关于三代机与四代机与国内发展(搜集整理,很久前的资料,出处忘了)

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导读:出处忘了,见谅



什么是第三代第四代战斗机


相对于陆军海军来说,空军还是一个比较年青的军种,但却是发展迅猛的一个军种。人类自发明飞机以来才不过一百余年,而飞机已成为现代战争、尤其是高技术战争中一支不可替代的战略力量。军用飞机已成为现代战争中应用最广、使用频率最高的主战兵器。


按世界通用的标准,战斗机的使用和发展划分为三代:喷气机代替螺旋桨飞机的时代为第一代;喷气机由亚音速到超音速的时代为第二代;装备先进的火控系统和良好的气动性能、具备对地攻击能力的时代为第三代。而具有超音速巡航能力(不开加力的情况下也能保持持续超音速飞行)、超机动能力(在迎角60-70度的状态下仍能保持持续控制)、隐身能力(能躲避对方雷达追踪且具有1平方米以下的雷达反射面积)和超视距导弹攻击能力的战斗机为第四代战斗机。

目前,各国空军的主力战机大多是二代半或三代战斗机,只有为数不多的军事强国装备有三代和三代半战斗机,并且正向四代战机发展。在未来的几十年里,世界先进空军国家主要装备的仍将是三代和三代半战斗机。第四代战机要完全取代第三代战机,仍需要在技术和成本上付出巨大的努力。所以,在审视第四代战斗机的时候,对第三代战机的特点有一定的了解也许是非常有益的。


第三代战斗机采用的主要技术有:


1.采用以计算机为核心的多余度电传操纵系统,对平尾、襟副翼、方向舵、前缘机动襟翼等活动翼面实施主动控制,因而使飞机的飞行品质得到大幅度的提升 ,机动性能增强。


2.翼根前部采用边条翼,充分利用气动旋涡(翼根前部的窄长边条可在主翼上表面形成有利的气动干扰),显著增大飞机的失速迎角,为飞机提供额外的涡升力,从而使空战机动能力和起降性能得到了改善。


3.采用机动前缘襟翼(这种襟翼可随迎角和数的变化而自动偏转),从而改变机翼的弯度,使之适应不同的飞行状态,保证飞机在各种情况下均可获得良好的气动特征。


4.采用翼身融合体设计(即机翼和机身之间实现圆滑过渡,等于对机翼和翼根进行了整流),显著减小了浸湿面积,从而达到降低干扰阻力和磨擦阻力、提高机身升力的目的。另外采用翼身融合设计后,机翼根部加厚,增强了结构受力,可减轻重量,增加了机体的容积。


5.机身许多部位采用碳纤维和玻璃纤维等复合材料,具有重量轻、强度大、耐高温、抗疲劳的优点;还可间接改善飞行性能,降低雷达波反射。


6.座舱采用气泡式设计,可为飞行员提供良好的视野,十分有利于飞行员在视距范围内尽快地探索、发现目标。


7.采用后倾式座椅,在飞机作大载荷高机动飞行时能够自动向后倾斜30度,从而使驾驶员的抗过载能力提高0.6g-1.0g。


8.采用力敏感短程侧置式驾驶手杆。常规操纵手杆设在飞行员两腿之间,而这种驾驶手杆则装在飞行员座椅的扶手上,仅靠手腕的力量就能精确地控制飞行状态,尤其是在大过载(8-9g)状态驾驶员随座椅后仰时,仍能方便地操纵飞机。


9.配用小涵道比涡扇发动机。这型发动机具有推重比大、耗油率低、可靠性高、噪音低等特点,十分有利于提高飞机的机动性能并增大作战半径。


10.配备性能先进的雷达和综合显示系统,采用数据总线相联技术,从而使飞机的探测距离更远,火控系统更完善,自动化程度更高,既减轻了飞行员的负担,也提高了作战效能。


11.采用腹部进气道。腹部进气具有结构简单、重量轻、大迎角状态下进气效率高的优点。

与第三代战机相比,第四代战斗机采用了更多的先进技术,其中主要有:


1.大量使用强度大、重量轻的铝锂合金、钛合金和硬质碳纤维和玻璃纤维复合材料。各型复合材料的使用量将占整机材料的20%-40%。


2.采用新型吸波材料、红外抑制技术、等离子体隐形技术以及先进的气动外型设计,使飞机的隐身能力达到极致。


3.采用推重比达8-10的新型带推力矢量喷口的涡扇发动机,使飞机能够持续超音速巡航飞行。


4.装备有源或无源相控阵雷达和红外/激光/微光综合探测系统,使飞机探测距离更远,并可对付多批次多方位的目标。


5.采用全权多余度数字式电传操纵系统和先进的故障诊断和警告系统,使飞机的空中机动能力和起降性能更好,安全性更高。


6.采用“玻璃座舱”设计,即用广角全息平视显示器、两至三个阴极射线管或液晶下视显示器、以及背投式液晶显示器来取代大部分圆盘式仪表以及头盔瞄准显示器,建立了良好的人机界面,从而为飞行员提供更多的信息和更方便的作战能力。


7.装备高精度综合导航系统、高度自动化的综合防御电子对抗系统、敌我识别装置以及语言控制系统。


8.采用半埋式挂架或全埋式武器舱。


由于采用了以上先进技术,第四代战斗机获得了卓尔不群的先进性能。当然,过多地采用高端技术也使飞机的造价陡增,性价比下降;而且过分强调高新技术,就象是“超前消费”一样,并非完全适用于当前的作战需要。如美 F-22的载弹量只有1.5吨,小于第三代的米格-29(3吨)、F-16(5吨)。所以,在确定第四代战斗机的设计指标时,俄罗斯和欧洲采取了作战能力和技术性能均衡的原则。这一点对我们了解中国第四代战斗机很有帮助。




关于国产第四代战斗机的发展早有传闻,2004年珠海航展之后,国产第四代战机的各种传说更是纷纷见诸报端。自FC-1“枭龙”和歼-10“猛龙”研制成功之后,中国开始第四代战斗机的研制也是顺理成章的事。笔者认为,国产第四代战斗机的研制发展不太可能是大众传说中想象的那样,是某种全新的革命性设计;相反,中国依然会采用小步快跑的方式,在已研制成功的FC-1和歼-10的技术上,利用一些逐渐成熟的技术,采用改进、改型的方法,使之演变成具有世界第四代水平的国产战斗机。在更远的未来,则将在这一切技术储备的基础上,依靠改进、改型所积累的技术经验,研发一代全新设计的革命性战斗机。这是因为:

1.中国的航空工业基础相对薄弱,技术储备、制造工艺和设计经验底子差,尤其是航空发动机新型材料的加工制造工艺以及航空电子设备距世界先进水平尚有很大差距。这是公认的中国航空工业发展的瓶颈。


2.第四代战斗机将集多种先进技术于一身,要把这些技术整合到一架飞机上,使之相互兼容,并符合战斗机的气动性能要求和未来作战的需要,需有一定的研制和试验周期,也需要为之投入大量的资金和科研力量。当前,世界上很多国家(包括那些技术发达的国家),都把以最新开发的先进技术应用于现役成熟机型的升级改造上作为发展思路,并在此基础上实现由量变到质变的飞跃,使技术储备达到一定积累时才发展出新一代的作战平台。这样做技术风险小,循序渐进,稳妥可靠,特别适合经济、技术欠发达或财力有限的国家。中国的歼-7、歼-8型飞机的渐进式发展就是很成功的例子。


3.世界上第四代战斗机(如美国的F-22“猛禽”隐形战斗机和JSF联合攻击战斗机)已然定型,但是,第三代战斗机如F-15“鹰”、F-18“大黄蜂”、俄罗斯的苏-27和米格-29、法国的“幻影”-2000、欧洲的“狂风”等通过换装新型发动机、雷达,以及改进进气道设计以后,仍然能满足近一个时期内空战的需要而延长服役时间。技术密集、造价奇昂的第四代战斗机其实并不为军方看好,很多先进国家也只是打算少量装备,真正要完全替代第三代战斗机尚需时日。


中国新研制的FC-1“枭龙”和歼-10“猛龙”仍具有一定的发展潜力。如FC-1的肋部进气布局设计独特而先进,如果换装大推重比发动机,进气口改为矩形而扩大进气量,进气道改为S型以遮蔽涡扇桨叶对雷达的反射,以及换装新型大功率多功能雷达火控系统,采用双发、双垂尾改进,其性能必将得到很大的提高。再如,歼-10“猛龙”本身就已具备相当的隐形能力,换装新型大推重比的推力矢量喷管发动机及新型相控阵雷达的火控系统以后,很容易具备准四代战斗机的水平。中国第四代战斗机的设计可能不会是全面飞跃的思路,而可能根据实际需要,达到或超过某些指标而形成自己的特色即可。须知美国的F-22性能确实超前,但那是一种浪费,其很多性能在实际空战中并不是不可或缺的。


中国战斗机要完成向第四代的跨越,必须突破以下几项关键技术。


关键技术之一:大推重比航空发动机


涡轮风扇发动机技术是现代高性能军机必不可少的关键技术。与涡喷发动机相比,涡扇发动机热效率高,油耗低,因而能够获得较大的推重比和较远的航程。这些指标是涡喷发动机无论如何都难以达到的。其实涡喷发动机和涡扇发动机的核心机是基本相同的,所不同的是涡扇发动机是在涡喷发动机的基础上增加了几级涡轮,这些涡轮带动一排或几排风扇,风扇后的气流一部分进入压气机(内涵道),燃烧后从喷口喷出,另一部分则不经过燃烧,而通过外涵道直接排到空气中。所以,涡扇发动机的推力是风扇抗力和喷口推力的总和。


中国目前已完全能够独立研制开发新型涡轮喷气式发动机。“昆仑”涡喷发动机就是我国自主开发的中等推力发动机,其技术相当先进、性能可靠,而且性能和寿命周期等方面仍有很大的发展潜力。因此,在“昆仑”发动机的基础上发展出一型先进的国产涡扇发动机只是时间的问题。


据说国产的FBC-1“飞豹”上装备的发动机是国产的“WS-9”(“涡扇”-9,也称“秦岭”),这是英国斯贝MK202涡扇发动机的国产改进型。涡扇-9的生产使中国在航空发动机制造方面获得了一定的经验,为以后的发展奠定了一定的基础。


国产航空发动机最先进的是涡扇-10/10A型发动机。这是一种采用三级风扇,九级整流,单级高效高功率高低压涡轮的大推力、大推重比、小涵道比的先进发动机。其结构完整性设计、发动机制造工艺都具有先进的世界水平。其中采用镍基单晶高温合金先进材料的涡轮叶片,以及对流、前缘撞击加气膜三合一的多孔回流复合冷却技术使涡轮叶片的冷却效果提高了两倍,是一项重大的技术突破。涡扇-10A则是一型带推力矢量喷管的发动机,推重比已达8以上。有人评论说,涡扇-10的性能要比俄罗斯的AL-31F还略高一筹。笔者认为,在这些发动机的技术基础上,国产推重比达到10的带推力矢量喷管的新型发动机会很快装备到国产最新型战斗机上。

关键技术之二:相控阵雷达系统


提起美国的第四代战斗机F-22“猛禽”,人们首先想到的肯定是它那独特的隐身外形和持续超音速飞行的巡航能力。但是,人们不应忽视了它的有源相控阵雷达系统,正是它赋予了战机多功能的、对付多批次目标超视距能力。笔者要说,这才是F-22“猛禽”身上最具实战价值的东西。


那么,相控阵雷达系统为什么具有这么神奇的功能呢?我们还得从头说起。


我们知道,传统雷达的工作原理是首先向空中发射一束电磁波束,用机械的方式转动雷达天线,以使波束扫过一定的区域(天空、地面或海面)。当电磁波束与目标相同时就会反射一定的回波,利用计算机对回波进行解算,就能对目标定位和测距了。相控阵雷达与传统雷达不同的是天线。它是依靠在一块平面天线上有规则地排列许多个辐射单元(称为阵元),利用电磁波的相干原理,通过计算机控制输往天线各辐射单元电流相位的变化来改变波束的方向,对一定区域进行扫描,接收单元则将接收到的辐射回波输入主机,经过解算对目标的方位、距离进行探测跟踪和定位。因此,相控阵雷达也称为电子扫描雷达。


相控阵雷达有两种,一种是有源相控阵雷达,一种是无源相控阵雷达。两者的区别在于:有源相控阵雷达的天线是一种称为T/R模组的接收与发射装置,每一块T/R模组都能产生电磁波;而无源相控阵雷达则是使用统一的发射机和接收机,外加具有相位控制能力的相控阵天线而成,天线本身不能产生雷达波。有源与无源相控阵雷达在功能上无太大的区别,不过有源相控阵的收发装置只有T/R模组,所以结构重量轻,故障率低,即使几个相邻阵元出现故障和损坏,也不会对整个系统的性能造成影响。而无源相控阵雷达与传统雷达只有天线及处理系统的差别,结构重量、生存率等均不能与有源相控阵雷达相比。因此,有源相控阵雷达是未来战斗机机载雷达的发展方向。

与传统雷达相比,相控阵雷达在性能上有重大突破,主要表现在以下几个方面:


1.具有对付多目标的能力。相控阵雷达利用电子扫描的灵活性、快速性和多波束、可按时分割原理,能实现边搜索边跟踪工作方式,可与电子计算机相配合,能同时搜索探测和跟踪不同方向和不同高度的多批目标,并能同时制导多枚导弹对多个目标进行攻击。


2.具有多功能性。相控阵雷达能同时形成多个独立控制的波束,分别用于执行搜索、探测、识别、跟踪、照射和制导导弹等多种功能。因此一个雷达便具有多个专用雷达的功能。


3.反应时间短、数据更新率高。由于相控阵雷达可同时针对不同方向进行扫描,加之扫描方式为电子控制而非机械转动,因此反应时间短,资料更新率大大提高。机械扫描雷达因受限于机械转动频率,资料更新周期为秒或10秒级,而电子扫描雷达则为毫秒或微秒级,因而更适于对付高机动目标。


4.抗干扰能力强。相控阵可以利用分布在天线孔径上的多个单元综合成非常高的功率,并能合理地管理能量和控制主瓣增益,可根据不同方向上的需要分配不同的发射能量,易于实现自适应旁瓣抑制和自适应抗各种干扰,有利于发现远距目标和雷达小反射面目标,还可提高抗反辐射导弹的能力。


5.可靠性高。相控阵雷达阵列较多且并联使用,即使有少量组件失效仍能正常工作。此外,随着固态器件的发展,相控阵雷达的固态器件越来越多(甚至产生出全固状相控阵雷达),所以平均故障间隔时间增大,即使有10%的阵元损坏也不会对系统的性能造成太大的影响。


6.具有隐形功能。传统机械雷达的转动结构会造成相当大的回波,而使用电子扫描的相控阵雷达能使这种影响降到最小。同时,相控阵雷达工作时发射的窄波束会减少被发现的机会,并使对方的电子干扰系统难以发挥作用。

中国研制相控阵雷达已有多年,在地对空导弹系统、炮兵侦测系统和新型驱逐舰上已有实际应用。但是机载相控阵雷达必须解决好三个难题:一是T/R模组的体积。一般是28个T/R单元使用一组共用元件,一个模组中共用单元的数量越多越好,但共用组件故障时对雷达性能的影响也就较显著。所以,两者必须平衡。二是大功率低压电源。相控阵雷达的天线阵元要求的电压不高,但所需电流却很大。作为机载相控阵雷达系统中的电源,必须可靠性高,体积小,重量轻。三是冷却。相控阵雷达的天线阵面上密布着数百上千个T/R模组,热功率相当高,如何对其冷却是保证雷达可靠、正常工作的条件。


有源相控阵雷达技术难点较多,而无源相控阵雷达相对来说技术难度较小,装备比较容易,作为有源相控阵雷达的替代品或机载雷达的低端产品,不失为一种首选方案。

关键技术之三:新型材料与制造工艺


第四代战斗机普遍使用高性能复合材料等新型材料,以降低自身重量,增大发动机的推重比。但是使用新型材料势必增加制造成本,同时增加部件的加工难度。新型材料一般是指添加了石墨的碳纤维复合材料和添加了钛、镁或锂的铝合金材料。新型材料必须质量轻,坚固耐用,还要注意尽量降低成本。

通过以上分析,相信读者应该对国产第四代战斗机目前的发展情况有了一定的了解。笔者相信,随着时间的推移和各项新技术的成熟,中国新一代战斗机一定会在不久后冲上蓝天。到那时,中国空军将逐步淘汰歼-7、歼-8系列战斗机,而由换装了国产发动机和航电设备的苏-27/30、歼-10“猛龙”、“枭龙Ⅱ”/FC-1Ⅱ和“猛龙Ⅱ”/歼-10Ⅱ组成新的阵容,从而成为具有世界先进水平的现代化空军。

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