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关于喷气式战斗机的划代的一些知识

前注:绝望了……早上码的字浮云掉了……于是,我只好先放出这小段作为预热了……ORZ

 

 

西标第一代战斗机

 

 

二战结束后的40年代末至50年代初,美苏在纳粹德国的技术基础上各自研制了自己的喷气式战斗机,代表性的型号就是苏联的米格15、米格19(由于米格19的超音速性能,俄标将其算作第二代),和美国的F86系列。第一代战斗机由于装备了涡轮喷气式发动机,在性能特别是速度上比二战时期的活塞式发动机战斗机有了质的飞跃。在最初的战术应用和战术理论上,第一代战斗机与螺旋桨飞机并没有太大不同,但随着朝鲜战争的爆发以及接下来中美苏等国在空中的较量,第一代战斗机很快有了实战的机会。在战争中,虽然第一代战斗机仍然延续着传统的格斗空战模式,但由于喷气式战机的高速以及能量充沛,战斗由传统的二维面转向了三维空间,出现了“高位综合机动”和“低位综合机动”这样的基于三维空间的对剩余能量简单利用的空战动作。
在这个时期,战斗机技术飞速发展,型号百花齐放,除美苏英法等传统强国之外,甚至一些诸如阿根廷之类的发展中国家也研制了自己的型号。但总的来说,第一代战斗机在航空设备方面仍然十分简陋,早期型号与二战时期无异。

 

西标第二代战斗机(俄标第三代)

 

 

经过朝鲜战争的实战,交战双方都对经验教训进行了总结,同时由于冷战的进行,携带核弹的战略轰炸机带来的防空压力,第二代战斗机迅速的诞生了。代表性的型号是美国的F4“鬼怪”系列,苏联的米格21系列,米格23系列,米格25系列,瑞典的SAAB-37等。
这一代战斗机的主要特点是:
1.重视高空高速性能。
在朝鲜战争中,米格15由于高推重比带来的优势,使得设计者认为飞机的最大速度是决定胜负的因素,为了保证高空高速性能可以舍弃盘旋和低空性能。在这个思想指导下,这个时代的战斗机的最大平飞速度普遍在2马赫以上,最大升限在两万米以上,如苏联的米格25如果不考虑发动机报废的问题,甚至可以达到3.2马赫的极限速度。

2.强调多用途特别是具备对地攻击能力。
在华约北约两大军事集团随时会爆发大规模战争的背景下,对敌方前线机场和目标实施战术轰炸变得非常重要。在密集的防空火力面前,轰炸机就显得十分的脆弱,并且增大护航的花费,于是设计者主张研制兼有对空与对地性能的战斗机。

3.依靠先进的航空电子设备和导弹,进行一击脱离式的中距离拦射作战。
在这个时期,第二代战机主要的作战模式变更为利用高空高速性能进行一击脱离式的战斗。这是因为一方面,电子工业的发展使得航空电子设备特别是雷达的技术大有提高,空对空导弹也开始投入使用并取得了战绩;另一方面,由于大规模核战争的背景下,对敌方携带核武器的战略轰炸机的截击作战显得尤为重要,设计者认为在这种背景下,战斗机不太可能进行传统的近距离缠斗。因此,各种拥有全天候作战能力的雷达制导导弹成为了主战武器,一些国家甚至取消了飞机的航炮。

这个时期,研制第二代战斗机的国家主要集中在欧洲和苏联,不仅型号仍然很多,生产数量也猛增,以至于直到今天大部分发展中国家使用的仍然是第二代战斗机。

 

西标第三代战斗机(俄标第四代)

 

到了20世纪70、80年代,随着冷战对抗进入高峰,东西方两大阵营的天文数字的投入,战斗机的发展迎来了的黄金时期。以大规模、超大规模集成电路的出现为代表的电子工业的发展以及随之而来的计算机技术的发展助推了空气动力学,动力装置,武器技术等一系列的科技进步。另外,随着越南战争的实战经验,战斗机的战术思想和设计理念也发生了巨大的变化,此时期以约翰伯伊德领头的“战斗机黑手党”为代表的“能量机动理论”全面系统地阐述了空战的本质。
在此大背景下,第三代战斗机诞生了,主要代表型号有美国的F15、F16系列,苏联/俄罗斯的SU27、MIG29家族,法国的幻影2000以及欧洲联合研制的“台风”,另外还要包括中国的歼10。

此时期的战斗机主要特点就是:
1.摒弃高空高速,转而重视低空跨音速性能。
在越南战争以及一些其他局部战争的实践中,想象中第二代战斗机的作战方式的优势并未得到发挥。一方面,由于高性能防空导弹的威胁,飞机不得不为了利用低空的雷达探测盲区转而将作战高度降至9000米以下;另一方面,早期的电子设备和中距离导弹的可靠性非常不靠谱,战斗经常不可避免的进入近距离格斗,而超音速飞行中由于飞机结构强度的限制,使得战斗机不得不降低速度以寻求更好的机动能力。因此第三代战斗机转而将设计重点放在低空跨音速(0.8~0.9马赫)的区域。

2.战术以低空突访为主,重视飞机的敏捷性或能量优势。
因为第三代战斗机优秀的低空性能,空战转而变为:保持比对手低1000米左右的高度,利用地面雷达杂波掩护接近,同时利用雷达上视的优势(望向天空时不存在杂波问题)占据主动权。
随着导弹导引头技术和导弹发动机技术的发展,导弹成为真正可靠的武器,但同时也终结了唯导弹论——因为要想发挥导弹的作用,战机的性能特别是快速的机头指向能力至关重要。

为此,第三代战斗机普遍装备了大推力高推重比(发动机推力与重量的比值)的涡轮风扇发动机,具有良好的下视下射能力的雷达以及性能优越的电子对抗设备。

在这个时期,由于技术门槛的迅速提高和研制费用的几何级数的增加,独力研制第三代战斗机的国家和型号的数量都呈锐减:美国研制成功四种基本型号(F16、F15、F14、F18),苏联两种基本型号(SU27、MIG29),法国两种(幻影2000、阵风),欧洲联合研制一种(台风),瑞典一种(JAS39),另外还包括搭上末班车的中国一种(歼10)。

 

西标第四代战斗机(俄标第五代)

 

第四代战斗机最开始的源头要追溯到1971年美国战术空军司令的提出的ATF——“先进技术战斗机”(Advanced Tactic Fighter)计划,不过与现在的情况不同,在整个70年代这个计划是被定义为一种先进的攻击机。根据北约的军事学说,为了在常规战争中保持对华约集团的军事优势,就必须对华约分散部署的纵深目标进行打击。为了保持生存力和打击效率,经过研究美国人认为这种飞机的巡航高度(飞机完成起飞阶段进入预定航线后的飞行状态称为巡航)应该在50000到65000英尺——约合15000到19000米,最大马赫数应在1.6至2.2之间。
到了80年代,随着苏联一系列先进的第三代战斗机的出现,为了保持在20世纪九十年代至下个世纪初的空中优势,美国空军明确将制空能力列入了ATF计划,将争夺制空权列为了ATF的首要任务。

以此为基础,经过反复的技术积累和型号研制,第一种真正意义上的第四代战斗机F22诞生了。根据F22的性能特点,航空界归纳了“4S”性能作为第四代战斗机的公认标准:
1.低可探测性(stealth)
包括隐身性能和低电磁信号截获。一般来说目前在人们认识中,狭义的低可探测性等同于隐身性,实际上除了隐身之外,尽量减少因自身电磁信号的发射而被敌人探测到也是同样重要的环节。目前低可探测性被公认为是第四代战斗机的基本条件,例如F35在目前超音速巡航能力尚不明朗的情况下仍然被归为第四代战斗机,而一架不具备低可探测性的战斗机却很难被人们认为是四代机。为此第四代战斗机普遍采用了隐身外形和低红外辐射的发动机喷口设计,并大量采用非金属复合材料以及涂敷隐身涂料,在作战中尽量减少自身雷达开机而主要依靠数据链或信息网络接收来自预警机和友机的敌情信息。

2.超音速巡航(Super Sonic Cruise)
巡航状态指的是飞机完成起飞阶段进入预定航线后的飞行状态称为巡航,顾名思义,超音速巡航就是在巡航状态仍能保持超音速而不必像三代机那样打开耗油惊人的加力燃烧室。超音速巡航带来的好处是巨大的,空战的实质就是能量的比拼,在超视距空战中你具有速度越大,能量也就越大,发射出去的导弹就有越大的不可逃逸区(不可逃逸区:导弹处于有动力飞行(发动机工作段)可以达到的最大区域,在此区域除去故障以及电子干扰的因素,理论上目标飞机不可能避开攻击);反过来在避开对方导弹时,因为自身速度快能量大,敌方导弹的不可逃逸区就被大大压缩,同时还可以迅速拉开同对手的距离进行再次中距离攻击而避免近距离缠斗。而对于一般的第三代战斗机来说,作战中通过提前加速达到超音速是不现实的,因为要想达到超音速就必须打开耗油惊人的加力燃烧室从而极大的影响作战半径,所以通常超音速状态并不能保持太久,在战术上很难把握时机;而防御阶段,三代机所擅长的是跨音速范围机动,如果进行超音速机动规避会迅速的丧失速度和能量从而陷入更危险的境地。
因此,超音速巡航是第四代战斗机第二重要的标准,可以这么认为:即便不具备隐身能力,凭借超音速巡航能力四代机对三代机也将是压倒性优势。为此,第四代战斗机应具有良好的气动外形以减少阻力,同时装备更大推力的推重比10以上的先进涡轮风扇发动机作为动力装置。

3.超级机动能力(Super Maneuverability)
超机动能力详细的说应该是“强大的过失速机动情况下的可控能力”。飞机之所以能够飞上蓝天,是基于伯努力原理——机翼上方空气流速快压力小,下方流速慢压力大。当把机头上扬超过一定角度时,机翼上方的气流就会分散紊乱,同时发动机进气效率也会降低,飞机就会失去升力进入螺旋下坠的失速状态。过失速机动就是能够进入这种状态并恢复的机动动作,比较知名和具有代表性就是俄罗斯的SU37所做的“普加乔夫眼镜蛇”动作。但是第四代战斗机的超机动动作与此完全不同:“眼镜蛇”所做到的也仅仅是进入后恢复,而超机动能力在此基础上更强调失速状态下的“可控”,从而使得该动作真正有了实战意义(SU37的眼镜蛇动作是不能在实战中使用的花架子),比如F22就能做出“圆锥机动”这种可控的诡异动作——飞机尾巴为定轴,机身沿与水平方向成60度夹角的圆锥面运动,由此在近战中的快速占位的优势不言而喻。
因此,虽然一些三代三代半战斗机也能做一些超机动动作,但真正实用的还是四代机,我们同样可以这么认为:即便四代机不凑巧进入近距离空战,三代机在擅长的机动格斗领域仍然毫无优势可言。为此,第四代战斗机需要装备高性能的能在恶劣环境下工作的发动机和能够改变喷气方向的矢量喷口,同时还有一个经常被忽视的重要一点就是高性能的飞行-火控-推力动力交联的控制系统,它可以通过软件辅助飞行员在不同的战场形势下自动控制各个机翼和尾喷口的偏转角度,防止进行无谓的浪费能量的机动动作。
PS:从这点看,三哥的SU30MKI的矢量推力喷口完全就是被忽悠的坑爹货,毛子完全没有为其开发任何控制软件,喷口只会单纯地随着操作杆进行简单的上下摆动。在印度和美国联合进行的军事演习中,SU30MKI曾多次因为不当时机地使用过失速机动而丧失能量反而被美军飞行员锁定。

4.先进战场感知与效能电子设备(Superior Avionics for Battle Awareness and Effectiveness)
目前,关于最后一个S还存在一定争论,不过比较主流的意见是先进战场感知与效能电子设备。这点主要还是为了上述三个S服务,比如满足低可探测性等等。为此,第四代战斗机配备有探测距离更远的有源相控阵雷达(AESA),能够不需机头指向就能锁定目标并且能实时显示飞机状态的头盔显示器,以及先进的数据交换和电子侦察干扰(ECCM)设备。例如,F22装备的AN/ALQ94被动探测系统,可以实现在雷达不开机的状态下通过接收敌方电磁信号确定敌机位置盲射导弹,实现对三代机的完全的一面倒的静默攻击。

当进入四代机这个门槛的时候,目前能够独力进行研制的国家已经只剩下了美国、俄罗斯、中国这三家,其中美国研制成功一种(F22),在研一种(F35),俄罗斯在研一种(T50),中国在研一种(歼20),装备数量也大幅缩减(美国F22仅装备187架),许多国家转而利用部分四代机的子技术对三代机进行改进进而研制成功所谓的“三代半”战斗机,如法国的“阵风”和欧洲的“台风”战斗机。造成这种结果的原因一方面是由于冷战的结束,世界格局发生了巨大变化,一部分军事强国无意愿在此领域继续投资转而将注意力放在更急需的方向(反恐,非对称战争等等),另一方面则是第四代战斗机技术门槛的空前提高和研制费用和飞机单价的激增——例如美国的F22单价已接近两亿美元,第四代战斗机的技术领域包含气动、电子、冶金、材料、机械加工、信息技术等诸如多门类,需要整个国家层面的支持和基础工业的升级换代,同时还要包含科学高效的管理。美国凭借其领先的经济科技实力成为了这方面的集大成者,率先研制并装备了第四代战斗机F22;继承苏联衣钵的俄罗斯作为第二航空大国拥有雄厚的技术基础,但却因国家实力的萎缩陷入资金缺乏人才难以为继的境地,技术预研和积累的差距被美国快速拉开,也不得不在T50项目上做出很多妥协;日本拥有强大的电子工业和信息产业,但在飞机设计领域存在过多空白;而技术和财力依然雄厚的欧洲联合,即便是有意愿进行相关项目,多国的扯皮导致的效率低下也将是一个难题,这点在欧洲联合研制的“台风”战斗机体现的淋漓尽致。仅从这点来说,能够独力研制第四代战斗机,我们就应该有理由对航空工业者致以足够的敬意并对“空中黑长直”怀有一份自豪。

空军引导员AF

冰室雅子,三岛鸣海,初春饰利—>同行…… 蛋疼推动人类社会的进步

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