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第四代戰機具備高機動性的關鍵──放寬靜穩定技術

王皞天 2023年12月23日 05:00:00

採用放寬靜穩定技術的F-CK-1。（作者攝）

空軍F-5E/F的退役，可說是一個時代的結束。F-5E/F曾是我國空軍最主力的戰機，如今，台海空防的任務全數交到了F-CK-1、F-16V和數量較少的Mirage 2000-5上。那麼，第四代的常規布局戰機F-16、F-CK-1，相比於前一代的F-5E/F，除了航電系統的提升之外，就機體本體而言，有什麼比較大的差異呢？答案就是「放寬靜穩定技術」。

飛機在飛行時，會受到升力、重力、推力、阻力這四個力，然而除了重力作用在重心之外（這是重心的定義），其他三個力的作用點未必都會落在重心上，比如空氣動力（升力和阻力）的作用點——壓力中心，就可能是在重心的前方或後方，而推力線的位置也可能在重心之上或之下。由此可知，升力、阻力和推力在給飛機這個系統施加力的同時，也可能會相對於其重心帶來力矩，造成飛機有轉動的傾向。

為了避免這種力矩不平衡的問題，飛機通常還裝有各式舵面，如全動式水平尾翼（或升降舵）、鴨翼、方向舵、副翼等（主要是前兩者），藉由偏轉其舵角去產生空氣動力，對重心製造力矩，進而抵銷前述升力、阻力和推力可能附加帶來的力矩，使得飛機可以達到「靜力平衡（合力為零且合力矩為零）」，維持最基礎的等高度等速度飛行。這樣藉由舵面所產生的力矩來穩住飛機的行為，就稱為配平。

換一個角度想，當一架飛機想要進行各種機動時，只要靠舵面去刻意製造不平衡的總力矩，就能讓飛機轉動、改變飛機的姿態，進而影響飛行的航向、軌跡。至此，我們可以統整一下：力會造成加速度、力矩會造成角加速度，力和力矩就相當於發動機和舵面對飛機的輸入訊號，飛機就是系統本身（需考量質量、各軸的質量慣性矩，越笨重的飛機越難以改變姿態），而飛機受到輸入後，所表現出來的動態行為，即在六個自由度（前後、左右、上下、滾轉、俯仰、偏航）的速度、位移、角速度、角度變量等，就是輸出。

傳統的戰機，如F-5E/F，都會設計成讓重心位在升力的作用點（壓力中心）之前，也就是重力作用在前、升力作用在後的形式（此時水平尾翼需要產生向下的力來配平），這樣的設計較穩定，但較不靈活；F-16以後的第四代戰機，由於有飛控電腦、線傳飛控等科技的幫助，可以將飛機設計成壓力中心在重心之前，也就是升力作用在前、重力作用在後的形式（此時水平尾翼需要產生向上的力來配平），這樣的設計可以解放出飛機極大的靈活性。

若以重心為參考點，則F-5E/F在攻角提升、升力變大時，升力會對重心製造更大的低頭力矩，抑制攻角繼續增加（最上圖）；相比之下，F-16、F-CK-1在攻角提升、升力變大時，升力相對於重心反而會造成更大的抬頭力矩，更加劇飛機攻角的增加（中間圖和最下圖）。（作者繪製）

對於F-16和F-CK-1這類飛機升力的作用位置在前、重力的作用位置在後的佈局，如果水平尾翼向下偏折、給一個輸入訊號，使飛機攻角略微增加，則增加的攻角會使主翼產生更大的升力，更大的升力相對於重心（在此我們以重心為參考點）就會產生更大的抬頭力矩，使得飛機的攻角繼續增大，如此又會使主翼產生更多升力，再造成更大的抬頭力矩，這是一種會不斷自我加劇抬頭幅度的設計；同理，當飛機的水平尾翼讓飛機低頭時，減少的升力同樣會讓飛機低頭得更厲害。

因此，對於一個水平尾翼的舵面輸入，飛機縱向姿態的改變具有非常快的輸出響應，這除了讓飛機在縱向姿態的反應變得非常靈敏之外，更重要的是，俯仰姿態的改變（意味飛機攻角改變）會牽涉到整架飛機所受總升力大小的改變，對於時常需要進行轉彎、爬升等高攻角機動的戰機來說，這樣的設計能讓其快速進入高攻角狀態、更快的獲取高攻角所帶來的高升力係數來進行空戰纏鬥。

F-CK-1戰機藉由飛控電腦、線傳飛控等技術的應用，相較於以往飛行員用機械連桿的控制方式，可以更快速、更精確的不斷調節水平尾翼的舵角，使得將重心移到壓力中心後方以增加飛機靈活性的佈局成為可能，此即為放寬靜穩定技術。（作者攝）

這種設計在空戰時能提高戰機的機動性，但在平常飛行時，如果受到一點大氣擾動（如微小亂流），很容易讓整架飛機被往上掀、導致攻角過大而失速，或不斷上下顛波，F-5戰機研發時還是飛行員藉由操作機械連桿去直接控制飛機舵面的時代，人類的反應速度是有極限的，這樣大幅降低穩定度以換取靈活度的設計，會導致飛機無法被控制而墜毀；後來的F-16和F-CK-1得益於飛行控制電腦、線傳飛控技術的應用，能讓飛控電腦在整個飛行過程中，以極高的頻率非常快速、精準的去不斷微調舵面的角度，面對任何大氣的擾動都能自動穩住飛機，才能夠讓飛機得以採用這種將重心挪移到壓力中心後方的設計（壓力中心的位置會隨攻角和馬赫數變化，並非固定的點，不過原則上它都會在重心前面），使飛機在平時能夠保持平穩飛行，空戰時能夠更靈活的去機動。

這種藉由電腦去輔助控制飛機，進而讓飛機得以採取將重心移到壓力中心之後以獲得更高靈活性的技術，就稱為放寬靜穩定（Relaxed Static Stability）技術。這項技術可說是第三代的F-5E/F戰機和第四代的F-16/F-CK-1戰機之間，最重要的分水嶺之一，也是將飛行控制帶入了一個新紀元的技術。

※作者畢業於成功大學航空太空工程學系，著有《戰鬥機設計與運作原理》。

第四代戰機 F-5E/F

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