0 引言
作为一门研究飞行器飞行品质和操稳特性的基础学科，飞行力学在飞行器的研制与应用中都起到了重要的指导作用。飞行力学与飞行器的发展相辅相成，彼此促进，共同进步。目前，飞行力学已成为研究飞行器运动及其伴随现象的边缘交叉的应用力学学科。在本门课程的第十一章里，对飞机在空间运动中的稳定性与操纵性进行了讲解，包括纵向横向的运动耦合机理，急滚、偏离、尾旋的动力学机理，以及空间运动的自动控制系统[1]。这其中，失速/尾旋作为飞机飞行运动中难度最大、危险系数最高的动作之一，一直以来都是飞行员训练科目里的“禁区”，很多飞行学员更是谈之色变。如何让飞行学员科学地理性认识尾旋，正确地掌握改出要领，主观地克服畏惧心理，已成为航空工作者亟需解决的问题。
对于尾旋的试验与研究，国外早在上世纪七十年代就已经开始，发展至今已十分成熟，但仍然无法研制出任何情况下都不进人尾旋的飞机。相比于国外，我国关于尾旋方面的研究起步较晚，研究的理论与试验的设备很大程度上都要借鉴国外的成功案例，特别是飞机失速/尾旋的验证试飞，属于“摸着石头过河”，极大地考验着我国试飞员的技术本领与心理素质。正是因为尾旋太过危险与复杂，使得飞行员的失速/尾旋训练，已停滞近三十年。但是，遇到困难就避开是无法解决问题的，一定要找到正确的方法去分析问题、解决问题。战斗力生成质量归根到底源于日常的训练质量，为战而练是训练的灵魂，一切训练都必须着眼作战。本文正是从这一角度出发，将尾旋理论授课与尾旋训练的必要性有机地结合起来，不仅让学生能够学习到飞行力学的理论知识，更是要让他们培养起勇于奋斗、敢于拼搏、直面困难的勇气与信心。
1 失速/尾旋内涵
1.1 失速的本质
失速的本质是气流分离和分离引起的非操纵运动。气流分离和非操纵运动的剧烈程度主要取决于飞机迎角和气流速度，也就是气流与飞机之间的夹角和气流速度。这里按气流分离和非操纵运动将迎角分割为三个区域如表1所示
表1 迎角分割区域与运动状态
从能量角度看，分离是由于流经飞机表面的气流能量不足，无法完全克服飞机表面摩擦力和逆压的作用而出现气流倒流的现象。简单地说，流经飞机表面（主要是机翼、气动舵面）的气流是飞机前方来流气流在飞机表面的分量，其能量与气流速度、密度、气流与飞机表面的夹角有关。气流分离主要有二种形式，一是夹角增大引起的分离，二是来流速度的过小引起的分离。前一种情况就是我们传统上说的把飞机“拉失速”，而后一种我们称之为“掉进失速”。在左边界飞行中，当飞机的速度小于某一值时，空气动力作用接近于0，飞机在重力作用下做类似于自由落体运动，会重新建立气流速度和空气动力，此时，气流与飞机的相对运动有可能使飞机迎角快速接近或超过失速迎角。
1.2 尾旋的本质
飞机在过失速迎角范围飞行时，如果飞机绕机体纵轴旋转，飞机下沉一侧机翼当地迎角大（大于失速迎角），飞机上扬一侧机翼当地迎角小（小于失速迎角）。由于飞机在大于失速迎角后，气流出现分离，升力系数明显下降，则下沉一侧机翼的升力系数小于上扬一侧机翼的升力系数，于是，飞机下沉一侧的机翼继续下沉，形成了一个滚转力矩。
由于飞机大于失速迎角后，阻力系数出现剧增，则下沉一侧机翼的阻力系数大于上扬一侧机翼的阻力系数，于是，飞机将向下沉一侧机翼偏转，形成了一个偏航力矩。
正是由于滚转力矩和偏航力矩的共同作用，使飞机在进入过失速迎角范围后，从由气流分离引起的非操纵运动发展为绕自身轴旋转的、沿小半径陡的下降的螺旋轨迹的自发运动，即为尾旋。
初期尾旋是这种运动的初始的、过渡的阶段，在该阶段中还不能识别尾旋的形态。稳态尾旋是能够识别尾旋形态的阶段。如果运动轨迹已变成垂直的并且各圈之间的尾旋特性已不再有值得注意的明显变化时，就达到了完全发展的尾旋阶段。但不是所有飞机的尾旋都能发展成为这种稳态尾旋。
1.3 尾旋的特性
1.3.1 尾旋的分类
现代飞机的设计思路十分广泛，形成了众多不同气动特点的结构布局，在这些气动布局的作用下，尾旋的形式也呈现出多样性。根据不同的划分原则，可将尾旋进行以下分类：
① 按照尾旋的旋转方向，可分为左尾旋和右尾旋（也有资料以时针旋转方向划分，称其为顺尾旋和逆尾旋）；
② 按飞机的俯仰姿态与迎角划分，可分为陡尾旋，缓尾旋，平尾旋；
③ 根据运动参数的变化规律进行划分，可分为稳定尾旋，振荡尾旋，不稳定尾旋；
④ 按飞机机腹的相对位置划分（机腹朝向地面或天空），可分为正飞尾旋和倒飞尾旋。
1.3.2 尾旋的动态
尾旋的动态过程，其实可以形象地理解为飞机在绕着机体轴作自转的同时，绕着尾旋轴进行公转。整个尾旋的动态过程，可分为初始的抛物线段(即进入段)、中间的垂直段(即发展段)，以及最后的改出段(即停转退俯冲)[2]，如图1所示。
图1 尾旋动态过程
在尾旋的整个动态发展过程中，常规布局的飞机大都会经历2-3圈尾旋，其中第一圈为尾旋的初始阶段，起主导作用的是气动力矩，并呈现以机翼自转为主的动态表现。尾旋的第二圈是由初始尾旋向相对较为稳定尾旋的发展阶段，起主导作用的力矩由气动力矩向低速惯性交感力矩进行过度。到了第三圈，尾旋开始将进入较稳定的动态。
1.3.3 影响尾旋的因素
尾旋运动过程很复杂，运动特性具有不稳定性和非线性，影响因素众多。气动布局，重心位置，挂载分布，动力方式等，都会直接或间接的影响尾旋特性。例如，不同翼型产生的气动效果不同，尾旋形式也不同；螺旋桨飞机与喷气式飞机的尾旋特性也有差异，气动导数螺旋桨滑流对尾旋会产生影响；还有安装一些特殊构型例如翼刀、腹鳍等影响飞机方向和俯仰方面的部件会对尾旋产生一定的影响。
2 尾旋的进入与改出
2.1 尾旋的进入
尾旋的进入，分为有意进入尾旋与意外进入尾旋。有意进入尾旋，一般是指在飞机定型试飞或验证飞机尾旋特性时，由人为故意操纵导致飞机进入尾旋，其主要目的在于试飞与训练。在这种情况下进入尾旋后，由于人员已有充分的准备，所以应对时的危险程度适中。意外进入尾旋，是指在飞行过程中，由于人员的错误操作导致飞机意外地进入尾旋的情况，这种尾旋的进入情况危险程度最高，可能出现在任何飞行活动当中。下面，以JJ5飞机为例，进一步阐述飞行中意外进入尾旋的情况。
飞机意外进入尾旋的原因，主要有：由于飞行员在飞机速度较小的机动飞行情况下,无意识地做了进入尾旋的粗猛动作；飞机失速后仍按正常操纵修正飞机坡度,也易使飞机进入尾旋；由于飞行员在意外进入失速尾旋状态缺乏思想准备,易造成判断尾旋状态的困难,在没有进入尾旋的情况下误以为是进入了尾旋,立刻作尾旋处理,反而使飞机真的进入了尾旋[3]。
意外进入尾旋后,对飞行员精神上的刺激非常强烈,一般飞行员遇到此种情况时都会产生紧张情绪。对于心理素质相对较差的飞行员来说,因过度紧张会进入“发懵”状态,可能会失去或完全失去判断和处置尾旋的能力。飞机进入尾旋每秒下降的高度很快,供飞行员观察、判断、下决心处置的时间很短。
因此,应对飞行人员应加强尾旋概念、理论的学习和对意外尾旋状态的认识。通过了解,掌握意外尾旋的特点, 提高飞行员对飞机意外进入尾旋后的判断和处置能力。
2.2 尾旋的改出
尾旋的危险性，不仅体现在其复杂的运动机理，更是由于其短时间内的巨大高度损失值，让飞行员可操作的时间少之又少，稍有不慎便会发生飞行事故。何如正确高效的改出尾旋，尽快逃出这“死亡螺旋”，是每个飞行员必须掌握基本技能。
控尾旋，必须先控失速，让飞机停止自转，并将迎角降到临界迎角以下，恢复飞行员对飞机的基本控制。在改出尾旋时，必须要考虑的因素包括：三个舵面，机翼机身形状，外载荷等。通常，会运用减速，杆舵中立减小迎角来改出失速状态或增大失速迎角。一般来说，初始尾旋改出较为容易，平尾旋较为困难，所以改出尾旋的时机也很关键。
目前常用的尾旋改出方法有三种，即：先压杆再蹬舵；先蹬舵再压杆；三个舵面保持中立。三种方法每种方法效果不同，具体的改出方法和程序需要根据飞机的飞行姿态、飞机机型、尾旋强弱和模式，以及上述的改出考虑因素进行判断，选择最佳的改出方案。此外，像加装反尾旋伞、反尾旋火箭、推力矢量技术等，都会对尾旋的改出起到关键性作用。
无论是顺压杆还是反蹬舵，都会减小偏航角速度，并产生顺尾旋方向的侧滑。在尾旋中通过侧滑可以大大减小飞机的旋转角速度。机翼的这个性质,对飞机改出尾旋,以及有意使飞机进入尾旋的动作中获得广泛应用。所以,为了使飞机尽快改出尾旋应最大限度地使外侧滑减小或造成内侧滑。
3 失速/尾旋训练意义
3.1 失速训练意义
失速训练的意义是为了让飞行员认识失速现象并能快速改出，确保损失高度和性能最少。通过体验失速的全过程以达到一旦发现失速能立即改出。飞机发生失速时有几种基本动态特征，只要发现任意一种动态特征，应立即执行标准失速改出程序。
飞机发生失速时一般有以下几种基本动态特征：
-飞机强烈的抖动、摇晃
-飞机杆舵抖动、操纵变轻
-飞机出现非操纵性的转动
-飞机速度迅速减小
3.2 尾旋训练意义
尾旋训练的意义是为了让飞行员识别飞机进入失控飞行时的状态和感觉。通过有意进入此状态来练习改出程序，培养改出失控飞行的能力和信心，锻炼复杂状态下保持态势感知和有效操作的能力，避免飞行中进入失控飞行状态。归纳起来，尾旋训练主要意义有：
- 熟悉飞机临界/超临界状态操纵特性
- 培养年轻飞行员的高机动耐力
- 培养年轻飞行员的抗过载交变能力
- 培养年轻飞行员的空间定向技能
- 建立年轻飞行员的左边界飞行自信心
- 帮助年轻飞行员克服对于边界飞行的恐惧
- 帮助年轻飞行员增加特情处置经验，夯实未来的实战基础
4 结论
尾旋训练，作为大风险的训练科目，已被暂停多年。过去，为了预防失速/尾旋，一般远离失速边界飞行，虽然对保证飞行安全起到了一定作用，但是飞机的性能没有得到充分发挥，飞行学员控制飞机状态的能力得不到提高。面对困难和危险，必须迎头赶上才能实现新的突破。当前，飞行训练部门正在积极组织开展左边界飞行训练，训练难度高、强度大，训练更加接近实战。只有这样，才能履行习主席在党的十九大报告中提出的“军队是要准备打仗的，一切工作都必须坚持战斗力标准，向能打仗、打胜仗聚焦”。这种不畏艰险，砥砺前行的作风，深深感染了同学们，不仅表现出了对学习难点势必攻破的决心，更是立志要让我国在航空领域的短板领域实现新的突破。
通过这种形式进行授课的方法，获得了比较良好的教学成果，基本实现了拓宽教学思路、丰富教学内容、升华教学内涵的整体要求。
参考文献：
[1] 方振平，陈万春，陈万春等.航空飞行器飞行动力学[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2005.11
[2] LE-500飞机尾旋试飞的体会[J]. 飞机工程, 2005(3):47-49.
[3] 张立彬, 刘子辉, 李宗娟. JJ5飞机中空意外进入尾旋的研究[J]. 飞行力学, 1999, 17(3):70-70.
作者简介：涂良辉，男，江西南昌人，博士，研究员，研究生导师，研究方向为飞行器设计。
