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晨枫小苑

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晨枫  

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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关于F-35的空战能力  

2012-01-05 22:21:07|  分类: 鹰击长空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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F-35是一架充满争议的战斗机。除了超支和延期,最大的争议在于F-35的空战能力,尤其是相对于第三代战斗机的优越性。这里,第三代战斗机包括经过大规模升级的所谓3.5代战斗机,如美国F-18E、欧洲“台风”、法国“阵风”等。美国空军对F-35的空战能力并没有太多的指责,因为美国空军对F-35的定位是战斗轰炸机,从来就没有打算用F-35担任国土防空或者攻势制空的主力,F-22才是干这个的,F-35只是在F-22忙不过来的时候填补二线空缺只用。但对于盟国来说,F-35将是制空作战的主力,空战能力的重要性甚至超过对地攻击能力。在普遍装备第三代战斗机的情况下,盟国需要的不是不亚于第三代战斗机的空战能力,而是需要决定性地超过第三代战斗机的空战能力。也就是说,F-35必须具有第三代战斗机经过升级也达不到的空战能力,否则花巨资采购F-35就失去了意义,毕竟F-35的裸机单价超过F-18E至少一倍。

 

空战性能可以分为两部分,一是中距空战能力,也称视距外(Beyond Visual Range,简称BVR)空战能力;二是近距格斗能力,也称视距内(Within Visual Range,简称WVR)空战能力。

 

中距空战能力和飞机的气动性能关系不大,主要由超视距空战武器和航电决定。F-35可以在机内武器舱里携带4AIM-120(洛克希德计划进一步扩大到6枚),AN/APG-81主动电扫雷达更是十分先进,座舱显示则采用了最先进的大屏幕。F-35的中距拦射能力无疑出众。不过和第三代战斗机相比,F-35的雷达没有本质性的优越性,或者说,没有第三代战斗机经过升级也达不到的能力。AIM-120主动雷达制导中程空空导弹更是第三代战斗机也已经普遍装备的东西,F-35不占优越性。

 

既然在航电和武器上没有实质性的差距,在中距离对射中,隐身、速度、机动性和电子对抗能力就是影响交换率的主要因素。

 

F-35无疑比第三代战斗机具有更优秀的隐身性能,隐身不是在雷达上消失,只是降低雷达的稳定锁定距离。F-35的隐身不及F-22或者B-2,在空战中也无法通过路径规划来最大限度地降低敌方雷达的探测机率。在理论上,F-35可以通过特别强大的机载电子战系统对所有空中电磁威胁实时定位,实时计算最低可探测性路径。但现在还没有F-35有这方面能力的报道,也没有这样做法的有效性的分析,毕竟这不比有地形地物掩蔽的低空,在万里无垠的蓝天里,对方不仅在空中高速机动,还有多平台在空中同时照射战斗空域,F-35只要作任何转弯动作,大角度横滚时雷达投影面积急剧增加,暴露机会也同步增加。

 

另外,中程空空导弹即使采用主动雷达制导,导引头的探测距离也大大低于有效射程,需要中途弹道修正。载机需要在导弹发射后继续跟踪目标,并通过数据链控制飞行中的导弹,这相当于发射后的概略瞄准。F-35AN/APG-81具有频率捷变、低可截获率编码发射等“隐身雷达”技术,但还是需要频繁扫描跟踪目标和通过数据链发送中途弹道修正信号,容易暴露。导弹的发射距离越远,暴露的时间越长,这个问题越大。

 

F-22也有同样的问题,但F-22不仅按全向隐身设计(F-35为了降低成本,只要求前向隐身),而且有很大的速度优势。事实上,F-22在战斗状态下基本使用超音速巡航,这不仅增加空空导弹发射时的初始能量,极大地增加射程,还增加自身能量,压缩敌方空空导弹的能量优势,缩小有效射程。换句话说,F-22不仅依靠隐身,还用速度优势提高生存力。现代空空导弹的最大速度经常能达到4马赫以上,最大过载更是高达60-70g,但这只是发射时的最大能量状态,并不是在整个射程内的能量状态。在导弹燃料耗尽后靠惯性滑翔的时候,能量是一路递减的,追杀敌机的能力也一路递减。

 

导弹追上敌机,归根到底是靠能量差。从能量机动的角度来说,只有导弹的单位剩余能量高于敌机,才有把握追上敌机,而单位剩余能量和推力与阻力之差成正比(导弹的火箭发动机关机后,可用维持当前速度所需的等效推力计算),还和速度成正比,和重量成反比。显然,空空导弹的单位剩余能量是时变的,开始时随燃料的消耗而增加,发动机关机后随时间而降低。而战斗机在这段时间里的燃料消耗相对于飞机总重来说变化不大,单位剩余能量大体不变。导弹和敌机之间的单位剩余能量差不仅取决于导弹,还取决于载机在发射时的能量状态,导弹的火箭发动机关机时刻的能量状态(由动力飞行阶段的飞行轨迹和机动动作决定),还取决于敌机的能量状态。这就是F-22F-35根本不同的地方了。F-22是按照1.6倍音速巡航设计的,也就是说,在战斗状态时,可以长时间以1.6倍音速飞行。但F-35的最大速度才是1.6倍音速,巡航速度是高亚音速。就中距离对射而言,F-35的逃逸能量不足,导弹发射能量不足,这一进一出,和F-22就天差地远,而和第三代战斗机同一个层次了。在最坏情况下,F-22可以依靠速度快速退出战斗,择机再战,而缺乏必要的速度的F-35就不一定有这个选择了。当然,在距离足够近的情况下,空空导弹还在动力射程之内, F-35就没有空空导弹的能量问题,导弹也不需要多少中途弹道修正,但这也就失去中距空战的意义。和敌机距离缩短也增加了隐身被对方雷达“烧穿”的风险。

 

中距离拦射的另一个问题是命中率。导弹除了固有的故障率外,还有敌机的机动规避和电子对抗问题。机动规避在导弹的动力射程内意义不大,但在动力射程外还是有用的。20088月,兰德公司在名为《空战的过去,现在与未来》报告中用历史数据指出,从海湾战争到科索沃战争,AIM-120在视距外的命中率实际上是46%,这还是在对手技术手段低下而没有电子对抗或者慌不择路而没有任何规避机动的情况下取得的。如果考虑到常规战争中双方在尽可能远的距离上有准备地进入交战,加上机动规避和电子对抗的因素,AIM-120的实战命中率预期在10-50%之间更加合理,而不是厂商宣称的75% 以上。

 

当然,空战中,除了消灭敌人,还有保存自己的一方面,F-35将装备最先进的电子对抗技术,但这依然不能决定性地确立F-35对第三代战斗机的优势。先进电子对抗技术不是F-35垄断的,第三代战斗机也可以通过升级得到。另外,电子对抗是不可能隐身的,大量使用电子对抗将使F-35丧失隐身优势,如果敌机拥有数量优势,F-35陷入进一步的被动只是时间问题。

 

中距拦射失败的话,接下来当然就是近距格斗了。归根到底,中距空战能力只是空战能力中重要的一部分,不是全部。隐身和电子对抗不能根本性地改变空战,否则B-2的机内武器舱里挂上一大堆空空导弹就是空战的终极利器了。近距格斗依然对制空战斗机至关重要,但F-35的近距格斗能力比中距空战能力还要令人担忧。

 

对于近距格斗来说,空战武器和航电依然重要,但飞机的机动性至少同样重要,也就是说,需要较低的翼载和较高的推重比。较低的翼载意味着有产生较大升力的空间,较大的推重比则意味着较大的剩余推力。较大的升力不仅可以加速爬升,还对水平机动至关重要。水平机动需要的侧向力主要不是靠扭转机头指向和改变发动机的推力轴线实现的,而是靠横滚中升力的水平分量。所谓拉9g的圈子,实际上就是斜向的升力高达飞机重量的9倍。此时用于克服重力的垂直升力分量依然为1g,通过力的分解不难算出,此时侧向力为8.94g。对于一架典型重量为1000020000千克的战斗机来说,这相当于882-1764千牛的侧向力,这是在可预见的将来任何发动机的推力转向都不可能达到的。进一步增加转弯速率需要拉大迎角,最大限度地增加升力,但阻力随迎角急剧增加,只有很大的推力才能保证飞机不至于时失速,这就是推重比对水平机动性的作用。翼载和推重比对垂直机动性的作用就不言而喻了。

 

F-35是按隐身战斗机设计的,所以采用机内武器舱,使得机体很是臃肿。为短距起飞-垂直着陆预留的空间进一步增大了F-35的机体,使得总重急剧攀升。在第三代(现在美俄统一将高机动战斗机这一代称为第四代,所以隐身战斗机称为第五代)重型战斗机中,F-15C的空重为12700千克,正常起飞重量为20200千克;苏-27的空重为16380千克,正常起飞重量为23430千克。但F-35A的空重也达到13300千克,正常起飞重量则达到22470千克。也就是说,“轻型”的F-35A实际上和重型的F-15C、苏-27的重量相当。

 

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 ,非加力的军用推力就达125千牛,加力推力更是高达191千牛(一说军用推力111千牛,加力推力178千牛)。但F-35家族中最轻巧的F-35A的推重比也只有0.87,远远低于F-15C1.12和苏-271.07,和F-4“鬼怪”式相当。F-35A的翼载高达526千克/平方米,远远高于F-15357千克/平方米和苏-27377千克/平方米,甚至高于专业对地攻击的F-105452千克/平方米和以“人操火箭”著称的F-104514千克/平方米。F-35的最大速度也只有1.6(一说1.8)倍音速,甚至低于F-16F-18,超巡更是免提。F-35A的机体按照9g过载设计,F-35C降低到7.5gF-35B进一步降低到7g。这是为了降低对机体结构强度的要求、避免进一步增重,当然也对格斗机动性带来限制。作为参照,F-22的推重比至少为1.09,即使在非加力状态,推重比也达0.72,翼载为375千克/平方米。

 

机动性不足使F-35在和第三代战斗机的视距内空战格斗中难以取胜,速度不足使F-35在进入和退出战斗中缺乏主动权。但F-35的推崇者们指出,F-35使用机内武器舱,空战状态没有外挂带来的额外阻力,而第三代战斗机使用翼下挂架,带来较大阻力,两者之间的机动性并没有翼载和推重比那么简单。但他们忽略的是,如果都只带两枚近距空空导弹的话,第三代战斗机通常使用翼尖挂架,并不带来额外阻力,和干净气动外形没有实质性的差别。另一方面,F-35在实际的空战格斗中是否能保持机内武器舱的舱门紧闭,这反倒是一个很大的疑问。

 

机载导弹发射有两种方式:一是导弹依靠自身动力从滑轨上发射出去,二是像炸弹一样抛下后再点火进入动力飞行。滑轨发射需要专用滑轨,但保证导弹在任何姿态下都能可靠发射,不过万一发射失败,导弹可能就在滑轨上爆炸。投放发射比较安全,也不需要沉重的滑轨,但只能在较为平稳的飞行状态下发射,很难在复杂机动中发射。通常近程空空导弹是从滑轨上发射出去的,中程空空导弹则是投放发射的。F-35的机内武器舱里,两枚近程空空导弹挂载在舱门内侧的发射滑轨上,四枚中程空空导弹吊挂在和炸弹共用的多用途挂架上,舱门挂架可以改挂中程空空导弹,但炸弹挂架不能改挂近程空空导弹。舱门在需要发射的时候打开,近程空空导弹从滑轨直接发射,中程空空导弹则像炸弹一样投放出去后再点火发射。

 

F-35挂载的AIM-120中程空空导弹是可以当作近程空空导弹使用的,但由于发射方式的限制,很难在空战格斗中使用,所以只有两枚AIM-9X可以使用。第三代战斗机如果只用翼尖挂架的话,也是只有两枚近程空空导弹。两者旗鼓相当。问题是,第三代战斗机的翼尖近程空空导弹随时都可以处于待发状态,而F-35必须打开武器舱门,滑轨探出头来,导弹的头尾暴露于空气中,才进入待发状态。这需要时间。具体多少时间是保密的,但整个过程应该需要不少于1-2秒。在激烈的空战中,这1-2秒的滞后可能是致命的。另外,舱门打开要大大影响气动外形,在作极限机动的时候,影响难以估计,极端情况下可能导致飞机失稳。要避免失稳,要么在极端情况下禁止打开舱门,要么在格斗中不能发挥出极限机动能力,两者对拼死搏命的飞行员来说都不是好事情。要解决这些问题不难,可以在进入格斗时就打开舱门,导弹处于待发状态,但这样阻力将大大增加,可能超过第三代战斗机的翼下挂架,更不用说额外阻力本来就很小的翼尖挂架了。

 

F-35可能需要在空战格斗中早早打开武器舱门的另一个原因是导弹锁定。导弹可以先锁定后发射,这样确保导弹可靠跟踪目标;也可以先发射后锁定,这样可以及早发射,或者在舱门打开的瞬间就尽快发射,缩短舱门开启的时间。中程空空导弹采用先发射后锁定没有问题,导弹飞行的时间长,离轴角度小,反正也需要中途弹道修正,这相当于先发射后锁定。近程空空导弹在理论上也可以先发射后锁定,但近程空空导弹瞄准的离轴角度大,目标变化快,先发射后锁定一有可靠锁定的困难,二在发射到锁定这段时间里,导弹可能已经做了很多无用功,浪费了宝贵的初始能量,还错失了占位。及早打开武器舱门,使导弹的导引头从发射到命中全程锁定,可以大大提高命中的可靠性,但这样做要大大增加阻力,影响F-35本来就不算优秀的机动性。

 

F-35可以挂载的空空导弹总数并不少,但机内武器舱的搭配不能按照任务随意调整,翼下挂载不仅破坏隐身,还增加阻力,使本来就动力不足的F-35更加累赘。相比之下,第三代战斗机不隐身,但可以根据任务需要灵活改变挂载的空空导弹组合,像F-15最多可以一次挂载8AIM-9X近程空空导弹。F-35A装备了机内航炮,F-35BC为了控制空重,连机内航炮也取消了,如果有空战需要,可以挂载外挂的隐身航炮吊舱。如果外挂可以隐身的话,F-35也不用费那个事,追求机内武器舱了。外挂还增加气动阻力,

 

关于F-35空战性能的比较,应该注意的是和美国的第三代或者3.5代战斗机比较,否则容易鸡同鸭比。尤其应该避免用F-35的武器或者电子系统的优越性作为比较的基础,这不是F-35独有的优越性,而是美国军工体系的优越性,美国的第三代或者3.5代战斗机同样可以得益。有意思的是,波音和通用电气在JSF及其发动机的竞标落选后,悄悄发力,有可能对F-35悄悄使坏。增强隐身的F-18E“国际型”除了在航电方面采用最新技术外,还采用保形油箱增加航程,并使用隐形外挂武器吊舱,降低翼下挂架的雷达反射特征和气动阻力。外挂武器吊舱在隐身上依然无法和机内武器舱相提并论,但两者在隐身上的差距上大大缩小了。通用电气则把被盖茨枪毙的F136发动机的技术用到F414发动机上,使F414EPEEnhanced Performance Engine,意为增强性能发动机)的推力提高差不多20%,使F414的推重比接近111,和F135相当。这样一来,F-18E的推重比达到1.12,和F-15C相当,超音速加速时间减半,油耗有所降低,有望一举甩掉“超级塑料虫”的坏名声,并大大拉开和F-35的性能差距。波音和通用电气都刻意避免和F-35的直接比较,毕竟F-35尽管身陷囹圄,但依旧是五角大楼的重点项目,正面挑战是政治上高度不正确的事情。但对于正在选择下一代战斗机的盟国来说,F-18EF-35之间的优劣就不那么一目了然了,尤其当F-35的裸机单价达到F-18E两倍的情况下。

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