解析波音F-15SE准隐身战机

F-15是第一种完全按照空优思想发展出来的第三代战斗机,这种已服役三十余年的战斗机,在当今国际战斗机市场仍然显得生气勃勃。

F-15是世界上第一种完全按照空中优势思想发展出来的第三代战斗机,该机家族服役后的各个型号在战争中展现了优异的飞行性能和强大的战斗力。这种至今已经服役三十余年的双发重型战斗机,在当今国际战斗机市场的激烈竞争中仍然显得生气勃勃。

美国波音公司在2009年3月17日公开展示了F-15最新改型样机,称为F-15SE“沉默鹰”。这个机型宣称采用低信号特征的隐身技术,并且在展示样机上公开了各挂1枚AIM-120C的内部弹舱设计。波音推出“沉默鹰”项目主要是利用F-15原有的良好设计基础,采用四代机所验证过的现代化低信号特征技术进行改进,以比较低的投入使该机具备更低的信号特征和更强的战场生存能力。波音在合并麦道之后,获得了后者军用飞机产品的丰厚馈赠,尤其是F/A-18和F-15这两个成功的战机家族。波音近年来在军用航空市场上非常重视F-15E改型多用途战斗机的开发,先后成功向韩国和新加坡出口F-15K和F-15SG这两个型号,证明F-15这个“老兵”在重型战斗机市场上雄风尤在。长期在民用航空市场的拼杀,使波音公司非常擅长产品的市场开发。波音对航空产品的包装、宣传和推广工作有着丰富的经验,这些经验对军用航空产品的开发和销售同样起到了积极的作用。

波音在合并麦道之前参与的几次美国空军战斗机竞争中全部失败,即使是兼并麦道之后参与的新一代军机项目,也屡挫于庞大的洛·马之手。因此,在当前波音军机部门的一系列产品中,F/A-18E/F和F-15E都没有足以在新型战斗机竞争中取胜的吸引力,其致命缺陷之一就是隐身性能严重不足。而F-15SE的出现,就是波音为适应国际先进战斗机市场上对战机隐身要求的产物,这个型号的开发使F-15这种中规中矩的三代机披上了“隐身”的外衣。该机的出现无论是概念炒作也好,认真也罢,都使搭上隐身“末班车”的F-15在技术水平上提高了一个层次。

设计思想和技术手段解析

现代隐身作战飞机的结构设计上最有代表性的特点就是内部弹舱的使用,没有这个设计的新型战斗机只能称为部分隐身设计。F-15SE的机体气动和结构设计仍然保持了与基本型F-15E相当的状态,按照波音公司公开样机所采用的技术标准来看,该机在改进设计中实现低信号特征的途径也是增加内部弹舱,就是利用安装在飞机进气道外侧的保形油箱的空间,在其侧面和下方各设置一个带舱门和折叠挂架的内部弹舱。F-15SE样机展示中的保形油箱弹舱各挂载1枚AIM-120C空空导弹。按照弹舱的尺寸和外挂物随舱门打开的挂载形式来分析,F-15SE的弹舱能够通用AIM-120和AIM-9两个型号的导弹。F-15SE弹舱在技术上要比F-22中距和格斗导弹需要使用的专用弹舱更先进,在挂载灵活性和武器通用性上也比后者机身侧面弹舱更加 合理。

F-15SE样机的技术改进主要集中在降低机体的雷达反射截面上,其使用的应该是已经完成生产和交付的成品机体及动力系统。“沉默鹰”在改进过程中采用的都是比较成熟的技术手段,AESA机载雷达和数据链、电子战等系统都可以采用现有产品,属于利用新技术对现役作战飞机进行小步快跑的改进典型。F-15SE在结构和气动设计上与F-15E的最大差异,就是略为外倾的垂直安定面(目测倾角约12°~15°)。相对于F-15E原本垂直于机体并互相平行的垂尾设计,F-15SE的垂直安定面由垂直的基面和外倾的上部组成立置鸥式翼面。F-15SE安装的这种中间带有折角的垂直安定面,在结构设计上很不合理。但是考虑到现在展示的F-15SE样机只是初步的方案演示机,垂直安定面结构也许只是简单的在垂尾基座上安装倾斜外翼的演示,正式进入工程开发的型号估计将采用类似F/A-18的整体式外倾垂尾结构。

解析波音F-15SE准隐身战机

F-15SE体积巨大的保型油箱

F-15SE设置内部弹舱的保形油箱体积和容积都非常可观,可以装载1枚空空导弹或454公斤的JDAM制导炸弹,或采用串联挂架挂载2枚SDB小直径炸弹。如果按照F-15SE样机有效载荷的尺寸去对比保形油箱的尺寸,可以发现其保形油箱侧面可设置弹舱的空间远比样机要大。F-15SE没有设置过大的内部弹舱的原因并不应该是技术上的问题,更多的考虑可能是为了保持F-15E原保形油箱的外挂载荷。F-15E每侧保形油箱的下方和侧下方都设置有两列串联挂点,现在改装过的保形油箱下方挂架位置已经被弹舱占据,如果加大侧弹舱的尺寸,则原本斜下方的挂架也会被弹舱所占用,为了增加2个内挂点而损失掉6个外挂点并不算是个好主意。

F-15的基本设计并没有考虑到实现飞机雷达隐身的结构要求,单纯只增加内部弹舱并不具备使F-15SE成为隐身战斗机的条件,这就必须在机体上同时应用低信号措施进行隐身设计的整体综合。F-15E正面最主要的雷达反射源,就是进气道和暴露的发动机风扇叶片。翼面和进气道唇口可以通过吸波涂料或结构修形来降低雷达反射强度,对发动机风扇则可以通过在进气道喉管内加装屏蔽板或网来解决。发动机风扇前方设置屏蔽板或网后可能降低发动机推力2%~3%,并会对发动机的部分工作状态产生限制。但是,由此产生的收益足以弥补推力损失可能造成的影响。发动机风扇前增加屏蔽可以在远距离作战时降低雷达信号强度,当飞机进入近距离格斗时,可以折叠板/网设备以改善动力性能,在不采用S形进气道结构的情况下最大程度削弱飞机迎头雷达反射面积(RCS)值。F-15C/E采用低信号措施进行改造后的RCS值可以得到大幅度下降,现有技术标准下无外挂的正面雷达反射面积有可能降低到1~2平方米。这个RCS标准实际上已经能够在复杂电子作战环境下有效保护自己。

隐身状态下有效载荷受限的F-15SE只能在战争初期起到“撞门锤”的作用,真正体现其多用途打击能力则仍需依靠外挂武器来实现,这个战术观念也在该机的技术细节上得到了体现——其实现隐身能力是依靠模块化附加结构,并没有对机体结构大动刀斧。波音已经利用F-15I/K/SG的出口在国际市场上获得了丰厚的回报,F-15SE的出现不但可以进一步提高F-15家族在国际市场上的地位,还能满足美国空军对战术飞机的基本要求。F-15SE样机虽然在用途和结构上采用出口型F-15E的基本设计,但是这种改进模式同样适用于美国空军的F-15C空中优势战斗机。以空战为主要任务的F-15C可以进一步增大弹舱空间,其隐身状态下的武器挂载能力甚至有可能接近F-22的水平。美国空军在开始建立全隐身战斗机部队但是又无法大量采购F-22时,投入低并可以在现役机型改进上实现隐身要求的F-15SE将很有吸引力。

F-15SE的设计思想就是高可靠性、高成熟性并在经济上可承受重型隐身战斗机,飞机本身的结构改动量很少并有较强的使用灵活性,在提高低信号特征的同时并没有削弱常规外挂条件,既可以生产销售全新制造的飞机,又能够对现役飞机进行改进。当然,F-15SE的设计目标只是低信号特征的准隐身设计,在整体上与F-22/35的隐身设计水平之间存在非常明显的差距。F-15SE可以被看成是波音公司利用F-15搞出的“山寨版F-22”,在隐身能力和战斗力水平上远不能和F-22相比。但是,具备隐身设计基本要素的F-15SE,其优势在于应用技术不敏感,不存在像F-22那样因担心泄露技术秘密而难以出口的问题。

技术标准和战斗力水平推测

解析波音F-15SE准隐身战机

老式F-15外挂武器非常容易反射雷达波

F-15SG保形油箱下挂点通常串列挂载2枚AIM-120导弹,而改进后的F-15SE虽然只能在同样位置挂1枚AIM-120,但在侧面增加的弹舱对于基本空空导弹挂载数量并无影响。同样挂载4枚AIM-120C,F-15SE可消除导弹和挂架产生的阻力,在执行超视距攻击任务时的飞行性能要比F-15SG有明显改善。F-15SE在改进设计时并没有削弱其多用途作战的载荷条件,能够用弹舱取代保形油箱下的挂架得益于精确制导弹药小型化的进步。正是因为SDB这类小体积精确制导弹药的装备,F-15SE打击同样数量目标时占用的挂架数量比使用JDAM时更少。F-15SE计划装备的AN/APG-66V3主动相控阵机载雷达可以同时满足探测与突防导航的多功能要求,GPS/INS制导弹药也不再需要辅助的瞄准/照射设备。

F-15SE采用改装保形油箱作为内部弹舱的结构方法有利于提高飞机的灵活性,执行国土防空等不需要隐身能力的任务时可以不挂保形油箱,执行有护航的远程攻击任务时可使用带挂架的常规保形油箱,只有在执行空中优势或有隐身需要的任务时才选挂新型保形弹舱,用标准的机体进行组合后就可以实现不同任务条件下的不同隐身性能要求。F-15SE增加弹舱的改进措施使其在装备上具备非常强的实用性和隐蔽性,采购该机的国家完全可以分开采购飞机和保形弹舱,其他国家很难弄清楚面对的是F-15E还是隐身化改造后的F-15SE。F-15SE的弹舱油箱虽然还能够保留一定的空间用来装载燃料,采用改装内部弹舱的保形油箱还会降低载油量和作战半径,只是内部弹舱载荷降低的阻力却可以部分弥补燃料削减的影响。F-15SG带常规保形油箱并外挂4枚AIM-120C与挂弹舱内置4枚AIM-120C的F-15SE,在同样载荷和机体情况下的实用航程差异几乎可以忽略不计。何况作为远航程重型战斗机设计的F-15本身对燃料的影响就不算敏感,即使是需要远航任务时也可以利用空中加油来满足航程要求,毕竟能够买得起这种重型战机的国家不会在乎搭配着买几架加油机。

F-15SE按照多用途战斗机标准展出的样机表现出波音对该机型的定位。按照公开消息估计,F-15SE应该采用与F-15SG类似的AN/APG-63V3雷达、F100-PW-229或F110-GE-129发动机、JHMCS头盔显示系统、Link-16数据链和综合电子对抗系统,综合战斗力将达到目前世界上同类多用途战斗机的最高水平。F-15SE将先进航电和武器系统与隐身技术有效综合后,在对空作战和对地攻击任务中都可以获得非常可观的战斗力收益,即使俄罗斯最新的苏-35BM也难以在正面对抗中与之相抗衡。

解析波音F-15SE准隐身战机

F-15SE还可以在美国空军装备体系中作为F-22的低成本补充型号,在国际市场上也可以抓住重型隐身战斗机需求和F-22难以出口的机会,实现在综合战斗力上压制除四代机外全部战斗机的目标。波音开发F-15SE很有可能打开美国空军对现役F-15E进行改装的市场,有助于用低成本实现美国空军计划中的全隐身战斗机队的设想。F-15E隐身型在突防和超视距空战中都能够全面压倒可能遭遇的对手,降低美国空军装备的F-22在未来作战中对F-15E机队的护航要求。在出口市场上,波音公司想要大规模出口F-15SE的可能性并不算大,但是对目前已经(或即将)交付的F-15I/K/SG等较新型号的改进却很有吸引力。已采购F-15各型号的国家可以投资改装服役中的F-15,或者在F-22无法出口时为市场提供一种性能最接近的“山寨机”,理想状态下可以用F-15SE满足旧机改装和新机采购两个范围的需要。

“鹰”对“侧卫”的启示

苏-35BM是俄罗斯采用先进技术发展的苏-27SK最新改进型,该机在设计思想上相比早期苏-35的调整幅度不大,仍然是改进雷达航电和武器系统的传统方式。苏-35BM的战斗力虽然相比早期的苏-27SK有明显提高,但是在隐身技术上所采用的措施仍然没有超过三代机的标准。苏-35BM在平台本身的技术水平上并没有真正达到三代半的标准,但是全新的电子作战系统和增推后的发动机使其具备与三代半对抗的能力,俄罗斯在宣传该机的时候也称其为4++代战斗机。苏-35BM和其他国家开发的类似改进型对隐身性能的考虑不多,如果在四代机完成前对苏-35BM和苏-27SK提出更高的隐身要求,则F-15SE的改进模式也许会对其有所帮助。

如果要按照F-15SE的技术实现途径加强苏-27SK的隐身能力,根据技术实现的难度和成本,可以按从易到难的顺序提出三个方案。最容易的方案就是利用苏-27SK进气道之间的低压低阻区,通过在机腹增加保形转接平台将空空导弹进行半埋挂载,类似AIM-120的空空导弹可以采用并列两枚弹翼交错方式串列挂载4枚。半埋挂载的空空导弹虽然仍有部分弹体暴露在机体外,却可以明显降低外挂阻力,苏-27SK本身就低垂的机头部分还可以在正迎头方向对导弹进行遮蔽。这个方案技术上难度很小,也不需要修改机体结构,但是只能挂载弹射离机的雷达制导导弹,在不用转接梁的情况下还缺乏外挂载荷的灵活性。格斗空空导弹仍然需要利用机翼外挂架挂载,削弱了该方案的隐身能力,在整体隐身性能上只能达到三代半战斗机的平均水平。

难度中等的方法则是在进气道间采用带活动舱门的弹舱容纳导弹,这样就可以保证挂载的导弹完全隐蔽,其增加的阻力仍然处在可接受的范围之内。该方案存在的问题主要是苏-27SK的主起落架和起落架舱紧贴进气道外侧,因此机身上几乎找不到可以设置格斗弹舱的有利位置,只有进气道下方辅助进气口位置可设置机身格斗弹舱。但是,这个位置设置弹舱对飞机性能影响大且导弹视界不良,并不适合用来加装弹舱。中等难度方案如果不能有效解决在机上适当位置设置格斗弹弹舱的问题,那么该方案在技术上仍然难以达到与F-15SE相当的标准,相比低技术难度方案所获得的隐身性能改进也非常有限。这两个方案虽然在中距空空导弹的挂载条件上基本能够和F-15SE相当,但是在结构上仍然难以解决弹舱通用雷达空空导弹和红外格斗空空导弹的要求。

解析波音F-15SE准隐身战机

苏-35BM从外形上看基本还是把隐身能力考量作为次要了

高难度的改造方式则是彻底抛弃苏-27SK的原始设计,修形成菱形的机头位置下移到与F-15类似的两侧进气道之间,将其原有的机腹进气布局调整为类似F-22的两侧进气布局,将原本进气道之间的下方空间作为机身固定的内部弹舱,上部剩余空间可作为油箱以补偿中央翼油箱降低的载油量。进气道可以根据前机身的变化调整为向外侧倾斜的CARET结构,并采用菱形机翼调整焦点位置。飞机气动布局变化造成的重心调整还有条件将主起落架后移,方便在进气道S型管道前方外侧空出的位置设置格斗弹舱。经过这样方式改进的苏-27SK事实上等于全新设计,成为与PAK-AF类似的气动布局,完全失去了利用现有飞机基本结构进行改装的成本和可靠性优势。通过以上各种苏-27SK隐身化改进的方法和难度的比较可以看出,如果要将苏-27SK改成F-15SE那样的隐身条件,至少在技术上更加困难,而且需要投入很大的资金。

“沉默”背后的喧嚣

解析波音F-15SE准隐身战机

F/A-18E/F的所谓隐身能力只是针对飞机本身,不能现象它在挂了这些弹药后的隐身能力

波音曾经号称F/A-18/E/F是隐身性能接近F-35的准隐身多用途战斗机,俄罗斯技术人员也宣称将苏-35的雷达反射面积降低到1平方米的标准。但是,F/A-18E/F和苏-35的所谓隐身能力只是针对飞机本身,战斗状态下的外挂载荷和挂架都会成为破坏隐身条件的祸根。F-15SE机体可以采用与F/A-18E/F类似的吸波涂料、屏蔽和修形措施,内部弹舱的存在又使其在战斗状态下仍然可以保持低RCS的标准,其在低信号特征应用技术上的水平相比其他类似机型的进步是革命性的。波音公司宣称F-15SE的隐身性能可以达到F-35标准的说法确实有些匪夷所思,考虑到前者只是在现役三代机基础上进行改进和修形的产物,如此措施就能够达到后者的隐身标准,实在缺乏足够的技术上的依据。

麦道在被波音兼并前就曾经开展过F-15和F/A-18隐身改进的工作,参与JSF项目投标的工程开发也积累了较多的技术经验。F/A-18E/F的开发检验了将常规布局改进为准隐身布局的实力,多个无人机项目也实现了对全面隐身设计飞行器的工程发展。因此,波音军机科研系统目前在飞机隐身项目上的技术积累和实践经验都已相当成熟。F-15SE利用保形油箱进行隐身改进是一个适当且科学的思路。从展示样机上简单的弹舱和折叠导弹挂架的结构,以及从飞机结构设计上看起来很奇怪的那对外倾鸥形垂尾看,F-15SE展示样机在结构上并不属于真正意义上的原型机,其更大的可能是单纯用于技术实现途径的演示验证机。

“沉默鹰”样机目前状态看起来虽然有很多缺陷甚至是互相矛盾的问题,但是如果有用户(美国空军或其他国家)需要获得隐身性能更为完善的F-15SE,那么在采用内部弹舱和进气道屏蔽等技术措施的基础上,利用四代机的技术成果对气动外形进行适度调整是完全可行的。比如,使用AESA雷达的F-15SE完全可以根据隐身设计的要求修改前机身的外形。F-15SE如果用类似F-22的机头和进气道唇口设计对相应位置进行修改,同时对翼面和控制面进行必要的修形并采用F-35的喷管结构,那么该机在低信号特征上完全可以达到非常接近F-35的标准,甚至在应用技术和综合战斗力上达到准四代战斗机的水平。而实现这个设想所需要的条件,仅仅是确定的用户和必要的资金。

F-15SE使用保形油箱弹舱(也包括其他使用保形油箱的其他F-15型号)后会增加飞机的阻力,必须获得更为充沛的动力系统才可以维持飞行性能的基本标准。不过,目前世界上确实只有美国不需要担心飞机推力不足的问题。也正是因为对航空动力有足够的信心,才使F-15在三代机中首先应用保形油箱,其他三代机直到强化多用途能力并改善动力性能后才陆续跟风,可见没有充分的动力基础则保形油箱就缺乏成功应用的实际价值。F-15SE相对其他型号的技术优势,就是其隐身改进不需要改动基本结构,用于改装的保形油箱本身就有足够空间并具备武器挂载/投放能力。这样就可以根据用户的需求进行组合调整,实现从准隐身布局到接近完全隐身设计之间的多种选择。该方案如成功,则可以在F-15C/J/E/I/K/SG改装或SE生产上捞足利益;即使该方案不幸失败,也仅是损失了投入有限的一个创意而已。

现役三代和三代半战斗机的设计开始时间大都在上世纪70~80年代,当时战斗机在结构和气动设计上并没有强调隐身这个概念,因此其设计都是按照突出气动性能为基础,尤其是空中优势战斗机大推重比和高加速性指标对设计的影响,导致这个期间设计的战斗机在结构方面非常精致甚至堪称完美。国外三代半战斗机中,即使是F/A-18E/F和EF2000这样的机型,在隐身设计上都无法避免外挂物和挂架对整体RCS的影响,即便使用半埋外挂方式,仍然是战斗机实现隐身设计的“阿基里斯之踵”。

解析波音F-15SE准隐身战机

F-16的背负式保型油箱

国外三代/三代半战斗机气动优先的设计要求导致其改进潜力虽然很大,但是在隐身性能上的改进却要受到基础气动和结构设计的严格限制。比如,虽然F-16、“阵风”、EF2000都能够采用保形油箱,但是这些飞机背负式保形油箱的结构特点并不适合改造为弹舱,外挂物上涂吸波材料或茧式包裹等方法也都存在体积和成本问题。虽然这些机型都可以采用座舱金属镀膜、吸波涂料、结构修形和进气道屏蔽等措施,但目前仍然只有刚刚出现的F-15SE能够设置具有实用价值的内部弹舱。这种设计思路得益于F-15系列战机特殊的保形油箱安装方式,该方式因为其结构特点无法复制,所以很难在其他机型上采用。由此可见,美国航空技术机构已经完全越过了隐身技术从探索到应用的这个关口,在航空隐身技术的开发和实际工程应用上已近随心所欲的程度。

F-15SE样机的推出,证明第三代战斗机在性能拓展和改进上仍有潜力可挖。如果可以按照装备的技术条件进行适当的改进和调整,那么很多看起来已经显得过时的装备很可能再度展现出其优秀一面。F-15E系列机型是目前综合战斗力最强的多用途战斗机,F-15SE的出现又使本来就爪尖喙利的“鹰”披上了隐身的外衣。虽然复制F-15SE隐身设计方法对其他三代机缺乏工程上的操作性,但却有利于开阔设计人员的眼界和调整思维方式,有助于在现役机型的改进设计中采用更为灵活有效的方法,更用事实证明了只有大量实践积累才能扎实推进航空技术的发展

猜你感兴趣

更多 >>

评论

评 论

更多精彩内容

热门图集