在天空中打炮——战斗机机炮使用的发展

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导读:如果按照工作原理来划分将同属于身管武器的枪械/火炮视作一类武器的话,机炮一定算得上战斗机历史最悠久的机载武器。从一战到二战,揭开人类首次空战序幕的手枪被替换成机载机枪,又变成了机炮,枪炮始终是战斗机的主要武器。直到今天它仍然装备着绝大多数的现役战斗机——从最落后的的二代机米格21一直到最先进的四代机F22。      图:1911年墨西哥革命战争,革命军的寇蒂斯飞机与政府军侦察机在空中用手枪互相射击,成为人类历史上最早的空战   不管在哪个年代,空战的本质都是力求先于敌方将对手纳入自己机


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如果按照工作原理来划分将同属于身管武器的枪械/火炮视作一类武器的话,机炮一定算得上战斗机历史最悠久的机载武器。从一战到二战,揭开人类首次空战序幕的手枪被替换成机载机枪,又变成了机炮,枪炮始终是战斗机的主要武器。直到今天它仍然装备着绝大多数的现役战斗机——从最落后的的二代机米格21一直到最先进的四代机F22。

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图:1911年墨西哥革命战争,革命军的寇蒂斯飞机与政府军侦察机在空中用手枪互相射击,成为人类历史上最早的空战

不管在哪个年代,空战的本质都是力求先于敌方将对手纳入自己机载武器(机炮、航空火箭、空对空导弹)的有效射程范围,先于敌方构成发射条件,先于敌方开火,先于敌方命中,从而达到消灭敌人保存自己的目的;而在这个过程中飞包含了飞行性能、火力控制系统、机载武器系统三者间的相互支持与相互限制。事实上飞行性能的设计取向,最终就是为了让战斗机这个平台,能够更有效的使火控与机载武器系统充分发挥能力;那么60年代的火力控制系统和机载武器究竟是什么水平,它对空战样式的限制是怎么样的,对飞行性能有着怎样的要求,对后来的第三代战斗机研发起到了怎么样的影响?

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图:被活动光环锁定的目标,右边图比较模糊,注意光斑亮点组成的圆环

一:二代机的机炮使用

在上世纪60年代,战斗机与机炮配合使用的瞄准具还处于在活动光环瞄准阶段。它依靠照明灯的光线通过聚光筒,透过遮光片与环板组漏光刻线的重合处,形成棱形光点、环心组成的光环;再透过反射镜,经陀螺镜、反射镜反射到接物镜上进行放大后投射到瞄准镜上,飞行员通过瞄准看到瞄准光环与距离数字。

让我们看看使用活动光环瞄准是多么的繁琐,它的大致使用步骤如下:首先瞄准具需要数分钟的加温时间,以我国歼六战斗机装备的射瞄-7型瞄准具为例,它的加温时间在3-10分钟左右。飞行员根据敌情通报或者目视接触判断出敌方机型,转动翼展旋钮,选定翼展刻度(以敌方翼展为基准进行测距);扳动选环杆到活动光环位置;按下稳环按钮(增大提前角线圈电流,加快陀螺进动)使光环紧跟本机的运动状态;转动测距把手,放大光环(便于缩小光环包住目标,同时增大提前角线圈电流);估算抬高角、提前角,将光环置于目标前上方,松开稳环按钮,缩小光环(提前角线圈电流减弱,抬高角线圈电流增强),光环向后下方运动,中心光点徐徐落在目标上......

开火了?恭喜你!不出意外的话没有一颗炮弹能够命中目标!因为接下来才是具有决定性意义的精确瞄准步骤:“跟好”、“包好”、“稳好”。跟好和包好其实是同时完成的动作,飞行员必须将中心光点基本对正并压在目标的中心或者要害位置上,牢牢跟住目标,测量出目标的线角速度;同时,转动测距把手缩小光环,让组成光环的棱形光点内尖包围目标,根据敌机的投影比掌握包围的松紧,测出目标距离构成综合修正角。

此后要做的,就是保持这种状态稳定跟踪目标一定时间;如果飞行员此前步骤的完成质量好,那么瞄准具调整综合修正角的速度就比较快,经过0.5~1.5秒的稳定跟踪就可以开火。如果有雷达与瞄准具交联的话,选定翼展刻度、用光环包好目标这两个测距步骤就可以不做;但当时为了防止雷达测距失效需要迅速转入光学测距的情况,一般还是要求飞行员提前选定翼展刻度。

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图:测量目标线角速度构成提前角的过程

由于攻击方与目标都是高速运动的战斗机(战斗机亚声速下飞行速度200~300米每秒,机炮的炮弹初速800~900米每秒),而且交战中往往双方都在进行激烈的战术机动,战斗机处于强烈的震动状态中;这种动对动条件下机炮的射击命中效果非常的悲剧,甚至仅仅是对付轰炸机这样尺寸巨大、飞行缓慢、缺乏机动性的目标也极少出现1000米以外的命中记录。因此对于机炮,绝大多数情况下的使用方法只能是从目标后半球方向一定范围内沿攻击曲线,将距离逼近到300-500米范围,牢牢的咬死目标后开火。

事实上在早期以机炮狗斗为主的空战中,攻击方最常见的开火距离往往是200米到300米之间,而且往往会在开火过程中越打越近,到击毁目标时只剩一百多米甚至几十米(一般要求在进行后半球攻击时的最小退出距离,对战斗机目标是200米),反而被目标碎片击伤自己的情况在战史记录中屡见不鲜。在朝鲜战争中,就有一位美军飞行员被我国某著名战斗英雄击落,被俘后反复表示,连续追击开火至不足50米,这样的对手着实凶狠。

传统的光环瞄准方式,从原理上说属于前置跟踪瞄准,依据目标参数及本机运动状态计算出射击综合修正角,并在瞄准视场中显示对应的瞄准光环。它有两个不可弥补的缺点:第一,既然是前置跟踪瞄准,瞄准具就必然要对目标的活动规律做出某种假设,例如假设目标继续作等速直线飞行,根据这种假设的运动规律构成综合修正角;第二,光环瞄准具在跟踪过程中必须要进行稳环,而且越是激烈的交战,概略瞄准以及跟踪目标这两个动作完成的质量也必定越差,稳环阶段对综合修正角进行调整的时间也就越长。可以想见这样的瞄准方式,实战中命中率是高不到哪里去的。

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图:AIM4猎鹰,早期失败导弹的典型

而当时的空对空导弹也非常不成熟。这一阶段投入使用的空对空导弹,原本都是针对可携带核弹实施洲际轰炸的轰炸机这一类低机动大型目标而设计的,因此对高机动状态目标的攻击能力很差。

由于不具备离轴发射和全向攻击能力,飞行员想要用空对空导弹攻击敌机的话,同样必须驾驶飞机切入敌机的后半球内一定范围,保持纯跟踪方式飞行进行定轴瞄准、发射;在瞄准光环套住目标后,根据耳机中的音响信号,调整与目标的距离,使目标处于导弹的最大射程与最小射程之间,满足发射条件后持续按压射击按钮将导弹发射出去。从使用上说,这时候的导弹更像是有效射程被大大扩展了的机炮。

而且这些早期的导弹比起机炮还有一个额外的劣势,就是常常对发射时战斗机的过载有很大的限制;机炮可以不在乎发射时战斗机处于几个G值的过载,但G值较大的时候这些老爷货导弹可就不一定还能使用了。尤其是越南热带潮湿条件下,当时导弹的故障率高到让人无法接受,更是让其实战应用表现雪上加霜,使空战的战术选择更加依赖于机炮的运用。

从上世纪50年代末导弹出现以后,东西方的军官和飞机设计师们曾经一度认为机炮已经毫无用处,以至于在60年代战斗机装备机炮的比率从100%降低到50%。但越南战争充分的暴露了当时航空电子和导弹系统的不成熟、不可靠;一些机型例如F4由于没有机炮,在空战中极为被动甚至因此被击落。这些教训如此沉重,以至于在机炮已经真正无用的今天却没有人敢将之放弃。正如一个英国飞行员所说:“不管用不用得上,我永远不想没有机炮。”


图:能量机动理论的提出者博伊德

二:二代机火控水平对三代机发展的影响

总的来说,越战时战斗机的进攻手段操作复杂,武器发射条件严苛,攻击效率低下;即使一方在短时间内态势占优也往往难以进行有效攻 击,空战中在中低空亚声速下近距离内进行反复的追逐、缠斗、咬尾成为最普遍的交战方式。正是这样的局面催生了约翰·伯伊德跨时代的能量机动理论,第一次以数学形式量化了飞行性能在空战中的作用,引入了系统工程的数据图表优化分析,使得设计前就掌握飞机的空战性能成为现实。

在当时的技术条件下,由于火力控制系统和机载武器的限制,不论是机炮、航空火箭还是当时的空对空导弹,在构成发射条件的过程中都需要对目标进行较长时间的稳定跟踪,甚至于往往需要逼近到目标后方较近的距离。因此早期阶段的能量机动理论主要强调攻击方切入敌方的后半球位置,并且要能够稳定跟上敌方的动作而不被甩开;能量机动中最核心的SEP指标正是这样一个反映战斗机持续稳定机动能力的概念。

在最早的能量机动理论中,博伊德认为,如果一架战斗机可以在飞行包线中任意一点的位置都拥有高于对手的SEP特性,并且具有迅速更改自身SEP状态的能力,可以消耗比对手更多的SEP将能量优势转化为将对手纳入己方武器包线范围内的空间位置优势,那么这架战斗机就将占据空战中的优势地位。国内很多自诩能力机动理论秉持者的原教旨主义者完全曲解了能量机动理论的本意,将迅速消耗能量转换为空间位置优势的负能量战术这一能量机动理论的核心组成部分与能量机动理论自身完全对立起来,不知道博伊德泉下有知,将对这些名义上的徒子徒孙作何感想。

单位重量剩余功率SEP=(推力-阻力)X速度/重量,它反映了战斗机的加速和爬升能力。但在战斗机设计中,这个性能与盘旋能力会发生取舍上的冲突;更高的盘旋能力需要更高的升力系数与更低的翼载荷,而翼载荷与战斗机重量成正比,与机翼面积成反比。

在发动机(推力)确定、基本气动外形设计(升力系数)确定的情况下,提升盘旋能力只能依靠增大机翼面积实现;而机翼面积加大直接带来更大的阻力与结构重量,在降低最大速度指标的同时会严重的对SEP造成负面影响。此外随着机翼面积的加大,战斗机在大迎角下的迎风面积也会相应加大,引起阻力的急剧增加;因此增大机翼面积对于瞬间盘旋性能来说总是一件好事,但对于设计更偏重持续机动能力的战斗机来说,如果推力不能克服急剧增加的阻力,最终得到的未必是设计师想要的结果。

最终早期的第三代战斗机空战特性的设计就主要在SEP性能与稳定盘旋性能之间进行折中,力求获得亚声速下优良的持续稳定机动能力;后来的F15、F16、苏27、米格29战斗机都是遵循这一初级阶段的能量机动理论所指导设计出来的产物。


图:图中的曲线就是代表炮弹落点轨迹的“热线”

三:热线瞄准对机炮性能的再次提升

对于机炮这种原理成熟,构造简单的机械武器,它本身的性能改进没有太多余地也没有太大价值;弹丸的杀伤能力提升的空间有限,散布也不可能有本质性的改善,而有效射程受限于初速和散布更不可能增加多远。但雷达、平显仪、电子计算机的综合应用,使它的瞄准方式实现了革命性的突破。

1969年,对活动光环瞄准具忍无可忍的美国空军人员根据越战经验,向美国国内提出了开发新型原理机炮瞄准方式的要求。应用全新技术的瞄准具,依托电子计算机、平显仪、雷达为基础,在70年代初获得原理性的突破,并逐渐被广泛应用。这种新型瞄准方式被称为热线瞄准,又叫做示迹瞄准或者连续命中瞄准;但最能反映它本质的名字,还是快速射击瞄准。


图: 雷达热线

热线瞄准以电子计算机为核心,将战斗机在各状态下(高度、速度、迎角、侧滑角、俯仰度、坡度、弹头初速、弹道系数等等条件)发射出的每一颗炮弹(不管此时机炮是否已经真的开火)相对于本机位置的弹着点都计算出来,并连接成一条动态的曲线,显示在平显仪上;热线的起点是一个十字,代表炮口,而最远的一点则对应瞄准具设计中的最大射程。

在热线上有一个活动的瞄准圆,处于圆心的特征点也就是俗称的热点,它代表的弹着点与炮口的距离正好等于该机与目标的距离。通常情况下热线瞄准的测距由雷达完成,无需人工干预,但必要的情况下仍然可以使用光学测距;方法和活动光环瞄准类似,首先装定目标的翼展数值,转动测距把手,使目标翼展视角等于瞄准圆环的直径。

在新的机炮瞄准方式中,由飞行员替代瞄准具判断目标的运动规律,当预计目标的运动轨迹即将与热点重合的时候,提前一个炮弹飞行到目标距离所需的时间开火;当机炮处于持续开火状态下,平显仪上显示目标与热点重合时,目标即被炮弹命中。

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图:阵风平显仪的录像截图

由于不再需要跟踪-稳环过程,因此战斗机无需切入对方后半球进行稳定跟踪即可射击;而瞄准时间的大大缩短,使得在空战中的一方哪怕仅仅是占据很短时间的优势态势,例如在机炮射程范围内将机头(准确的说是炮弹的弹道方向)准确的指向对手,也有相当大的可能完成一次成功的致命攻击,将另一方击落。

相对于战斗机的飞行速度与交战空间,仅仅数百米的有效射程始终是机炮无法克服的致命缺陷。极大提升了机炮使用性能的热线瞄准方式,虽然远不足以对已经开始真正步入导弹时代的空战模式造成根本性的影响,但它表现出了一个明显的技术发展趋势,就是火力控制系统的反应速度将越来越快,机载武器系统的使用限制将越来越宽。

这个趋势很快以更加猛烈的势头在空对空导弹上展现出来,并彻底推动了空战理论的又一次转变。在新时代的空战中,中低空亚音速下近距离内进行反复的追逐、缠斗、咬尾的现象已经成为历史;谁更敏捷、更能先将自己的机头指向对方谁就能获得胜利。而这一阶段的产物,也就是1980年以后开始研制,强调跨超声速机动能力,普遍具备飞火交联功能的后期三代战斗机以及第四代战斗机。

四:机炮的夕阳红——飞火交联

上世纪70年代以后,数字电路的应用使得战斗机的上的电子设备可以运行更加复杂的指令,实现更多的功能;对飞行控制系统如此,对火力控制系统也是如此。80年代以后的空战实际上已经没有机炮的发挥余地了,但是战斗机的自动化、综合化改进还是使机炮迎来了它在使用性能上的最后一次重大进步——这要归功于飞火交联功能的实现。不过与热线瞄准的广泛普及相比,具备这种新功能的战斗机数量其实还是相当少的——它必须以全权限数字电传飞控和综合化航电作为硬件基础。

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图:飞火交联原理

在全权限电传时代来临以后,战斗机的每一个操纵面,包括平尾、垂尾、副翼等在内,它操纵过程中的每一刻,操纵面偏转行程中的每一个角度,都是由飞控计算机控制的。这个时候飞行员控制的已经不是战斗机的具体舵面偏转,而是战斗机的整体姿态变化。数字化的电传系统,又使战斗机可以实现更加复杂的控制规律,这就为一种大胆的设想提供了硬件基础:以靠具有飞行、火力控制规律软件的数字计算机作为核心,用火力控制系统来主动干预战斗机的飞行,辅助、甚至是超越飞行员的操纵,让战斗机能够按照最合理、最优化的飞行姿态、轨迹去对目标进行攻击。

美国在上世纪70年代提出的综合飞行/火力控制技术就是这种设想的实用化,它在国内被俗称为飞(控)火(控)交联。它在通过雷达等设备获取目标的运动信息以后,会结合战斗机自身的状态精确预测目标的运动趋势,并实时计算出武器投放点和到达该点前的飞行轨迹。这个飞行轨迹的信号,一方面通过平显仪为飞行员提供直观的操纵、状态显示,可以由飞行员操纵飞机按照提示飞行,当飞机到达武器投放点时自动(或者飞行员手动)发射武器。另一方面这个飞行轨迹信号可以通过飞行/火力耦合器,向电传飞控下达控制指令,操纵飞机跟踪目标进行自动攻击。


图:飞火交联要求飞机具备直接力控制能力,以使飞行姿态和轨迹解耦。歼10的鸭翼差动能力代表它不仅具备直接升力控制功能,还具备直接侧力控制能。

这种技术不仅大大减轻了飞行员的操纵负担,而且也大大降低了人为因素带来的反应迟缓和计算判断失误,表现出来的攻击能力是以往火力控制系统所不可比拟的。在实际试飞验证中,它甚至在机炮的作战性能上也实现了巨大的提升:依靠精确的飞行轨迹、姿态和开火控制,机炮的瞄准射击速度获得了进一步的大幅度提升,这使载机可以从任意方向对目标进行有效攻击——包括在对头交错飞行中对目标进行迎头攻击,这个过程中目标穿越机炮有效射程范围的时间仅有1秒钟左右。依靠这种在以往完全不可想象的优势,战斗机获得首次射击机会的时间缩短了一半,而射击次数和射击持续时间分别提高了3倍,命中率提高了2倍。

五:结语

战斗机发展到今天,机炮及其使用方式已经再也没有获得较大幅度性能提升的余地了。事实上包括我国在内,针对红外导弹的导引头进行硬杀伤的机载激光武器已经陆续开始投入实验性使用。只是因为技术水平的问题,它还未能将体积与功耗控制到足以移植进战斗机的地步,只能先搭载在一些较为大型的飞机平台上。

按照现在的趋势看,也许在十几二十年以后,我们就能目睹机载激光武器开始取代战斗机的机炮;这种不再受到身管长度、指向、后坐力制约的武器,必然会形成与机炮完全不同的使用方式,并在相当程度上改变战斗机的近距空战战术。


本文内容于 2013/9/28 11:48:29 被小编a33编辑

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