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巴黎航展后的F-35:机动性相比三代机并无显著提高

2017-06-26 07:46:51

【文/ 观察者网专栏作者 晨枫】

F-35和F-22同为第四代(在美国称为第五代)战斗机。F-22在1997年9月7日首飞,2005年12月15日入役,2007年5月1日就进行了首次对公众的飞行表演。其出色的机动性、强劲的动力使人印象深刻。歼-20、T-50都是F-22的挑战者,但至今公众只看到不温不火的飞行通过,没有任何劲爆的表演。

F-35A在2006年12月15日首飞,2016年8月2日入役。但出于种种原因,直到2017年6月19日才作首次公开的飞行表演。作为21世纪最重要的战斗机之一,自然受到广泛关注。

无论如何,F-35A的推力还是很强大的(图片来自Business Insider)

6分23秒的飞行表演是洛克希德·马丁公司试飞员比利·弗林操刀的。表演后,洛克希德首席试飞员艾伦·诺曼做了4分钟的解说,并做了10分钟的问答。飞机公司试飞员在航展上对公众介绍并解答,这是以技术专家身份做促销。

这不是什么大逆不道的事,但弗林在表演前的介绍没有起到应有的效果,他关于F-35A具有独特的起飞后马上转入垂直爬升的能力的说法引起广泛惊诧;他说的表演将粉碎一切有关F-35机动性的质疑也没有兑现。难说诺曼的进一步解说是原计划的一部分,还是有亡羊补牢的意思。不过,不管怎么说,诺曼还是提供了一些有意思的细节。

F-35A的表演动作图

他说道,弗林起飞后,马上转入垂直爬升,特意用较慢的动作凸显气动控制的强大和发动机推力的强大。这是奇怪的说法,好比法拉利要证明动力的强劲,特意气定神闲地轰油门,不是一骑绝尘,而是慢慢压马路。这当然也是一种情怀,但肯定不是期盼看到劲爆表演的人们所期望的。

在问及弗林是否满油起飞的问题时,他回答道,弗林按照飞行表演的常规,携带了表演足够的燃油,再加着陆规定的余油,回避了是否满油起飞的问题,但暗示并不满油,也没有说明是半油还是1/3油。但他强调,弗林的起飞重量是按照战斗要求的,暗示携带了武器,但没有明确指出。

飞行表演中大量使用加力,很耗油。但要是F-35的战斗要求只包括6分钟的留空时间(尽管是使出浑身解数而不是悠哉悠哉的6分钟),这也太短了一点,只够保卫机场围墙,还得是对方撩一把就走的那种袭扰。

F-35A把F-35B用于安装升力风扇的空间改作额外的机内油箱,机内燃油量超常地大。因此,常有人质疑用正常起飞重量(包括100%机内燃油、飞行员、最低限度机载武器)计算推重比是否合理。但要是弗林是按半油起飞的,半油的作战半径和留空时间就几乎不存在了,用半油计算推重比没有意义。如果他是按1/3油起飞,那正常战斗状态时满油起飞的机动性就十分不堪了。

F-35A的最大航程超过了2200公里(图片来自洛马官网)

应该指出的是,F-35对机内余油的要求高于常规,这是因为机内燃油同时用作电子系统的冷却。因为隐身的要求,F-35的机体表面不宜开孔太多太大,这使得常规的空调进气和排气成了问题。复材蒙皮散热不好,连依靠机体表面散热都不行。发动机当然发热更大,但发动机的散热主要由喷气带出热量,与电子系统的散热是两回事。

热管理已经成为隐身飞机的重要设计问题,所以美国空军正在研究的三涵道发动机的第三涵道就有热管理的任务,但F-35无法得益于尚在预研中的三涵道发动机。幸好F-35有很大的机内燃油量,较冷的燃油可以用作热交换的冷源,F-35的地勤加油车也因此要求涂刷成白色,还要避免长时间露天停放,以避免高温暴晒使得燃油温度在加入飞机时就过高。

在理想情况下,电子系统的热量通过换热器传入燃油,燃油进入发动机燃烧做功,喷气形成推力,同时把热量带入环境大气。但发动机的燃油消耗是随飞行状态改变的,电子系统的发热量则不随飞行状态改变,所以直接与即将燃烧的燃油换热并不能保证稳定的除热,还是需要与油箱内的燃油换热补充,也就是需要两套换热系统。为了节约系统重量,就直接采用后一方法了。但这样也要求油箱内燃油温度相对稳定,只有依然有足够多的余油才能做到。

因此,F-35的最低机内燃油量实际上不仅取决于着陆规定的余油,也取决于冷却需要,据报道后者的需要量还大于前者。应该指出,冷却需要是针对主动电扫雷达等发热大户,而不是飞控计算机。单纯从飞行安全角度来说,冷却用油不是问题,即使机内燃油低于冷却需要的最低限度,飞行安全依然不是问题,只是雷达、数据链等工作会受到影响,严重时可能当机。

在问答中,没人问及弗林的最低燃油是按着陆规定还是按冷却要求,诺曼也没有提及。估计余油还是按照着陆要求,反正飞行表演根本不需要开启雷达和数据链。

AN/APG-81卓越的性能背后,是越来越大的散热压力

诺曼特意指出,最后的小直径盘旋有7g,这是3I版飞控的容许极限,到3F版就可以提高到9g。这里“I”指初始版(Initial),“F”指最终版(Final)。诺曼可能说的是实话,也可能不是。

当年美国在向伊朗巴列维国王演示F-14的时候,就悄悄在地面启动发动机空转,把燃油烧到勉强够飞行表演的数量,用作弊把推重比与同场表演的F-15拉平,然后做出一系列在战斗重量下不可能做出的超水平机动,看得巴列维的下巴直接摔碎在地上,当场拍板买80架。弗林用不着这样搏命,只要飞控工程师调整几个参数,放宽g限制,降低阻尼,就可以不动声色地开演了。这也不算多少作弊,毕竟3F是要达到9g的,现在只是调试没有完成而已。

但弗林不会有所保留,不会不把F-35的机动性最关键的部分和盘托出。航展给老百姓解闷提气,但这是第二目的。对珠海来说,第一目的是为国争光;对巴黎来说,第一目的就是做生意、拉订单,不赚足眼球这力气就白花了。保密也不是理由,F-35A已经卖给盟国,盟国也有自己的航展,也会卖力向自己的老百姓表演,以表明纳税人的钱用到刀刃上了。洛克希德让盟国的表演盖过自己的风头,这没有道理,也保不了密。

“阵风”在巴黎航展上展示出了丝毫不逊于F-35A的机动性,只有个别动作没有安排(图片来自防务新闻)

饶是如此,弗林手下的F-35A在爬升、横滚、盘旋等基本动作中没有表现出显著优于第三代战斗机的性能。相反,紧随其后的法国“阵风”展现了更加凌厉的基本机动性。F-35A将在巴黎表演,法国人没有理由不使出120%的力气展现“阵风”的性能。

不过弗林的”落叶飘”机动是“阵风”的动作套路中没有的。这是垂直爬升后转入小直径筋斗,改出时用蹬舵使得飞机在掉落中进入过失速但可控的平螺旋,180度后改出,恢复正常飞行。诺曼说,”落叶飘”可以左转或者右转,飞行员可以在任何时候改出,不一定要等到完成180度,但这是第四代战斗机的代表性动作,只有F-22和F-35能做到。可巧,这两架都是洛克希德的战斗机,诺曼这么给第四代战斗机的代表性动作下定义有点自卖自夸,但“落叶飘”把人们的眼光重又拉到过失速机动上来了。

自从普加乔夫“眼镜蛇”和阔恰“钟摆”之后,过失速机动似乎成为俄罗斯战斗机的招牌动作。F-22在美国战斗机中首次展现了过失速能力,F-35则是第一架没有推力转向而具有显著的过失速能力的美国战斗机。过失速指速度过低、迎角过大的超常状态,此时机翼不再产生升力,襟翼、副翼、平尾、垂尾等气动控制面的控制效率也急剧降低。推力转向能重建一定的控制能力,但无推力转向的战斗机能有效、可控地做过失速机动动作是气动和飞控设计强悍的标志,也显示出发动机对进气畸变的宽容。

传统上,美国战斗机较少重视过失速,苏联也未必是刻意追求,反而是在极限测试中偶然发现的。作为航展噱头,“眼镜蛇”和“钟摆”赚足了眼球,但战术价值一直受到质疑。

过失速不仅意味着丧失能量,更意味着机翼丧失升力,因此所有过失速机动都是在不同程度的“挣扎”中完成的。这是高度不稳定的过渡过程,打开武器舱门、发射武器引入额外的不利扰动,可能进一步加深失控状态,危及飞行安全。这好比悬崖飚车,在四轮漂移的同时,还要开窗、探头、拔枪射击。作为电影镜头,这很好看;对于最高超的试飞员,这甚至可能做到,但也是在没有敌人导弹瞄准的情况下,而且要装上阻力伞那样的额外安全措施,避免不可收拾的失控。但作为典型战术动作,这是不现实的期望。

英国皇家空军想象中的VIFFing机动实战,至今还处于想象中

事实上,英国皇家空军在70年代对类似的问题早就悄悄做出结论。BAe早就鼓吹“鹞”式可以用非常规机动在空战格斗中占优。“鹞”式的推力转向本来是垂直起落用的,但可以在空空悬停、转向、抬头、低头等,还能在这些状态下发射翼下的“响尾蛇”空空导弹。这种机动成为“前飞中的推力转向”(简称VIFFing)。

为了验证VIFFing概念,皇家空军用一架老式的“猎人”战斗机与一架“鹞”式作空战格斗验证飞行,结果“猎人”不与“鹞”式缠斗,而是高速掠飞后,在爬升中滚转,然后俯冲,把还在VIFFing中手忙脚乱的“鹞”式当作固定目标打,一而再,再而三,打得“鹞”式没了脾气。

这还是在红外制导空空导弹必须抢占6点钟位置才能发射的时代,但BAe和皇家空军很不满意,换人再上。第二个飞行员“奉旨落败”,皆大欢喜,于是VIFFing的神话作为“鹞”式的促销得以流传,甚至有说法成为马岛战争中的得胜法宝,尽管实战中并没有这样的记录。

大离轴角空空导弹的出现,深深的改变了格斗空战的意识形态(图片来自KGyST)

时至今日,战斗机不再需要抢占对方的6点钟才能射击,也不再可能单纯依靠机动性而甩掉追踪而来的导弹。但机动性依然是增加自身逃逸区和对敌必杀区的有效途径。机动大体可分为角度机动和能量机动,角度机动以抢占机头指向为优先,能量机动以抢占高能量位置和姿态为优先,但两者不必互相排斥,最终目的首先都是把敌机置于武器的有效射界之内,次要目标是保持有利的再战态势。

过失速机动以巨大的能量损失为代价,换取极端的飞行姿态和飞机指向,这肯定不符合能量机动原则,但貌似符合角度机动原则。然而,过失速机动在实际上既不能可靠形成射击条件,又因为丢失能量而实际上增加了对方的必杀区,这正是在“眼镜蛇”和“钟摆”时代人们质疑过失速机动动作战术价值的基本原因。

“落叶飘”不同于“眼镜蛇”和“钟摆”,那是不是意味着人们对过失速机动战术价值要重新考虑呢?即使不推广到一般结论,就具体的“落叶飘”而言,这从减速的垂直爬升开始,拉一个小半径筋斗后,在低速飘落中蹬舵、慢速转向。从拉起开始,整个动作完成需要约20秒的时间,扣除爬升约5秒,小筋斗约5秒,半圈“落叶飘”也需要约10秒。

由于可以左转或者右转,在理论上,飞机可以在转完半圈之前,就可以在水平方向上锁定敌机方向。但在这样的状态下,至今没有证据表明F-35A可以打开机内武器舱门,投放武器,并且发射,而不导致失控。也没有证据表明,在过失速状态下,机内武器可以靠投放来实现可靠分离。

在本质上,“落叶飘”只是可控的失速尾旋

如果不在过失速状态下直接射击,而是作为有利追击位置,在这样接近静止的速度下,改出、加速、追击需要时间。如果对手没有愚蠢到减速直线逃离,而是加速转弯爬升,能否重新咬上是个大问题。

更大的问题在于做“落叶飘”之前和期间。不管对方处在尾追还是迎面对飞状态,“落叶飘”的意图是迫使对方冲过头,陷入被动。但现代空空导弹已经不需要从6点钟位置发射,在F-35主动丢失能量、准备“落叶飘”的时候,任何有点脑子的对手都会抓住这10-20秒的机会抢先发射空空导弹,在最低能量状态下的F-35除了主被动电子和红外对抗,几乎没有任何还手的余地,这是很被动的状态。即使对方冲过了头,现代空空导弹也有越肩发射的能力,不一定能打中F-35,但可以给在从过失速机动中恢复的F-35添乱,增加自己的逃逸机会。

这还是一对一的情况。如果附近还有其他敌机,面对这样事实上“凝固”在空中的目标,谁都会有难以抑制的顺手牵羊的冲动。

诺曼说道,所有F-35(应该包括A/B/C型)飞行员都受过“落叶飘”的训练,在职业生涯中都有过一两次“落叶飘”的经验。换句话说,这不是典型战术机动,依然是作为意外失控对待的。平螺旋是危险的状态,F-35是单发的,又没有推力转向,能改出平螺旋殊为不易,专门训练是必须的。在另一段洛克希德的宣传视频中,另一个试飞员提到,“落叶飘”可以手动或者自动改出,后者是按一个按钮的事。这也从侧面证明了“落叶飘”属于可以改出的意外状态,而不是有意进入的战术动作。

在更一般的层面上,速度和升力是飞机的生命,这就决定了以丢失速度和升力为代价的过失速机动很难成为战术机动的主流。高推重比发动机和推力转向使得情况有所不同,但依然不能在根本上解决速度和升力的问题,在可预见的将来,以气动升力为基础的常规机动依然是主流。

F-35系列的平均故障间隔飞行小时,虚线为计划值,实线是迄今为止的运作数据(图片来自GAO)

弗林的卖力表演并没有达到一锤定音的效果,但F-35的运气在悄悄地扭转。不管F-35有多少不足,这是最新一代战斗机,采用了各种最新技术,更代表政治正确。第三代战斗机升级后,在很多方面可以达到F-35的水平,但在隐身、可保障性、面向未来的系统(包括软件)架构方面,F-35拥有先天的优势。

F-35确实有很多问题,否则也不会有那么多争议。但这些问题未必是洛克希德无能的表现,很多来自设计定位的问题,其他则来自对技术边界合理拓展的困难的低估。F-35最大的问题在于成本。购置成本太高,使用成本也高。但随着生产逐渐走上正轨,使用渐入佳境,成本在逐步下降,现在已经降低到与F-18E相当的地步。

F-18E的购置和使用成本在几年前还显著更低,近些年生产接近尾声,产量下降,但各种升级接踵而来,对F-35的成本优势已经消失,这对F-18E的销售前景是很不利的。F-35在2020年左右有可能达到8000-8500万美元的离地单价低位,“成本优势”可能在未来10年里对西方战斗机军购产生扭转性的影响。

战争是政治的延伸,军购更是政治的延伸,F-35的军购从来就充满了政治。

美国方面不说了,盟国中,日本需要F-35以壮胆,“我们也有隐身战斗机了”;韩国需要F-35与日本“别苗头”,“说什么也不能落在日本后面”;以色列需要F-35“表忠心”,美国出钱还不捧F-35就变成政治不正确了;丹麦、挪威需要F-35以帮助本国军工产品,通过与F-35的整合搭上西方军购市场的便车;英国、意大利则需要F-35装备小甲板航母,这是“鹞”式之后的唯一选择。

就连曾经倾向于F-18E的加拿大也可能转向F-35,既因为波音-庞巴迪官司使得波音成为加拿大的人民公敌,也因为F-35在悄悄成为成本和“防过时性”上更有竞争力的选择。

F-35系列计划年度采购数量 (圆圈) 和项目支出 (单位:10亿美元),深蓝色为 F-35A,浅蓝色代表 F-35B 与 F-35C(图片来自GAO)

F-35的时来运转也因为西方世界实际上别无选择。基本技术略显老旧但价格更高的欧洲“两风”很难竞争,价格不再显著更低而基本技术更加老旧的F-18E也越来越竞争乏力。但F-35的价格不会一路走低,可能会很快达到低谷,然后随后续升级(包括各种软件升级)而稳步走高,涨幅可能显著超过通胀。3F实际上是真正具有完整初始作战能力的软件版本,4I、4F已经在进行中了。

F-35是高度软件化的战斗机,一方面提供不断整合新的机载武器与系统功能的环境,另一方面迫使用户面临频繁的软件升级。由于网络化、全球化的运作支持模式,过度落后的版本可能不再支持,因此升级可能实际上不是选项问题,而是强制性的。这些将从购置与维护成本中体现出来。

在硬件方面,普拉特-惠特尼也在推出F135发动机升级路线,号称将在增加推力的同时保持不涨价(实际上是不在通胀和“通常”涨价之外的另外涨价),真能做到的话将是业界例外。一些在初始研发期间因为技术风险而被迫放弃的系统也可能回来,比如全规格头盔显示系统。这些也将导致成本攀升。

这些还是在现有路线图上的升级。在F-35真正进入高速生产的2020年左右,歼-20可能也开始批量服役了。歼-20的图片广为流传,确切技术数据依然鲜见,但对F-22的针对性毋庸置疑。歼-20将对F-35构成严峻的挑战。不管F-35有什么问题,这是西方世界在未来至少20年里唯一的量产第四代战斗机。F-22的性能更加先进,但数量太少,所以F-35在事实上成为西方世界的主力战斗机,因此必将迎来各种深度升级,甚至可能包括推力转向,这将进一步增加涨价压力。

但就生产数量而言,F-35也将是西方未来20-30年里最成功的战斗机。对此,支持者不必雀跃,反对者也不必蹉跎。F-35不是宗教,既没有必要誓死捍卫,也没有必要舍命格杀。这只是一架战斗机。刘阿斗最终还是当上蜀国皇帝,原因无他,他是刘备的儿子。历史上的刘备还有其他两个儿子,但现实中的西方航空世界里,刘备没有其他儿子了。

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晨枫

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来源:观察者网 | 责任编辑:王煜
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