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晨枫:俄罗斯苏-57为何如此多难?

2018-12-20 08:23:52

【文/ 观察者网专栏作者 晨枫】

近来,苏-57又上新闻了。11月15日的俄罗斯《消息报》报导,俄罗斯“红星”电视台发布苏-57的视频,苏霍伊首席设计师哈伊尔·斯特列利茨表示,苏-57的真正王牌在于多功能性,在对地攻击方面优于F-22,在机动性和加速性方面优于F-35。季霍米罗夫仪器设计科学研究院院长尤里·别雷称,苏-57的“松鼠”雷达的性能超过所有美国系统,无论是F-22,还是F-35都没有这样的雷达系统。另外,俄罗斯苏-57在配备新型“产品-30”发动机后,将变成5+代战斗机。

在俄罗斯媒体口中,苏-57当然是难觅对手,天下无敌

8月22日,俄罗斯国防部与苏霍伊签署了第一批苏-57的订购协议。同时签约的还有2架单座的米格-35S和4架双座的米格-35UB。俄罗斯军方强调,这些苏-57将不用于进一步试飞,而是交付给空军作战单位,首批将为利佩茨克试训中心,这是俄罗斯空军战术研究和新型号换型训练的地方,而不是科研试飞中心。至此,多难的苏-57算是进入量产阶段了。

尽管已经签约的批量只是象征性的2架,有说法第一批最终有可能达到12架甚至15架,首批的其他飞机将在未来几年里签约。在更早的6月30日,俄罗斯副总理尤里·鲍里索夫宣称:“苏-35是今天世界上最先进的战斗机之一,所以没有必要加速推行第五代战斗机的大量生产。”对于鲍里索夫表态的含义坊间各种猜测都有,从苏-57的量产推迟,到事实上取消。

苏-57在2010年1月29日首飞,比成飞歼-20还早一年。当时还称作T-50,这是苏霍伊设计局的内部代号,不是俄罗斯空军的正式型号。2010年2月,还是总理的普金宣称,苏-57要在2013年开始交付试训中心,2015年形成战斗力。俄罗斯空军的原计划为在2020年至少有60架(一说150架)入役。2015年3月,时任国防部副部长鲍里索夫宣布,俄罗斯飞行员对成本更低的苏-35和苏-30SM很满意,苏-57减少装备,留作技术储备,只有到苏-35和苏-30SM在技术上不够用了才启动大规模生产。2018年6月,鲍里索夫升任主管军工的副总理。

另一方面,歼-20在2017年3月10日不动声色地达到初始作战状态,现在已经有不明数量的歼-20入役,并投入南海巡逻,并在2018年珠海航展上,有4架作战涂装的歼-20作紧密队形飞行。但苏-57预计要到2019年才能入役,这还是最好的情况。

有人把苏-57归结为隐身化的苏-27,虽嫌刻薄,但并非没有道理。苏-27最大的气动设计特点是:

1、大间距双发

2、短直的翼下进气口

3、大边条和翼身融合体

4、中心升力体

5、大尾锥

苏-57问题的根源可能还是设计上没有彻底摆脱三代机的窠臼

目前仅有的苏-57投弹视频中, 它发射了Kh-59mk2巡航导弹,从后部“深”弹舱中发射

苏-57大体继承了这些设计特点,但有显著改进,如可动边条。除了常规的隐身修形,苏-57部分填平了双发之间的“鸿沟”,这成为机内武器舱的空间。这既是亮点,又是痛点。

在苏-57之前,俄罗斯航空界已经有过几轮努力,试图研发米格-29、苏-27之后的下一代战斗机,比如米格I.44和苏霍伊S-37。但这些以机动性为主要方向的设计显然偏离了隐身大方向。在理论研究和实战分析之后,人们逐渐形成共识:对于第五代战斗机来说,隐身不是万能的,但没有隐身是万万不能的。苏霍伊开始设计T-50时,F-22是显然的假想敌。

苏霍伊的分析表明,F-22过于紧凑的机体设计虽然降低了机体浸润面积(也称湿面积),但武器舱的碎片化导致空间利用率不高,而且无法携带大型武器。F-22的翼载也嫌高(尽管并不高于F-15或者苏-27),不利于机动性。

与F-22两大两小四个机内武器舱不同,苏-57只有一大一小两个机内武器舱。更重要的是,F-22的两大武器舱在中线两侧,两小更是在机身两侧,转动惯量大,不利于机动性。苏-57还有翼下两个茧包武器舱,专门用于近程空空导弹。

中线前武器舱是用于中程空空导弹的,中线后武器舱则是独特的。这比前武器舱更大,用于挂载大型武器,如炸弹、巡航导弹等。F-22很浅的机腹武器舱只能挂载中程空空导弹、SDB小直径炸弹等,不可能携带大型武器,使得F-22只能以空战为主,用于空地作战的主要动力是政治正确,而不是作战效能。

到现在为止俄罗斯也没有发出苏-57打开腹部弹舱发射R-77导弹的图片

迄今为止苏-57进行武器试验的照片都显示它使用外挂武器,而不是内置,确实能说明一些问题

但苏-57的中线武器舱也给结构设计带来很大的挑战,中线的“天花板”成为承受横向弯折应力的关键,但这样的“薄扁担“承力结构非常不利于结构刚度。为解决横滚中的结构刚度问题,苏霍伊获得了一大批俄罗斯国家专利。但这似乎还不够,试飞中发现严重的结构刚度问题,2016年后制造的5架预生产型飞机采用重新设计的加强结构,并加长了尾锥,降低后体阻力。其他局部修改还包括维修舱门和翼尖形状。

但另一个传言的问题可能更加要命。大间距双发的短舱结构相当于侧壁,与中间的“鸿沟”形成中心升力体,在大迎角状态下产生可观的升力。就苏-27而言,中心升力体的贡献可达40%。但升力在本质上是由下向上的压力差,天然具有把从中线武器舱投放的武器推回去的趋势,导致武器投放的困难。

在一定程度上,轰炸机的机内武器舱和战斗机的翼下挂架也有同样的问题。但轰炸机的机体产生升力的作用较小,炸弹投放的时候,在武器舱内由于重力作用已经头朝下,离机时的气流动压把头低尾高的的炸弹自然地推离飞机。

战斗机的翼下挂架则在吊挂状态下武器与机身前进轴线已经呈一定的向下、向外角度,仔细观察停放或者飞行的战斗机不难发现这一固定的偏转角。这也是大量外挂武器导致可观的气动阻力的原因,不仅武器本身的气动外形导致迎风阻力,偏转角也增加了阻力。但武器与挂架分离时,气流会自然把武器吹离载机,确保可靠分离。

对于苏-57来说,中心升力体设计在这里就成为双刃剑。一方面增加升力,有利于机动性;另一方面增加了武器发射和分离的困难。但这个问题未必是不可解决的。在公开资料中,目前已有Kh-59Mk2巡航导弹的投放和分离视频。这是在四平八稳的平飞状态,中心升力体的升力作用不显著,与轰炸机投炸弹的状态相似,加上投放的时候有弹射臂的助推,正常分离是做得到的。

中线前武器舱用于中程空空导弹,发射通常也不要求处在高机动状态,或许也可以做到。不过升力分布不均匀,中机身段正好是升力产生较集中的部位,可能会导致额外的分离困难。说起来,中心升力体的设计越成功,苏-57的机动性越好,气动设计越成功,但给武器分离带来的问题也越大。这或许是在总体设计的时候始料不及的。

说起来,同样采用中心升力体的的苏-27/30也在中线吊挂大型武器,没有发射分离问题。但那是暴露在气流中的,只要挂架与机体轴线有一点角度,气流动压不难确保分离。但苏-57的中线武器舱是在机体内的,在舱门打开的状态,这是一个“背风”低压区,进一步增加了分离困难。采用弹射或者机械推离的方法总是可以把武器发射出去的,额外的重量和复杂性不算,还可能导致导弹分离后的初始翻滚,更不适合在大迎角条件下发射条件,既没有重力的帮助,也有更大的“推回”作用。

歼-20的出现,让俄罗斯人的心态确实有点不好……

苏-57的航电设备,按照俄罗斯的宣传是非常先进的,但因为俄罗斯电子工业基础在那摆着,让人很难高看

需要在高机动状态下可靠分离的近程空空导弹倒是从翼下茧包发射,没有这些问题。可用伸缩式支架在发射前探出,形成与前进轴线的向外、向下角度,像常规的翼下挂架一样发射。

不管是出于什么原因,无论近程还是中程空空导弹,到现在为止还没有公开流传的视频可以证明已经进行过发射试验。

用后武器舱挂载重型武器还有重心问题。武器在投放瞬间可能导致显著的重心移动,造成操控上的困难。这是可以由飞控补偿的,但对飞控也是一个考验。轰炸机的炸弹舱、战斗轰炸机的翼下挂架都在接近重心的位置,正是为了减少这样的考验。但在苏-57上,只有对重心移动作用最大的后机身有这样的空间,没有选择。前后武器舱之间的隔板是中空结构里必不可少的加强件,否则中心升力体的刚度问题更大,尽管完整的单一中线武器舱的空间利用率更高。

不过苏-57的武器系统问题可能还不止于此,第二阶段试飞中任务系统可能暴露出更多的问题。

苏联时代的米格-31就开始使用被动电扫雷达,但苏-57上的N036“松鼠”是俄罗斯第一代主动电扫雷达。难说这与同样来自提霍米罗夫研究院的“雪豹-E”被动电扫雷达有多少渊源,外观和尺寸上的相似也不一定说明问题。但主动电扫不是把发射/接受单元整合到被动电扫的天线上那么简单,主动电扫的性能也远比被动电扫强大。一直有说法,苏-35进入中国后,接收单位赞不绝口,因为苏-35比原装备的苏-27无论如何要先进多了。但在实战演练中,被装备主动电扫的歼-16和歼-10C压着打,顿时体会到主动电扫和被动电扫的差距。

简单地把被动电扫主动化,这没有充分挖掘主动电扫的潜力。除了雷达本身的性能,主动电扫还可与通信、导航、敌我识别(简称CNI)相整合。主动电扫用于定向数据链的话,天线能力是任何常规通信天线都不可能比拟的。主动电扫分出波束用于对地测绘、地形回避、地形跟踪,这在常规雷达上或者要转入专用模式,或者需要专用的辅助雷达。主动电扫的高精度、大功率波束用于敌我识别的话,可以绕过传统的应答式,实行非合作敌我识别,更可靠。主动电扫还可用于电子对抗,大尺寸的天线是小尺寸的常规专用系统难以媲美的。

安装产品30发动机进行试飞的T-50-2LL验证机

但这些功能不是有了主动电扫就自然而然实现的,需要大量的软件处理。韩国在研发KF-X的时候,就是因为不敢冒进,把主动电扫的功能限制到传统雷达功能的简单强化,而把CNI留给未来升级,在可预见的将来继续用传统数据链、前视导航吊舱、应答式敌我识别和电子战吊舱。

苏-57的“松鼠”雷达性能不明。但按照俄罗斯方面的说法,苏-35的电子系统在很大程度上采用了苏-57的技术,这可能也是鲍里索夫自信苏-35在很长时间内“够用”的原因。这也或许间接说明了“松鼠”很可能是主动化的“雪豹-E”,因此在关键性能上没有代差级的差别。如果属实,这技术水平已经落后于先进水平了。

中俄军事技术交流早已从90年代的单向变成现在的双向,俄罗斯方面有权询问苏-35在中国空军的表现,不排除中国提供了一些实战演练的数据,使得俄罗斯方面意识到差距。更大的差距来自本质隐身能力。据说中国提供了一些歼-20的雷达隐身性能数据,对俄罗斯的震动很大。这种顶级机密的数据不可能和盘托出,但可靠的数量级的数据就足以撼动俄罗斯对苏-57的信心了。

苏-57已经完成第一阶段试飞,这一阶段的重点在于飞行性能和结构强度。第二阶段试飞还在进行中,至少要到2019年才能完成。现有10架原型机在试飞,2017年12月31日已累计2050小时。试飞不仅在茹科夫斯基进行,2014年起还在阿赫图宾斯克进行。前者主要是飞行性能和结构强度试验,后者以武器系统试验为主。理论上要在试飞全部完成之后才能大批入役,不过惯例是在第一阶段结束后就开始批量生产,因为第二阶段通常不会出现导致推倒重来的设计变动。不过现在看来,第一阶段也可能要有所重复,因为采用全规格的“项目30”发动机的T-50-2LL(Letayushchaya Laboratoriya,意为飞行试验平台)在2017年12月5日刚首飞,而且只有右发动机换用新发,左发还是AL31深度升级而来的AL41。换发后需要重新测试一些项目。

俄罗斯报道,“项目30”将把性能提高17-18%。如果这指推力,那应该是17000公斤加力推力,AL41是14500公斤。重量估计为1450公斤(AL41为1600公斤)。新发还在进气道采用玻璃纤维导流片,削弱雷达反射特征。

俄罗斯在更新空军装备方面是不遗余力的,但苏-57的产量,和红星电视台对它的吹捧,实在是不成比例……

应该指出,在俄罗斯军费依然拮据的现在,苏-57的拨款始终是到位的,俄罗斯对于空军换装的决心也是很大的,更是肯下本钱的。2009年苏-35刚刚试飞完毕,第一批就订购48架,紧接着又追加50架。2018年底前还预计订购36架苏-30SM(苏-30MKI的深度大改)。相比之下,苏-57的初始“批量”简直不成批量。飞行性能和结构强度确认后,电子系统是可以在生产中甚至交付后逐步升级的,尤其是在高度数字化的现在。第二阶段试飞尚未完成不是推迟全速生产的理由。但苏-57的准生证来自于真正的代差级的进步,不仅向对于苏-35,还要相对于世界先进水平。或许来自中国的数据才是动摇俄罗斯投产决心的关键,雷达和隐身不足的苏-57是缺乏生命力的。

多难的苏-57的艰难旅程还在继续。

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晨枫

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自由撰稿人

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