F-22A战技性能启示中国四代战机发展

空中力量在现代化战争中已经成为具有决定性作用的因素,用来争夺制空权的战斗机则是其中最为基础、也是最为重要的部分。虽然现代化战争中的系统对抗已经使整个军事航空力量构成了一个综合性的整体,但是高性能战斗机的存在仍然是这个作战系统中不可忽视的关键。第四代战斗机是目前各军事航空技术强国重点发展的先进航空武器装备,其技术指标和性能要求也与第三代战斗机存在明显差别。世界航空技术最先进的美国长期引导着国际先进战斗机发展的方向,而真正按照第四代战斗机标准设计完成并达到服役状态的只有美国的F一22。


第四代战斗机的设计需求和技术措施


美国空军刚刚形成战斗力的F一22代表着目前战斗机性能的顶峰,同样也是现代化军事航空技术产生革命性进步的代表,并已经成为其他国家衡量战斗机技术性能指标的标准。F一22来源于美国空军为取代F一15所发展的新一代ATF战斗机,美国空军对其设计要求是经过持续近10年严格系统工程处理和分析后的结果。ATF的基本设计要求是拥有超过第三代战斗机的超视距空战能力、具备超音速巡航能力和以较小雷达反射截面积(RCS)为基础的隐身(低可探测)能力、拥有优于任何第三代或其改进型战斗机的持续和瞬时机动能力,并具有一定的非常规机动能力、高出勤率和高可靠性。


F-22的飞行性能和机载电子设备技术水平要远远超过第三代战斗机,之间的技术差距比之前几代战斗机要大的多。按照冷战思维提出的F一22也是最后一种不惜工本来强调性能的先进战斗机,该机在研制和装备的成本费用上同样明显超过第三代战斗机,即使是美国也无法承担大量装备的高昂成本。美国空军采购648架F一22的计划已经调整到180架,显然现代化战斗机在强调技术性能等方面的同时,还必须考虑到成本的影响。通过美国空军对F一22采购规模的变化,就可以感受到成本对装备形成的压力。


美国空军发展F一22这种各方面性能指标明显领先于对手的高技术装备,其目的就是通过先进装备所形成的技术优势来保证战术上统治地位。美国的军事航空工业在世界范围内仍然处于明显的领先地位,通过对第四代战斗机中属于先行者和技术标杆的F一22各方面性能指标的分析,将会对其他国家发展类似技术标准的第四代战斗机起到参考和引导作用。我国航空工业通过J一10获得第三代战斗机的科研和生产能力后,周边军事技术力量的变化将促使其必须开始第四代战斗机的发展,而分析和了解该机对于我们有着指导性的重要意义。


超音速巡航 这是F一22综合战术性能要求中一个基础性的重要指标。所谓超音速巡航中的“巡航”并不是常规意义中最省油的飞行速度,而是指战斗机可以在发动机比较省油的条件下进行持续超音速飞行,对于四代机是指在发动机不开加力的情况下获得第三代战斗机在加力状态下才能够获得的超音速飞行能力。战斗机具备超音速巡航能力对战术使用有很大帮助:在执行对空作战任务时,超音速巡航有利于快速占位和接近目标,能够为机载导弹武器提供更大的初始速度以提高射程;当战斗机处于被动状态时,有利于摆脱敌机的跟踪和攻击,也可利用飞行速度来换取高度和增加能量方面的优势。


F一22提出超音速巡航技术要求,主要是根据两方面的战术需要:首先是可以使其具备比典型第三代战斗机更强的高速性能。不具备超音速巡航能力的战斗机为了保证航程和作战半径要求,在绝大部分飞行时间里都是采用较省油的高亚音速飞行,只有在接敌和攻击的时候才会将飞行速度提高到超音速。第四代以前的战斗机虽然都具备超音速飞行能力,但是因为依靠发动机加力获得的超音速性能需要消耗大量燃料,因此在燃料限制下很难保证飞行速度适合战术条件的要求。而F一22能够在发动机不开加力的情况下保持较高的飞行速度,使其在与其他不具备超音速巡航能力的战斗机作战时,占据明显的先攻击、先命中战术优势——可以始终保持飞行速度以迅速完成空战占位机动,并使机载导弹的射程得到大幅度提高。超音速巡航不但使战斗机能够在超视距空战中占据上风,而且还可以在保持速度优势的同时具有足够的作战半径和持续作战时间,以满足在较大空域范围内进行多场空战时对续航能力的要求。


超音速巡航不但有利于战斗机执行进攻性战术机动,而且也有利于空战中进行摆脱机动和规避空空导弹攻击。使用雷达制导的中远距空空导弹实施超视距攻击是现代化空战的主要形式,而目标飞机的摆脱速度和进行机动时的飞行速度直接影响到空空导弹的命中率——超音速巡航状态战斗机始终保持着一个相对稳定的飞行速度,这就省下了普通战斗机由亚音速向超音速加速这一过程,而且还能够保证较长的超音速飞行时间。超音速巡航战斗机本身的速度性能就有条件降低导弹命中率,如果再与适度的机动动作结合,将可以进一步增强摆脱导弹的能力。国外相关科研机构对战斗机飞行速度、机动能力和导弹命中率之间关系的模拟计算结果证明:具备超音速巡航能力的战斗机可以大幅度降低主动雷达制导空空导弹的有效攻击范围,如果能在超音速条件下进行5g左右的高机动规避动作,则导弹的命中率还将大幅度下降。甚至于半主动雷达制导空空导弹(如AIM一7和R一27),几乎不可能命中在飞行速度M1.5、进行5g过载机动的战斗机目标。


战斗机对超音速巡航的需求除了体现在执行空中优势任务外,在其他战术要求上同样需要。战斗机在执行对地攻击任务时采用超音速巡航同样可以提高机载弹药的有效射程,在保证作战半径的前提下缩短在敌方防空火力范围内的停留时间,通过降低敌方地面防空武器的射击窗口来提高突防成功率。具备超音速巡航能力的战斗机可以比常规第三代战斗机有更快的经济飞行速度,可以在同样的飞行时间里比亚音速巡航战斗机有更大的航程。因为战斗机从机场飞抵战区前方交战地域上空的速度与作战反应和空地协调能力直接相关,所以第四代战斗机的超音速巡航能力对于提高作战反应速度有很大帮助,从而可以部署在相对安全的后方机场。


当然,战斗机并不只是能在发动机不开加力的情况下达到M1以上就算是超音速巡航,而是必须要满足飞行速度和持续飞行时间这两方面要求。获得超音速巡航能力需要在飞机和发动机设计上付出很大代价,所以得到的战术优势必须能够超越为此进行的投入。第四代战斗机要想真正通过超音速巡航获得满意的性能优势,那么不开加力的飞行速度应该超过M1.4(M1—1.4还属于跨音速范围),在成本和性能上最适合的巡航速度应该是在M1.5-1.7(过低意义不大,而过高则代价太大)。另外,还必须满足时间要求,也就是说超音速巡航的飞行速度必须能够保持一定的时间。目前,第四代战斗机在超音速巡航时间上至少要能够维持20-30分钟才有意义。


超音速巡航对于第四代战斗机来说只是综合飞行性能的一个方面,如果不能与其他技术指标综合到一起,那么单纯靠增推减阻是没有什么意义的。按照基本空气动力学原理可知,飞机的速度与机动性是有直接联系的。在其他条件不变的情况下,飞行速度越快则机动性能就越差,因此第四代战斗机的超音速巡航指标必须与高机动性紧密联系。


长期实践已经证明,近距格斗在导弹武器普遍应用之后仍然是空战的基础战术。因此,在第四代战斗机已经将超视距空战作为基本战术形式之后,在设计上仍然要求其具备足够的近距格斗能力。航空技术的发展使21世纪的空战战场上仍然无法完全避免近距离格斗,具备在较大离轴角上搜索和攻击能力的全向攻击导弹的普遍装备,使战斗机的占位和机头指向变化速度成为决定胜负的关键。第四代战斗机在保持持续机动能力的前提下,更加强调敏捷性和机头指向能力。


同样具备隐身能力的第四代战斗机之间的空战更加突然和剧烈,交战双方有可能在没有充分准备的情况下就进入激烈的格斗空战,迅速调整飞机姿态利用全向导弹进行迎头攻击将决定胜负。为了能够在应用全向导弹的现代化空战中获得更大战术优势,第四代战斗机必须拥有亚、跨音速条件下的高机动性和一定的过失速机动性能,还要满足在M1.2-1.8速度范围内进行剧烈机动的超音速机动性能。战斗机同时满足超音速和亚音速机动性能要求,必然会在整体设计上产生一些矛盾,因此必须依靠气动控制和推力矢量技术的综合运用。美俄两国近年来虽然研制、改进了多种具备推力矢量的战斗机型号,但是目前真正能够将推力矢量和气动控制综合到一起的仍然只有F一22。因此,F一22的机动性能指标已成为判断第四代战斗机机动性要求的标准。F一22在设计上将整个速度范围内的机动性和敏捷性综合在一起,这一方面得益于高性能动力装置和良好的气动外形设计,同时也是综合采用气动和矢量推力技术在飞行控制上的巨大收益。


F一22的气动布局是以强化超音速飞行性能为主进行设计的,通过高推重比和低翼载荷来满足亚、跨音速机动性能要求。其采用推重比达到10的F119一PW一100发动机,正常空战推重比可达1.3-1.4,在最大军用状态下的飞行包线比F一15在加力状态时的飞行包线范围还要大。F一22的高推重比可以迅速补充因为机动飞行而损失的能量,这一能力要比同规格的第三代战斗机高一倍,甚至可以在达到第三代战斗机性能极限的大过载机动中进行加速。


F一22为了保证在超音速巡航时具备不低于第三代战斗机高亚音速的机动性,将推力矢量所提供的控制力矩作为气动控制面的补充手段。F一22可以大大提高在俯仰方向利用推力矢量之后的最大升力系数,能够基本解决大迎角和大侧滑角情况下气动控制面效率下降的问题,尤其是推力矢量赋予的大迎角下俯仰、滚转、偏航控制能力优势,更使其在机动格斗空战中处于非常有利的地位。


推力矢量对于第三代战斗机的作用目前在国内外还存在很多争论,但是在第四代战斗机上必须装备已经成为共识。依靠矢量推力技术增强的气动控制,为F一22提供了很高的敏捷性和大迎角控制能力,基本上解决了曾经制约战斗机机动飞行的配平和大迎角可控性难题。虽然推力矢量装置会增加一定的结构重量,但是第四代战斗机由此获得的性能改善明显超过了可能付出的所有代价。推力矢量不但使F一22在60。大迎角姿态下能够保持稳定和完全可控,还可以在该姿态下进行每秒滚转100。的机动动作,可以在几乎无盘旋半径的条件下实现可控大角度机头指向调整。F-22在大迎角下应用推力矢量可以提高约2倍的滚转角速度,俯仰角速度可以比气动控制时能够提高约4倍。推力矢量在实际作战使用中对飞机运动性能的促进效果非常明显,如果其他国家发展的第四代战斗机不具备推力矢量和大迎角控制能力,那么在与F一22的单机格斗中即使气动设计再完善也不可能获得优势。


第四代战斗机的高机动性是与超音速巡航共同作用的,只有具备高机动性才能够真正使超音速巡航的战术价值实用化,而超音速巡航的战术优势又可以强化战斗机的综合机动性能。美国空军要求F一22在MI.5的飞行速度时能够具备与F一16在M0.9时相当的机动性能。按照这个标准来比较,F一22在与F一16(或其他第三代战斗机)同样机动性指标的情况下可以获得M0.5左右的飞行速度优势。这就意味着在正常情况下,只要F一22飞行员不犯大错误,那么第三代战斗机在格斗空战中几乎没有任何取胜的机会。


特性作战飞机综合效能评价中最重要的三个标准是指飞机的可用性(Availability)、任务效能(MissionEfficiency)和生存力(Survivability)。其中,飞机的战场生存能力可以决定前两个因素是否能够真正发挥作用。只有能够在战场上有效保存自己的战斗机才具备完成任务的基本条件,战场生存能力不高的作战飞机其他性能再好也无法有效执行作战任务。战斗机的战场生存力是指飞机规避防空系统和导弹等武器的能力,而提高战场生存能力中最重要的就是避免被对方的防空武器所击中。常规战斗机主要依靠机动飞行和电子战来对抗制导武器的攻击,但是保证其战场生存能力的最根本方法并不是如何摆脱攻击,而是采用什么样的手段保证对手无法进行攻击。现代防空武器系统必须得到雷达/红外/电视等传感器的支持才能够发挥作用,作战飞机被以雷达为主的各种传感器发现和锁定的几率决定了其生存能力。因此,以隐身能力为基础是战斗机避免被发现的最有效手段。


低信号特征技术在飞机出现时就已经受到重视,早期多采用迷彩(低对比度)涂装或是利用低空突防以及不利气候条件来干扰防空武器的观察瞄准。随着防空武器系统电子化和自动化水平的迅速提高,飞机隐身技术已经向削弱雷达和红外信号特性方面发展。第四代战斗机在作战中面对的最大威胁是对方战斗机或者地面防空系统发射的导弹。目前,防空导弹大都依靠雷达作为搜索和瞄准目标的基础,能够躲避或者尽可能缩雷达探测距离,就可以有效提高战斗机在对方防空系统中的生存能力。现代空战中,争取每一秒的先机都能够对结果产生决定性作用,首先发现对手就可以更早完成占位、更早瞄准目标和采取攻击行动,完成攻击后也有条件更早脱离以避免受到对手的反击。依靠雷达作为探测装置的战斗机对于目标的雷达反射面积(RCS)非常敏感,而降低雷达反射面积就可以直接缩短被对手发现的距离。


战斗机实现全方位低信号特征在成本和技术上都是难以完成的,因此必须根据战术要求突出重点来获得最佳效费比。目前,战斗机隐身设计重点就是缩小正面迎头方向的雷达反射面积,以满足超视距空战和突防的需要。F一22是现代航空隐身技术长期发展和实践成果的综合体现,其相对早期F—117和B一2的最主要进步是将气动与隐身设计有效综合到了一起。F一22的正面RCS为0.08~0.065平方米(也有资料认为在0.001-0.015平方米之间),被I/J(x)波段脉冲多普勒雷达发现的距离只有同规格常规战斗机的1/3~1,4,能够明显降低现有地基、空基探测和火控雷达的有效作用范围。F一22所采取的隐身措施对于制导武器I/J波段瞄准/导引雷达的作用效果最好,即使对UHF和VHF波段这样的雷达也能够起到比较好的隐蔽作用。


外形隐身设计是目前最重要的技术手段,在吸波结构和材料技术没有得到革命性进步以颠覆现有隐身设计思想之前,整机隐身效果的80~90%将由外形隐身标准来决定。现有雷达吸波结构、吸波涂料的作用只占整体设计的10~15%,只有将其与外形隐身设计综合采用才能够真正满足飞机隐身设计要求。F一22前机身扁平机头上下曲面接合处的外形由一组不连续的弯角结构组成,中、后段机身与翼面和进气道形成了良好的翼身融合构型,固定边缘带有后掠角的CARET进气道内部采用S剖面的管道以遮蔽发动机涡轮叶片,机身外形中的线条、口盖边缘和翼面边缘采用了相同倾角,将入射雷达波反射到其他方向。F一22机体上的口盖和表面开口都采用了低信号特征处理,机身上无法遮蔽的开口处装有精密加工金属网格盖板;起落架、发动机、辅助动力系统和武器系统的舱门都采用了锯齿形的前、后缘,埋藏在机身蒙皮内的多功能天线保证了飞机蒙皮外表没有明显凸起物;流线型机体表面结构在连续性和完整性上都非常出色,先进的外型设计与雷达吸波材料(RAM)、雷达吸波涂层(RAP)设计综合作用后的效果非常明显,外形设计上产生的散射在入射波方向的雷达信号强度很低。虽然国外现在也在发展航空用等离子隐身技术,但是目前F一22采用的各种保证低信号特征的措施仍然是战斗机隐身设计的基本手段。


战斗机的外挂载荷同样是一个重要的雷达反射源,采用内部弹舱挂载载荷是根本解决外挂物雷达反射问题的最佳方法。虽然内部弹舱在飞机气动和结构设计上不可避免的要付出相当大代价,但是这样不但能够获得更全面的隐身性能,而且将载荷装入弹舱消除的阻力,还可以部分弥补采用弹舱后所产生的问题。常规第三代战斗机在作战时始终要面对武器载荷和飞行性能之间的矛盾,而以F一22为代表的第四代战斗机则通过采用内部弹舱解决了这个问题。装载在内部弹舱中的有效载荷基本上不会对战斗机飞行性能造成影响,挂载对空和对地攻击作战的不同机载武器在机动性上也没有大的区别,更加有利于第四代战斗机执行多用途作战任务时对性能和载荷上的平衡。内部弹舱的设置虽然对飞机的体积、重量和成本都会有较大影响,但是会因此获得很高的战术收益和更强的使用灵活性。内部弹舱是第四代战斗机实现全面隐身设计必须满足的条件,其在作战效能上的收益将会超过在性能上可能付出的代价。


F一22采用多种手段综合运用所获得的低信号特征,使其获得了很强的战术优势,不但能够在与目前第三代常规战斗机对抗中处于绝对优势地位,而且还可以在敌方对空防御系统中形成空隙,成为现役战斗机中唯一有条件攻击大型预警机的机型。F一22的低信号特征与最大射程可以达到70公里的SDB小直径精确制导炸弹配合使用,具备了在目前已知的任何地(海)面防空系统作战范围之外有效打击高价值军事目标的能力。任何国家(其中包括美国自己)依靠第三代战斗机和现有地(海)面防空武器系统,都不可能真正阻止F一22的突防和打击。F一22可以依靠极强的空战能力组成“猛禽墙”来保证战区范围内的空中优势,其综合战斗力最保守估计也相当于4架现役F一15和苏一27。美国空军依靠12架F一22就可以压制超过48架F一15C或苏一27SM,而采购和维持48架第三代重型战机所需要投入的资金和保障力量,比维持12架F一22还要高。因此,F一22虽然单机价格高昂,却在综合成本效益上优于同规格的第三代战斗机。不具备隐身能力的高性能战斗机即使在飞行性能上能够与第四代战斗机相当,但是在正面对抗时将会被对手首先发现。失去先发优势的常规战斗机不可避免的会首先承受对手的单方面打击。隐身能力强的第四代战斗机对常规战斗机一旦形成单方面打击优势,那么常规战斗机一方即使付出再大代价也是根本不可能获胜的。


先进技术和高可靠性的平衡


第四代战斗机高昂的采购价格决定了生产规模不可能太大,但是现代战争中战斗机的作战任务又非常沉重。因此,第四代战斗机必须拥有足够大的航程和有效载荷,以保证在一个飞行架次中执行不同的任务和进行多次高强度空中对抗,通过发挥技术和战术上的优势来弥补数量的不足,其必然要比载荷有限的短程战斗机有更强的战斗力和更好的战术使用弹性。而且在对同样技术水平的第四代战斗机投入同样的采购和维护经费时,综合战斗力上占据优势的重型战斗机能够获得比中型战斗机更强的整体作战能力。


第四代战斗机需要装备复杂完善的机载设备来保证战斗力,不可避免的会对系统可靠性提出很高要求。由于第四代战斗机性能指标明显超过第三代战斗机,因此连美国在装备第三代F一15和新一带F一22时,都难以负担其高昂成本,其装备数量将大大低于第三代战斗机。采购数量的降低会对战斗机的部署和战术协同带来困难,解决这个问题只能提高第四代战斗机的可靠性和出勤率。


第四代战斗机在使用中所需的外围资源越少、机载武器的数量和携带方式选择越多、有效捕获目标投放武器的距离和命中精度越大,其任务效能、费效比和生存力就越高。提高第四代战斗机的自主作战能力和无需空中加油的任务航程,都可以在降低对后勤保障系统依赖的同时提高作战效能。高可靠性可以允许战斗机在后勤支援条件较为简单的野战机场使用,高可靠性、可维护性和较短的再次出击准备时间能够获得更高的连续作战起飞架次,可以明显增加数量有限的第四代战斗机的实际作战使用效果。高可靠性和高出勤率还能够进一步削弱高成本对装备数量需求的压力。如果能够依靠数量较少的高性能战斗机获得较强的综合作战效果,将更加有利于战斗机部队依靠技术优势获得整体战战斗力的提高。



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