中国军方中型四代战机

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导读:成飞的歼-20首飞成功后,人们除了继续关注歼-20的实际性能、系统能力外,眼光就转移到可能的第四代中型战斗机(简称中四)上了。歼-20是重 型战斗机,所以也称重四,其能力强大,但成本也很是高昂,不利于大量装备。理想中四应该在能力上比较接近重四,但成本大为降低,可以大量装备,甚至可以大 量出口。不过重四在技术上十分超前,首飞到装备还有很多技术难关需要攻克,需要占用大量人力物力财力,使用中还会发现新的问题,或者启迪新的思路。   另一方 面,中国歼-10、歼-11刚刚大量装备,还有很长的使用寿命。在采用歼
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成飞的歼-20首飞成功后,人们除了继续关注歼-20的实际性能、系统能力外,眼光就转移到可能的第四代中型战斗机(简称中四)上了。歼-20是重 型战斗机,所以也称重四,其能力强大,但成本也很是高昂,不利于大量装备。理想中四应该在能力上比较接近重四,但成本大为降低,可以大量装备,甚至可以大 量出口。不过重四在技术上十分超前,首飞到装备还有很多技术难关需要攻克,需要占用大量人力物力财力,使用中还会发现新的问题,或者启迪新的思路。


另一方 面,中国歼-10、歼-11刚刚大量装备,还有很长的使用寿命。在采用歼-20的部分技术升级之后,歼-10、歼-11在中国周边主要潜在战场上将在未来 很长时间具有足够生存力,尤其是采用局部隐身技术的歼-10B,而歼-11的载弹量和航程十分适合于远程攻击,填补中国空军远程战术打击力量的空缺。一方 面现有技术负担已经很重,另一方面需求相对不急切,如果中国不在近期立刻着手中四计划将一点也不奇怪。


但近期不着手中四计划不等于永远不着手中四计划,在 5-8年后重四走过工程研发的道路、开始装备的时候开始中四的研制,在技术上有重四的经验教训可以借鉴,在人才上有现成的队伍正好接力发展,十年怀胎的研 制周期在需求上正好衔接开始老化的早期歼-10、歼-11,这个时机最为合适。中国早晚会研制中四的,中国中四应该是怎么样的呢?


中四作为 高低搭配的低端,有两种做法。一是美国的F-15/F-16或者F-22/F-35模式,也就是说,高端专注于一线制空,低端则以对地攻击为主,兼顾二线 制空。当然,美国的二线制空要求对于绝大多数盟国来说,已经足够作为一线制空使用了。所以美国模式的低端是一个多能手,十分适合同样信奉攻势空军但财力和 牙口都有限的出口市场。


另一个做法是苏联的苏-27/米格-29模式,也就是说,高端注重攻势制空,低端注重前线制空,高端和低端更像“铁路警察,各管一 段”,除了战区差别外,在任务和能力上有很大的重叠。这样的低端在特定战区里的空战能力接近高端,但航程和多用途要求降低。美国模式是攻势制空概念的结 果,苏联模式是国土防空概念的结果,两种模式决定了F-16和米格-29的根本差异。中国空军正在从苏联的国土防空概念向美国的攻势制空概念转型,但这不 等于中国中四就自动向F-35靠拢。出口又是另一个考虑,也有多用途战斗机和近程空优战斗机之分。


从另一个方面来说,中四也可以根据发动机有两种做法。一是完全从头做起,独立决定飞机的正常起飞重量,然后根据性能要求决定发动机的数量、推力和推重比;二是从已有发动机出发,然后在任务要求、飞机重量和性能之间通盘考虑。


一 般认为,典型战斗机的机体结构重量大约占正常起飞重量的35-45%,机内燃油约占25-35%,发动机约占10-15%,电子系统、基本武器约占 15-25%。这些百分比当然是非常粗略的,只能作为指导性的概念估算使用。同时,把上限统统加起来将超过100%,把下限统统加起来则低于100%,所 以需要在具体设计的时候在这些范围内按设计考虑选取。


一般说来,隐身的机内武器舱会增大机体结构的比重,双发要增加一点机体结构的比重;要求足够大的航程 但不能外挂副油箱会增大机内燃油的比重,强调对地攻击或者攻势制空任务也需要增加机内燃油的比重;发动机推重比的增加使发动机占正常起飞重量的比重下降; 先进电子系统一方面由于元件技术的进步而减重,另一方面由于新设备和新要求而增重,最后通常也是要增加比重的,重型战斗机增加更多。


但比重就是比重,所有 部分加起来还是只有100%,多一分也不行。机体和机内燃油这些都是水涨船高的,要求定下了就很难调整比重,比如航程和机内燃油占正常起飞重量的比重关系 更大,而不是和实际机内燃油量的关系更大,结构比重则和单发双发和隐身要求关系更大。电子系统和武器的比重似乎灵活一些,但给定任务和技术要求后,电子系 统和基本武器的重量就大体确定,降低比重导致总重攀升,所以需要仔细权衡。


根据公开的数据,对于要求4S的战斗机来说,以F-22为例,机 体占正常起飞重量的45%,发动机为12%,机内燃油为28%,电子系统和基本武器(包括2枚近程弹和6枚中程弹加近300公斤航炮炮弹,共近1500公 斤)占15%。F-22的机内燃油比重低于F-15的30%,而F-15在出击时还可以挂载副油箱,进一步增加航程。不难看出,F-22强调的是极端性 能,但在航程上有所牺牲。F-35A的重量分布就不一样,机体占40%,发动机大幅度下降到8%,机内燃油上升到37%,电子系统和基本武器依然为 15%。


F-35A采用单发,所以机体比重下降。升力发动机的空间留出来用于机内燃油,所以机内燃油比重大幅度上升。有意思的是发动机。单发降低了发动机 占正常起飞重量的比重,另一方面,F135在发动机重量略有下降的基础上,推力大幅度增加,军用推力从104千牛增加到111千牛,加力推力从“至少 156千牛”增加到178千牛,发动机推重比从9.0增加到10.7,这使F-35的发动机占正常起飞重量的比重大幅度下降,在世界上所有战斗机中都遥遥 领先。


F-35发动机比重降低的代价是飞机推重比严重不足,F-22的军推推重比为0.72,加力推重比为1.08;F-35A就下降到0.50和 0.81,成为现代战斗机中推重比最低的。相比之下,第三代战斗机没有隐身要求,不需要机内武器舱,机体重量的比重可以下降到35%,即使电子系统、武器 等比重增加,依然能保证机内燃油的比重不低于30%,加上副油箱,可以保证足够的航程,而加力推重比依然可以保持在1.1左右。隐身战斗机的机内武器舱使 得机体肥大,机体重量的比重很难降到40%以下。


军推推重比0.7是保证超巡所必须的。早期超音速战斗机(如F-105)有加力推重比低于 0.7而能达到两倍音速最高速度的,但那是最大限度减阻的结果,采用高翼载、大后掠的机翼和细长的机体。理想中四为了保证足够的机动性,机翼需要具有高升 力和不能太大的后掠角,还要保证机内武器舱具有足够的空间,阻力难免增加,需要至少0.7的军推推重比。为保证足够的能量机动性,理想中四的加力推重比应 不低于1.1。这两个指标是和F-22一致的。


F-22和F-35的设计选择可以作为中国中四参照。中国已经在推比10的发动机上下来很大 的功夫,假定这是中国中四的发动机技术水平。从强调超巡和超机动能力出发,中国中四需要军推推重比达到0.7,加力推重比达到1.1。假定发动机推比为 10,可选中四机体比重为45%,电子系统和基本武器为16%,发动机比重为11,那样机内燃油就为28%,和F-22相当。考虑到F-16的电子系统总 重约为2000公斤,而中四将采用更多的电子设备,尤其是重量较大的主动电扫雷达,电子系统总重定位在2500公斤左右。基本武器包括2枚近程空空导弹、 2枚中程空空导弹和航炮炮弹,总重定为1000公斤比较合理。


作为参照,F-35A的基本武器总重定位在780公斤,只有F-22的一半,不难想象按正常 起飞重量出击时两者战斗力的差别。容易计算出中国中四的正常起飞重量应为22000公斤左右,空重闱14750公斤。考虑到中国的材料、电子和武器技术的 实际水平和技术风险及各种不定性,预留空重的10%作为增重余量,所以正常起飞重量按照23500公斤计算,空重约为16000公斤。最大起飞重量一般为 正常起飞重量的1.3-1.4倍,取1.35倍的话,就是约31500公斤。


按照1.1的加力推重比和0.7的军推推重比计算,需要采用两台发动机,单台 推力需要达到80千牛的军推和126千牛的加力推力,实际上已经和第三代战斗机的F100或者AL31一级的大推力发动机(简称大推)相当了,而不是传统 意义上加力推力在100千牛以下的中推力发动机(简称中推)。这样一架双大推中四在性能上直逼重四,但理想机内燃油只有28%,算入10%增重后实际上只 有26%,和机内燃油比重可以高达35%的重四相比,会有较大的航程损失。同样,双大推中四具有足够的推力做超巡,但机内燃油不足使超巡时间受到限制。这 样的中四足够满足苏联概念的前线制空需要,但只具有有限的攻势制空和远程对地攻击潜力。


双发中四的重量和发动机推力要求如此之高不奇怪。电 子系统和基本武器的重量大体固定之后,其占正常起飞重量的比重决定了正常起飞重量。当中四的总量和第三代重型战斗机相当时,同样的推重比要求自然导致同级 的发动机。问题是这样的豪华版中四的成本将很高,要降低成本,只有大幅度上调电子系统和基本武器所占比重,降低正常起飞重量,把发动机推力要求也同步压下 来。如果电子系统和基本武器的比重上调至20%,正常起飞重量将下降至18700公斤,空重下降到13500公斤(含10%增重空间),发动机加力推力下 降到100千牛,军推64千牛,可以采用中推。


不过算入10%增重后,机内燃油就下降到22%,没有什么航程可言,变成一架纯防空战斗机了。即使发动机推 重比增加到12,也只能使机内燃油增加到24%,依然不足,要把发动机推重比增加到22,才能恢复28%的机内燃油比重,这显然是一条独木桥,难以走通。


如 果要大幅度降低成本并提高航程,只有降低空战机动性的要求,用单发降低飞机的推重比,放弃超巡。假定中四和重四共用156千牛级的发动机,单发的中四可以 把机体重量比重下降到40%,电子、武器的比重上调为20%以降低正常起飞重量,最后空重为12000公斤(含10%增重空间),正常起飞重量18500 公斤,最大起飞重量25000公斤。但加力推重比需要降低到0.85,单台156千牛级发动机可以使发动机重量的比重降低到8.5%。


实际机内燃油上升到 30%,在重量和双中推方案相当的情况下,不仅成本比双中推单发飞机低,航程也有相当的增加,适合于对地攻击,但空战性能有较大的损失,即使机内半油状态 的加力推重比也勉强达到1.0。但如果发动机可以增推到180千牛级,并增加发动机推重比到12(夜就是说,发动机重量大体和156千牛级相同,但推力增 加到180千牛级),正常起飞重量下飞机的加力推重比就上升到1.0,半油状态下推重比更是高达1.18,可以达到不错的能量机动性了。但这样的增推幅度 很大,技术难度较大。


先进战斗机的成本在大体上是上升的。双大推方案在重量和发动机推力上都和F-15、苏-27这一级的第三代重型战斗机 相当,加上各种新技术,总成本只可能比第三代重型战斗机更高,作为低成本战斗机显然不合适,但作为重四的高性能补充则比较合适。这一级发动机和重四不通 用,需要单独研发,这是额外的成本和技术风险,也需要加以考虑。如果采用现有的推比8发动机,则发动机的研制风险消失,成本有所降低,但实际机内燃油将进 一步下降到24%,航程和超巡时间严重不足。


单大推可以和重四通用发动机,在重量和成本上将低于双大推方案,但空战能力很受局限,只有在半 油状态下才可能达到1.0的推重比,勉强达到能量机动性的要求。增推的单大推可以具有不错的空战性能,在成本上明显优于重四,航程上也符合对地攻击要求, 除了发动机增推15%、推力达到180千牛级的技术风险外,是一个较为理想的方案。


双中推方案可以使用成本低于大推的中推,但由于发动机重量占用了机内燃油的重量,在牺牲航程换取性能的路上走得更远。


但 如果大大放宽隐身要求,只要求翼尖挂近程弹和机身半保形挂中程弹,机体重量比重可以比照第三代战斗机而下降到35%。将电子、武器重量的比重上升到25% 以降低总重,取2000公斤电子系统和750公斤基本武器,则正常起飞重量为11700公斤,最大起飞重量15800公斤,空重7800公斤(含10%增 重空间),采用和双大推方案共用的单台125千牛级发动机的话,加力状态下的推重比达到1.1,军推状态下的推重比达到0.7,机内燃油达到27%。大大 降低的起飞重量和相对较小的发动机使轻四比单大推中四的成本还要低,这样半隐身的轻四具有较好的出口前景,发动机还可以用于“枭龙”一级第三代战斗机的改 装。


用上述方法,还可以分析现有的两种中四:F-35A和印度AMCA。F-35A的空战性能不好,吃亏在推重比不足,翼载太高,根源在于 正常起飞重量太大。比照单大推中四,如果使用同样的178千牛级发动机,但机内燃油比重下降到30%,F-35A的推重比就可以增加到1.0。采用相同机 翼面积的话,翼载也下降到430公斤/平方米级,和F-22相当。


值得注意的是,F-15的翼载为357公斤/平方米,但F-22和F-35A采用了机头 边条和其他升力体设计,其强大的升力作用没有计入翼载,所以F-22和F-35的等效翼载比名义翼载要低很多。F-35A过大的机内燃油比重并非有意而 为,而是为升力发动机预留空间转用于机内燃油的结果。如果独立设计,相信美国空军会放弃不必要的过高机内燃油比重而换取较轻的正常起飞重量,提高机动性和 降低成本。为什么美国具有雄厚的航空科技实力,依然没有逃出F-35计划深陷重围的困境,这是一个很多人的疑问,从重量分布分析可以看出一点端倪。


印 度AMCA预定正常起飞重量为20000公斤,采用双发,但没有指定是什么发动机。AMCA要求机内载弹,具有超巡能力,装备主动电扫雷达。按照加力推重 比1.1、军推推重比0.7计算,两台发动机的单台推力需要高达110千牛(加力)和70千牛(军推)。印度的“卡维利”发动机的指标和开始使用时间像股 票行情一样,涨落不定,不能指望。


国际市场上现有的法国M88、英国EJ200、美国F414、俄罗斯RD93的推力都达不到要求。这些国家没有为现有发 动机继续增推的需求,为印度的要求而单独研制更大推力的发动机即使可能的话,也将漫天要价,在研发时间上也无法保证。如果用这些发动机里推力最大的 F414,加力推力98千牛,军推62千牛,则AMCA的加力推重比刚好1.0,军推推重比才0.63,如果能达到超巡,也只是勉强超过音速。相比之下, 法国“阵风”和欧洲“台风”的军推推重比分别达到0.73和0.76,还是由于气动外形减租不足和外挂阻力的原因,用军推只能勉强超过音速。最糟糕的是, 即使在理想情况下,AMCA也只有不到25%的机内燃油,航程将和LCA有一拼。


对于中国来说,和重四相比,理想中四更需要在成本和性能之 间合理折中,否则就失去意义了。双大推成本高,但发动机可以和轻四共用,还可以用于“枭龙”的改装。双中推成本降低,但变成航程很短的纯防空战斗机,不符 合攻势共军的要求。单大推成本更低,适合于远程对地攻击,但空战性能受到损失。轻四成本更低,具有良好的空战性能和对地攻力能力,但代价是隐身能力,对于 低烈度战场更加适合。最后的选择取决于中国空军对于整体体系的设想。对于高低搭配的两级体系来说,单大推中四更加合适,重四负责制空,中四侧重对地攻击。 对于高中低搭配的三级体系来说,双大推中四加半隐身轻四更加合适,重四负责高端制空,中四作为数量上的补充,必要时挂上副油箱出击,弥补航程的不足,轻四 则在打垮对手空防之后用于对地攻击,并作为出口主力。双中推方案的缺点较多,成本上不比单大推更低,使用上不能代替单大推的对地攻击,又不能和轻四共用发 动机,除非可以和教练机共用发动机,否则没有优势。


显然,中四的设计关键是任务定位和发动机,接下来就是气动设计了。对于双大推和双中推中 四来说,4S是重点,所以重四气动设计的所有考虑都适用,继续使用鸭式布局就很合适。对于单大推,成本考虑是关键,需要选择结构效率特别高和阻力特别低的 气动外形。超巡反正放弃了,在保证隐身的前提下,机动性略有损失是可以接受的,所以采用无尾布局最为有利,继续坚持侧重机动性和超巡的鸭式布局就没有必要 了。波音X-32采用无尾布局就是出于这个考虑,YF-23、麦道JSF那样的无尾布局也有结构重量轻、阻力小的优点。轻四的设计选择比较灵活,可以侧重 一点机动性而采用鸭式、常规布局,也可以侧重一点隐身和航程而采用无尾布局。从不提高成本而尽可能提高隐身的角度看,或许采用无尾布局更加合理。


战斗机总体设计是一个系统工程,不是简单的使用要求和可用技术的叠加。不处理好重量分配问题,而片面强调基本要求,很容易陷入面多了加水、水多了加面的困境,必须综合考虑,全面均衡,紧扣正常起飞重量这个关键,然后才是纲举目张。


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