【空軍】【海軍】根深蒂固的誤解（二）

另一個在中國論壇裏被尊爲共識的誤解，技術性比較高些，亦即有關艦載機降落航母時的操作。這應該源自中國沒有通用航空，評論者自己沒有飛行經驗，也聽不懂真正飛行員的解釋與糾正，於是以訛傳訛，到最後大家把沉澱出來的錯誤論述當做真理。

這裏我引用施洋的文章（參見https://www.toutiao.com/i6836148676574839299/）為典型。這倒不是因爲他的水準低，剛好相反，正是因爲他是很少數我願意去讀的軍事類作者之一，而且很少犯錯，所以才值得我花時間評論。

他説：“需要區分正反區的，主要是在飛機落地或者著艦的階段。普通的陸基飛機在著陸時，使用的就是一般的正區操縱：飛行員依靠拉桿或推桿來修正高度…而當速度出現偏差時，飛行員則通過加減油門來進行調整。”

“因為艦載機著艦的時候需要有著艦位置的精確…反區操縱的關鍵，在於時刻維持飛機迎角的穩定，而對高度和軌蹟的調整則主要交給油門控制。”

用飛行員的語言來説，他描述的是兩種操作的方式：第一種是“Pitch for altitude，power for speed”，第二種剛好相反，是 “Pitch for speed，power for altitude”。問題在於最終進場（Final Approach）時應該使用哪一種，不是根據陸海差別，而是有其他的考慮。

要解釋這個議題，我必須從Power Curve和Drag Polar講起。首先請注意，如果不考慮左右轉向，飛機的正常飛行有兩個自由度：水平方向的空速（CAS，Calibrated Air Speed），以及垂直方向的升降率（Rate of Ascent/Descent）。而飛行員可用的輸入也是兩個自由度：控制引擎的油門（Power，單位是功率，又叫出力；或者Thrust，推力）和控制俯仰的操縱桿（Pitch）。如果我們限制升降率為零，也就是只考慮穩定平飛狀態，那麽對應著每一個空速值都有一組特定的Power/Pitch設定。暫時忽略Pitch，只看功率（Power）對速度（CAS）的函數，就是Power Curve，如下面第一張圖，這來自一型叫做RV-6A的自建小飛機（Home-built）。

因爲功率P=推力T*速度V，所以一旦有了P_R(V)這個函數曲綫，很簡單就可以得到T(V)= P_R(V)/V的新函數。但是我們考慮的是穩定平飛，所以推力（Trust）必須剛好跟阻力（Drag）對消，於是D(V) 也等於 P_R(V)/V可以接著被畫出來（參見上面的第二張圖），這個函數曲綫圖叫做Drag Polar（雖然嚴格來説，Drag Polar指的是升力對阻力的函數，但是升力與速度的關係簡單固定，所以阻力對速度的函數可以被當作是等價的）。一般因爲螺旋槳引擎的油門所控制的是功率，所以適合用Power Curve來做分析；噴射引擎的油門則決定推力，必須改用Drag Polar。

Power Curve的最低值代表著剋服阻力所消耗的功率最小，而輸出功率與燃料使用率成正比，所以也等於是燃料使用率最低，因此這個空速對應著最長滯空時間（Maximum Endurance）。Drag曲綫的最低點則代表著最小的阻力，阻力乘以距離是消耗掉的能量，既然一箱油所含的總能量是固定值，阻力小對應著距離長，所以這個空速是最大航程速度（Speed of Maximum Range）。如果飛機失去動力，必須緊急迫降，一般應該把速度定為Best Glide Speed（最佳滑翔速度）；這裏同樣是在固定的總能量（這個情況下是重力位能）限制下，尋求最大航程，所以同樣要求阻力最小，換句話説，最佳滑翔速度基本就是最大航程空速（必須忽略因引擎工作狀態不同而造成的阻力函數變動）。因爲平飛時，升力必須剛好抵消重力，這是個固定值，所以最小的阻力也對應著最大的升阻比（L/D），這個空速也可以叫做最大升阻比速度。

但是時間也是金錢，最大航程空速一般被認爲在實用上太慢了，於是又定義了所謂的“Optimum Cruise Speed”（最佳巡航速度，又稱Carson’s Speed），這是D(V)/V的最低值，本文用不到，所以讀者無須細究，只要知道它代表著飛機的典型空速，氣動外型主要是圍繞著它來做優化，而且這個速度高於最大航程速度。

上圖是同樣的阻力對空速函數圖，不過更仔細地把總阻力分解為Induced Drag（誘導阻力）和Parasitic Drag（寄生阻力）；前者與速度平方成反比，後者則與速度平方成正比，所以總阻力最小對應著誘導阻力和寄生阻力各半。阻力曲綫在最低值分界綫的兩邊有著不同的斜率：右邊的斜率是正值，叫做“正區”（Area of positive command，或者Front Side of Power/Drag Curve）；左邊的斜率是負值，叫做“反區”（Area of Reverse Command， Back Side of Power/Drag Curve），反區的最左邊是失速（Stall）綫。

前面曾提到，不考慮轉彎的話，飛行軌跡有兩個自由度：空速和升降率，而飛行員則依賴改變俯仰的攻角和引擎的油門來控制和修正軌跡。但是飛機對飛控輸入的反應，在正區和反區是不同的。如果飛機處於平飛的穩定態，那麽顯然引擎的推力必須剛好抵消阻力；我們對這個阻力曲綫應該已經很熟悉了。至於攻角，則是沿著橫軸從左到右隨速度增加而遞減的，這也是很直覺的簡單事實。問題在於，當飛行員做出一個小修正時，空速和升降率會如何變化。

我找不到網絡上現成的教材，只好自己畫一張很簡單的定性示意圖，並不代表實際測量結果，純粹是根據阻力曲綫推論出來的。這裏只詳細討論“最低阻加油門”的案例來示範推理過程：在最低阻空速下，阻力基本不隨速度增減而變動，所以加大油門、提高推力之後，開始加速，對應的平飛所需攻角減小，既然飛行員沒有推桿，實際攻角維持不變，於是有了額外的升力，飛機開始爬升，這個爬升的角度是原攻角和新速度對應的平飛攻角的差，重力有了向後的水平分量，才抵消掉多餘的推力。

上面的推理，考慮了固定升降坡度（Ascent/Descent Slope）的案例，對飛行器來説，這和平飛的唯一差別（To First Order Approximation，到一階近似）在於重力的水平分量，這是對阻力做一個常項修正，等同於整條曲綫做上下平移，並不影響後續分析，所以針對平飛做出的結論，基本也可以應用在固定升降坡度的直飛狀態。剛好Final Approach就是固定坡度（叫做Approach Slope或者Glide Slope，一般是3°，但是如果機場有山陵或高樓圍繞，可以視需要定到更大的角度）、固定速度的直飛，所以也在適用之列。

從上面那張圖還可以簡單看出，在正區油門的效應主要在速度軸向，拉/推桿則主要影響升降率，所以“Pitch for altitude，power for speed”的操作比較自然，反區剛好相反，“Pitch for speed，power for altitude”才是方便的口訣。那麽我們關心的Final Approach，對應的是正區還是反區呢？

以RV-6A爲例，它是螺旋槳飛機，所以正/反區是由最長滯空速度來分割的，這個最長滯空速度是81mph，而進場速度（Landing Approach Speed）是75mph，在反區之内。RV-6A的失速發生在56mph，所以整個反區是在（56，81）的區間；75mph已經很接近後者。然後我們必須考慮這些速度值對應著乾净的氣動外形，只有進場速度是在襟翼和起落架（雖然RV-6A的起落架是固定式的，其他的飛機就可能必須算入起落架的額外阻力）放下的狀態，如果我們考慮這個狀態下的功率曲綫，它必須向左上方移動（參見下圖），所以反區也跟著向左移，其净效應是使得進場速度通常落在正/反區之間的分界綫附近；這其實也是幾乎所有小螺旋槳飛機（例如初級教練機）的共同性質。

讀者可以從稍早那張示意圖看出，在最低阻點附近的拉桿和油門操作，其作用效果也介於正/反區之間，這使得 “Pitch for altitude，power for speed”和“Pitch for speed，power for altitude”都行得通，飛行員可以依主觀偏好來選擇；實際上兩邊都有擁護者。我自己在Boston學習飛行的時候，教練屬於“Pitch for speed，power for altitude”那一派；這也是美國通用航空界佔多數的主流。

但是講到噴射機，尤其是高性能的軍用戰鬥機，那又不太一樣了。以F-18E爲例（這裏的資料來源是美國海軍部的F/A-18E/F飛行員手冊第11部《Performance Parameters》，有興趣的讀者可以到https://info.publicintelligence.net/F18-EF-200.pdf自行下載，下面的數據來自第355、60和362頁），它的最低阻力速度、失速速度和進場速度分別是180、122和136節（取總重45000磅，無外挂，進場時設定半襟翼），即使考慮放下襟翼會使整個阻力曲綫左移，進場速度仍然很扎實地在反區裏。這是噴射機的普遍特徵，也是“Pitch for speed，power for altitude”被認爲是主流技巧的因素之一。

其實艦載機著艦的程序與在陸上機場降落相比，最大的差異在於Pattern（待降航路）和Touch Down（接地瞬間），進場的過程反而是一致的（參見美國海軍航母教練準則T45C，https://www.cnatra.navy.mil/local/docs/pat-pubs/P-816.pdf）：不論是坡度、速度、攻角等等參數都沒有差別，所以著艦固然須要反區操作，著陸也一模一樣。

但是施洋很明顯地有來自艦載機飛行員的評論，那他的誤解是怎麽來的呢？我猜想是飛行員描述在陸地機場降落時，可以忽略手冊上的最佳進場速度，直接以正區的高速飛向跑道，然後Flare、減速、再慢慢著陸；要在航母上著艦，可就沒有這個選項。以前在博客上提過，我也曾經應空管中心的要求，開著小Cessna以140節的極速進場，比標準的進場速度高出一倍有餘。

最新一代的戰術飛機，有著先進的電傳飛控，即使在反區深處，也可以簡單地把飛控模式設定為“Constant Descent”，這時操縱桿不直接控制水平尾翼，油門也不直接連接到引擎，而只是對飛控系統指定飛行員想要的下降坡度和速度，由電腦代爲做每秒鐘上百次的微調，使得原本一直被認爲是頂尖難度的航母著艦，一下子變成半自動的過程。連全自動著艦技術，因爲是無人機上艦的前提，也顯然已經被突破；所以下一代的艦載機飛行員，必然會有與以往大不相同的學習經歷。