为什么F-15强于Su-27？-感谢网友Panzerkom提供的资料

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2013-7-5 10:51 上传

By 大隐道哥

看到了《鹰与侧卫-龙虎相争30年》和Panzerkom的质疑，其中大量的数据非常值得分析。笔者的专业恰好是飞行动力学相关，与同事一起在课余时间翻看了TsAGI计算报告的中译本和F-15A/B/C型的操作手册，发现身为航空爱好者的网友虽然精神可嘉，但是对部分概念和航空术语的理解还有偏差，在此略提一二，也方便大家学习。
为了理清脉络，本人先说结论。有兴趣的读者可以看后面的详细分析：
1.        F-15的手册解密时间较晚，手册实测数据（1985年10月实测值）普遍超过苏联时期TsAGI估算的F-15数据（1983）。
2.        Panzerkom在阅读手册时误以为速度一直维持在0.95马赫，且未进行等效空速和实际空速的换算。
3.        F-15手册上使用的是较重载油，16787千克的性能，与Su-27的18920轻载油性能不能直接比，需要换算。
4.        经过TsAGI小幅低估的F-15性能，相对Su-27依然有一定优势。
详细分析如下：
TsAGI计算的F-15和Su-27性能条件为：1964苏联标准大气，F-15作战重量15800千克，Su-27作战重量18920千克。

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2013-7-5 10:50 上传

而Panzerkom给出的F-15A/C手册的F-15C性能是在更多载油的37000磅，也就是16787千克给出的。

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2013-7-5 10:51 上传

注意，Su-27在18920千克作战重量下，载荷量只有空重的12%（按照现存最轻的Su-27单座基本型16800千克计算）。而F-15的37000磅（16787千克），载荷量高达空重的31%（F-15C MSIP改进后空重为28400磅）。如果统一标准，根据转弯过载与重量呈反比，转弯率数据会对Su-27不利。即使不统一标准，按照TsAIG的计算标准（15800千克），F-15的持续机动峰值依然略占优势。
其次，Panzerkom网友给出的瞬时盘旋比较数据，并不是F-15C手册值，有相当大的出入。令人感觉奇怪的是，Panzerkom网友给出的F-15C海平面瞬盘只有24度每秒，而且大部分区间的瞬盘值还不如Su-27的穏盘值。但手册上的F-15C在3000米高度的瞬盘值都有25度每秒（外挂8枚导弹，资料来源USAF Test Pilot School Flight Test Manual Vol.1 chapter 9, 1991.8）。显然，Panzerkom网友把“F-15手册实测值”和“苏联TsAGI估计值”搞混了。后者和前者有出入是可以理解的，毕竟苏联估算F-15性能时可用的数据很少，只能大量采用F-4的数据。而F-15手册解密时间较晚。但通过两者的比较，还是可以见到苏联在估算F-15性能时下了很大力气。
另外，Su-27手册给出了法向过载-空速数据。Panzerkom网友给出的盘旋角速度是直接用圆周运动公式得到的，但忘了进行法向过载-转弯过载的换算，导致角速度被高估（转弯过载是法向过载的一个分量），同时横轴是指示空速，还要换算为实际空速。虽然这个误差不大，但是注意，我们的盘旋角速度是零点几度定胜负的，所以很小的误差也会很致命。TsAGI报告中进行了详细的过载和空速换算（中译本也进行了同样的换算），得出的盘旋角速度略低于Panzerkom网友的数据。
那么，苏联到底高估还是低估了F-15的性能呢？我们从下面的爬升率数据中可以窥知一二。
下面是Panzerkom网友给出的另一质疑：爬升率。
Panzerkom网友表示：这图上是F-15的爬升时间，换算出的0.95马赫爬升率明显低于TsAGI估计的F-15爬升率。

这里有两个问题：
1. 很多人看到TsAGI的爬升表格后问过这么一句话：Su-27的高空速度为什么被限制在1200公里每小时了？它不是两马赫级别的战斗机吗？其实这里横轴不是实际空速，而是座舱仪表显示的“等效空速”。高空因为空气密度低，对空速管的动压下降，所以读数会下降。类似的问题出现在这里：

此时飞机速度达到0.789马赫，但空速读数只有293节（按理说0.789马赫应该是460节左右）。
所以，高空的马赫数不是用等效空速直接除以当地的音速，而是先换算成实际空速，再换算成马赫数。不同高度的换算关系不同。SU-27在高空的“1200公里每小时”已经超过了两马赫。
所以，TsAGI给的并不是0.95马赫的爬升速度，而是更高马赫数的速度。例如：所谓的“3000米1030公里每小时”换算过来是1.18马赫。“7000米1030公里每小时”换算过来是1.49马赫。
2. 仔细看F-15手册原文会发现：爬升速度是从350节开始的，速度上限是0.95马赫。换句话说，Panzerkom网友将速度上限误当为爬升速度。350节加速到0.95马赫在爬升过程中是一个很缓慢的过程，他取的那个点并没有达到0.95马赫的速度。更何况他是在和1.49马赫的爬升率去对比，当然有差距。如果他想知道实际空速怎么算换，我可以教他。

那么，TsAGI究竟高估了还是低估了F-15单座型的爬升速度呢（TsAGI估计值为310米/秒）？我们先看看手册上的双座型F-15B的空载爬升率（重量15100千克，与Su-27载荷系数相当）：

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2013-7-5 10:52 上传

在低空，有一段区间达到1200英尺/秒，相当于365米/秒。换句话说，即使考虑到F-15C内油增大造成的爬升率衰减，而不考虑单座型的阻力下降，也会在350米每秒左右（这个结论与本人校友方叶檀同志的计算结果相当）。而TsAGI给出个估算值仅有310米/秒。换句话说，TsAGI可能低估了F-15的推力，或者高估了F-15的阻力，或者两者兼有之。如果仔细观察TsAGI估计的F-15爬升曲线，在峰值附近被消掉一截，尚不清楚这样做的目的是什么（通常飞机的爬升曲线并没有这个平台区，而是有一个尖峰值。当然也可能是本人见得太少，恳请前辈批评指正）：

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2013-7-5 10:52 上传

经过低估的F-15的螺旋上升转弯包络线，仍然超过了Su-27一截，如下图所示：

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2013-7-5 10:53 上传

我们知道螺旋上升转弯是很耗能量的机动，而被TsAGI低估的F-15仍然表现出了一定的优势。
其他还有一些低估的问题不一而足：TsAGI与1983年估计的F-15最大可用升力系数是1.08，而F-15的试飞结果是1.55，等等，以后可以逐一讨论。
最后是针对08年红旗军演新闻发布会上的访谈。
Panzerkom网友似乎没有亲自听原文，而是去搜索译文，这些译文可能有不完整的部分，本人反复听了几遍原文，对Panzerkom网友提出一些疑问，希望能获得解答：
1.        原文似乎没有提到Su-30MKI在20000英尺的瞬时盘旋能力达到30度每秒（也可能是本人听力不佳漏过，恳请指正）。
2.        原文指出F-15C演习中携带了4枚导弹和2个翼下副油箱，而30MKI几乎是空载。即然这样，这二者的性能就毫无直接可比性了。
3.        原文提到SU-30MKI的一个特点: It’s a huge airplane. When it turns, it creates tremendous drag. 换句话说SU-30MKI的转弯机动产生巨大的阻力，这应该属于一种缺点吧。
4.        然后是关于印度飞行员为什么一定要启用推力矢量：如果不乱用推力矢量，是否胜负依然难料？原访谈表示：You get to the merge, rolled in and turned in on him, he kicks into vector thrust and starts to fall. 这表示，F-15切入内弯导致30MKI别无选择，要么继续被咬，要么启用推力矢量放手一搏。当然这里还有一个疑问：为什么转弯率更高的Su-30MKI会被F-15咬尾？仍然注意原文：Su-30MKI的高转弯率是用推力矢量达到的（Panzerkom网友已经给出），而它被咬尾时尚未启用推力矢量。不能小看这一点差别吧：不用推力矢量则不会跌高度，但是转弯率低；开推力矢量转弯率高但是跌高度。这种推力矢量是不是用起来有点纠结呢？
5.            没错，被访谈者提到30MKI很先进，但这是因为它使用了很先进的技术：推力矢量，相控阵雷达，远程武器系统。但是先进技术的堆砌是否能达成良好的性能？这似乎是两个概念。

最后，总结一下TsAGI对F-15的估算值和F-15的手册值：

                                                           海平面稳盘   3000米稳盘
Su-27 18920千克                                     20.8              16.5
F-15 15800千克（TsAGI估计值）              22                17.2
F-15 15800千克（1985实测值）              21.7              17.3


                                                          3000米瞬盘
Su-27 空载                                               26            
F-15 空载（TsAGI估计值）                       22            
F-15 4麻雀4响尾蛇（1985实测值）          25
   


                                      低空爬升率
F-15空载（TsAGI估计值） 310
F-15空载（1985实测值）  350-360

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By 大隐道哥

看到了《鹰与侧卫-龙虎相争30年》和Panzerkom的质疑，其中大量的数据非常值得分析。笔者的专业恰好是飞行动力学相关，与同事一起在课余时间翻看了TsAGI计算报告的中译本和F-15A/B/C型的操作手册，发现身为航空爱好者的网友虽然精神可嘉，但是对部分概念和航空术语的理解还有偏差，在此略提一二，也方便大家学习。
为了理清脉络，本人先说结论。有兴趣的读者可以看后面的详细分析：
1.        F-15的手册解密时间较晚，手册实测数据（1985年10月实测值）普遍超过苏联时期TsAGI估算的F-15数据（1983）。
2.        Panzerkom在阅读手册时误以为速度一直维持在0.95马赫，且未进行等效空速和实际空速的换算。
3.        F-15手册上使用的是较重载油，16787千克的性能，与Su-27的18920轻载油性能不能直接比，需要换算。
4.        经过TsAGI小幅低估的F-15性能，相对Su-27依然有一定优势。
详细分析如下：
TsAGI计算的F-15和Su-27性能条件为：1964苏联标准大气，F-15作战重量15800千克，Su-27作战重量18920千克。

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而Panzerkom给出的F-15A/C手册的F-15C性能是在更多载油的37000磅，也就是16787千克给出的。

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注意，Su-27在18920千克作战重量下，载荷量只有空重的12%（按照现存最轻的Su-27单座基本型16800千克计算）。而F-15的37000磅（16787千克），载荷量高达空重的31%（F-15C MSIP改进后空重为28400磅）。如果统一标准，根据转弯过载与重量呈反比，转弯率数据会对Su-27不利。即使不统一标准，按照TsAIG的计算标准（15800千克），F-15的持续机动峰值依然略占优势。
其次，Panzerkom网友给出的瞬时盘旋比较数据，并不是F-15C手册值，有相当大的出入。令人感觉奇怪的是，Panzerkom网友给出的F-15C海平面瞬盘只有24度每秒，而且大部分区间的瞬盘值还不如Su-27的穏盘值。但手册上的F-15C在3000米高度的瞬盘值都有25度每秒（外挂8枚导弹，资料来源USAF Test Pilot School Flight Test Manual Vol.1 chapter 9, 1991.8）。显然，Panzerkom网友把“F-15手册实测值”和“苏联TsAGI估计值”搞混了。后者和前者有出入是可以理解的，毕竟苏联估算F-15性能时可用的数据很少，只能大量采用F-4的数据。而F-15手册解密时间较晚。但通过两者的比较，还是可以见到苏联在估算F-15性能时下了很大力气。
另外，Su-27手册给出了法向过载-空速数据。Panzerkom网友给出的盘旋角速度是直接用圆周运动公式得到的，但忘了进行法向过载-转弯过载的换算，导致角速度被高估（转弯过载是法向过载的一个分量），同时横轴是指示空速，还要换算为实际空速。虽然这个误差不大，但是注意，我们的盘旋角速度是零点几度定胜负的，所以很小的误差也会很致命。TsAGI报告中进行了详细的过载和空速换算（中译本也进行了同样的换算），得出的盘旋角速度略低于Panzerkom网友的数据。
那么，苏联到底高估还是低估了F-15的性能呢？我们从下面的爬升率数据中可以窥知一二。
下面是Panzerkom网友给出的另一质疑：爬升率。
Panzerkom网友表示：这图上是F-15的爬升时间，换算出的0.95马赫爬升率明显低于TsAGI估计的F-15爬升率。

这里有两个问题：
1. 很多人看到TsAGI的爬升表格后问过这么一句话：Su-27的高空速度为什么被限制在1200公里每小时了？它不是两马赫级别的战斗机吗？其实这里横轴不是实际空速，而是座舱仪表显示的“等效空速”。高空因为空气密度低，对空速管的动压下降，所以读数会下降。类似的问题出现在这里：

此时飞机速度达到0.789马赫，但空速读数只有293节（按理说0.789马赫应该是460节左右）。
所以，高空的马赫数不是用等效空速直接除以当地的音速，而是先换算成实际空速，再换算成马赫数。不同高度的换算关系不同。SU-27在高空的“1200公里每小时”已经超过了两马赫。
所以，TsAGI给的并不是0.95马赫的爬升速度，而是更高马赫数的速度。例如：所谓的“3000米1030公里每小时”换算过来是1.18马赫。“7000米1030公里每小时”换算过来是1.49马赫。
2. 仔细看F-15手册原文会发现：爬升速度是从350节开始的，速度上限是0.95马赫。换句话说，Panzerkom网友将速度上限误当为爬升速度。350节加速到0.95马赫在爬升过程中是一个很缓慢的过程，他取的那个点并没有达到0.95马赫的速度。更何况他是在和1.49马赫的爬升率去对比，当然有差距。如果他想知道实际空速怎么算换，我可以教他。

那么，TsAGI究竟高估了还是低估了F-15单座型的爬升速度呢（TsAGI估计值为310米/秒）？我们先看看手册上的双座型F-15B的空载爬升率（重量15100千克，与Su-27载荷系数相当）：

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在低空，有一段区间达到1200英尺/秒，相当于365米/秒。换句话说，即使考虑到F-15C内油增大造成的爬升率衰减，而不考虑单座型的阻力下降，也会在350米每秒左右（这个结论与本人校友方叶檀同志的计算结果相当）。而TsAGI给出个估算值仅有310米/秒。换句话说，TsAGI可能低估了F-15的推力，或者高估了F-15的阻力，或者两者兼有之。如果仔细观察TsAGI估计的F-15爬升曲线，在峰值附近被消掉一截，尚不清楚这样做的目的是什么（通常飞机的爬升曲线并没有这个平台区，而是有一个尖峰值。当然也可能是本人见得太少，恳请前辈批评指正）：

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经过低估的F-15的螺旋上升转弯包络线，仍然超过了Su-27一截，如下图所示：

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我们知道螺旋上升转弯是很耗能量的机动，而被TsAGI低估的F-15仍然表现出了一定的优势。
其他还有一些低估的问题不一而足：TsAGI与1983年估计的F-15最大可用升力系数是1.08，而F-15的试飞结果是1.55，等等，以后可以逐一讨论。
最后是针对08年红旗军演新闻发布会上的访谈。
Panzerkom网友似乎没有亲自听原文，而是去搜索译文，这些译文可能有不完整的部分，本人反复听了几遍原文，对Panzerkom网友提出一些疑问，希望能获得解答：
1.        原文似乎没有提到Su-30MKI在20000英尺的瞬时盘旋能力达到30度每秒（也可能是本人听力不佳漏过，恳请指正）。
2.        原文指出F-15C演习中携带了4枚导弹和2个翼下副油箱，而30MKI几乎是空载。即然这样，这二者的性能就毫无直接可比性了。
3.        原文提到SU-30MKI的一个特点: It’s a huge airplane. When it turns, it creates tremendous drag. 换句话说SU-30MKI的转弯机动产生巨大的阻力，这应该属于一种缺点吧。
4.        然后是关于印度飞行员为什么一定要启用推力矢量：如果不乱用推力矢量，是否胜负依然难料？原访谈表示：You get to the merge, rolled in and turned in on him, he kicks into vector thrust and starts to fall. 这表示，F-15切入内弯导致30MKI别无选择，要么继续被咬，要么启用推力矢量放手一搏。当然这里还有一个疑问：为什么转弯率更高的Su-30MKI会被F-15咬尾？仍然注意原文：Su-30MKI的高转弯率是用推力矢量达到的（Panzerkom网友已经给出），而它被咬尾时尚未启用推力矢量。不能小看这一点差别吧：不用推力矢量则不会跌高度，但是转弯率低；开推力矢量转弯率高但是跌高度。这种推力矢量是不是用起来有点纠结呢？
5.            没错，被访谈者提到30MKI很先进，但这是因为它使用了很先进的技术：推力矢量，相控阵雷达，远程武器系统。但是先进技术的堆砌是否能达成良好的性能？这似乎是两个概念。

最后，总结一下TsAGI对F-15的估算值和F-15的手册值：

                                                           海平面稳盘   3000米稳盘
Su-27 18920千克                                     20.8              16.5
F-15 15800千克（TsAGI估计值）              22                17.2
F-15 15800千克（1985实测值）              21.7              17.3


                                                          3000米瞬盘
Su-27 空载                                               26            
F-15 空载（TsAGI估计值）                       22            
F-15 4麻雀4响尾蛇（1985实测值）          25
   


                                      低空爬升率
F-15空载（TsAGI估计值） 310
F-15空载（1985实测值）  350-360