F-35的设计定位:一种用途广泛、性能先进而价格不高的战斗机

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导读:F-35的设计定位:一种用途广泛、性能先进而价格不高的战斗机

研制国家:美国


名称:F-35联合打击战斗机(JSF)

研制单位:洛克希德马丁公司

造价:

现状:在研


一、概述:(研发背景、设计思想、研发历程、使命任务、述评等)


上世纪70至80年代起陆续进入美国海、空军服役的F-14、F-15、F-16和F-18等型战斗机不仅综合性能极佳,外销成绩也多半辉煌,而且在发生在世界各地的无数战役中取得优异战绩。随着时代进步,这些风光一时的机种也逐步走向迟暮,飞机日渐老化等问题使得这些机群的作战效率、安全性能日渐降低,维护成本攀升。总而言之,这些叱咤20世纪后期的优秀战斗机即将走到尽头。为取代这些飞机,美国已经在研发多种新一代战斗/攻击机,这些战机不但采用先进航空电子系统、武器装备,甚至拥有高超隐形能力。其中一种就是F/A-22战斗机,它集最尖端科技于一身,堪称战机极品,但是F/A-22的成本不断高涨,单纯依靠这样高性能且高价格战机组成战斗机部队,在财政上难以承受。因此美国随后又研制一种用途广泛、性能先进而价格可承受的战斗机--联合打击战斗机。


美空军将采购1763架常规起降型联合打击战斗机,与F/A-22形成高/低档搭配。美海军计划采购480架舰载型联合打击战斗机,同F/A-18E/F一道接替F/A-18A/B,执行制空和攻击的双重任务。美海军陆战队则预计采购609架短距起飞/垂直降落型联合打击战斗机。接替AV-8B执行近距空中支援和战场攻击任务。


1993年,美国防部进行了联合打击战斗机项目论证,在国会支持下,项目发展迅速。1996年12月,根据美国防部的要求,波音公司和洛克希德?马丁公司分别组组织一个竞争团队参与联合打击战斗机项目的竞标。波音公司团队包括前麦道公司,洛克希德?马丁公司团队包括英国航宇公司和诺思罗普格鲁曼公司。联合打击战斗机的研发分为三个阶段:概念验证阶段、概念实证阶段、工程制造与发展阶段。两个竞争团队提出的方案都通过概念验证,进入概念实证阶段。概念实证阶段的重点在于两个团队分别设计、制造两架原型机进行飞行测试,此外还要以原型机为基础设计一套适宜武器系统概念、验证足以削减成本以及提升性能的新技术,并在进入工程制造与发展阶段之前降低整个计划的风险。在此阶段完成之际,军方将决定联合打击战斗机的唯一获胜者。1995年发布的第一阶段联合暂时性需求文件制订出联合打击战斗机的需求尺寸、速度以及隐形参数。波音公司采用的三角翼、一对倾斜式尾翼而无水平尾翼的370型以及洛克希德?马丁公司较为传统的230-1型两种方案双双通过审核,分别被军方赋予X-32以及X-35编号。1997年第二阶段联合暂时性需求文件主要制订出联合打击战斗机的支持性与成本需求,发展出可通用维修计划,并使其能在全球任何基地和航母上起降。这个部分包括发展一套标准的插入操作诊断工具、运用可预测战机状况的技术诊断健康管理系统等。1998年公布的第三阶段联合暂时性需求文件则强调联合打击战斗机的航空电子系统、环境感知系统,不仅包括机载系统,还涵盖机外可遥控的传感器;此外,本阶段的发展尚须与适宜武器系统概念合成。为此,波音与洛克希德?马丁公司都以改装过的老旧客机进行机载主动式电子扫描雷达、光电侦测系统以及信息传输等联合打击战斗机所运用的航空电子技术研究。1997至1998年间,美军方对联合打击战斗机的性能要求提高,包括增加全机重量、返航落地时所携带弹药的重量以及更严格的大迎角飞行能力等。1999年9月美国空军制定作战需求文件草案,两个竞争团队不约而同地决定在推出竞标的最后构型前再做些修改。2000年3月美国防部送出决定版的作战需求文件,允许两团队在正式竞标前再做一些修改。


联合打击战斗机的竞标结果在2001年10月26日揭晓,洛克希德?马丁竞争团队的X-35击败波音竞争团队的X-32,成为新一代美国海、空军和陆战队的共同机种,并改称为F-35联合打击战斗机。尔后,洛克希德?马丁的F-35进入为期126个月、费用高达200亿美元的工程制造与发展阶段,完成F-35批量生产前的修改与定型,展开F-35的初速率生产并逐步满足军方所制订的所有需求。工程制造与发展阶段初期,洛克希德?马丁首先将制造22架飞机,其中14架进行飞行测试,另外8架进行地面测试。第一架F-35可望在2006年进行首次飞行,并于2006年开始进行初速生产。F-35的各型飞机将分别于2010、2011和2012年在美海军陆战队、空军和海军部队中形成初始作战能力。


研发模式的变革


JSF项目的指导思想是强调经济可承受性,即性能与费用的平衡

飞机的性能由三大要素构成,即攻击能力、生存性和保障性/可部署性,保障性是其中之一。在费用方面,确定了各种机型的单机出厂费用目标,并将研制与试验费用、生产费用、使用和保障费用占全寿命费用的比例控制在5%、40%和55%。


也许JSF最大的变革集中在研发风险和国际间国防工业的合作。美国及其他国家均感到,单纯依靠F-15等这样的高性能、高价格的战斗机,在财政上难以承受。因此美国各军种改变以往各自研制战斗机的传统,(多国)联合起来,共同研制一种用途广泛、性能先进而价格可承受的低档战斗机,便于制造、维修和保养,因此将致力于降低研制、生产、作战和支援费用。因此JSF被定位为低成本、通用型武器系统,JSF设计中的各种参数是确定的,参数的任何一个微小变化都意味着其他相关工艺流程巨大的改变。


参与F-35生产的单位地处三十多个国家,跨越17个时区。在使用不同开发环境的扩展型企业里协调他们各自的努力,并培育协作的工作模式,对洛克希德?马丁公司而言是一项至关重要的挑战。类似的,管理项目中多种多样的格式所有的设计数据也同样关键。预计该项目生产超过3,000架飞机,其使用寿命高达30年。每一种飞机配置的所有设计与制造数据必须得到管理,而且在使用过程中支持飞机所需的数据也应得到管理。这意味着每一项设计变更需要在所有可能的配置上得到验证。


JSF项目从早期开始,就将费用与性能的权衡作为确定使用要求过程的一个有机组成部分,并采用“费用作为一个独立变量”的方法。各军种通过迭代过程确定要求,在每个阶段都将武器系统的性能与全寿命费用相平衡,提出经过充分论证的经济上可以承受的使用要求。每次迭代所形成的要求提供给承包商,承包商修改设计并将费用数据反馈给使用部门,由使用部门进行权衡决策。在方案验证阶段,前后经过了四次迭代,于2000年形成了支持工程研制决策的“联合使用要求文件”(JORD)。同时,承包商也不断修改各自的设计方案,并形成工程研制阶段的投标建议书。在确定要求的过程中,还借助先进的模拟和仿真技术,模拟飞机的各种使用和维修环境,进行综合权衡和分析,确保提出合理的要求。


其他新的最基本改变包括在合作伙伴国间的项目分配原则,JSF项目不同于欧洲战斗机EF2000项目计划多头主政情况以及在政府投资基础上的减量分配资源共享的利益分配原则,JSF项目执行的是“胜者为王”(Winner takes all)的策略,也就是说,洛克希德﹒马丁公司将获得全部授权,确定如何选择JSF的各子承包商。在利益分配上,JSF采用所谓的综合考虑质量、价格、风险、交货时间和技术成熟度的“最佳价值”法和“最佳球员方式”的原则,要命的是,这些方法意味着甚至不必理会巨额投资回报问题,近来,这点导致很多批评和合作双方的论争。


为缩短设计与制造周期时间,洛克希德?马丁公司的主要做法是:创建可靠的、可扩展的以及安全的数字化协同解决方案,将合作伙伴与供应商联系起来改进全球OEM、运营方、后勤方和维护方之间的知识使用/重复利用的方式采用开放式、以网络为中心的解决方案作为集成数字化环境的基础使用可视化功能创建数字化模型使用工作流程功能管理开发过程并实现自动化。


二、性能指标:


F-35A空军常规起落型(CTOL)


该机型将取代现役的主力机型 F-16“战隼”战斗机和 A-10“雷电”攻击机,与 F-22战斗机搭配使用;其作战性能比现役F-16有很大的提高。F-35A/CTOL型的另外一个特点就在于它安装有一门内置航炮,另外还装有红外传感器的激光指示器。美空军拟用F-35A/CTOL型作为对地攻击机,替代F-16和A-10。但美空军不久前作出决定保留A-10机队, 并将所有A-10A/OA-10A升级到A-10C/OA-10A, 服役寿命延长到2028年, F-35A不再作为A-10后继者。


F-35A的基本性能:

长度:15.677公尺

高度: 4.575公尺

翼展宽度:10.675公尺

翼面积:42.7平方公尺

空重:26,500 磅

最大起飞重量:60,000 磅

内载油量:18,000 磅以上〈不包括副油箱〉

极速:1.6 马赫以上〈1,200mph〉

最远航程:1,200 英里〈内载油量〉

引擎:P&W F-135或GE F-136X1只

军用推力:25,000磅

最大推力:40,000磅以上

内挂武器:AIM-120CX2 JDAMX2枚

外挂武器:四个派龙架可挂载15,000磅各式武器,另机翼可挂载AIM-9SX2枚

机炮:25mm内载火神六管机炮


F-35B短距起飞垂直着陆型(STOVL)战斗机


该机型将替代海军陆战队现役的 F/ A-18“大黄蜂”战斗攻击机和 A V-8 B “鹞”式垂直起降攻击机。该机装备了轴驱动推进系统,包括一个推力矢量后喷嘴、用于控制侧面和增加推力的机翼喷管、一个反旋转风扇,使其真正具备了短距起飞垂直降落的功能。该风扇安装在驾驶舱后部,由一部普拉特?惠特尼F1190-PW-611型发动机通过驱动轴推动。该机的提升力由这部风扇和推力矢量后发动机喷嘴及翼下侧向控制喷嘴提供,综合提升力达到178千牛。由于有风扇提供的44.5千牛的附加推力,发动机可在较低温度下以较小的负荷运转,从而提高了可靠性和使用寿命。英国皇家海军和空军的F-35B/STOVL型同美国海军陆战队的F-35B/STOVL型非常相似。它们将用来替代“狂风”和“海鹞”,以满足英国皇家空军和海军对联合作战飞机的需求。英国皇家空军和海军计划分别购买90架和60架F-35B/STOVL。


F-35B基本性能:

长度:15.616公尺

高度: 4.575公尺

翼展宽度:10.675公尺

翼面积:42.7平方公尺

空重:30,000 磅

最大起飞重量:60,000 磅

内载油量:13,000 磅以上〈不包括副油箱〉

极速:1.6 马赫以上〈1,200mph〉

最远航程:900 英里〈内载油量〉

引擎:P&W F-135或GE F-136X1只

垂直起降推力:39,700 磅

军用推力:25,000磅

最大推力:40,000磅以上

内挂武器:AIM-120CX2 JDAMX2枚

外挂武器:四个派龙架可挂载15,000磅各式武器,另机翼可挂载AIM-9SX2枚

机炮:25mm内载火神六管机炮夹舱




F-35C美国海军的常规起降舰载型(CV)战斗机


该机型将替代美航母的舰载机 F/ A-18 C、 D型战斗/攻击机。F-35C型战斗机机翼面积和控制面将更大,机体更加结实,机身下部构造也被设计成可承受蒸汽弹射器发射及着陆时拦阻索的拉力。因要在航母上拦阻降落,因此和F-35A/CTOL存在较大不同。它增加了主翼和水平、垂直安定面的尺寸,以增强在航母上低速着陆时的可操纵性。可折叠机翼和前缘翼解决了增加翼展带来的在航母上起降和停放的不便。飞机机翼面积的增加也导致飞机在起降过程中对机体本身的作用力增加。为解决这个问题,对该型飞机的起落架和机身等相关的部位都进行了加固。F-35C/CV型在挂载副油箱时的航程是F/A-18C的两倍,同F-35A/CTOL一样,F-35C/CV也装有内置式航炮和各种传感器。


F-35C基本性能:

长度:15.677公尺

高度: 4.7275公尺

翼展宽度:13.115公尺

翼面积:57.6平方公尺

空重:30,000 磅

最大起飞重量:60,000 磅

内载油量:19,000 磅以上〈不包括副油箱〉

极速:1.6 马赫以上〈1,200mph〉

最远航程:1,400 英里〈内载油量〉

引擎:P&W F-135或GE F-136X1只

垂直起降推力:39,700 磅

军用推力:25,000磅

最大推力:40,000磅以上

内挂武器:AIM-120CX2 JDAMX2枚

外挂武器:四个派龙架可挂载15,000磅各式武器,另机翼可挂载AIM-9SX2枚

机炮:25mm内载火神六管机炮夹舱



三、结构特点:(总体布局、材料、动力等)


F-35的基本构型类似F/A-22,具有不等边梯形主翼、水平尾翼以及外倾的双垂直尾翼。水平尾翼超出机尾向后延伸以遮蔽喷嘴,可降低雷达目标有效截面。海军对F-35舰载型有严格的要求,就是必须携带剩余弹药返航降落,因为未来舰载机武器以昂贵的精确制导武器为主,禁不起以前那样的浪费。于是舰载型机身与起落架必须增加更多强度来负担额外的重量,但是多出来的机身、武器重量将使得战机降落在航母上的速度加快,危险性剧增,更别提机上的剩余弹药会使降落增加多少风险。为此,舰载型尾翼水平、垂直安定面以及主翼翼端面积都予以加大,并增加主翼前、后缘翼条,主翼面积足足比其它两型增加50%,以满足舰载机对机翼升力、控制力方面较高的要求。值得一提的是,舰载型将是美国海军航母战机史上的第一种单发动机战机。F-35的短距起飞/垂直降落型的主发动机的后方喷嘴可以垂直向下弯折,而座舱后方装置一具由主发动机驱动、可产生向下推力的升力扇。升力扇所制造的气流除了负责提供机体前段的垂直升力外,也被用来阻挡由后方主喷嘴向下喷射、从地面反弹的热气流,防止其被吸入进气口。


美军方目前不打算在F-35研发完成前就决定采用何种发动机,但是美国决定F-35在概念实证阶段时先采用普怀公司的F-119发动机的衍生型JSF-119系列大推力、高旁通比发动机。最终将被采用的发动机则可能要等到2011年F-35完成整个工程制造与发展阶段后才决定美国军方要求JSF-119发动机必须具备比F/A-22的F-119发动机更高的维修性、可靠性与生存性。目前JSF-119发动机的竞争者有通用公司与劳斯莱斯公司合作开发的F-120发动机。比起采用传统设计的F-119,F-120发动机的设计更加先进,可以改变旁通比以适应高空空战、低空攻击等不同的作战型态;但也由于F-120比F-119先进、复杂,意味着风险较高。


四、机载设备和武器系统:


航空电子


F-35航空电子的卓越合成能力使其能满足美军方对未来多用途飞机的需求,雷达在任务系统软件控制下能够执行电子战任务,而电子战系统也可分担部分通信、导航和敌我识别任务。另外,F-35航空电子系统尽可能使用通用模块。


F-35雷达系统为第四代主动式电子扫描阵列雷达,其费用和重量为第三代雷达的一半。这种雷达系统将雷达的发射/接收模块合成在一套装置中,寿命为8000小时。在空对面作战行动中,雷达系统具有合成孔径雷达的地面测绘功能,以及对舰船的识别功能。在空对空作战行动中,雷达系统可进行信号搜索、被动搜索和多目标、超视距跟踪和瞄准,在1秒钟对单一目标扫描15次。


除了主动式电子扫描阵列雷达之外,F-35还装有一套先进的分布式结构红外系统。分布式结构红外系统由多频谱光电分布式孔径系统以及光电目标瞄准系统组成。分布式结构红外系统采用第三代红外线系统的技术,分辨率极佳,探测距离与机载雷达不相上下。分布式结构红外系统拥有六个嵌入机身的被动红外线探测器,分布在F-35的机身各处,涵盖机身周围所有方位。各个红外线传感器传来的图像经合成之后被投射于飞行员头盔显示器上,使飞行员获得全方位红外图像视界,宛若坐在透明的飞机里。分布式结构红外系统让F-35身处低视界或夜间环境时仍能像在白昼一样地作战,在前进基地起降时也不需要设置航管设备,安装全球定位系统后更能在恶劣气候条件下飞行。当然,分布式结构红外系统能进行地对空、地对面扫视,而其提供的信息经过处理、整合后便成为全方位、全自动的导弹来袭预警。分布式结构红外系统功能之强大完整,因此在必要时F-35可以关闭雷达,单靠分布式结构红外系统进行探测与作战,这样就能避免因雷达波被敌方接收而暴露自己的位置,大幅度加强隐形能力与生存能力。F-35将分布式结构红外系统与主动式电子扫描天线合成在一起工作,融合雷达测距精准以及红外线在测量俯仰、方位角上极为精确的优点,使F-35在空战中能掌握全局,并享有绝对优势。


F-35座舱多功能显示器系统为由2台相邻、分辨率为1280?024象素的8?0英寸投影显示器组成。每台投影显示器功能完整,当其中一台功能失常,另一台显示器可以正常工作。多功能显示器系统为飞行员提供各传感器系统、武器系统和飞机状态的数据、战术和安全信息。F-35型机的头盔显示器系统由头盔显示器、显示器管理计算机和头盔跟踪系统组成,取代了传统平视显示系统。它在飞行员头盔上显示飞行、任务、威胁和安全等重要目标数据。头盔显示器系统可帮助飞行员将武器系统和传感器引导至感兴趣区域,或发出视觉信号以引起飞行员注意。F-35的座舱3D立体音效信息传递也值得一提,头盔内部设有3D立体音响喇叭以制造环绕音响效果,与友机的通讯或导弹警告等都根据对方与本身的相对位置而经由立体音效喇叭从不同方位放出,如此可降低飞行员所需的反应时间,凭直觉就能了解基本的战场情况。


F-35的电子战系统由英国航宇公司主导研发,以F/A-22的系统为基础,在保有与前者差距不大的性能前提下,减少一半的重量与成本。这套电子战系统将完全与飞机的结构合成,并遍布于机身。除了保护本身之外,这套电子战系统还能透过通信传输系统与友机等单位联系,使每架飞机都能获得完整的战场态势感知信息。除了获取威胁信息外,这套电子战系统还包括主动电子干扰部分,涵盖雷达与光电的频谱,包括洛克希德?马丁研发的光电导弹发射检测传感器、金属泊条投射器以热焰弹投射器。英国航宇公司还将为F-35研发一种新型数字雷达预警接收器,具备敌我识别能力,未来也可能用于现役战机的升级上。


通信、导航和敌我识别系统可在系统进行波形处理,提供包括超视距敌我识别,保密、多信道、多波段语音通信和飞行中数据交换,支持35种不同通信、导航和敌我识别波形。通信、导航和敌我识别系统使用一套通用功能模块,包括:宽波段射频模块进行类模数转换、波形处理和数据信号处理;双信道传输模块以较宽频段接收波形并对其实施数字化处理,并再次生成波形进行传输,进行功率放大;通信、导航和识别系统处理器模块负责信号处理、数据处理和保密通信。


武器装备


为获取最大的隐形能力,F-35武器系统安装在位于起落架前部的两个平行武器舱内。F-35携载的武器是6枚AIM-120阿姆拉姆导弹,或者是2枚AIM-120导弹和2枚GBU31/32(1000磅或2000磅)联合直接攻击弹药。F-35内部可以携带的武器还包括CBU-105风力修正弹药布撒器、联合防区外武器和高级激光制导炸弹。2002年通用动力武器公司获得合同为联合攻击战斗机研究和合成一种GAU-12型的25mm加特林机炮。F-35常规起降型的机炮安装在飞机内部,而舰载型和短距起飞/垂直降落型机炮采用外挂炮舱。2004年4月,美国防部表示将为F-35的25mm机炮增加第三种炮弹:PGU-25/U高爆燃烧弹药,用于攻击空中目标。已经获得采用的两种炮弹是PGU-23/U训练弹和PGU-20/U空对地攻击用弹药。


在非全方位的隐形模式下作战时,F-35能在机身外部安装7个外挂架携带弹药和外部油箱。这些外挂架可以携带一系列弹药,包括AIM-9X响尾蛇导弹、AIM-120空对空导弹,以及射程更远的联合防区外空地导弹。美军还在研究新的武器概念,扩大F-35的携带能力,例如:射程为25英里重250磅的小口径精确制导炸弹。


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本文内容于 2008-8-21 2:25:02 被WATERTIGER编辑

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