中国舰载机选型分析:国产改型苏-27最合适


从第二次世界大战以来,航母曾经是海上强国军事力量的象征。但随着经济技术的发展,近年来航母的门槛有大幅降低的趋势,有能力装备中轻型航母或两栖攻击舰的国家会越来越多。在这种情形下,中国也必须发展航母,否则就会使自己的海洋利益受到更多的威胁。


舰载战斗机的性能需求


舰载作战飞机是航母作战力量的核心,发展航母首先要选择合适的舰载机。目前世界上现役的先进舰载战斗机有F一18、“阵风M”、苏一33和鹞式战斗机,以及正在研制中的F一35。这些舰载作战飞机体现了如下的作战需求:


具有多任务作战能力现代作战飞机普遍较重,使得航母载机数量有限,现代航母每万吨装载飞机能力还不到10架,还要包括一部分必不可少的支援飞机,所以战斗机的多任务作战能力对于提高航母的整体作战效能十分重要。


航程远,载弹量大现代反舰武器的射程越来越远,迫使航母编队必须扩大防御范围;为了避免来自陆地的攻击,航母应尽可能地远离敌方陆地。这就使得航母的舰载战斗机必须有较远的作战半径和较大的载弹量,以提高单架次的作战效能。


为了达到上述的作战需求,除了舰载飞机的一般特点以外,现代舰载战斗机还具有如下的性能特点:


1、起飞重量不断增大。在同等技术条件和作战需求之下,飞机设计得大一点,推重比反而高,例如F一15的推重比就明显高于F-16(F-15比F-16多一个发动机,但结构和设备重量并不会增加一倍)。舰载战斗机为了满足舰上起降的要求,比同等技术水平的岸基作战飞机重。为了达到和岸基飞机相同的推重比,需要把飞机设计得大一些。而且较大的飞机在载油系数上有优势,作战半径大,载弹量大。例如,F-16Block50的正常起飞重量约为12吨,内部燃油3100千克,载油系数(燃油重量/起飞重量)为3.1/12--0.26。F/A-18C的正常起飞重量约为15.7吨,内部燃油4900千克,载油系数为0.31。从美国舰载作战飞机的发展,也可以明显看出这个趋势。例如F/A一18C的空机重量接近11吨,而F/A-18E的空机重量已经接近14吨,比F一15A还重。F一35C虽然只是单发战斗机,而目前的空机重量(设计值)已经超过14吨。当然,由于航母载机数量的限制,舰载作战飞机也不是越重越好,重型战斗机上舰,在F一14退役后,就只有俄罗斯的苏一33一种。F/A一18、F一35C和法国的“阵风M”,都属于中型作战飞机。鹞式飞机虽然具有垂直起降的优势,但是起飞重量偏轻,一直未能成为主流的舰载战斗机,估计将来会被F一35B取代。


2、在飞行性能上倾向于高升阻比的气动布局。舰载战斗机首先要求优良的起降性能,还要求较好的续航性能。这二者都要求飞机采取高升阻比的气动布局。舰载战斗机一般采用中等后掠角+中等展弦比的机翼,为了提高升阻比,还采用了边条翼或者鸭式布局。追求高速性和高升阻比在气动设计上存在一定的矛盾,舰载战斗机一般应当侧重于后者。F一14通过变后掠翼的设计来弥补这一矛盾,但是付出的代价就是重量太大,而且变后掠翼不方便安排外挂点,攻击能力受到限制。从这个角度上看,F一14虽然具有优异的截击性能,但是已经不符合现代舰载战斗机的发展趋势。对于高速性较差的战斗机来说,截击作战任务可以通过先进中距空空导弹的全向攻击能力得到弥补。


3、具有先进的电子设备和完善的武器系统。由于舰载战斗机不可避免地要付出重量上的代价,所以机动性能一般会比相同类型的岸基飞机稍差。为了获得对抗岸基飞机的空战能力,以及对地攻击时的电子自卫能力,要求舰载战斗机具有先进的电子设备。至少应当具有:①先进的雷达系统,除了对空探测能力以外,还应当具备比较完善的对海面和地面目标的发现能力,例如合成孔径功能。②保障飞机在夜间环境下和复杂电磁环境下作战的光电探测设备。先进的电子战设备,在执行攻击任务时发现和压制敌方防空火力。③完善的导航和通信能力,以保障飞机执行远程作战任务。④为了实现多任务作战能力,要求舰载作战飞机能够携带齐备的机载武器。必须能够携带主动中距空空导弹、中程反舰导弹、中近程对地攻击导弹和各种精确制导炸弹。


中国可以选择的舰载战斗机


中国目前有可能获得的舰载战斗机有以下几种可能:从法国采购“阵风M”;从俄罗斯采购苏一33或者米格一29K;自行将歼一10或者苏一27改装为舰载机;研制全新的舰载战斗机。其中第一种选择在政治上的风险太大,基本不可取。自行研制舰载机需要一定的时间,从俄罗斯采购苏一33或者米格一29K是最为简单有效的方式。而在这二者之中,苏一33具有明显的优势。


首先,中国从未列装米格+29战斗机,而装备了大批苏一27/30战斗机。中国引进苏一33战斗机,与苏一27具有高度的共通性,利于后勤维护和人员培训。而引进米格一29K则无上述的优点。其次,受限于材料水平,米格一29K机体偏重,再加上航电水平的差距,其综合作战性能相比“阵风M”和F/A一18E有较大差距。当然,苏.33也有同样的缺点,但是作为重型战斗机,它的改进潜力比米格一29K大。如果在国产苏一27的基础上研制舰载机,苏一33也更加具有借鉴意义。另外,苏一33在俄罗斯当作航母的主力作战飞机,经过多年发展,技术已经比较成熟,可以做到拿来即能用。因此,苏一33是中国目前获得舰载战斗机的比较现实的选择。


苏-33的技术特点


苏一33是从苏一27S发展而来的舰载战斗机。大约1982年,苏联就用苏一27的原型机T—10—3进行了地面滑跃甲板起飞和拦阻着陆的试验。之后,舰载型苏一27被命名为苏一27K,1990年代后改名为苏一33。1989年苏一27K首次在航母上降落,1993年苏一33开始生产交付。


苏一33的机体结构由苏一27S发展而来,为了着舰的需要,加强了主承力结构和前起落架的强度,空机重量因此增加到18吨多。因为当时苏联航母上没有弹射器,舰载战斗机依靠滑跃甲板起飞,苏一33的重量就不能满足舰上起飞的需要。为了解决这个问题,苏一33增加了一对前翼,并放宽了静稳定度。把机翼的襟副翼改为开缝襟翼。这些措施一方面增大了机翼的升力系数,一方面增强了飞机的抬头能力,从而达到提高飞机起飞性能的目的。


苏一33的航电设备也和苏一27基本相同。它采用N一001多普勒脉冲雷达的改进型,增加了对海探测的功能。该雷达对米格一21类型的目标,迎头探测距离约为120千米,但是下视能力差,功能简单。对驱逐舰类的目标探测距离约200千米。苏一33还有一部光电雷达,用红外方式探测目标,迎头探测距离约10千米,尾后探测距离50千米。苏一33有12个外挂点,可以使用R一27、R一73空空导弹和Kh一3 1、Kh一41反舰导弹等武器。我们可以用前面所述的现代舰载作战飞机的性能需求来检验一下苏一33。


1、多任务能力。苏一33具备了近距格斗、中距拦截和海上反舰的作战能力,但是基本不具备对地精确打击的能力。苏一33的航电火控系统较为落后,其火控雷达的技术水平尚达不到美国1980年代初的水平。座舱系统和苏一27S相同,仍以传统仪表为主,没有大屏幕多功能显示器。


2、航程和载弹量。苏一33在滑跃起飞状态下的最大起飞重量约为26吨,如果携带2吨武器,则最大载油量为5.5吨,载油系数仅为5.5/26---0.21,航程较短。如果采用弹射起飞,最大起飞重量可以达到30吨,同样携带2吨武器,最大载油量可以达到9.4吨(最大机内燃油重量),载油系数0.31。苏一33最大武器载荷为6500千克,有12个外挂点,可以选择的武器搭配方案较多。因此苏一33的载弹量和航程的潜力都比较大,但是在滑跃起飞方式下却不能完全发挥。


3、苏一33具有完善的导航通信设备,可以携带电子干扰吊舱,具有独立作战的能力。


4、苏-33空机重量比苏一27S增大很多,但是俄罗斯目前还没有合适的大推力发动机用以改装苏一33,所以它在空战状态下的推重比比苏一27S低很多,机动性能、最大飞行速度和升限均有所下降。


从上面的分析可以看出,苏一33的作战能力还达不到现代舰载战斗机的需求。主要是航电落后,机载武器种类偏少,不过以俄罗斯现有的航空技术对苏一33进行改进,不是太困难的事情。改进主要集中在航电系统上,通过对其火控系统和座舱进行现代化改造,可以达到苏一30MKK或者苏一35的水平,可以使用发射R一77空空导弹及多种精确制导武器,具备对地精确打击能力。这一项改进对于俄罗斯来说已经属于成熟技术,若我国从俄罗斯引进苏一33,完全可以按照这一配置采购。另一个改进就是必须配套使用弹射器。苏一33自身重量较大,如果只采用滑跃起飞方式,最大起飞重量只有26吨,能用来携带武器和燃油的载荷非常有限。在这种情况下苏一33只能主要担负防空作战任务,基本不能执行远程打击任务。还有就是采用增大推力的AL一31发动机,使发动机推力达到14000千克左右,以弥补飞机增重带来的机动性能下降。上述两项改进尚未实现。


通过这些改进之后的苏一33,可以满足现代舰载战斗机的需求。但是相比西方的先进舰战斗机而言,其综合作战性能仍有一定差距,不能满足我国未来20年海上作战需求。所以,苏一33只能是我国舰载作战飞机眼下的选择,而不是长远的选择。从中期来看,应当在国产化苏一27的基础上改进一种先进的舰载战斗机,使其综合作战能力接近或达到“阵风M”和F/A一18E的水平。从长期来看,必须研制新的舰载战斗机。关于这个问题,我们可以通过量化的对比来看看。


舰载战斗机作战效能的对比


比较两种战斗机的性能,是一个复杂的问题,涉及的计算较多,需要用到的技术参数也较多。我们没有条件获得各种战斗机的详细技术参数,因此也就无法进行全面细致的对比。但是我们可以选择几个最典型的性能,对飞机的作战性能进行比较。


在这里,我们对比6种舰载战斗机的作战性能苏一33、米格一29K、“阵风M”、F/A一18E、歼一10舰载型(假定),国产苏一27舰载型(假定)。


比较的性能涉及这几项:空战机动性、续航性能、载弹性能、航电设备。我们以空战机动性×(续航性能+载弹性能)÷2 X航电设备的乘积作为综合作战效能指数。其中每项性能均以苏一33为标准(指数取1),而计算其它战斗机的相对指数。


对比飞机的机动性涉及到不同高度、不同速度下多个性能的比较,在此不具备这种比较条件。因为对比的飞机都属于第三代战斗机,气动设计水平相当,那么我们可以认为,经过设计师的优化设计后,各种飞机在机动性上都有自己擅长的飞行区域,在气动布局上是各有所长。在气动布局的优劣因素互相抵消之后,决定飞机总体机动性能水平的,则是推重比。因此,可以用各种飞机推重比来衡量飞机的总体机动性水平。


这些飞机都采用了涡轮风扇发动机,且气动设计水平相当,因此我们可以假定它们的升阻比相近,飞行油耗接近。那么决定飞机续航性能的就主要是飞机的载油系数(燃油重量/起飞重量)。为了方便比较,统一取载弹2吨时的最大燃油系数。


在最大载荷条件下,取相同的燃油系数,此时各机能够携带的武器重量,可以反映飞机的载弹性能。这里,取载油系数0.25时的最大载弹量来进行比较。飞机的航电设备的性能由主观给出综合评分。


最后,我们将飞机的综合作战性能指数除以飞机在舰上的占地面积,可以反映出该种战斗机的总体作战能力(单机面积越小,则载机数量越多,总体作战能力越大)。


关于两种假定飞机的性能设计如下:


歼一10舰载型,假定空机重量9.5吨,内部燃油3.3吨,正常起飞重量(携带两枚空空导弹)13.3吨,发动机推力13500千克,推重比1.02,最大起飞重量19吨。机长17米,翼展9.5米(无折叠)。具有先进综合航电火控系统,达到西方第三代轻型战斗机的先进水平。


国产苏一27舰载型,假定空机重量17吨,内部燃油9.4吨,正常起飞重量(携带燃油5.1吨,两枚空空导弹)22.6吨,发动机推力13500千克×2,推重比1.19。最大起飞重量30吨。机长22米,翼展7-4米(折叠)。具有先进综合航电火控系统,达到西方第三代重型战斗机的先进水平。


其它各机计算时采用的参数如下:


苏一33,空机重量18.4吨,内部燃油9.4吨,正常起飞重量24吨(携带燃油5.1吨,两枚空空导弹),发动机推力12800千克X 2,推重比1.06。最大起飞重量30吨(26吨,滑跃起飞)。机长22米,翼展7.4米(折叠)。具有综合航电火控系统,达到西方第三代战斗机1980年代水平。


米格一29K,空机重量12.8吨(估计值),内部燃油5.2吨,正常起飞重量18.5吨(带两枚空空导弹),发动机推力9000千克X 2,推重比0.97。最大起飞重量24.5吨。机长17.3米,翼展7.8米(折叠)。具有综合航电火控系统,达到西方第三代战斗机1980年代水平。


“阵风M”,空机重量9.7吨,内部燃油4.5吨,外部燃油7.5吨,正常起飞重量14.7吨(带两枚空空导弹),发动机推力8870千克X 2,推重比1.21。最大起飞重量21.5吨。机长15.3米,翼展10.8米(无折叠)。具有综合航电火控系统,达到西方第三代中型战斗机的先进水平。


F/A一18E,空机重量13.4吨,内部燃油6.5吨,外部燃油4.4吨,正常起飞重量20.4吨(带两枚空空导弹),发动机推力9990千克×2,推重比0.98。最大起飞重量30吨。机长18.3米,翼展9.32米(折叠)。具有综合航电火控系统,达到西方第三代中型战斗机的先进水平。


各种飞机的性能计算如表1(均为相对值,以苏一33为标准):


从表1中我们可以看出,影响苏一33作战效能的因素,除了航电水平较为落后以外,其空机重量偏大也是一个重要原因。受限于弹射器性能,重型飞机的最大起飞重量在航母上发挥不出来,其过大的机体反而成为一个消极因素,导致飞机的综合作战效能反而不如中型飞机。类似的现象在国产化苏一27改舰载机上也有所体现。这从定量的结论上说明,现代的航母舰载战斗机,以中型机为最佳选择。重型机又比轻型机更为适宜。若苏一27舰载型的最大起飞重量能够达到33吨(即和陆基型相同),则苏一27舰载型的综合作战效能可以达到和“阵风M”、F/A一18E相当的水平。当然这要取决于弹射器的性能。


我们还可以看出,滑跃起飞严重限制重型战斗机的起飞重量,对综合作战效能的消极影响极大,因此不是一种好的选择。在可能的情况下,必须发展弹射起飞装置。当然,选择哪种飞机作为航母舰载战斗机,还要考虑其它方面的因素。我们将从单位面积作战效能、可持续发展性、政治风险性、时间代价、可持续发展性三个方面,衡量上述飞机的选型。我们以如下的公式进行计算:适合度=单位面积作战效能×可持续发展性÷(政治风险胜×时间代价)。其中可持续发展性、政治风险性、时间代价均采用5分评分制,最低为1,最高为5。


从表2可以看出,最适合的选择是从国产化苏一27改型研制舰载机。苏一33虽然在时间上代价较小,且具有可持续发展性,但是作战效能偏低,影响其作战使用。但是,如果对时间要求紧迫,急于获得可用的舰载机,则应当考虑引进苏一33。因此,我们发展航母舰载战斗机比较稳妥的方法应当是首先引进苏一33,通过借鉴学习苏一33的设计,在国产化苏一27的基础上改进研制一种舰载战斗机。采取这种方式,预计到2015年则可以完成定型。其综合作战效能可以接近F/A一18E和“阵风M”的水平。