神勇鴿旋轉中降落，戰鬥機旋轉中解體，揭秘致命的急滾慣性耦合【萌萌戰隊】

有網友發來一段視頻 是一隻神勇鴿瘋狂旋轉俯衝 然後完美改出降落 趕去食堂喫飯 當鴿子需要以陡峭坡度向機場進進時 就會用這種螺旋俯衝的削高動作 它在3.5秒內橫滾了9圈 速率達每秒925度 並且是以快速橫滾加偏航的動作進入俯衝 並以相同的機動改出 用時不到0.2秒 這對鴿子來說 只是開飯時的常規操作 但放在戰鬥機上 卻造成過多人喪命的悲劇 那是1951年初 北美飛機公司NAA告訴美國空軍 他們把F-86戰鬥機進行了改進 不僅用了鈦合金骨架 還將機翼的後掠角增大到45度 並採用了更薄的翼型 能夠跨過音速 命名為F-100超配刀 美國空軍一想 這超音速可還行 於是支持其研製 1953年5月便造出了原型機YF-100A 首飛達到了1.04馬赫 此後一年又製造了多架生產型F-100A 送到空軍基地進行試用性測試 但期間不時有試飛員報告 該機做快速橫滾時 輕微拉桿或蹬舵 都可能導致飛機毫無預兆地像醉漢一樣劇烈搖擺 此時垂直尾翼無法穩定航向 於是建議加大垂尾面積 而北美公司認為 該機源自酒精考驗的F-86 況且加大垂尾就會增加重量和阻力 於是將異常情況歸咎於操作不當了事 很快F-100A在1954年9月27日 正式進入美國空軍服役 但15天後 北美公司的首席試飛員喬治·施瓦茨·維爾奇 在試飛一架編號52 5764的F-100A時 橫滾中突然失控劇烈搖擺 還來不及修正就解體失事 二戰王牌飛行員維爾奇就此命喪長空 此時北美公司突然想到 試飛員說的垂尾面積不足 也許是真的 於是請NASA進行研究 而那時的NASA也是土法煉鋼 只能用模型和測力天平進行風洞試驗 測得飛機在單獨做偏航機動時 垂尾的偏航力矩係數 隨機身的側滑角變化如圖所示 通過求解該曲線的方程 得知偏航力矩的靜導數是穩定的 也就是機身繞垂直軸旋轉時 垂尾有足夠的回正力 接著讓機身在一定的側滑角下進行橫滾 測得垂尾的力矩係數 隨側滑角大小變化 形成了一條封閉曲線 求解後發現 偏航力矩的靜導數同樣是穩定的 而且曲線的直直環呈逆時針變化 因此力矩的動導數起到了阻尼作用 簡單說當飛機以一定側滑角橫滾時 垂尾依然能推動機頭對正航向 可奇怪的是 如果橫滾時順帶著進行俯仰或者偏航 飛機頭尾就會繞著航向軸劃圓 且半徑越來越大 當側滑角達到極限 飛機就會因氣動壓力過大而解體 從測得數據看 垂尾的力矩係數隨側滑角變化時 在零點附近畫出一條怪異曲線 不僅靜導數不穩定 直直環也呈順時針變化 因此力矩的動導數起了發散作用 說人話就是 橫滾中如果同時推拉操縱桿或燈朵 那麼垂尾瞬間就會形同虛設 無力阻止飛機越晃越猛 起初NASA的人和在座的各位一樣一臉猛逼 但為了掙錢 他們就找了各種會轉的東西來擺動 於是發現了原因 原來旋轉中的陀螺受外力傾斜時 就會自轉並公轉 也就是靜動效應 把陀螺換成一根旋轉的鐵棍 再次施加外力 同樣會由於靜動效應 使鐵棍頭尾繞著最初的軸線公轉 且離心作用會讓公轉半徑越來越大 最後夾角變成90度 那麼把鐵棍換成戰鬥機 在快速橫滾的同時 如果側滑角增加 一樣會讓頭尾開始繞著橫向公轉 然後離心作用使側滑角變得越來越大 此時槌尾的力矩變化 就會一反常態 在滾轉和側滑的疊加擾動下 形成這條怪異曲線而失效 所以根本原因就是 飛機的滾轉和機身的慣性發生了偶合 造成機身像鐵棍一樣越轉角度越大 而這個狀態下 槌尾力矩又嚴重不足 才造成飛機失控解體 於是NASA將這種現象命名為 急滾轉慣性偶合 解決方法就是把槌尾面積增加25%到30% 以形成足夠的力矩來抑制機頭擺動 而試飛員早就提出過這個建議 所以從1959年的F-100地形開始 北美公司將槌尾面積增加了27% 終於解決了急滾慣性偶合的頑疾 但期間服役的F-100A和F-100C 卻因此導致了十多起重大飛行事故 摔死摔傷多人 可是反觀沒有槌尾的鴿子 無論它轉得多快 在突然疊加側滑時 都能通過尾巴來製造足夠的航向穩定力矩 來克服急滾慣性偶合 所以這些飛行大師們 如果知道F-100戰鬥機的苦逼研製經歷 恐怕會笑得從天上掉下來