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晨枫小苑

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西西河水浪打浪,一浪打到网易上。我本是喜欢纸上谈兵的一介草民,在西西河那边开了一个小铺子,这是海外华人的一个精神家园。我是一个一坐下来就不动窝的懒人,但架不住友人的邀请,到网易也开了一个茶摊。阿庆嫂是怎么说来着:来的都是客。希望您能喜欢我这小号。来来来,先握一个手! 当然,主有主规,客有客道。请勿随地吐痰,喧哗扰众,或者乱贴小广告。不欢迎指桑骂槐,更不准恶语伤人。

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从零到零  

2011-02-03 11:02:06|  分类: 鹰击长空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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11月4日,日本防卫省官员透露,日本已经放弃增购F-2,而准备采购40架F-35作为下一代战斗机的主力,用于对抗亚太已经日益普及的苏-27/苏-30和F-15一级的第三代重型战斗机。

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二战时代的“零”式战斗机大概是日本航空工业的最高峰了

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战后日本航空工业从引进制造F-86重新开始

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  中规中矩的F-1是战后第一代日本设计的战斗机

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F-2本来是日本航空工业的突破口,结果还是烧成了回锅肉

从 明治维新时代开始,日本就立志要成为世界一流的工业强国。在第二次世界大战中,日本的“零”式战斗机以其出色的速度和机动性,曾在一时间横扫太平洋无敌 手,打得美英等强国一筹莫展。战后日本重建,复兴航空工业是一个重要内容。由于种种原因,日本的航空工业成为强大的现代日本工业体系中一个引人注目的缺 门,但这不等于日本就此放弃了努力。

战后第一代日本战斗机F-1是在20世纪60年代从T-2超音速教练机发展而来的,在外观上结合英法合 作的“美洲豹”攻击机和美国的F-4“鬼怪”式战斗机的一些特点,在气动设计上中规中矩,没有太大的突出。F-1和T-2在外观上最大的区别在于后座被金 属蒙皮所覆盖,所以外观上有点驼背的样子,腾出的空间用于装载电子设备和额外的燃油。

由于出生于教练机带来的天然局限,日本从一开始就是把 F-1作为具有一定空战能力的攻击机来设计的。F-1作为对地对海攻击机不错,可以挂载各种美制和日制的常规和精确制导弹药,但作为制空战斗机有点勉强。 好在日本航空自卫队有F-104和F-4战斗机撑大梁,F-1的平平的空战性能不是一个问题。

20世纪80年代时,日本经济如日中天,政治 和军事野心也开始膨胀,F-1要考虑后继问题了。日本航空自卫队向各国发出招标,代号为FS-X。美国的F-16、F-18和欧洲的“狂风”参加竞标。出 人意料的是,日本宣布,所有外国竟标者都不符合要求,只有日本自行研制才能符合要求。


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 F-X原本是一个雄心勃勃的计划,性能要求直逼F-15

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不同时期的模型略有不同

日 本的FS-X方案显然是为很强的空战能力而设计的。不同阶段的模型和想象图有所不同,但大体上,单座、双发、双垂尾的FS-X没有采用在美国流行的正常布 局,而是采用在欧洲流行的鸭式加无尾三角翼的布局,但在细节上综合了F-15、F-16和F-18的一些特点。这种博采众长一方面体现了日本工业界兼收并 蓄的特点,另一方面也体现了日本在战斗机设计上缺乏独创精神和技术积累的事实。缺乏独立自主的技术主导而将“空降”下来的先进技术简单堆积,这是在技术上 跟风的国家的通病。如果对于这些“空降”下来的先进技术的来龙去脉和微妙之处缺乏了解,在具体工程设计中发现有关技术之间不相容时,常常会弄成盐多了加 糖,糖多了加盐,最后所有东西都串了味的问题。当然,对日本来说,FS-X本来就是一个学习的过程,所以交点学费不是问题。日本希望通过借FS-X的研制 来凝聚和形成独立的航空工业,但日本的梦想在美国的强大压力下破灭了。

FS-X的竟标刚结束,美国和欧洲就表示强烈抗议,认为日本人为操纵 竞标规则,有意使所有竞标的外国战斗机都落选,而只有日本自己的FS-X可以入选。20世纪90年代初正好是美日、欧日贸易严重不平衡的时候。在政治上, 苏联在苏东波的冲击下轰然瓦解,美国挟第一次伊拉克战争辉煌胜利的余威,正在“拔剑四顾两茫茫”,具有世界第二大经济的日本意外地发现自己成为美国的“头 号潜在敌人”,“敲打日本”成为美国朝野的热门话题。今天已经难以想象,但以《追踪红十月》出名的畅销书作家汤姆克兰西还在20世纪90年代写过一部小 说,描绘假想的美日战争。

在这样的国际政治经济环境下,日本拒绝采用美国战斗机就成为一个政治问题。所谓美国担心日本在国际市场上和美国战斗机竞争实在是一个借口,日本宪法规定日本是不得出口军火的。在美国的强大压力下,日本被迫放弃自己的FS-X,而以美国现有战斗机为基础开始设计。

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在被迫从美国引进基本技术后,日本曾经考虑过F-18,这更加适合日本的需要

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最后还是以F-16为基础,研制FS-X

据 说日本最初是看中F-18的。这不奇怪,双发的F-18是舰载战斗机,天然适合海洋环境。舰载战斗机强调独立作战,单机的空空、空地能力比较强大、均衡。 F-18的推出晚于F-16,发展潜力也更大,缺点是成本较高。美国出口战斗机中,虽然F-16占数量上的绝对优势,但有钱的盟国选择F-18的较多,包 括加拿大、澳大利亚、瑞士、西班牙、芬兰、科威特等。但是出于种种原因,日本最后选择F-16作为FS-X的基础,这就是F-2的开始。

F- 2开始设计时,F-16“战隼”式战斗机已经从最初的A/B型(单/双座)发展到C/D型,最大的变化是大大加强的机体和雷达,在均衡的空空、空地能力方 面有所改善。然而,大大增加的总重使F-16C/D的机动性有所损失,需要增加翼面积和发动机推力来补足,于是通用动力推出“灵巧隼”(Agile Falcon)的概念。“灵巧隼”需要大幅度更改F-16的设计,美国空军认为得不偿失,但这成为F-2的设计基础。

F-2比F-16的翼 面积增大25%,机体略微加长,尾翼、进气口加大,采用增大推力的通用电气F110-129发动机,但最突出的是日本自制的主动电扫雷达和整体成型的复合 材料机翼。主动电扫雷达把传统雷达天线化整为零,千百个小天线可以可以合起来提高单束雷达波的功率和分辨力,或者分散以跟踪多个目标。然而,先进的硬件只 是雷达性能的一半,处理雷达信号,抗干扰和剔除虚假信号,对目标按威胁程度排序、分类,火控计算,这些都需要先进的软件,而软件是实战中雷达使用经验的物 化,这恰好是各国守口如瓶的,也是日本欠缺的。英国的“猎迷”预警机就栽在雷达软件上,在花了十亿英镑研制无果之后,还是不得不从美国购买E-3。日本的 90式主战坦克上另一个例子,硬件上很好看,但更早入役的德国“豹II”或美国M1A1靠不断升级而保持长青,日本就必须全新研制10型坦克才能和跟上先 进水平,取代入役才不到20年的90型坦克。F-2的整体成型复合材料机翼既轻巧坚固,又降低雷达反射特征,但战斗机的雷达特征不是复合材料机翼就可以解 决的。F-18E也是复合材料机翼,多亏进气口的雷达屏障,才敢羞羞答答地自称“半隐身”。F-2的进气口大门洞开,这个最大的前向雷达反射源不解决,隐 身无从谈起。早期的F-2方案还在座舱下有一对相当于垂直的鸭翼,用于实现非常规的机动动作,如在前进中的平移和偏转等,用以极大地提高战斗机的机动性, 但在最后的设计上取消了。

F-2的基本技术和很多关键系统都来自F-16,美国出于对日本成为竞争对手的防范,以及确保美国公司分得足够大 的一碗羹,对技术转移和生产份额百般刁难。在不断扯皮中,和F-16大同小异的F-2直到2000年10月才入役。截至今年三月底,日本共部署了94架 F-2,单价高达1.27亿美元,为性能大体相当的第50批次F-16的4倍。日本原定装备141架F-2,后削减到130架。日本的F-15正在升级, 但F-2的机体空间局促,升级空间有限,日本只好决定提前结束F-2的生产,最终产量缩减到94架。

放弃自主的FS-X的结果就是放弃了自 主的航空工业,日本还是没有在实践中把整个战斗机研制过程走一遍。工程设计不是纸上谈兵,是实干出来的,是很多细节堆积出来的,很多事情只有亲手做一做才 能体会到其中的奥妙,但日本再次错过了这样一个机会。在20世纪70年代最初设计的时候,F-16是十分先进的一架战斗机,在设计概念上采用能量机动理 论,在飞行控制上采用电传操纵,在气动设计上采用翼身融合体和机腹进气道。但到了90年代,更先进的设计理念已经涌现,比如已经公诸于众的F-22就是基 于隐身、超音速巡航、超机动性的概念。F-2本来有机会成为全新的一代战斗机,但最后成为基本概念已经20之久的炒冷饭之作,没有一点火眼金睛的话,“全 新”的F-2和F-16之间根本分辨不出来。主动电扫雷达和复合材料机翼那样的具体技术再先进,也难以突破基本概念的局限。

进入21世纪,日本航空自卫队的F-15已经老旧,再次面临战斗机更新的问题。然而,出于种种原因,美国拒绝向日本出售F-22战斗机,F-35的性能达不到日本的期望,于是,日本再次试图自行研制新一代战斗机,这就是昙花一现的ATD-X概念机的背景。

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日本没有放弃对下一代战斗机的追求,但不知道这是日本军迷的创作,还是认真的设计方案

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还有过这样一个YF-23的单发版,同样不清楚这是认真的尝试,还是军迷所作

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日本指望F-22无果,对F-35又不甘心,开始玩弄“心神”概念,也称ATD-X

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在“心神”上,可以看到很多F-22、F-35、F-2、苏-27的影子

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这么一架身板和F-5差不多的轻型战斗机根本不可能做到超巡、机内武器等4S战斗机起码的要求

ATD- X明显受F-22的影响,以隐身为主要设计原则,采用正常布局,单座、双发,梯形机翼,外倾的双垂尾,机身两侧斜切的菱形进气道,发动机喷口具有三维推力 转向能力。再仔细看,基本气动布局和机体侧面的折边受F-22的影响,阶梯式升起的座舱受苏-27的影响,相对靠前的双垂尾和机翼形状受F-35的影响, 后机身两侧的边条和平尾的安装方式受F-16/F-2的影响。和近二十年前的FS-X一样,由于缺乏独立的技术积累,日本的战斗机设计依然处在“天下文章 一大抄”的阶段。这一方面体现了日本工业界兼收并蓄的特点,另一方面也体现了日本在战斗机设计上缺乏独创精神和技术基础的事实。

优秀的战斗 机设计从优秀的概念开始。F-16之所以优秀,不是因为先进技术的堆积,而是因为以能量机动理论为基础的设计概念。战后60年来,日本航空自卫队没有任何 实战经验,也没有长期组织大规模对抗性实战演习的经验,日本航空工业也没有日积月累的独立设计和制造经验,先进的设计理念就成了无本之木、无源之水。隐 身、超音速巡航和超机动被认为是第四代战斗机的特征,但落实到具体技术要求,这不是拍拍脑袋或者照着公开资料照猫画虎就可以正确定位的,更不是像ATD- X这样以项目带动科研就可以回答的。

ATD-X的设计不可避免地需要大量的风洞数据,日本没有系统的风洞群,战斗机设计需要到别的国家去吹 风,如美国和法国。美国和法国都是盟国,日本去做一般的研究性吹风没有问题,但涉及国家机密的具体设计也依靠外国的风洞就成问题了。首先,日本不会希望外 国太清楚日本最新战斗机的能力和关键设计技术;其次,外国也不希望共用风洞导致本国机密技术的“交叉污染”和不受控制的技术转移,所以使用外国风洞必定对 双方有很多限制,这还不算外国自己也有自己的研究项目需要吹风,到时候谁等谁不是一个很难猜想的问题。

另外一个大问题是发动机。日本正在研 制XF7发动机,这是一台50千牛级的高涵道比(涵道比为8)涡扇发动机,是为P-X反潜机和C-X运输机用的,不过这不排除其核心发动机和ATD-X共 用的可能。但是50千牛级的发动机作为高性能战斗机的发动机太小了,假定能升级到100千牛级,那飞机的起飞重量依然受到极大的限制,将不超过米格-29 的水平,如果要求超音速巡航,起飞重量还要进一步受到限制,将不能超过F-16的水平。F-16的起飞重量不算差,但隐身战斗机要求采用机内武器舱,大大 增加飞机的体积和重量,所以F-22比F-15大上一号。F-35采用机内和外挂混合的武器装载方式,隐身效果下降,但起飞重量也和苏-27差不多了。中 型战斗机上采用双发将进一步限制可以装载武器和燃油的机内有效容积,米格-29就是吃了这个苦头,以至于非常优秀的机动性被短得令人难为情的航程拖了后 腿。ATD-X如果解决不了发动机的问题,将逃脱不了同样的命运。

日本当然可以用引进的发动机,但现有的美国F404/414、法国的M88、英国的EJ200都达不到超音速巡航需要的10:1的推重比,美国F119又太大了。

日 本的雄心很大,推出ATD-X的动作也做得很大,但日本是在项庄舞剑,意在沛公。如果日本真的想通过ATD-X来带动航空工业,应该大力兴建航空基础研究 设施,建立风洞群、高空试验台、电磁波测试室等,就像中国在过去几十年里一样。但是日本对这些基础设施的建设按兵不动,反而早早公开这些应该是保密也来不 及的研究,只能是在钓鱼,而不是真心振兴航空工业。在FS-X时代,美国愿意出售F-16和F-18,但日本想自己干,被美国的一桶冷水浇灭了火花。这一 次,情况颠倒了过来,日本想买F-22,但美国不卖,于是日本假惺惺地自己研制ATD-X,希望像台湾的IDF一样,诱使美国最后准许向日本出售F- 22,而不仅仅是F-35。但当购买F-22的希望最后破灭之后,日本只得无奈地决定购买F-35。

从F-15、F-16时代开始,美国空 军就采纳了高低搭配的概念,美国海军则用F-18和F-14配对。高档战斗机主要用于攻势制空和防空截击,低档战斗机在高档战斗机忙不过来的时候用于填补 次要方向,但更重要的是用于承担对地对海攻击,把敌人的空军扼杀在地面上。在 F-22时代,美国空军选定洛克希德F-35作为抵挡搭配,这是未来几十年里美国空军的低档战斗机,在F-22已经停产并被禁止出口的情况下,F-35也 将是美国战斗机出口的基本力量。

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现实地说,F-35才是日本下一代战斗机最可能的候选

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F-35是按照轻型战斗机设计的,但起飞重量甚至超过了F-15

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飞机过重导致F-35的推重比和F-4相当

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而翼载只有更“人操火箭”F-104相提并论了

但 F-35不是单纯的F-16的替代,美国海军的F-18舰载战斗机需要替代,美国海军陆战队的AV-8B垂直/短距起落战斗机也需要替代。作为简单、轻巧 的F-16的替代,空军型F-35A应该采用单发,以和F-22共用发动机,需要具有优秀的敏捷性和武器挂载能力;作为F-18的替代,舰载型F-35C 不仅应该强调可靠性和武器系统的完备性以适应航母上以一当十的特点,需要具有优秀的低空低速性能以适应航母起飞着陆的需要,还应该双发以适合海军对可靠性 的要求;作为AV-8的替代,海军陆战队型F-35B则需要具有垂直/短距起落性能(实际上要求放宽为短距起飞、垂直降落,简称STOVL),以在平甲板 两栖作战舰艇和海军陆战队上陆后的前进基地简易起降场上使用。这些相互冲突的要求使本来以低成本、适度先进和现成技术为主要特点的F-35一步一步滑向了 深不可测的泥坑。

日本没有宣布将采用哪一种F-35。如果只考虑陆地跑道上使用,F-35A是最合适的,但F-35B的垂直/短距起落能力 可以使“日向”级和后续的“直升机反潜驱逐舰”成为事实上的小型航空母舰,其诱惑不可低估。“日向”级不能直接接受F-35B的起飞和着陆,但所需的改装 是在日本的技术能力之内的。不过日本一共采购40架F-35,不大可能在F-35A和F-35C之间同时采购,估计最后还是F-35A的可能性较大。

2002 年F-35计划正式启动时,计划预算是2320亿美元,现在暴涨到3824亿美元,超支幅度达到65%。F-35的研发已经耗资600亿美元,按照乐观估 计的5000架总产量,每架分摊的研发费用也要1200万美元。相比之下,B-2的研发耗资“只有”100亿美元。战斗机单价从原来的6200万美元暴涨 到1.124亿美元,其中纯粹制造成本从原来的5000万美元暴涨85%,达到9230万美元,时间上更是拖延了四年。美国海军在对F-35的使用成本估 算之后,得出结论,单发的F-35的使用成本比双发的F-18C要高出65%。这是因为隐身和先进电子设备都带来额外的维护要求。如B-2轰炸机,每飞行 小时需要60小时的维护时间,每7年需要一次为期13个月的全面翻修,使得每个月的维护费用就高达340万美元。F-35当然没有那么极端,但使用费用也 是不菲。因此美国海军有可能削减F-35C的采购,转而采购成熟而且是双发的F-18E,或者用无人机补足。美国空军原打算采购1763架,现在也降低到 “至少1500架”。美国海军陆战队为了保住本来就不多的F-35B的产量,婉言拒绝了海军的F-18G电子战飞机,坚持用缺乏专用的特种设备的F- 35B担任同样的任务。但英国的“伊丽莎白女王”级航空母舰或许转用弹射起飞的F-35C而不是先前决定的STOVL的F-35B,这样将增加F-35B 的成本压力。F-35本来是准备接替F-16的出口市场的,F-35总产量中的60%来自预计的出口订单,但这样的天价买得起的国家不多,出口订单大幅度 萎缩难以避免,将进一步推高F-35的单价,最后实际单价估计要上涨到1.5亿美元以上,大大超过F-16,甚至超过被公认为昂贵的F-15最后型号。日 本经济曾经长期稳居世界第二,但近年来不仅被迅速崛起的中国赶上,自身还在呆滞中徘徊了十几年,这40架F-35的采购会是一个不小的经济负担,但这还不 是最大的问题。

F-35是按照轻型战斗机设计的。为了考虑STOVL的需要,机身内预留了升力发动机的空间。另外,F-35的机内武器舱没 有F-22的大,但还是每侧有两个挂架,这进一步增加了飞机的体积和重量。第三代重型战斗机中,F-15C的空重为12700公斤,正常起飞重量为 20200公斤;苏-27的空重为16380公斤,正常起飞重量为23430公斤。但F-35A的空重也达到13300公斤,正常起飞重量则达到 22470公斤。也就是说,“轻型”的F-35实际上和重型的F-15、苏-27的重量相当。

由于空军型不需要STOVL能力,升力风扇和 传动系统的空间转用于额外的油箱,增加航程。空军型也拥有机内航炮,用于近距格斗。海军型除加强起落架和机体防腐外,大大增加了翼面积和襟翼,以提高低空 低速性能。为了不使起飞总重过分增加以影响飞机的性能,机内航炮只好放弃,需要的话用外挂航炮吊舱。海军陆战队的STOVL型也是一样,只有外挂航炮吊 舱,与其注重对地攻击的使命不大相符。

笔者在《漫谈战斗机的机动性》一文中曾讨论过战斗机机动性与升力和推力的关系。简言之,对于战斗机来 说,升力不光用于克服重力,使战斗机得以飞行于空中,还是实现机动性的主要手段。换句话说,拉大弯需要首先横滚到几乎侧立,目的就是用机翼的升力产生转弯 所需要的侧向力。所谓拉9g的圈子,实际上就是几乎横躺下来的升力高达飞机重量的9倍(通过勾股定理不难算出,此时侧向力为8.94g),这是可预见的将 来任何发动机的推力转向都不可能达到的。翼载是单位机翼面积所承受的飞机重量,翼载越低,升力的“余量”越大。另外,拉大弯的时候阻力急剧增加,需要用特 别大的发动机推力来补偿。所以,低翼载和高推重比是高机动性的重要手段。

为了补偿不断攀升的飞机重量,F-35的发动机最终成为世界上单发 推力最大的战斗机发动机 ,非加力推力就达125千牛,加力推力更是高达191千牛。但F-35A的推重比依然远远低于F-15或苏-27,只有0.86,相当于F-4“鬼怪”式 的水平。F-35A的翼载更是达到526公斤/平方米,和以“人操火箭”著称的F-104相当,对机动性很是不利。F-35C的翼面积从F-35A的 42.7平方米增加到57.6平方米,翼载降低到和F-18相当的450公斤/平方米(依然高于F-15的356公斤/平方米和苏-27的377公斤/平 方米),但推重比则下降到和F-104相当的0.75。F-35的最大速度也只有1.6(一说1.8)倍音速,甚至低于F-16和F-18。如果说隐身、 电子系统和导弹的进步使战斗机的飞行性能不再重要,那就看看美国空军是不是舍得放弃F-22而用F-35挑大梁吧。

问题是F-35(不管日 本最终选用A、B还是C型)作为战斗轰炸机或许很出色,但作为制空战斗机则至少在飞行性能上很难压倒亚太已经大面积装备的苏-27、F-15等第三代重型 战斗机。作为防空战斗机,隐身不是特别重要。如果电子系统和导弹就能解决问题,那对F-2和F-15J升级是更简便的途径。日本的F-35能为日本买来心 理安全感吗?从日本几番希望购买F-22不得而磨叽到最后才无奈地改为F-35就不难猜到了。

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P-38击落了山本五十六,F-35会击落日本航空工业吗?

F- 35又名“闪电II”,顾名思义就是“闪电”之子。这“闪电”就是第二次世界大战中唯一从开战到结束一直保持生产的美国战斗机P-38,而P-38“闪 电”最著名的战绩就是在南太平洋的布干维尔岛上空击落日本联合舰队司令三本五十六的座机。70年后,“闪电”之子最著名的战绩或许就是击落日本的战斗机工 业。自从1955年三菱重工组装F-86以来,日本航空自卫队一直使用日本组装或者自制的战斗机。F-35计划从一开始就否定了外国组装的可能性,日本采 购的F-35将是全进口,这意味着日本的战斗机工业就此中断。从“零”式战斗机走向辉煌的日本战斗机工业或许就此向零回归。


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原文刊载在《航空知识》2011年第2期

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