战斗机背后的国力差别

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导读:战斗机背后的国力差别     记:日本在研制F-2战斗机时,外界对其相控阵雷达的技术渲染得很厉害,认为它用砷化镓制造的T/R模块成本很低,美国也是学它的技术等等。事实怎样? ,   张洋:在技术层面上,美国是日本不能比的。日本F-2的J/APG-1雷达有750个T/R模块,天线孔径为椭圆形,短轴长600多毫米,长轴长700多毫米,孔径比F-16的机扫雷达大些。据报道,它每个T/R模块功率为3瓦。而美国早在1964年就开始了"微电子用于雷达"计划,通过这个计划试验了有604个T/R模块的I波段机载有
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战斗机背后的国力差别



记:日本在研制F-2战斗机时,外界对其相控阵雷达的技术渲染得很厉害,认为它用砷化镓制造的T/R模块成本很低,美国也是学它的技术等等。事实怎样? ,

张洋:在技术层面上,美国是日本不能比的。日本F-2的J/APG-1雷达有750个T/R模块,天线孔径为椭圆形,短轴长600多毫米,长轴长700多毫米,孔径比F-16的机扫雷达大些。据报道,它每个T/R模块功率为3瓦。而美国早在1964年就开始了"微电子用于雷达"计划,通过这个计划试验了有604个T/R模块的I波段机载有源相控阵天线,验证了可行性。1970-1973年又进行了"可靠的机载固态雷达计划",制造出有1048个T/R模块的机载有源相控阵天线,并解决了散热问题,验证了可靠性。因为T/R模块是要发热的,它们紧密地靠在一起,散热是一个关键设计。这个时期美国的技术就已超过J/APG-1的水平。美国第三阶段是从1983年开始,1987年结束,验证了机载有源相控阵的工作效率和经济性,并研制出有2000个T/R模块的有源阵列,且首次采用了砷化镓器件。所以说日本的J/APG-1雷达在世界上首次使用砷化镓器件、并被美国所吸收引进的说法是站不住脚的。

F-22上的APG-77雷达装有2000个T/R模块,而且天线孔径比J/APG-1大很多,每个T/R模块功率10瓦,重量才14.88克,所以在探测距离上,APG-77比J/APG-1优势明显,因为雷达的探测距离很大程度上是由它的有效功率和孔径大小决定的。而且这些还是比较早的数据,最近APG-77的改型APG-77(V)1已完成了试飞鉴定。

F-2的J/APG-1雷达在2000年时单价400万美元。而APG-77雷达的单价现在约为400多万美元,也有说300多万的,和其它国家机载相控阵雷达相比,应该说不贵,就是俄罗斯"甲虫"机扫雷达,出口要价也要3000万元人民币。

记:有源相控阵雷达的成本中,哪几部分是主要的?

张:一台雷达除了天线,还包括数据处理机、信号处理机等。F-22的信号处理和数据处理已综合到全机的一个综合处理机中去了,这个综合处理机处理许多传感器和功能系统的信息,不止是雷达的。不过天线始终是雷达一个主要的成本构成,对相控阵雷达来说尤其是这样。

前面说过,美国的机载有源相控阵在90年代初就已达到很低成本。后来一系列雷达的研制,包括F-18E/F的APG-79、F-16E/F的APG-80、F-35的APG-81,尤其是诺.格公司通过APG-77/80,雷神公司通过APG-79都验证了新一代低成本模块,所以美国若再搞一个有2000个T/R模块的雷达,成本只能更低,且性能是日本不能比的。

记:美国对日本F-2的先进技术有何评价?

张:日本在研制F-2时,按照美日双方的协议向美国提供了4万份技术文档,内容主要是讲美国技术在这个飞机上怎么使用,所以美国对F-2的水平非常清楚。另外在1991-1996年,美国国防部、商务部和十几家企业对F-2进行了12次专项考察,做出了一些评价。

(1)机载有源相控阵火控雷达:美方采购了5个T/R模块,送空军莱特实验室评价。美国国防部一些官员的看法是:F-22的APG-77在技术上比J/APG-1先进一代;这个雷达的水平并没预期的那么先进,而且其模块封装方式的成本相对于美国当时的做法来说就太高。(2)惯性参考/导航系统:与当时F-16所采用的相比没任何显著的技术进步,而且未综合GPS系统,在能力上不会超过F-16。(3)任务计算机:能力与当时F-16的任务计算机类似。(4)吸波材料:未及美国水准。(5)共固化整体复合材料机翼制造技术:用这项技术造机翼成本极高,但F-2的美方合作者洛.马公司表示,这项加工技术用于F-35的复合材料机舱壁板制造,对降低成本有帮助。总之,F-2的综合作战能力没能超越F-16后期批次。

所以对F-2的技术水平和作战能力不宜高估。但这是和美国比,日本很多技术还是特别值得重视的。

记:日本雄厚的电子工业水平是否有助于其火控雷达的研制?另外像台湾、韩国的电子工业都很强,为什么它们在雷达上无优势?

张:雷达和军用电子系统上的很多东西是民用电子中用不上的,如可编程行波管发射机、一些信号处理算法等。这里面有一些如单片微波集成电路是靠电子工业的基础,但你这个功能模块为什么要那样做、怎么做,这是要有战斗机火控雷达的技术基础、工程实践和经验才能做好的,这与一国的电子工业没什么直接关系。也就是说,你先要会做这个了,然后才能谈本国工业基础给你做好、用好这个东西可能带来的好处。

比如J/APG-1雷达,它确实体现了日本先进的电子器件技术,强大的电子工业基础,不过实际效能就未必很高,因为以前它没有实际做过机载火控雷达。当然,这样的评价主要是相对于美国、欧洲、俄罗斯等强国来说的。必须重视的事实是,J/APG-1是一台已投入实际使用的机载有源相控阵火控雷达。

韩国和台湾虽然也有较发达的电子产业,但它们更没有这些技术和经验,所以做不出好的机载雷达

记:日本的武器对很多新技术的采用效果不理想,是什么原因?

张:很难讲。从客观表现上来说,日本比较习惯于为技术而技术,而不是站在一个严谨的需求分析和系统设计上。比如说复合材料机翼。一般说,复合材料机翼可通过运用气动弹性剪裁设计,如不同的铺层,用一层层纤维的不同走向来优化机翼力学性能,提高机翼颤振速度。我国就曾通过局部采用复合材料提高了歼8B在某些外挂条件下的颤振速度。但日本为F-2采用共固化的整体复合材料机翼,不但没达到这种效果,反而不如普通机翼。它在挂空舰导弹时为防止颤振,最大飞行速度和飞行包线都将受到限制。又比如H-2火箭,用的技术都很先进,但就是毫无商业竞争力,因为它发射1次的费用够"长征"2号发射8次了。

所以说做工程应该根据要实现的目标来选择首选和备选技术,同时要看到我做的东西最后整体上要满足什么要求,不要因为有了某个技术我就一定要用。日本的AAM-5新型近距弹可能也是个例子。它的布局跟德国的IRIS-T差不多,但弹体更细长,这样做很可能是为了在保持近界性能的同时打远点,也就是打算结合IRIS-T和英国AS-RAAM的特点。但德国和英国的这两个弹,为什么要采用各自的设计思想,都是经过严格论证的。比如德国的BGT公司在做了论证和仿真后认为,近距弹增大远界只会与中距弹的攻击区近界重叠,并不能使战斗机在从超视距空战到格斗的过程中,提高对敌方目标的杀伤率,但是进一步提高近界性能就可以。IRIS-T就是在这样的思想下研制出来的。所以,AAM-5这种兼顾的做法,到底能在多大程度上接近IRIS-T和ASRAAM,并不好下结论,这样做的效费比,甚至在实际空战中的有效性都还不好说。

记:那么一个国家电子工业的水平在哪个层面上能对研制雷达有帮助?

张:应该明确,一个雷达从研制到服役要经过三个层次。一是技术,二是工程,三是产业。电子工业水平通常只对第三层次起作用。比如美国从F-35起,飞机设计中开始系统地采用COTS即商用现货,用市场上现成的器件、部件甚至功能模块来开发自己的雷达。我国出口巴基斯坦的"枭龙",其机电系统也采用了民用产品。在这时,一个战斗机的研制在很大程度上就会受到你这个国家产业的影响。如果你的单片微波集成电路产业很薄弱,又想做批量生产的机载相控阵火控雷达,就只有两条路。第一条路就是自己把这些都开发出来,但这需要技术和工程上的突破,需要建立产业链,需要大量的投资和时间。第二条路,就是你从器件到功能模块都大量靠进口,但这可能要受人家出口管制,即使人家卖你可能也非常贵。走第二条路还有一个问题就是,如果你进口器件和部件,由你自己把它生产成模块的话,还是会由于没有成熟的产业,而面临生产成本高和废品率高等种种问题。而且这样做,以后要自己搞升级改进也比较被动。

美国至今已为机载有源相控阵雷达开发出8代T/R模块,后面几代都大量采用民用技术。美国新一代导弹的导引头、F-35的综合航电系统处理机,从电路板到总线标准很多都是民用标准转化过来的。你这个国家要没这方面的产业基础,器件要进口,协议标准要照搬人家的,那搞出来的就很贵。而且这样的东西用于军用还好,用于民用的话现在还面临专利费风险。大家都知道中国是电视大国,不是电视强国,因为没自主创新的技术标准。如果你卖一台电视,人家向你收一台的高清显像管技术专利费怎办?这方面也有好的例子,海尔产品在美国市场卖得不错,从电视新闻中还可以看到美国大兵在伊拉克运送海尔冰箱。海尔在美国要雇当地工人,人力成本很高,但它在很多项目上有自己的知识产权,一样有竞争力,而且谁会去找它打官司?

另一个典型例子是GPS。美国GPS接收机很便宜,民用的才5美元一个,换在国内,你看市场上有低于300元的么?因为这在美国有非常大的民、军用市场,而且知识产权也是它的。美国JDAM制导炸弹装了GPS,每颗炸弹价格不超过15000美元,至少有24000枚的订货。换成别的国家,GPS星座不是自己的,国内没产业规模,那你要为弹药装GPS就很贵,且精度不能保证。这样你为保证弹药的精度,就还得在弹上加一套高端的惯导,但高端的惯导很不容易做,成本非常贵。这样就能明白美国的机载有源相控阵可以比其它国家的T/R模块多很多,价格却低得多。你的国家再搞重型五代机,有可能出厂单价比F-22低不了多少。另外,美国的飞机、任务系统及功能部件的可靠性比较高,可靠性设计水平也高,所以整个寿命周期费用会更低。

记:"枭龙"不是用了民用产品么?这是否是一个良性开端?

张:"枭龙"采用了民用的机电产品,但它目前??示与控制、显示控制处理机和总线等等,都是用的国内现成的军研成果,这个可以叫它"官方现货",因为这些东西大都是国家投资研究出来的,经过改进用到了"枭龙"上

记:机电和航电有什么区别?

张:机电主要是指机械和电气方面的,通常是用来维持飞行,包括第二动力装置,液压系统,作动装置,环境控制等等。航电一般是指飞机的任务电子设备,例如传感器系统、通信/导航/识别、电子战、座舱显示与控制、任务计算机等等。

不过"枭龙"的航电也用了一些商业的东西,例如采用摩托罗拉的PPC处理器,作战飞行软件采用C/C++编写等,规模也超过百万行代码了。总的来说,国内在这些方面缺乏强大的产业基础支撑,这样许多先进的标准,包括硬件的和软件的,都没法用上来,而且成本和保障性方面的效果也不明显。

美国的国防工业巨头都是比较多元化的,只是下面的部门分工比较专业化。比如说洛.马公司,这么一个防务巨头,它可以做航电总体,但它也能生产空中交通管制雷达。诺.格公司是搞电子对抗的,但它也生产很多民用电子产品。当你的武器想大量采用民品,或者需要产业支撑来提高可靠性和降低成本时,你就能清楚与美国的差距了。所以现在和今后一段时间内,国内的高技术武器便宜不了。人力成本在武器的发展中已非主要成本,现在很多舆论认为美国打不起仗,那实际上其它国家更打不起仗。

记:从上述三个层次看,俄罗斯有技术和工程实践经验,产业基础薄弱,日本正相反,两种畸形相比,谁更有希望些?

张:从军事角度看,我认为最重要的还是技术积累和工程实践经验。先得做出来才谈得上规模生产和降低成本。F-35的航电固然得益于美国的电子产业,但它的先进设计概念也是降低成本的关键。F-35的航电系统结构是基于美国空军研究实验室两个计划:"宝石台"和"综合传感器计划"。前者是在F-22的基础上提出一个更综合、更先进的航空电子系统构架,后者是将原来飞机上60多个天线合并成十几个天线,这样飞机的重量成本都会大大降低。这种技术基础和工程实践能力,日本差距还比较大。

记:俄相控阵的水平与日本相比?

张:俄罗斯在火控雷达上的设计水平是日本无法比的,就是很大很重,成本高,可靠性也有问题,这是产业支撑的不足。以苏联走的路不太一样,它认为锗比硅好用。再一个它认为电子管抗核爆电磁脉冲的能力比半导体器件强,功率又容易做大,所以它选了一条电子管小型化的道路。但美国和西方都选择了以半导体为基础的超大规模集成电路道路。西方可以把器件做得小巧,用功率合成的方式达到大功率,一般只在很需要大功率的情况下才用微波管。实际上对于抗电磁脉冲,集成电路可用别的方式加固,另外若真发生核战争,电子管也很难抗得住电磁脉冲。这不是电子干扰,它是形成像闪电一样的能量脉冲,直接烧毁你的电子线路。以前电磁脉冲杀伤用核爆方式实现,现在有专门的电磁脉冲弹,不大,但一引爆,可能10千米半径范围内的电子设备全都完了。

所以,苏联的电子工业不如日本,但它在机扫平板缝隙阵及无源相控阵的经验上都是后者无法攀比的。目前俄有源相控阵雷达已开始试飞,有1500个T/R模块,天线孔径比日本大很多。这个T/R模块俄罗斯已实现国产化。而日本第一次搞机载火控雷达就搞出一个有源阵,使用中出现什么问题,怎么解决,怎么和其它系统综合等都还缺乏经验。我们的各种机扫脉冲多普勒雷达现在为什么改进改型这么快,因为前些年我们把技术问题基本都突破了,这样你就能用新的硬软件技术不断去尝试,越做胆子越大。没做过这些,你就不知道是怎么回事。

记:目前,美国战斗机的软件化程度越来越高,而它的软件业薪酬又很高,它是如何应对这项成本之重的?

张:谈这一点必须了解现代战斗机的软件规模有多大,以及控制成本在当前的环境下受重视的程度。美国防部原来用Ada语言,F-22的飞行软件关键功能就用它编的,但F-35在设计时就把费用作为独立变量。以前设计飞机时都把设计定下来后再去计算成本,现在设计时直接考虑费用,如不达标马上改设计。F-35当时就考虑找商业上的编程公司去做,因此它的软件主要是用C++编的,这除了保证经济性外,同时也是开放式思想,对今后升级很有好处。F-22的地面测试加上机载软件总共有500万-600万行源代码,而F-35达到了1900万行。这样大的软件规模必须是F-35在设计时考虑的中心。在第五代战斗机上,航电系统的成本已占到全机60%-80%,而软件系统就是航电系统的关键组成。有人统计过,F-35要完成的功能有80%以上都通过软件来完成。这样大的软件规模,要想在成本合理的范围内完成开发和保证质量,就只能用C++这样有广泛商业应用的语言来编程。这就是一个产业支撑问题,而和硬件一样,美国有大量的商用软件开发公司。

记:F-35的软件规模为何这么大?

张:一是它比F-22年代晚,技术先进,二是它主要用于对地攻击。F-22没装光电系统,而F-35装的是360°环视光电系统,并要通过软件功能把多个光电传感器结合成一个无缝的环视图,这就需要大量软件处理。F-35的雷达一开始就有很强的对地功能,如合成孔径对地成像,而F-22到现在还没有。F-22以后也要改进,软件规模也会增加。第三,F-35的航电综合程度比F-22高,更多的功能要靠软件完成,包括传感器的管理和控制、传感器数据的融合。第四,F-35是世界第一个一开始就考虑与外界数据交换和网络中心战的战斗机。比如,研制时英国就对F-35提出了94个信息交换需求,其中50个被列为关键性的。这些都是导致F-35软件规模扩大的原因。第五,F-35在后勤保障方面也是革命性的。比如F-22没采用机载健康监测系统。它的自检模块能监测很多如发动机、液压、航电系统等的故障,但是它不能监测如机翼结构疲劳情况和计算剩余寿命等。世界上第一种采用这种监测系统的战斗机是"台风",F-35也装了这种系统,但远比"台风"完善。F-35用的是革命性概念,比如它在战斗飞行中就能检测并预测故障,然后把数据传给地面。地面在它落地之前就已经把该更换的部件和地勤人员都准备好了,这样F-35一落地就可更换,再出动率很高。这样对机载软件就提出了更多的要求。

F-35的许多技术要远高于F-22,但并不能说它的作战能力就超过后者。作战能力更多的是看需求和平台设计。任务软件只是达到更多的功能如对地攻击等,但完成某一种任务的效能还要看平台的其它技术。如F-35的雷达和隐身技术与F-22比就是低成本的。F-22的超音速巡航、大载弹量、大航程也是F-35不能比的。F-35在航电系统怎么去实现综合与融合、怎么去实现信号处理和数据处理、怎么实现作战与控制等方面可能比F-22先进很多,但这是"怎么实现"的问题而不是"要实现什么功能"。要实现怎样的功能是由设计要求决定的。比如说要迎头发现苏-27这样的目标,F-22的雷达要求能达到360千米,而对F-35的雷达,设计时就有可能只要求达到200千米。所以F-35的雷达可以采用比F-22更先进的技术,但探测距离却要更近。这是思想和需求的问题,简单比较谁更先进没意义。

记:通常,数学应用水平在火控软件上起重要作用。那么原东欧国家如波兰、罗马尼亚等数学水准都很高,但它们的火控雷达软件水准高么?

张:数学只是一个理论化的工具。火控雷达要采用什么样的数学模型,要怎样处理信号和数据,还要大量工程实践。如雷达的海上杂波和陆地杂波都是怎么样的,怎么对抗干扰,怎么分选目标等都要大量实验。解决方案也靠大量实验,这样才能总结出实际上好用的算法。

记:您谈到很多技术和工程之间的关系,那么它们如何区分?

张:技术是相对理论化的,包括概念、原理、理论、效应等。但我怎么把这个技术用到一个型号中并达成我的目标,这是工程。也可以把工程看成技术开发的最高级阶段,美国和英国的技术成熟度评价标;隹就包括了这整个过程。

光有技术还不行。搞成一种装备需要解决许多工程问题。不同战斗机可能技术相似,但不能简单定义为互相模仿抄袭,根本原因就是工程。工程需要结合技术和实际需求,也就是说,要看我最后要的是什么东西是什么性能,然后再看我该用什么技术,怎么去实现。所以你要说"红旗"-2是仿制"萨姆"-2还可以,但你不能简单地看到两个外形有点相似的武器装备,就是谁抄谁的,这往往是说不通的,因为需求和工程实际的差别有可能都很大,怎么抄?

拿F-22和苏-37来讲,两者都有推力矢量,但F-22的推力矢量是和全机一体化设计的,隐身、超音速巡航、超机动性、敏捷性全都有考虑,苏-37是后来加的,至多考虑到超机动和敏捷性,这在工程上就会很不一样。苏-37的推力矢量如果与气动性能有了冲突,该怎么解决?控制与飞行载荷怎么分配?这不是二元矩形还是轴对称喷管的技术问题,这是工程问题。如果以后其它国家搞了轴对称推力矢量,可能有人要用苏-37的类比,但如果我在新机设计时就考虑了隐身、气动的影响,和苏-37又怎么能一样?技术上很多东西可以从公开的论文中看到,而工程的东西不容易看出来。就算两个都是五代机,都用二元喷管,但实际的控制律可能完全不同。比如我这个考虑在60°迎角的时候推力矢量往下转一个角度,把机头压住,然后再依靠平尾低头或滚转;而另外一个在这时根本不用推力矢量,就用平尾加上其它操纵面综合控制,推力矢量仍然用来提高俯仰敏捷性,这在工程上就是不同的东西。怎么把技术表现出来,怎么用,这都是工程上的事。再如,综合式航电系统是一门技术,但你把美、俄、法、中等国的综合航电系统构架图拿来,它们的思路和解决方案都不一样,就是第三代战斗机的联合式航电,P/A-18和F-16的构架区别也是很大的

记:系统和工程之间怎么区分?

张:对于单一的飞机来说,系统也是工程的一部分。只是说??在一个功能模块,一个子系统的角度,去考虑工程实现时,就需要考虑它们内部组成之间的相互关系,这就是系统。比如雷达的波束扫描怎么实现,这是工程,但不叫系统。什么是系统?我有源相控阵雷达的技术水平比别人差点,但我可搞个好的电子战系统,用无源雷达和雷达告警接收机甚至有源对消来和别人对抗,我两个东西结合起来就可能比你强,这就是从系统的角度来谈工程。

记:您以前提过"有所为有所不为"已行不通了,是否针对这方面来讲的?

张:是的。因为现在讲装备体系,讲网络中心战。你要是看到美国搞了一个什么体系,但只从中挑你认为有用的,而看到哪部分太贵太难搞了不想用,这是不行的。你知道缺了这部分会有什么影响?所以以后,你如果还主要靠跟踪跟进,要有所为有所不为也可以,但你必须首先构建自己的体系和网络,要明白这个系统是怎么整体运作的。以前工程层面的内容被包在飞机里面,不易看到,只能看到是用了什么技术。但实现网络中心战后,以前深藏的工程上的东西浮到表面上来了。这个体系搭建的思路是什么样,怎么协同和指挥控制,2架和4架编队作战运用有什么不同,这都是系统工程解决思路的表现。

记:最后谈点题外话。对于"阵风"和"台风"的水准比较,很多人认为"台风"远远胜出,您如何看?

张:在空战上,"台风"的平台更好,超音速飞行能力和超音速机动性更好。但航电技术上,"阵风"在欧洲首屈一指。

记:我怎么感觉正相反,"阵风"的气动外形给人的直觉就非常自然,动感很足,"台风"的外形始终感觉不顺。

张:达索总裁的那句话也许没错,但至少不能倒过来说,外形不好的气动就一定不好。而且"阵风"推重比处劣势。

记:似乎法国人不愿在动力上追求极限,这在汽车工业也有体现。法国的雷诺、标致、雪铁龙至今没有量产3.0以上的汽油机,和动辄V10、V12的奔驰宝马大众相比,法国的发动机始终是弱项,它似乎总愿意靠底盘和操控上的优势以小博大,来和后者竞争。另外法国在人机工程上想法总很独到。

张:是这样。"阵风"的显示器布局就很独到。F-22是一平六下,其实这么多显示器未必好。F-35是两大下,比F-22的信息显示要集中很多,但它的平显等于做到头盔里了,当飞行员转头、视线离开正前方时仍能看到即时信息,这是世界一绝。"台风"和"阵风"的都是一平三下,前者没什么特色,"阵风"的则是中间的下显是准直的,就是聚焦到无穷远,因此在来回观察平显和下显时,眼睛不易疲劳,飞行员对这点评价很高。这是除F-35外的世界另一绝。另外,"阵风"的综合电子战系统也很好。

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