，表現了飛機良好的氣動性能和發動機的強大推力，震驚了全場！

眼鏡蛇動作就是一架戰機在中低速飛行時突然將飛機攻角抬起至90°以上，仰角達到130°左右，持續1～2秒後壓低機頭，恢復正常飛行。整個動作中飛機將攻角抬起至最大時，和眼鏡蛇抬起頭是非常相似的，故而這個動作得名眼鏡蛇動作。

這種 超過失速攻角 的逆天機動動作，靠的是它非常優秀的大攻角飛行穩定性，但是在這個動作過程中，蘇-27戰斗機的飛行員對戰機是基本不可控的，只有等戰機壓低機頭後才能對戰機進行重新有效操控。而在狗斗作戰中，飛行員短暫失去對戰斗機的控制，其影響也很可能是致命的。

【Aircraft Maneuvers for the Evaluation of Flying Qualities and Agility, Vol III Simulation Data】美軍在評估飛行質量和敏捷性的飛行操縱一文中評價如下：你不能只做眼鏡蛇機動，眼鏡蛇機動本身沒有什麼戰術價值......抬起機頭以後，還需要把機頭向左或向右，這才是一個有用的機動。

......例如著名的 J-轉彎（Herbst Reversal，赫伯斯特壁蹬），作用是在兩機交匯後迅速轉向180度。前半部分跟眼鏡蛇差不多，但是機頭並不回落，而是向側滑落，飛機像是在牆壁上蹬了一腳，迅速轉彎......

在2018年珠海國際航展的開幕式上，殲-10B推力矢量驗證機以三個非常經典的超機動飛行動作，體現了渦扇10B推力矢量發動機的澎湃動力和完美操控。首先是表演了 眼鏡蛇機動 ，還有 落葉飄 動作，這個曾經是俄羅斯蘇-35戰機的拿手好戲，類似於香港武打電影里的 花拳綉腿 。

而真正能一拳致命的是殲-10B的最後一套組合拳，也就是上面提到的 J-轉彎（J-Turn）動作， 就是戰機平飛時突然在幾秒內完成180度回轉，大角速度偏航機動，就像是一輛賽車在進行漂移。這個動作具有極大的實戰價值，戰機轉彎角速度極高，轉彎半徑極小，幾乎不掉高度，能量沒有損失。能在瞬間獲得180度的可控轉向，可以迅速咬住對手，被空戰老手稱之為 死亡甩尾。

具有推力矢量系統殲-10B的「J-轉彎」動作，無論在進攻還是防禦態勢中，都是一種極為有效的戰術動作，能夠迅速調整戰機姿態，給對手致命一擊，這才是中國航空工業的 葵花寶典 。

本人一邊在學習飛行和航空理論，一邊在寫文章，也算是復習的一種方式。這種Import and wholesale（進口與批發）的銷售模式，難免會產生錯誤，敬請各位指正。

（謝謝閱讀）