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T-50的未来之路

作者:徐勇凌

一款战机从设计之初的消息频传,到研制阶段的不断变体,再到试飞阶段的风险频发、高潮迭起,直至正式列装的姗姗来迟,总会给人一系列的故事。然而,对于俄罗斯五代机T-50而言,尽管可预见的列装日期直至现在依然比较模糊无法确定,但它背后的故事已经足够丰富,人们甚至已经很难为其技术的不断变化理出一个清晰的逻辑脉络了。与命运多舛的T-10(苏-27)相比,俄罗斯五代机的研发可谓扑朔迷离,其终结版T-50从整体看尽管没有超出人们的想象,但与俄罗斯人五代机最初的设计已经相去甚远。

(转载)T-50的未来之路

对于俄罗斯五代机T-50而言,尽管可预见的列装日期直至现在依然无法确定,但它背后的故事已经足够丰富,人们甚至已经很难为其技术的不断变化理出一个清晰的逻辑脉络了

不断变体的五代机计划

俄罗斯军机五代机计划,是前苏联航空大国博弈的最后一个梦魇。起始于上世纪40年代末的美苏军机技术追逐,在三代机的竞争中终于决出了高下。当俄罗斯人依然沉迷于速度与高度之争时,美国人灵感突发,在60年代提出了三代机的全新技术理念。随着上世纪70年代初期F-15、F-16的相继问世,苏联人第一次被美国人远远地甩在了后面,尽管苏联人在70年代末实现了两款“拉明”(西方代号,米格-29与苏-27的原型机,最终的定型版与原型机改动巨大)疑似三代机的首飞,但随着80年代初美国第一代隐身战机F-117的首飞,美苏两国的航空技术差距被拉得越来越大,等到美国人于80年代中期提出四代机方案的时候,苏联人已经有些不明觉厉,从而开始了最后的疯狂——技术全面开花式的无序竞争,这边1.44、1.42玩得正酣,那边苏-35、37、47不断升级,直至上世纪90年代初苏联解体,这种无序竞争依然没有看到结果。


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米格I-44验证机曾是呼声很高俄罗斯五代机竞争者,现在看来非隐身化的设计是一个巨大失误

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米格1.42是生产型

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还规划了米格4.12单发型

其实,在整个俄罗斯五代机探索的前期,当美国人坚定地走着隐身化、信息化和多功能化之路时,俄罗斯人依然执着于机动性的追逐,所不同的是米高扬公司更执着于速度与机动性,而苏霍伊则公司对新的气动外形情有独钟。俄罗斯人这种漫无目的的技术探索,耗散了其严重不足的国防投入,导致各种型号的研发走走停停,但他们也不是没有任何收获,对机动性的不断追求,令他们在矢量推力与气动外形设计方面获得了意外的收获,这份收获终于在2013年发酵,苏-35与T-50在巴黎和莫斯科的两次航展上大放异彩,为俄罗斯航空赢得了自信与颜面。


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苏霍伊则一直钟情于三翼面和前掠翼布局的研究,当然还有矢量喷管。俄罗斯人在隐身研究方面被美国远远抛在后面

其实,回顾20世纪最后10年的俄罗斯军机研发历程,与其说是在进行五代机型号的技术整合,还不如说是在对新技术进行探索性研究,俄罗斯独特的研发体制,使得他们没有机会像美国的NASA一样,投入大量资金为未来20年的技术进行探索性研究,他们只能利用各种型号的原型机改型,不断加入新的技术元素,这种技术轨迹可以从苏-27系列飞机的不断改型中看出来。尽管这10年的盲目探索没能在T-50的最终版中有太多体现,但我们依然可以从这些探索性型号中,看出俄罗斯人的技术纠结。而这10年也恰恰是米高扬和苏霍伊此消彼长的10年,米高扬公司最终为他们的理念性错误付出了代价,而苏霍伊则在一次次渐次递进的小幅技术攀升中找到了感觉。

在上世纪80年代中期苏联人提出下一代战机计划时,米高扬公司依然是行业老大。米格1.42作为俄罗斯人的下一代战机,没有过多的抄袭F-22,但从气动外形上看也并没有什么新意。米高扬公司放弃了米格-29和苏-27的气动外形特点,尽管其技术研发过程一直处于高调亮相的状态,但由于经费的严重不足,验证机首飞之后几乎处于停滞状态,可以说这种技术上脱胎换骨式的产品生不逢时。与米高扬公司的自负与莽撞相比,苏霍伊公司显得现实得多,他们立足于在苏-27系列飞机上的技术微调,试图通过对技术成熟型号的优化改型,获得性能上的不断升级,从苏-30、32的功能上的拓展(由空空型向空地形和海军型转化),再到苏-35、37、47气动外形上的不断创新,苏式飞机风生水起,不仅型号如旋转马车般的不断变幻,其优越的性能也在一次次航展上得以展示。

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苏霍伊战斗机的机动性展示在航展中一次次地震撼了观众,图为弗罗洛夫法轮机动

1992年,随着四代验证机YF-22的首飞,美国人对下一代战机的技术打磨基本定调,4S也渐渐成为下一代战机核心理念从而得到人们的普遍认同。此时俄罗斯人不得不停止五代机毫无方向性的技术探索,开始固化下一代战机的基本定位和战技指标。为了继承其的技术优势、缩短研制周期,他们将下一代战机定位为突出机动性、注重隐身性、强调继承性,至此,充满迷雾的俄罗斯五代机计划终于初露端倪,而苏霍伊公司则借助于苏-27系列飞机所带来的商业上的成功,凭借巨大的经济实力和技术优势,理所当然地获得了这份大蛋糕。


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YF-22所定义的4S标准使各国不得不跟随,不跟就要挨打

从已经透露的各种信息看,T-50计划大致启动与21世纪初。对苏霍伊公司而言,从技术的角度看T-50的设计难度并不大,苏-27系列飞机的多款改型,为他们的气动外形设计积累了丰富的经验,而在飞控技术与发动机矢量推力技术的研发中,俄罗斯人的技术一点都不亚于美国人,即使是在相对滞后的航电技术方面,俄罗斯人也有了长足的进步,他们有理由相信,T-50的首飞只会比美国隐身战机的首飞至多晚10年。因此,2005年从俄罗斯就传出了T-50即将首飞的消息,然而,T-50的首飞并没有如期而至,从07年到08年又拖到09年,最终连09年底的结点也没有保住,导致T-50首飞姗姗来迟的原因不是他们在关键技术上遇到了障碍,而是另一个老大难技术问题——发动机。

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T-50首飞前流传的概念图

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首飞中的T-50


五代机心脏病何时治愈

就像俄罗斯三代机一样,从五代机研制和试飞中,听到最多负面消息的就是发动机。由于没有美国和西方诸国在发动机研发方面技术合作机制,俄罗斯人在发动机技术探索中一直独自前行,尽管凭借其强大的情报系统,俄罗斯人总能从西方先进发动机上找到技术灵感,但航空发动机是一项细活,唯有在技术细节的不断打磨,才能打造性能、寿命、可靠性和使用性优越的产品。俄罗斯人在发动机技术方面差的恰恰是细节上的精雕细刻,其推力尚能与美欧发动机接轨,但其使用维护性、可靠性方面则相去甚远,而使用寿命更是存在数量级上的差距。

随着苏-27系列战机在技术上的成功,俄制三代发动机AL-31F在技术上也日臻成熟,14吨级左右的推力对于三代机而言或许可以称得上动力强劲,但对五代机而言,要实现超音速巡航与超机动性,这个量级的推力显然是远远不够的,俄罗斯人必须为他的下一代战机设计一款更大推力的发动机。为米格1.42而研制的AL-41系列发动机启动并不晚,但发动机的研发周期大致需要20年,上世纪80年代末启动的AL-41发动机计划,由于技术与经费问题,前期的技术探索步履蹒跚,随着米格1.42计划的下马,该计划更加境遇不堪,等到21世纪初五代机项目确立之时,AL-41计划已经成了T-50计划最大的拖累。等到T-50首飞之时,该发动机依然无法堪用,只能使用过度型产品AL-31的改进型,而本已成熟的矢量推力技术,也没能在2010年的首飞中使用。

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T-50现使用的117发动机名义型号是AL-41F1,但却是AL-31的改进

2008年,在T-50战机即将首飞之际,由于各项技术都已基本定位,俄罗斯人对T-50的首装充满信心,从设计局到俄罗斯政府员,对外发布的都是2013年首装的消息,这样的自信实属罕见,这既体现了俄罗斯人追赶美国五代机的决心,也表明了其在相关技术方面的长足进步。但AL-41发动机在最后时刻显然出了问题,直到2011年的莫斯科航展上,尽管T-50以双机高调亮相,但发生的地面事故,还是将AL-41的问题暴露无疑,而T-50的首装也由2013推迟到了2015年。

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而真正的AL-41F则是全新的可变旁通比设计,被称为“YF-120斯基”

不过,今年的莫斯科航展上,T-50的惊艳表演似乎透露出了某种信息,种种迹象表明俄罗斯人似乎在发动机技术上取得了实质性的突破,借助于优越的矢量推力技术,T-50的表演可谓惊世骇俗,其超机动性不仅超越了三代机升级版苏-35,一些经典的超机动动作,甚至连F-22也难以完成,T-50成为世界最顶尖的超机动战机。

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T-50在2013年莫斯科航展上进行了精彩的表演

如何解读T-50的技术特点

俄罗斯五代机的最大技术亮点在于矢量推力技术。一项发动机控制技术对于现代战机的重要性到底有多大,许多人对此其实并不太了解,以直接力为关键控制技术的五代机超机动性能,真正了解的人也并不多,因此,当T-50在今年的莫斯科航展上秀机动的时候,依然有人用布加乔夫机动这样的名词也就不足为奇了。

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T-50的矢量喷管是飞控系统的一部分,主动提供俯仰力矩

要真正了解T-50超强的机动性能,还必须从超机动的基本原理说起。与三代机的高机动不同,所谓超机动指的是现代战机在大迎角小速度范围内,借助于矢量推力等直接力的控制,在空气动力微乎其微的情况下,通过直接改变飞机纵轴的指向来实现大角速度的机动。而三代机的机动其实是借助于速度所形成的空气动力,通过向心力改变飞机轨迹,从而实现飞机状态的变化。在五代机的超机动过程中,轨迹的变化可以很小,甚至几乎静止在原地,但机头指向的变化却瞬时完成,这与三代机的超临界机动从原理上已经完全不同。像苏-27等三代机所完成的眼镜蛇机动、钟形机动、尾冲机动,其机头的向上运动依然是空气动力在起作用,而其向下机动则是在安定力矩的作用下完成的,其中飞行员操控的贡献其实很小,因此超临界机动严格意义上讲并不是操控型机动,而是一种自发的可预期的机动,这与超机动完全是由主动控制完成的原理截然不同。

矢量推力技术的出现还要追溯到上世纪80年代美国的技术验证机X-31,该试验机以喷流舵面的形式实现了推力的矢量控制,在该机的试飞中,美国人验证了任意状态下稳定的可能性,和低速大迎角条件下的主动控制机动的有效性。尽管X-31的矢量推力技术依然是初级的,但其验证的技术却揭示了现代战机超机动的基本原理:稳定与主动控制。所谓稳定,是指非借助于飞机的安定性,而是利用控制舵面和发动机矢量推力,实现飞机在任意状态下的角速度稳定,而所谓主动控制,是指不借助于空气动力,完全靠直接力实现飞机指向的控制。

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X-31开放式的喷流舵面设计

就像当年一些人对三代机高机动性实战意义的质疑一样,今天依然有人对五代机的超机动的战术意义表示怀疑。其实,超机动对于中等速度以上速度区间的机动性贡献并不明显,其意义在于,当飞机进入小速度区间时,也就是飞机的操控性能严重衰减的时候,超机动确保了飞机的灵活性与安全性。而近距空战打成大迎角小速度的可能性是存在的,一旦失去了速度优势,如果没有超机动能力,飞机几乎就成了一个靶子,此时超机动性能优劣与否是决定性的。而对于超视距攻击而言,超机动所提供的优越的机头指向能力,对导弹锁定和攻击包线的扩展意义重大,在发现即击毁的现代空战中,谁能首先锁定目标就意味着空战的胜利,从这个意义上讲超机动不仅不是花拳绣腿,而是必杀秘籍,而俄罗斯人在超机动领域的技术优势,从某种意义上讲弥补了其五代机隐身技术上的不足。

俄罗斯人在矢量推力技术的探索中,没有因袭美国人的技术模式,他们独辟蹊径采用了喷口转向技术。这种技术的优势是不言而喻的,由于喷口转向矢量推力的方向性、控制力度和准确性,其矢量推力的效能比喷流舵面要高出很多,但喷口转向技术也有其复杂性,由于发动机矢量推力的控制效能太强,在与飞控系统的交联上,从软件设计的角度难度很大,其突出问题是稳定控制的难度,由发动机喷口转向所形成的操控力矩太大,很难通过舵面加以平衡,而由于控制失当而产生的角速度发散将是致命的,其产生的力矩和惯性耦合足以使一架飞机解体。俄罗斯人通过在苏-30、35、37和米格-29OVT等型号上的技术探索,已经积累了非常成熟的矢量推力技术,该技术在新版苏-35和T-50上的成功运用,所形成的机动性优势令人震惊。可以说世界上还没有第二个国家,能够像俄罗斯人一样如此熟练地掌握矢量推力与飞发一体化控制技术。

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117发动机的关节式矢量喷管是比较成熟的设计,但重量较大

俄罗斯五代机T-50除了矢量推力技术上的特色外,其气动外形设计方面也保持了苏霍伊公司的传统优势。与F-22战机隐身优先的理念不同,T-50所体现的是气动性能优先的设计理念,其从外形上看尽管为了体现隐身性,但基本设计依然延续了苏-27系列飞机的传统,其机身更薄,其翼载荷更小,其速度特性、机动特性一定会优于F-22。从隐身的角度看T-50在外形设计上似乎存在明显的缺憾,而一旦AL-41发动机的性能和可靠性达到设计指标,其超音速巡航能力应该不在话下。因此综合分析,从技术上看T-50与F-22各有千秋,各自体现了两国的技术优势。

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T-50沿用了苏-27的许多设计特点,稳妥有余而创新不足,所以隐身外形为人诟病

T-50何时列装

我认为,如果解决了AL-41发动机的技术问题,T-50列装的时间周期不是问题,尽管它的首飞才过去3年,但由于T-50在气动外形和飞控系统方面采用了大量的成熟技术,所要解决的是技术融合方面的问题,总的工程试飞周期5年完成是有可能的,也就是说,根据俄罗斯官方在2015年实现首装承诺,T-50可以按预期实现首装。

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第五架原型机T-50-5服役后,俄罗斯人正在加快PAK-FA的试飞进度

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翘首企盼T-50的还有印度


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我认为T-50未来最大的变数不是首装会拖延多久,而是这款飞机总的采购量到底有多少。如果T-50也想美国的F-22那样只有200~300架的采购规模,其成本将是俄罗斯难以承受的,尽管从92年以来俄罗斯军机的换代窗口一直冻结,随着老旧苏-27与米格-29的淘汰,T-50的采购规模应该不小,问题是俄罗斯不可能在未来全面装备隐身飞机,由于没有像F-35这样的高低搭配性战机,如果俄罗斯全面更换T-50形成未来的单机型大面积列装的局面,那将是灾难性的,因此,像苏-35这样的四代半战机也必将与T-50共同作战,而四代半战机的性能在三代机的基础上有了质的飞跃,其作战效能与五代机相比到底孰优孰劣还没有经过实战的检验。另外从俄罗斯的国力来看大面积装备T-50是难以承受的,如果没有外贸出口,T50要形成超过500架以上的生产数量是比较困难的。我们可以看到,随着中国五代机的迅速发展,中、美、俄三国竞争外来军机出口市场的格局以经初见端倪,T-50能否凭借其技术优势和适当的成本优势获得外贸上的成功,现在还难以预料。总之,T-50未来的命运还充满变数,而随着无人机、临近空间飞行器的飞速发展,五代机的军事运用空间到底有多大还是一个未知数。

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