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晨枫:米格29综合症

2018-02-11 15:00:33

【文/观察者网专栏作者 晨枫

近来,关于中国第二种四代战斗机的讨论再度热烈。中国的第二种四代战斗机只能是中型,但中型战斗机必须注意避免米格-29综合症。决不能沦为单纯的防御型战斗机。

一言难尽的米格-29

米格-29是苏联时代战斗机高低搭配中的低端。这是一架单座、双发、双垂尾的中型战斗机,在外观上和高端的苏-27很相像,也具有低翼载、高推重比和翼身融合体等典型的第三代战斗机的特征。在苏联的改革和新思维时代,米格-29首先冲出铁幕,以出色的机动性和现代化的外观震撼了西方军界政界和一般公众。

米格-29不仅好看,也是中用的。东西德统一后,北约空军马上用前东德的米格-29和受到苏联训练的前东德飞行员进行高强度战术对抗,从各方面评估米格-29的技术性能和战术潜力。米格-29的机动性、大离轴近程空空导弹、头盔瞄准具和红外光电探测系统的组合屡屡把北约F-16打得满地找牙,常常要在几次“被击落”后离场“复活”后回来才能找回场子。

东德空军遗留的米格-29和高水平飞行员让西方世界见识到了米格-29的强大战斗力,也为日后在战争中对抗这种机型积累了丰富的经验

米格-29先于苏-27装备苏联空军,苏联解体时,已经装备了近千架。在苏联时代和后冷战时代前期,米格-29在外销方面也取得了不错的成绩。除了华约盟国外,印度、古巴、朝鲜、伊拉克、马来西亚、阿尔及利亚等国也装备了米格-29。

米格-29与苏-27的高低搭配理念与美国空军不同。如果说F-15代表全能的高端战斗力,而F-16除了在高度优化的空战格斗方面,在视距外空战能力上只是F-15的低端补充(早期则根本没有)的话,那米格-29与苏-27的空战能力并没有这样大的差别。米格-29的雷达具有下视下射能力,能够制导的空空导弹与苏-27相同,只是在探测距离和可同时交战的目标数量上有所下降。两者在初期都只有有限的对地攻击能力。

尽管只有传统的液压操纵系统,米格-29的机动性也很强悍,空空武器的携带量也并不显著弱于苏-27。但米格-29的航程和留空时间大大低于苏-27。在作战使用上,苏-27负责外线防空和攻势制空,米格-29则负责内线防空,其较小的航程和留空时间也因此只有有限的对地攻击潜力。后期米格-29通过取消进气口防异物格栅和增加机脊油箱,增加了航程和留空时间,但依然难以在本质摆脱“世界上最优秀的机场围墙警卫战斗机”的名声。

米格-29的优劣成败一言难尽。米格-29的设计定位是由苏联的防空主导的空军思想决定的。苏联空军的主要作用是保障地面力量的作战行动,而不过于强调作为独立作战方向的作用。这样的空军思想的形成有其历史原因和现实考虑。

从满足设计要求来说,米格-29无疑是成功的。但米格-29又不成功,原因在于设计定位导致的天生局限。这是等别人打上门来的“纯防御”战斗机。在足球界里有一句话:永远不可能单靠守门员赢得一场球赛,不管这守门员有多优秀。空中战争的道理是一样的。不仅进攻是最好的防御,制胜根本来自于进攻。空中的进攻不仅需要强悍的战斗力,还需要很大的航程和留空时间。

另一方面,这样的设计定位也是没有办法的办法。与美国空军过早步入超视距时代而忽视机动性和格斗能力相反,苏联空军不乏轻巧灵活的战斗机,但超视距空战能力很缺乏。从苏联空军的经验和研究判断,未来空战需要平衡的超视距和格斗能力,而不能片面强调格斗能力。因此,米格-29需要较大较重的雷达,在正常出击中不仅需要挂载用于格斗空战的近程空空导弹,还需要挂载用于超视距空战的中程空空导弹,这样,武器系统的重量就大体确定了。

战斗机的重量分配

正常起飞重量是纲,纲举目张。正常起飞重量包括机内燃油、典型任务所需的机载武器和飞行员的重量。战斗机设计中,常用所谓的“橡皮飞机”方法。飞机重量的主要构成有机体、发动机、机内燃油、武器和电子系统,各自占正常起飞重量的比例决定了飞机的性能,具体重量是可以按照具体需要而放大缩小,但任何一个主要构成的实际重量确定后,就可以确定正常起飞重量,并确定发动机的推力要求,其他主要构成的实际重量也可以根据比例反推出来。

在工程分析、比较的时候,无量纲的特征参数常常更加有用,这避免了具体过程、系统之间难以直接比较的问题。比如说,消费中的效费比,投资中的回报率,机翼气动性能用升阻比而不是升力,发动机性能用推重比而不是推力,这些都是无量纲的。上述“各自占正常起飞重量的比例”也是无量纲的特征系数。

机体材料、制造和结构设计方法都有减重的效果,但对机体的要求也在与时俱进。从更高的寿命、更大的抗过载能力到隐身所要求的机内武器舱,都有增重趋势。最后平衡下来,机体结构占正常起飞重量的比例(权且称为机体系数)大体在40%左右,并不随时代有太大的改变。但双发和隐身要求有增加机体系数的趋势。

发动机的情况也是一样。一方面发动机推重比在不断提高,另一方面对战斗机军推和加力推重比的要求也在不断提高。米格-29时代不要求超巡,但要求战斗机的加力推重比超过1.0,这就变相决定了发动机占正常起飞重量的比例(权且称为动力系数)。

机内携带燃油与发动机推力的情况类似,绝对重量并不关键,关键的是机内燃油相对于正常起飞重量的比例(称为燃油系数)。一般认为,30%以上才能保证基本的攻势空战要求。苏-27达到变态的40%,但这是有猫腻的,下面要谈到。

兼顾战斗机和截击机定位的苏27系列战斗机有着惊人的内油存量

另一个当然就是机载武器和电子系统,其重量占正常起飞重量的比例权且称为航电与武器系数,简称武器系数。这又是减重与要求攀升互相抵消的情况。实际上还有飞行员重量,但考虑到相对于正常起飞重量只占很小比重,在初步估算重可以忽略不计。

机体系数、动力系数、燃油系数、武器系数加起来必须等于100%,因此这是一个取舍的问题,不可能出现一本万利的好事。一般说来,机体系数相对“刚性”,较少也较难改变。发动机与战斗机的推重比确定后,动力系数也就确定了。只有燃油系数和武器系数具有一定的弹性。在理想情况下,应该根据航程和留空时间要求指定燃油系数,然后武器系数就确定了。在给定一定的携带武器重量后,正常起飞重量就确定了,发动机推力要求也相应确定。

但这是把发动机也作为“橡皮发动机”考虑的情况。这在预研的时候海阔天空还有点可能,但考虑到发动机研发的先行和难度,实际“弹性”是有限的。战斗机的正常起飞重量不光是一个技术参数,也直接关系到研发、制造和使用成本。从国防经济的角度出发,正常起飞重量也不可能天马行空,毫无节制。这样,顺序就要调整,在给定了发动机推力后,根据战斗机推重比要求,就可以反推正常起飞重量。发动机推重比与战斗机推重比决定了动力系数,规定必须的外挂武器后,武器系数就确定了,燃油系数就相应得出。

这是两个极端情况,实际过程没有这么简单,需要反复交错迭代,在作战要求、技术难度和成本之间综合权衡。

就米格-29的情况,在武器与电子系统与苏-27相差不大的情况下,武器系数必须加大,以控制正常起飞重量,代价只能是燃油系数降低,航程和留空时间因此较低,不适合现代攻势空军的作战思想。米格-29 的短板是与身俱来的,与苏-27在外销市场和俄罗斯空军的待遇差别很说明问题。

这是一张白纸从头设计的情况,各部分的重量精确已知,或者可以精确指定。但在根据公开数据分析的时候,详细的分类数据不易获得。不仅航电系统的精确重量的问题,还有发动机重量的计算问题。西方把附件计入,俄罗斯通常只计算裸机。这使得有意义的数据比较有困难。但主要现有作战飞机的正常起飞重量、空重和机内燃油重量是公开给出的,用空重占正常起飞重量之比的空重系数是另一个方法。空重系数可以看作机体系数、动力系数与航电部分和固定航炮部分的武器系数之和,只把燃油和外挂武器分离出去了。这是相对可靠的数据,有望从比较中得出定性结论。

各型战斗机的数据比较

可以看出:

1.在同一重量级里,双发的空重代价比单发要高一点。这不是两台发动机比一台更重。如果推重比相同,在同样的推力情况下,两台发动机与一台发动机的重量是相同的。但两台发动机需要两套进气道和发动机安装结构,这才是双发空重代价的来源。

2.在同一技术水平下,轻型(或者中型)战斗机的空重系数比重型战斗机更高。这是因为不管飞机轻重,有些东西并不随飞机增大而同步增加,比如发动机附件、发电机、辅助发动机、液压/电液系统、供氧系统的重量,这些重量对轻型战斗机的影响大于重型战斗机。

3.战斗机推重比适当降低的化,可以显著降低空重系数,F-18和F-18E就是例子,米格-35相当于米格-29也是降低推重比的结果。

4.隐身导致空重代价,比较F-22和F-15、苏-57和苏-27就容易看到这一点。

数据中还能读出一些有意思的东西。米格-29在正常起飞重量下满油起飞的话,只有400公斤的重量可用于飞行员、导弹、炮弹。换句话说,按照二中二近挂载的话,必须减油起飞才能控制在正常起飞重量。当然,二中二近依然满油是可以起飞的,只是超载起飞而已。但带上需要的弹药起飞了,是按照正常起飞重量还是超重,这有关系吗?有关系。正常起飞重量是设计的基准,机动性、航程、速度、升限等关键参数都是围绕正常起飞重量而设计的。为了在起飞后马上达到要求的机动性,还是需要减油起飞的。但换一个思路,只有在起飞出击到一定距离、投入战斗时才要求达到规定的机动性,那超载起飞就是很正常的事情了。

从米格-29改进而来的多用途战斗机米格-35,内油大为上升,

苏-27正是这样。按照最大机内燃油起飞的话,什么武器都不带,都将大大超过正常起飞重量。但机内半油的情况下,“正常起飞重量”下还有2520公斤的飞行员与外挂武器重量的空间,这就可以携带足够的空战武器了。因此,在很多文献里,已经不用正常起飞重量的说法,而是改为作战载荷重量(loaded weight)了。对于大多数战斗机来说,这两者是相同的,但对于苏-27这样的远程战斗机来说,正常起飞重量要包括出击飞行的燃油,因此大大高于作战载荷重量。苏-57也是一样的问题。俄罗斯加油机不足,苏-27和苏-57要求远程制空,所以对设计基点的这样“修正主义”做法是合理的。

不过,超载起飞而以作战载荷重量为设计基点只是换一个计算参照点,并不改变问题的实质,别的战斗机也可以照此办理,机内燃油系数更高的战斗机依然起点更高,航程更远。超载起飞最终还受到最大起飞重量(米格-29为18000公斤)的限制,副油箱的额外阻力也使得副油箱燃油对航程的贡献要显著低于机内燃油,这还不算占用武器挂架而减少武器挂载的问题。

比较起来,F-15的正常起飞重量最为“正常”,按照最大机内燃油起飞的话,还有1400公斤留给飞行员、炮弹和导弹,四中二近够用了。F-22也差不多,有1510公斤。考虑到F-22时代AIM-120(约150公斤)和F-15时代的AIM-7F(约230公斤)的重量差别,六中二近甚至略有富余。但由于优秀的设计,依然有30%的燃油系数。

如何防范“米格-29综合症”?

米格-29的故事差不多要翻页了,但米格-29综合症不会过去。这对试图实现接近重型战斗机的空战能力的中型战斗机是很现实的问题。

对于中国空军来说,在重型、顶级的歼-20之后,急切希望有一架成本显著降低,但性能(尤其是空战性能)相对接近的中型四代战斗机。要求具有超巡、高机动能力,强调超视距空战能力,有较大的航程。有说法空军称其为轻四,但达到隐身、超巡、大航程并擅长超视距空战的战斗机几乎不可能是轻型的,称其为轻四只是情怀而已,实际上几乎肯定是中四了。沈飞的“鹘鹰”(包括最新的2.0版)是否能满足中四要求还不清楚,但中四是否能从本质上跳出米格-29综合症,这是一个大问题。

鹘鹰”必须要考虑多用途性能,所以决不能成为四代米格-29

据信中四内定采用WS19,加力推力可能达到100千牛级,推重比达到10。有说法重中之重的大推力WS15的研发不顺利,并非重点的中推力WS19的研发反而高歌猛进的话,这比较费思量。假定这是现实,并且中四采用双发,要保证足够的空战机动性的话,加力状态下的战斗机推重比不应低于1.05,也就是说,战斗机正常起飞重量(或者作战载荷重量)不得大于19500公斤。要达到超巡的话,军推状态下的战斗机推重比不应低于0.7,也就是说,WS19的军推推力要达到66.7千牛级。参照通用电气F414-400,加力推力97.9千牛,军推57.8千牛,发动机推重比9。换句话说,WS19达到相当高的技术水平了,而中四的重量介于F-18经典型和F-18E之间。

如前所述,轻型/中型战斗机的空重系数略高于重型战斗机。参照F-22的情况,中四的空重系数可能在70%左右,空重约13600公斤。如果需要六中二近的带弹,需要至少1500公斤的外挂武器和炮弹重量。这样,即使不算飞行员和其他重量,机内燃油只有4400公斤,燃油系数只有22.6%,比米格-29还低。即使超载起飞,依然只解决出击航程的问题,在战斗空域的留空时间和返回航程还是要靠机内燃油,因此作战半径依然局促,不可能达到中国空军“攻防兼备、首战用我”的要求。

另一个路子就是大大降低对战斗机推重比的要求。如果从1.05降低到0.9,可以把正常起飞重量提高到接近23000公斤,这是F-35A的水平了。如果空重维持不变,还是13600公斤,则可以有效地把空重系数压低到59%,把燃油系数从22.6%提高到34.3%。当然,空重是不可能不增加的,但降低推重比、提高正常起飞重量对“解放”燃油系数是有显著作用的,F-18、F-18E、F-35就是这样的,代价是空战机动性能相应降低,超巡则免谈了。

F-35以其机动性能和巡航性能重新定义了四代机

歼-20的初期型用推力不足的发动机达到一定的超巡和高机动,给人们带来错觉,似乎大推力、高推重比的发动机并不重要。鸭式布局的天然优势是超音速阻力低,菱形截面的机头侧棱、鸭翼和小边条带来高机动,这才有歼-20的“奇迹”,但真正的超巡和高机动依然需要WS15。鸭式与正常布局的优劣是另一个话题,但正常布局的超音速阻力较高,F-22需要用中等后掠角的大面积机翼获得需要的高机动,苏-57需要大型可动边条,都进一步增加阻力,难以复现这样的“小马超跑”的奇迹。

把中四放大到准重四的话,更加宽敞的机体可以容纳更多的设备和燃油,但成本也将显著提高。所谓战斗机的成本已经由航电和软件决定、战斗机重量已经不重要,这是不对的。不说别的,更重的战斗机需要更大推力的发动机才能达到同样的推重比,而更大推力的发动机的成本呈指数增高。更大尺寸的复材机翼的气动弹性问题也更大,对设计和制造的要求更高,更大构件的加温加压整体固化也比小尺寸的成本明显增加。更重的战斗机的日常燃油、航材消耗也更高,维修费用更高。各国在认识到航电与软件对成本的影响之后,依然竭力控制飞机总重,正是为了避免雪上加霜。

另外,接近歼-20重量的准重四在定位上难以与歼-20拉开,在成本上也不可能相差多少。更合理的选择是在后续改型、升级中完善歼-20,扩大生产规模,形成规模经济效应,而不是另外研制和装备似曾相识的准重四。把歼-20定位于对地攻击而准重四定位于防空制空,更是不顾现实的想当然。歼-20从来就是定位于防空制空的,退居二线转入对地攻击是很久以后的事情了。中国的第二种四代战斗机只能是中型。

扑朔迷离的隐身效果

对中四的急切需求据说来自对隐身的新认识。据说在对防空雷达的演示中,发动机的轰鸣已经清晰可闻,而雷达上依然不能锁定。在空空演练中,也有“鹘鹰”已经进入视距而雷达依然没有锁定的传闻。这些究竟是传奇,还是真实,还需要时间检验。已知的事实是,在美国的对抗演习中,EA-18G和“台风”战斗机都“击落”过F-22。

在有关演习中,具体设定是保密的。但EA-18G肯定不是靠目视搜索和机动性把F-22硬啃下来的,否则就应该是F-18E勇拔头筹了。“台风”也不可能单靠目视搜索。在战斗机格斗中,不断的翻飞和对飞很容易造成目标的暂时丢失,必须靠红外或者雷达搜索才能重新抓住目标。现在还不清楚“台风”是用雷达还是红外还是两者兼而有之才锁定F-22的,单靠视力是难以做到在视距内可重复地击落F-22的,F-22的机动性至少不亚于“台风”,不可能出现甩不脱“台风”的事情。

即便问世了这么多年,美军对F-22在空战中的真实表现依然语焉不详——在可预见的未来估计也不会有什么改变

另外,在叙利亚,美国屡屡指控俄罗斯战斗机危险地接近美国战斗机,主要是F-22。有意思的是,早些时候,美方还得意洋洋地宣称,F-22可以依靠隐身、态势感知和超巡、超机动而单方面调戏俄罗斯战斗机。

可以肯定的是,在叙利亚那样的准战时状态下,除非F-22在无意中被俄罗斯战斗机咬上,否则悄悄占领六点钟位置的话,俄罗斯战斗机几乎没有可能“危险接近”。俄罗斯战斗机也不可能单靠目视就能多次“碰巧”找到而且咬住F-22。即使苏35偶然得手,F-22的机动性至少不低于苏35,隐身加机动在理论上可以轻易甩掉苏35的纠缠,反过来调戏,这是更加有力的实力示威,何必弱弱地外交抗议呢?

不为人们所注意的是,在美国海军陆战队和美国空军相继宣布F-35B和F-35A达到初始作战状态后,甚至在美国海军陆战队高调向日本部署F-35B后,美国始终没有把F-35派往叙利亚,尽管成功部署的公关作用远远超过F-22。原因可能包括初始作战状态实际上还远离真实作战状态,也可能是F-22的隐身都靠不住的话,F-35就更靠不住了。情急之中,F-22还可以靠超巡和超机动反手相搏,F-35就比较郁闷了,机动性未见得能摆脱苏-35,M1.6的最大速度想跑都难逃被踢屁股。

隐身不是不可见,在适当的战术和技术配合下,隐身战斗机的金钟罩是可以破掉的。隐身与机动最好兼顾。在成本限制时难以兼顾的话,这成为很难取舍的一对。就现有认知而言,强调隐身而牺牲机动并不可取,但两者兼顾而要跳出米格-29综合症更难以做到。这是在设想和规划中四的时候应该注意的。

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晨枫

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来源:观察者网 | 责任编辑:于宝辰
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