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晨枫小苑

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晨枫  

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中国航母舰载战斗机的选型构想  

2011-12-04 23:00:20|  分类: 鹰击长空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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在盛夏的8月,中国第一艘航母出海试航了。这艘前苏联的“瓦良格”号在经受9年多的修复和改装之后,满载着几代中国人的厚望,悄悄地出海,又悄悄地回来了,继续按部就班地完成进一步改装。这艘至今还未正式命名的航母的低调试航没有搭载任何舰载战斗机,但这不能阻止人们对中国航母舰载战斗机的选型的猜想。

 

作为海上力量最强大的战舰,航母的战斗力体现于舰载战斗机。中国航空工业在经历了几十年的艰苦跋涉后,终于进入爆发性发展的时代,同步展开4种新型战斗机的研制,包括轻型的“枭龙”,中型的歼-10,重型的歼-11,当然还有隐身的歼-20,规模在世界上居第一。不过不是所有战斗机都适合舰载的。

 

航母虽大,但在茫茫大海上,还只是一叶扁舟,既没有很长的跑道便利飞机起飞降落,也没有足够大的机库可以搭载大量的作战飞机。和空军的陆基战斗机相比,舰载战斗机特别强调短距起落和低空低速操控,也特别强调完整、独立、有效的作战能力,当然还特别强调可靠性。舰载战斗机只有以一当十,才能用有限的数量在保卫舰队的同时,有效地打击敌舰或大陆目标。另一方面,航母也是现代海军中建造和使用最为昂贵的战舰。财大气粗的美国海军拥有最多的大甲板航母,达到10艘,但法国、俄罗斯都只有一艘,英国计划建造两艘,但只用得起一艘,另一艘建成就立刻封存。中国目前只有一艘航母,在可预见的将来,也不会达到美国海军那样的数量,所以对于中国来说,舰载战斗机来的选择重点不是成本,而是以一当十的能力。不能形成有效战斗力的话,在舰载战斗机上节约的费用将被整个航母战斗群战斗效能的低下所抵消,得不偿失。

 

“枭龙”作为轻型战斗机虽然轻小,但相对较小的空间和载弹能力无法满足完整、独立、有效的作战能力的要求,入选的可能性最小,基本上可以排除。但歼-10、歼-11、歼-20各自展现出不可忽视的特色,值得细细考虑。

 

-10是中国航空科技的一个里程碑。不算国民党政府时期的浅尝辄止,中国航空工业开始于50年代仿制苏联战斗机,强-5、歼-8都是在仿制、改进基础上创新的可贵尝试,但只有歼-10才是完整而且符合时代要求的努力。歼-10采用先进的鸭式前翼和无尾三角翼布局、电传飞控和涡扇发动机,最新的歼-10B还采用了无边界层分离隔板的DSI进气口设计,不仅超音速性能优秀,前向隐身也大有改善。

 

无尾三角翼本身具有起飞、着陆速度过高的问题,50年代的沃特F-7U“短剑”差不多在事故中损失了总产量的1/4,从此美国海军再也没有碰过无尾三角翼。采用鸭式前翼后,这个问题得到很大程度上的解决。法国“阵风”是第一种成功的舰载鸭式三角翼战斗机,如果F-35C最后下马,英国有可能转向舰载型“台风”,扩大舰载鸭式三角翼战斗机的家族。在气动上,歼-10没有不可克服的本质缺陷,使其不适宜上舰。歼-10的差动鸭翼可以产生不对称涡流,形成横向控制力矩,在某种程度上实现直接力控制,有利于进场飞行轨迹的精确控制,改善航母上的降落性能。在很长一段时间内,中国航母将采用滑跃起飞,歼-10较大的推重比和鸭翼的抬头力矩对此也是有利的。

 

-10是陆基型,需要适当改装才能上舰,主要包括加强起落架和着陆尾钩,以适应航母的高下沉率着陆,还要在机体上增加挂钩,用于在风浪中把飞机牢固系留于甲板上。机体和系统要做防盐雾处理,维修舱盖打开后要能锁定,不会被甲板上强烈的风吹得呯呯敲击。理想情况下,还应该使机翼可以折叠,以减小停放时的占地。歼-10主起落架的加强难度相对不大,但前起落架的加强可能会有点问题。理想情况下,舰载歼-10的前起落架应该加长,或者像“阵风M”一样可以在离舰前的最后一刻延长,增加离舰时的迎角,缩短起飞距离。但歼-10的前起落架和机腹进气道结构竞争同一个空间,不仅空间有限,也不便大大加强结构强度。歼-10A的进气口上唇采用3对加强筋,引起很大的争议,这其实是气动阻力和结构重量折中的结果,加强前起落架殊非易事。另外,重量是一个问题,重量分布也是一个问题。对于高机动的战斗机来说,过重的机头将大大增加俯仰稳定性,损害机动性。歼-10A的可调进气道本身已经增加了重量,为了加强进气口上唇而进一步增加重量将损害重量分布,这或许也是采用加强筋的一个考虑。歼-10B采用DSI进气口,不再需要可调进气道和加强筋,留出的增重空间正好给先进雷达,但大大加强前起落架可能吃掉所有的增重空间,还不一定够,这还没有算入加强主起落架带来的增重。增装尾钩也有类似的问题。除了垂尾,发动机的围护结构本来不必承受多少力,尾钩将需要大大增强后机身结构,不过由此增重倒有利于平衡加强前起落架带来的重量分布问题,只是总重增加依然是一个大问题,损害起落性能和机动性、航程。

 

-10的大三角翼也不利于折叠。由于折叠线较长,折叠机构带来的增重进一步增加。另一方面,由于大三角翼在同等翼面积下通常翼展较小,折叠外翼段对缩小占地的作用不如翼展较大的常规布局显著,不折叠机翼则占地较大,比较尴尬。“阵风M”也没有采用折叠翼。另一方面,鸭式三角翼布局的重心比较靠后,垂尾面积需要较大,才能保证足够的方向稳定性。像歼-10那样采用单垂尾就更加高大,要求机库高度较高,也是一个不利条件。但要是设计时就考虑到垂尾的高度,这就不成问题。

 

和采用同级武器和航电技术的重型战斗机相比,中型战斗机的战斗力总是要吃亏一点,升级空间更加受到局限。中型战斗机比重型战斗机轻小一点,航母上可以搭载略多一点,部署的成本也略低一点。但数量相差不大,或者说没有实质性的差别。成本更不是一个问题,因为中国航母在很长时间里还不会有很大的数量,无法实现中型战斗机和重型战斗机成本差别的规模效应。另一方面,中国航母一艘要当两艘、三艘用,使战斗力最大化是第一要务,使用中型战斗机而降低战斗力是得不偿失的事情。

 

-10的单发也是不利于歼-10上舰的重要考虑。在发动机可靠性尚不能保证的情况下,单发战斗机的可靠性不及双发战斗机。战斗机为了获取最高性能,经常以可靠性和使用寿命为代价,把发动机的性能推到极限,进一步不利于单发战斗机上舰。降低发动机推力可以增加可靠性和使用寿命,但随之而来的性能损失将严重影响舰载单发战斗机的战斗力和有用性。长期以来,美国海军坚持舰载战斗机应该双发,就有这样的考虑。当然,发动机高度可靠后,单发不再是限制战斗机上舰的因素,美国海军正在研制的F-35C就是单发的。然而,发动机技术依然是中国航空工业的短板,要达到美国那样的高性能和高可靠性还有一段距离,这也是不利于歼-10上舰的重要考虑。

 

-20是中国航空工业继歼-10之后的最新里程碑。这是一架先进的隐身战斗机,不出意料的话,歼-20应该具有超音速巡航和超机动能力。歼-20的具体性能现在还没有公布,但可以肯定比歼-10又是一个质的飞跃。歼-20F-22T-50孰优孰劣现在还是一个热烈争论的话题,但歼-20对于F-15F-16F-18(包括F-18E/F)、米格-29、苏-27/30甚至F-35的优越性是不需要争论的。这将是中国空中力量的在质量上压倒对手的开始,除了和美国空军、俄罗斯空军的F-22T-50正面对抗的情况,歼-20上舰的话,将确保中国航母的空中力量在质量上可以压倒周边的一切对手,甚至包括美国海军,其意义是怎么说也不过分的。

 

-20和歼-10一样,也是鸭式三角翼战斗机,因此不存在本质上不利于上舰的因素。歼-20是双发的,不仅避免了单发可靠性的问题,还具有更为强大的推力,有利于滑跃起飞,在弹射起飞的情况下也有利于增加起飞重量。现在还不清楚歼-20在设计时是否已经有上舰考虑,仅根据公开的信息,歼-20同样有上舰改装的潜力。由于机体较大,改装空间也较大。但歼-20上舰的困难也是明显的。

 

-20体型更大,重量更大,不利于增加航母上的搭载数量,但这不是最大的问题。歼-20最大的敌人就是自己,因为歼-20还处在研发的早期阶段,很多技术还有待验证,还需要时间。歼-10也是中国航空科技的质的飞跃,但歼-20的性质不同。歼-10是赶上已经达到成熟阶段的世界先进水平的努力,很多技术对于中国依然是难题,但在世界上航空科技先进的国家里已经解决了。有解的问题就有清楚的努力方向,就可以避免盲目探索,努力赶上是一个投入和功夫的问题。上舰改装也是一样,有了方向,但掌握还是需要时间。歼-20则是赶上并超过世界先进水平的努力,很多技术难题对世界上所有国家都是新的,换了谁都要做很多的探索。在这样的情况下,还要同时顾及上舰改装,风险过于集中,并不一定合适。

 

这不是说歼-20在将来也不会考虑上舰改装,但中国需要解决的是现在的问题。中国航母已经出海了,要等歼-20技术成熟并完成上舰改装,将有一段可观的有舰无机的时间,这是不可接受的。比较稳妥的做法是在一个具有足够先进性能并具有足够发展余地的现有型号上实现上舰改装,分散风险,尽快形成战斗力。

 

好在中国空中力量序列里,还有一个歼-11。这个来自于苏-27的重型战斗机使中国空中力量零距离见识了能量机动性和超视距空战,也在歼-20还没有形成战斗机之前担当中国空中力量的重磅支柱。尽管苏-27的基本技术开始于30多年前,其先进的基本设计和宽大的机内空间使其在今天依然不失先进,正所谓大块头有大智慧。更加有利的是,苏-27的舰载型苏-33已经在“瓦良格”号的姐妹舰“库兹涅佐夫”号上使用多年,即使没有俄罗斯的合作,也有足够的公开信息,可以在设计和使用经验上加以借鉴。

 

-27的双发具有强劲的推力,但苏霍伊设计局还是为苏-33特意加装了一对小鸭翼,以增强起飞时的抬头能力,强化滑跃起飞性能。苏-27的传统布局使机翼改装为可折叠相对容易,苏霍伊的设计中,甚至使水平尾翼也可折叠,进一步缩小了占地。苏-33具有加强的起落架和着陆尾钩。从降低技术风险、尽快形成战斗力的角度出发,歼-11改装上舰也可以借鉴这些思路。据说中国获得了乌克兰的合作,得到了苏-33早期研发时的研究机T-10K的技术。如果属实,这对加快歼-11的改装更加有利。

 

为了尽快形成战斗力,大量借鉴苏-33的思路是可取的,但苏-27的基本设计提供了很大的改进余地,正是羽翼初丰的中国航空施展身手的好地方。中国正在从苏-27的引进制造“升级”为采用最新航空技术的“重新研制”,最新的歼-11已经和苏-27貌合神。在某种意义上,这好比后期歼-7和早期米格-21的差别。这些升级都可以用于歼-11的舰载型。更重要的是,在全面掌握歼-11的制造技术之后,中国已经有条件在苏-27的基本设计上进行局部但关键的更改,用不大的研发代价和大体不变的工装使歼-11达到四代半的水平,而不必受30年前苏联设计水平的制约。中国已经积累起来的歼-11的使用、维修和技术保障经验也降低了歼-11和航母运作整合上的技术风险。

 

除了采用推力增大的发动机、全数字电传飞控和推力转向、更加先进的航电和武器外,苏-33的气动设计也有改进的余地。苏-33使用小鸭翼是不得已。苏-27的边条设计依然保守,改用“枭龙04”那样的哥特式大边条可以把气动升力中心前移,在很大程度上亿较低的阻力和重量代价达到小鸭翼的同样目的。如果配合以米格-29K那样在边条外缘可以机动下垂的扰流片,可以控制涡流的位置和强度,还可以进一步改善滑跃起飞性能。增大的边条还可以增加机内容积,增加载油量。在强调隐身的时代,取消鸭翼对降低正面雷达反射面积也是有利的。如果用DSI代替传统的锲形进气口,还可以减轻重量、改善重量分布、降低阻力和改善隐身。不过苏-27的边条和翼身融合体在设计上是高度整合的,改动边条设计很不容易,改用DSI的难度更大,会对整体气动特性带来意想不到的变化,需要大量的细化设计。加大边条甚至可能造成大迎角飞行时气动升力中心过于靠前,导致操控能力下降的问题,这就需要在先进飞控的协调下使用推力转向来帮助恢复了。

 

如果借鉴波音F-15“寂静鹰”的做法,还可以将双垂尾适当外倾,降低侧向的雷达反射面积。这当然不能使歼-11成为隐身飞机,但不以善小而不为。借鉴波音F-18E“国际大黄蜂”的做法,还可以在翼根上方增装保形油箱,加大航程。借鉴苏-35BM的经验,可以取消机背的减速板,而是在数字飞控的协调下,用襟翼、副翼的协调动作实现气动减速,可以降低重量,并把减速板机构的空间转做它用。

 

不过由于苏-27基本设计的局限,机载武器的隐性化不容易做到。苏-27的主起落架紧贴机身两侧,直接锚接在翼根,向前收起。这样的的受力设计简洁,收放可靠,也便于起落架收入翼根下的舱内,但使得两侧的保形油箱不再可能,F-15“寂静鹰”借用保形油箱的空间作为机内挂载空空导弹的做法就不可能借鉴了。翼根上方的保形油箱空间倒是可以转用于机内武器,但向上发射武器很难解决可靠分离问题,武器发射后分离失败可能造成严重的安全问题,所以极少得到使用。F-18E“国际大黄蜂”那样的机腹保形武器吊舱是可以借鉴的思路,苏-27双发之间的“隧道”是吊挂保形武器吊舱的天然位置。还有就是欧洲“台风”那样的机身下半埋武器挂架,可以减小外挂武器的外露,降低阻力,减小雷达反射面积,但对武器的大小和形状限制较大,也可能同样受到主起落架收放路径的限制。

 

这一切改装无疑都不是轻而易举的,在基本技术已经30多年的苏-27上大动干戈是否值得?这个问题要看舰载歼-11的背景和用途。中国航母的作战使用是一个很大的话题,但可以想象的是,中国航母的作战范围还是在周边的海洋。在面对强敌时,中国航母将在很长一段时间里依然要依托陆基航空兵作战。独立作战时,对象则以相对弱小的对手为主,在技术水平上不超过F-15F-16F-18、苏-27/30、米格-29。在这样的情况下,舰载歼-11还是够用的。另一方面,歼-11的生产正在转型,逐步加大采用中国技术的深度和广度,舰载歼-11乘这个东风更进一步是完全合理的做法。

 

以歼-11为基础还应该和国际上的先例做比较。当前固定翼舰载战斗机的种类不多,如果不算已经老旧的F-18C/D(美国海军的F-18A/B已经退出一线使用)和偏门的“鹞”式战斗机(包括AV-8B)家族,只有美国的F-18E/FF-35C、法国的“阵风M”、俄罗斯的苏-33和米格-29K。除了和舰载歼-11同源的苏-33属于重型战斗机外,其余都属于中型战斗机。俄罗斯海军正在考虑用米格-29K取代苏-33。在航母大国纷纷采用中型战斗机的时候,中国海军继续采用重型战斗机,是否不合时宜?

 

法国“阵风M”是陆基“阵风”的舰载型,由于这是法国唯一的当代战斗机,法国海军没有选择,只有采用中型战斗机。当然从法国的角度来说,这是一个很不错的选择。美国海军曾经拥有重型的F-14F-18经典型是F-14的“低端”补充。在2006F-14全部退役后,美国海军没有研制新一代重型战斗机,而是选择了F-18的升级:F-18E/F。这是出于美国对冷战后世界安全局势的基本估价:美国海军不再需要在开放大洋上和另一个超级大国争夺海空控制权,F-18E/F已经足够了。另一方面,F-18E/F也早已不是“轻型”的F-18经典型的简单升级,甚至不是传统概念的中型战斗机,在正常起飞重量和最大起飞重量上已经和重型的F-15C相当。F-35C在重量上也一点不逊色,甚至比F-18E/F有过之而无不及。难怪美国海军不急于研制新一代重型战斗机,中国的崛起是一个意料之外的变数。

 

比较值得关注的是俄罗斯的苏-33和米格-29K。苏-33的前身苏-27K和米格-29K都是苏联时代用于上舰的战斗机,两家竞争,最后苏-27K胜出,按苏-33投产。“库兹涅佐夫”级是前苏联第一代真正的航母,更大的后续航母的工作已经展开,因为苏联解体嘎然而止,否则可以进一步发挥苏-33的作战能力强于米格-29K的优点。米格-29K本来就此淡出,但碰上印度海军购入“戈尔什科夫”号并改装,选用米格-29K作为配套舰载战斗机,这才得以重生。

 

印度的考虑是正确的。“戈尔什科夫”号(在印度海军改称“维克拉玛蒂提亚”号)的吨位不足,无法搭载苏-33。在印俄签约的时候,印度没有把握可以获得欧美的舰载战斗机,欧美舰载战斗机也不是按照滑跃起飞设计的,而“维克拉玛蒂提亚”号不可能加装弹射起飞系统。另外,俄罗斯急于为军工产业寻找生计,在谈判“戈尔什科夫”号的时候坚持要将米格-29K打包出售。印度没有别的选择,只有选用米格-29K

 

在美国空军的高低搭配中,F-15注重空优,F-16注重对地攻击,兼顾二线空优。但苏联空军对米格-29和苏-27有不同的定位。米格-29相对于苏-27来说,不是轻装简化型,而是缩小版的苏-27,但米格-29注重前线制空,苏-27注重攻势制空。这样的定位决定了米格-29有一些先天的缺陷:

1、航程较短

2、航电依然相对简陋

3、飞控系统比苏-27落后了半代,还是机械式的

 

-29问世30年来,航空技术进步了很多,为米格-29装上数字电传飞控已经不是难事,配备先进航电更是米格-29的各种升级套件的核心所在。在战斗 力方面,升级的米格-29超过原装苏-33已经不是问题。米格-29的航程曾经是性能的最短板,但取消了边条上的辅助进气口后,边条内空间改作额外的机内油 箱,加大的机脊进一步增加了机内油箱容积,使米格-29的航程有了根本的改观。现在交付印度海军的米格-29K已经不是20年前试验上舰的米格-29K 了。

 

相比之下,“库兹涅佐夫”号上现役的苏-33在航电上没有停留在第一代苏-27的水平,显然已经落后于时代了。由于苏联战斗机的设计寿命不 长,使用近20年的苏-33已经接近寿命的终端了,急需更新。在原则上,米格-29K所得益的航电和飞控技术的进步都可以用于苏-33,苏-33甚至更加近水楼 台,因为集俄罗斯过去20年技术进步之大成的苏-35BM有很多现成的技术可以和苏-33第二代共享。但俄罗斯海军选择米格-29K接替苏-33,而放弃了苏-33。为什么呢?

 

其实这里面没有奥妙,俄罗斯没钱了。俄罗斯海军不再有胃口和美国海军争霸世界大洋,硕果仅存的“库兹涅佐夫”号及其舰载机群实际上已经成了形象工程,维持出海和飞行员训练已经很吃力,继续装备采购和使用都十分昂贵的重型舰载战斗机实在没有必要,米格-29K够用了。米格-29K虽然也是双发,但毕竟只是中型战斗机,采购和日常运作费用低于苏-33。更重要的是,米格-29K的技术升级和生产启动费用已经由印度支付了,俄罗斯海军只要坐享其成,直接按生产成本购买就可以了,还得益于印度订单带来的规模经济,进一步降低了采购成本。另一方面,苏-33需要俄罗斯自己出资大规模技术升级,并重开生产线,俄罗斯没有这个钱。这才是俄罗斯“淘汰”苏-33的奥秘。

 

但中国的情况不一样。中国的海上作战环境比俄罗斯、印度或者法国都要险恶,中国也没有现成的中型双发战斗机可以作为上舰改装的起点,歼-20有大量的技术风险,还有时间因素,综合考虑下来,歼-11是最合适的上舰改装起点,并具有足够的升级空间,适合作为中国航母的第一代舰载战斗机。

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