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中国新一代舰载战斗机会是什么样?

时间:2020-07-17 19:32 来源: 作者:admin666

【文/ 观察者网专栏作者 晨枫】

网上疯传“新一代战斗机2021年首飞”,这样的消息很难不引起人们的极大关注。一般认为,这是中国的舰载第四代战斗机(简称海四),现有的歼-15、歼-16的新亚型不值得这么隆重。

长期以来,海四应该是海鹘鹰还是海歼-20一直纷争不休,或许2021年就要尘埃落定了。海歼-20具有更为强大的战斗力,但重量大,长度大,舰上运作会有影响;海鹘鹰正好相反。另一方面,中国航母要首先突破第一岛链才谈得上深入大洋,舰载战斗机的战斗力需要能至少压倒F-35,最好能匹敌F-22,只是能干翻F-15、F-16、F-18E是不够的。

一般也认为,海四需要隐身、超巡、大航程、大载弹量。隐身的意义不言而喻,超巡是压倒F-35的关键,大航程、大载弹量是舰载战斗机的基本要求,但海四肯定是要适合上舰的。

适合上舰有两方面:

1、适合航母上的起飞和着陆

2、适合航母上的甲板和机库运作

适合航母上起飞、着陆其实是两个问题,但都涉及到舰上只有很短的滑跑距离的问题。为了在很短的滑跑距离里升空,以及尽可能降低着舰速度,需要用上所有可能的增升手段。固定翼飞机最主要的增升手段就是大面积的襟翼。正常布局和鸭式布局都可以有大面积的襟翼,但正常布局的襟翼位置靠近重心和升力中心,放下后对飞机的俯仰姿态影响小;鸭式布局的襟翼位置靠近机尾,放下后造成强大的低头力矩,在起飞和着陆中很难放手使用,用通常大小的鸭翼全力配平都不一定够用。从这一点来说,海鹘鹰在气动布局上是有优势的。

鸭式布局如果具有很强的静不稳定性,或者说升力中心超前于重心较多,在起飞滑跑和进近的低速时会有强烈的自然抬头趋势,这时大面积襟翼放下就不那么碍事了。升力中心是随速度而向后移动的,因此更大的静不稳定性也意味着超音速配平阻力的降低和超音速机动性的增加。但这样大的静不稳定度对飞控是巨大的挑战。低速飞行未必都需要增升,不能用襟翼来增稳,因此需要很大的鸭翼面积,以及强化的作动机构,这都是增加重量和阻力的。歼-20并没有那么大的鸭翼,当然不排除显著增大的鸭翼的可能,但那涉及到的气动变化就大了。

F4D-1“天光”就采用了静不稳定设计,着舰极其困难

但是“阵风M”这不也上了舰嘛,毕竟技术进步了

另一个问题是舰上运作,主要问题在于战斗机的长度。舰载战斗机通常采用折叠翼,以降低舰上停放或者移动时候的占地宽度。鸭式布局的大三角翼较难折叠,但把鸭翼折叠的话,有可能做到对头交错停放,可在成对停放时降低总占地宽度。F-14就是这样的,机翼的最大后掠位置不是飞行状态,而是舰上停放状态。

战斗机的长度太大的话,不仅占地大,而且可能侵入斜甲板降落跑道,或者甲板上的调度区,这是不容许的。但长度是没法通过折叠来缩短的。理论上或许未必不可能,实际上难度太大,没有这样做的。只有斜角停放,但要损失停机数量。在可相对于舰舷垂直停放17米长战斗机的停机区里,偏转27度可停放20米长的战斗机,但在长度上要增加35%的占地,或者说减少1/3的停机数量。

舰上停放的F-1赚钱就这么简单4战斗机

航母所能搭载的战斗机数量永远是有限的,但也不是越多越好。战斗机在舰上的加油、装弹、起飞准备、着陆后返回停机位都需要一定的周转空间,还需要有适当的维修空间以保持完好,因为挤得动弹不得或者缺乏维修而不能出动的战斗机是没用的。冷战后,美国航母减少了搭载战斗机的数量,一方面是不再有高烈度战争的需要,另一方面也是通过相对宽松的甲板,用稍少的战斗机实际上可实现更高的出动率;较宽松的机库则有利于更高的完好率。

航母上的战斗机主要是停放在甲板上的。从航母机库里进出不仅时间长,受到升降机运能的限制,更重要的是加油、装弹这样的危险操作只能在甲板上进行。机库空间更多的是用于停放维修中不能升空的战斗机的,以及不需要在紧急出动中使用的战斗机。因此,甲板上的停机条件很重要。较短的机长不仅便于停放,还有可能在停机区之间腾出更多的周转空间,增加出动率和便利日常调度。

“辽宁”号与歼-15是中国对航母和舰载战斗机的第一次尝试,由于条件原因,只能看菜下饭,没有做到舰机之间的系统优化。新一代航母是中国第一次有条件在航母和舰载战斗机之间系统考虑、全盘优化。从这一角度出发,16.9米长的鹘鹰比20.4米长的歼-20要有利得多,即使在改进中长度有所增加,依然有望在增加约35%的搭载数量的同时,反而提高甲板运作效率。考虑到折叠机翼与非折叠大三角翼的差别,以及把原来难以利用的边角空间利用起来,数量还可能进一步增加。

从上舰出发,海鹘鹰是明显更有利的,但战斗力也是必须达到要求的,只是不管是鹘鹰1.0还是鹘鹰2.0,都难以达到要求,问题出在“中型战斗机陷阱”。这是指用成本较低的中型战斗机达到接近重型战斗机的性能的思维定势。对鹘鹰而言,就是通过针对性地避免F-35踏过的陷阱,大幅度地提高性能,达到接近F-22的战斗力。问题是这是做不到的。

重型战斗机也是一公斤一公斤抠出来的,并没有多余的赘肉,不存在可以大幅度减重而战斗力不大幅度打折扣的事情。更加具体地说,鹘鹰的长度据报道为16.9米,翼展11.5米,翼面积40平方米。空重与正常起飞重量不明,最大起飞重量28吨。最大起飞重量通常为正常起飞重量的1.2-1.6倍,主要靠外挂的战斗机倍数偏高,如F-16,主要靠内载的偏低,如F-22(实际为1.3倍)。当然有例外,主要靠外挂的米格-29只有1.2倍,这是设计基准点就差不多撑到天花板的结果。对于鹘鹰,这里取1.35倍的典型值估算。那正常起飞重量约21吨,因此翼载约518公斤/平方米。鹘鹰1.0为两台RD93,预定换为涡扇19,技术水平与通用电气F414相当,估计加力推力在100kN级,军推在60kN级,发动机推重比为9。鹘鹰的最大速度为M1.8。

不过,即使换用涡扇19,在加力推力下,战斗机推重比才0.95,对能量机动性很不利。F-16 Block 50的推重比为1.10,F-15C为1.07,F-22为1.05。另一方面,F-18C为0.96,F-18E为0.93,鹘鹰似乎又够用了,只是毫无优势可言。F-18(包括E型)是第三代战斗机里能量机动性最不给力的。鹘鹰在军推时更是推重比只有0.58,显著低于超巡的最低要求0.7,F-22是0.8。这样的鹘鹰既不能达到超巡,又只有中庸的能量机动性。海鹘鹰要因为上舰改装而增重,性能更不给力。

F/A-18E/F是当代舰载机的一个比较典型的比较对象

由于双发、机内武器舱,F-22的结构系数(结构与起落架、液压等特设的重量占正常起飞重量的百分比)高达45%。比照这一数值,但把电子设备的重量从F-22一级(估计为2900公斤)降低到F-35一级(估计2600公斤),并把基本武器重量从F-22一级(估计1500公斤)降低到F-35一级(估计750公斤),鹘鹰的燃油系数(机内燃油重量占正常起飞重量的百分比)也只有30%,只比F-22的28%略高,与F-15的30%相当,低于F-18E的32%,远远低于F-35A的37%,与苏-27的40%更是不能比。这也意味着海鹘鹰的航程至少不会优于F-18E。换句话说,除了隐身,海鹘鹰比F-18E没有优势。

这些结果不难估算。战斗机的正常起飞重量是结构重量(包括机体和起落架、弹射座椅、液压系统等,但不包括发动机和电子设备)、燃油重量、发动机重量、基本武器和电子设备重量、飞行员重量之和。另一种算法是用相关重量占正常起飞重量的百分比(表示为各种“系数”)计算:

结构系数+燃油系数+发动机系数+武器电子系数+其他=100%

在很多情况下,“只要xx增加yy公斤就可达到zz而不影响其他性能”是一厢情愿,原因就在于这些增加都是面多了加水、水多了加面的,真正的限制来自所有“系数”加起来必须等于100%。至于有人质问为什么不能是115%,那就只有反问他小学是怎么毕业的了。

在设计估算中,有些变量是“固定”的,有些是“弹性”的,但“弹性”的分为真正弹性的和与正常起飞重量挂钩的。为简单起见,飞行员重量算作100公斤,这是固定的。电子设备和基本武器重量由战术要求和技术水平决定,独立于飞机设计,也是固定的。结构重量不是固定的,但飞机构型、材料、设计和制造水平决定了结构系数大体在35-45%的范围,双发、机内武器舱、上舰加强都是把结构系数往高推的。发动机系数也不是固定的,但等于战斗机推重比与发动机推重比之比。燃油系数而不是燃油重量决定了航程,通常要求在30-35%。低到25%就成米格-29了(实际为23.5%),成了机场围墙保卫者了;高到40%则成苏-27了,可望而不可求。在其他因素都或多或少“固定”的情况下,一般只有在燃油和武器、电子设备之间取舍,燃油系数常常成为第一个牺牲品。

要做出一架飞行性能更好的F-35C,而其他性能还差不多,是不可能的,必然有所取舍

上面只是在对现有鹘鹰作计算,推算飞行性能。但要“设计”理想的海鹘鹰,也不难做一些简单的估算。有两个典型情况。第一个是给定发动机和战术要求(如战斗机推重比),这时发动机推力确定了,可以倒推出正常起飞重量,以此可以推算和取舍其他重量。这有点削足适履,但在已经确定发动机的时候更加现实。第二个更加海阔天空,只给定一般技术水平和设计要求,上面的表述也可写成混合表述:

正常起飞重量=100*(武器电子重量+飞行员重量)/(100-结构系数-燃油系数-战斗机推重比/发动机推重比)

可从指定基本武器和电子设备的重量(代表战术要求)出发,解算上述重量关系。在这里,发动机推力也是推算出来的,而不是给定的,发动机与飞机同步研制。新一代发动机研发时,技术水平是“固定”的,比如发动机推重比和最大可能的推力,但具体需要多少推力,也是与战斗机研发互动的,而不是两家独立进行的。对于发动机来说,从极限推力降级意味着更长的寿命、更高的可靠性和更低的油耗,是有好处的。

但上述对鹘鹰的估算是在没有算入上舰所需要的增重的情况下,比如加强的机体、起落架和尾钩。鹘鹰的机动性可能也不及F-18E,F-18E的翼载为459公斤/平方米,鹘鹰为518公斤/平方米。即使不考虑机动性,海鹘鹰也是需要大大增加翼面积的。襟翼有增升作用,但那是锦上添花,低翼载才是锦。F-35A到C也经历了这一过程,翼展从10.7米增加到13.1米,翼面积从42.7平方米俺去也怎么不能看了增加到62平方米,翼载从524公斤/平方米下降到413公斤/平方米,结构系数从36%增加到41%。海鹘鹰也需要这样的改装才适合上舰。比照F-35A到C,正常起飞重量增加14.3%,使得海鹘鹰的正常起飞重量达到24吨级,加力状态下战斗机的推重比只有0.85,只比F-35C的0.76好看。

要是海阔天空的话,可以指定要达到与F-22和歼-20相当的超巡、机动性,比照F-22的结构系数和发动机推重比,算到最后就是另一架F-22。必须说,这是很乐观的估计,因为3D打印、新材料可以降低结构重量,但上舰改装和加大翼面积将增加结构重量,平衡下来,45%的结构系数可能是偏低了。尽管这样,估算出来的就是与歼-20同级的超级鹘鹰,或许可以简称为超鹘。也就是说,约29吨正常起飞重量,38吨最大起飞重量,需要两台150kN级发动机。F-22的长度为18.9米,超鹘可以做到相似,比鹘鹰的16.7米长,比F-18E的18.3米略长,但比歼-20的20.4米短,更是比歼-15的21.9米短,还是可以接受的。

用两台大推力发动机为动力开发一个舰载版F-22那样的“超级鹘鹰”,那或许才是最理想的

尽管如此,超鹘的燃油系数依然只有28%,要增加到对远程海空作战更有用的35%,正常起飞重量将是不可思议的52.8吨,最大起飞重量71.3吨,需要两台270kN级的发动机。这是不可能的。

大大放大鹘鹰固然需要结构上推倒重来,但气动是可以放大的,所以也未必是前功尽弃。这样的大改不仅耗时费力,也需要涡扇15已经成熟。在将来某一时刻,这是可能的,但要2021年首飞,这似乎不可能。涡扇15很难在歼-20应用成熟之前就移植到超鹘,当然用涡扇10过渡也是可能的。

另一个办法是削足适履路线,从现有的涡扇19出发,放弃超巡,甚至降低机动性要求,只要求不超过F-35C的机动性,把推重比降低到0.75一级,这样,涡扇19也可以推动28吨级的正常起飞重量了。较低的速度也对阻力不那么敏感,更大的结构重量容许较大的机内武器舱,不仅有利于携带更多的中程空空导弹和炸弹、空地导弹,也可能增设两侧的近程空空导弹专用弹舱,增强自卫空战能力。考虑到降低的机动性要求,机体强度要求降低,有可能把结构系数降低到40%,那样就可做到40%的燃油系数,这就相当可观了。

但这也是超过F-35C的技术水平,尤其是F-35C还是单发,结构系数天然比双发要低。做不到的话,45%的结构系数依然可以达到35%的燃油系数,与F-35C相当。F-35A是37%,但F-35C由于结构重量增加,降低到35%。

通用电气利用为YF120研发的隶属,为F414推出EPE改型,发动机推重比提高到11,推力提高20-25%,但发动机尺寸和重量基本不变。涡扇19才刚开始,假定在不远的将来也能达到类似的增推效果,那时海鹘鹰的推重比就能恢复到0.9一级,逼近F-18E了。不过是否能发挥出增加的动力带来的能量机动性,还要看结构强度,如果需要补强,结构重量会有所增加。但这肯定不是2021年需要纠结的问题。

这样的海鹘鹰以航程、载弹为特长,依靠隐身、先进电子设备和远程武器克敌制胜,而不靠机动性,或许可以简称为肥鹘。由于依然采用尺寸和重量与RD33相当的涡扇19,肥鹘长度比鹘鹰的16.7米增加有限,对航母甲板运作很友好。翼展增加不是问题,在甲板上折叠后不碍事。肥鹘的重量略大于F-35C,推重比和翼载相仿,载弹量相仿,但航程增加。在某种意义上,这是双发的F-35C。考虑倒F-35C或许正是肥鹘的主要假想对手,肥鹘怼肥电,比拼肥智慧,倒也绝配。针对F-18E的时候,需要发挥隐身和先进态势感知、网络作战和远程武器优势,不宜近战拼机动。针对F-22时,更要发挥战术的作用了。

如果用两台中推发动机,那么最后的结果就是和F-35C各方面都差不多,如果运用更加先进的技术,那也是强一些有限

用机动性近战杀敌还是用远程武器狙击,这是空战世界里永恒的争论话题。随着发射后不管的超视距空空导弹的发展,空战格斗从战斗机vs战斗机转移到空空导弹vs战斗机,战斗机自身的机动性要求有所下降。但历史经验也充满了过度信赖超视距空空导弹而不重视机动性的悲剧,肥鹘会重蹈覆辙吗?

YF-22胜出YF-23的部分原因就是因为机动性更优秀,歼-20取消了航炮但依然确保优异的机动性,但舰载战斗机有点不一样。舰载战斗机的空战有两种主要情况,一是与对海对陆攻击配合的攻势制空作战,二是应对敌机空袭的舰队防空作战。

J-15战斗机未来依然是我军航母舰载机部队的重要一员

最积极主动的舰队防空是避开敌人的威胁,这是航母作为海上机动机场的天然优势,但这不是总能办到的。对于突发威胁,舰队防空需要战斗机具有较快的速度以便及时赶赴战场,也需要机动性作为最后的制胜保障,防空拦截失败的代价不仅是自己折翼海空,还可能葬送整个航母战斗群。肥鹘做不到速度和机动性,但中国航母还有歼-15,可以由肥鹘隐蔽前出狙击以削弱敌人的打击力量,由速度快、机动性好的歼-15作为最后一道防线。

最积极主动的攻势制空也不是硬往强敌窝里死磕,依然要避实就虚,择机打击,这依然是海上机动机场的天然优势。在这里,同样可以由肥鹘隐蔽前出打伏击,并穿针引线,引导殿后的歼-15用超远程空空导弹吊射。

这是与F-35C加F-18E的配合模式相似的,顶住美国航母没问题,但应对F-22还是比较吃力,需要很考究的战术配合。但一口吃不成胖子嘛。不包打天下,不是简单化地替换歼-15,而是与歼-15取长补短,这或许才是即将试飞的中国新一代战斗机的真实定位。

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