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晨枫小苑

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晨枫  

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老谋失算  

2012-09-09 00:45:19|  分类: 纸上谈兵 |  标签: |举报 |字号 订阅

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英国曾经是航空强国,也在多方面主导了航母技术的进步。但在最新的“伊丽莎白女王”级航母和配套的飞机问题上,老谋深算的英国显示出的是老谋失算。

20世纪之初,维多利亚时代的余辉尚存。尽管飞机是在美国发明的,英国以老大帝国的雄厚实力,迅速赶了上来,在一战前夜就占领了航空科技的前沿。实际上,美国尽管是飞机的诞生地,20世纪初的美国经济实力正在迅速膨胀,已经取代了英法德等老牌强国,成为西方最主要的经济动力,但莱特兄弟和格兰·寇蒂斯的一场专利官司事实上扼杀了美国航空科技的进步。莱特兄弟不是第一个发明动力飞行的人,但是第一个发明可控动力飞行的人。用动力和机翼使重于空气的飞行器飞起来,这在莱特兄弟之前已经有过很多尝试,这也是为什么至今依然有莱特兄弟是否是发明飞机的第一人的争议。但莱特兄弟最大的贡献在于发明了成功的飞行控制技术。飞机在飞行中,可以因为各种扰动而发生横滚,如果没有有效的控制手段,横滚会马上导致不对称升力,接下去就是失事。莱特兄弟利用木质构架的弹性和布蒙皮的柔性,通过钢丝卷起一侧翼尖,并放下另一侧翼尖,形成横滚控制,依次完成了第一次受控动力飞行,这是谁都没有争议的。但莱特兄弟的横滚控制方法在实际使用中局限很大,无法推广到大型飞机上去。格兰·寇蒂斯根据莱特的差动升力原理,用机械联动的副翼实现横滚控制,这个基本原理到今天依然在使用。问题是莱特兄弟申请专利时,没有以具体实现的钢丝卷帘机构为基础,而是以差动升力为基础,所以莱特兄弟认定寇蒂斯侵害了专利,官司打得热火朝天。用今天的专利法观点来看,莱特兄弟的专利不合理地宽泛,但在20世纪初,这场专利官司着实给法庭和工业界带来了巨大的困扰。更糟糕的是,莱特兄弟和寇蒂斯不以专利费为满足,而是用专利权扼杀竞争,阻止新公司的成长。在莱特兄弟和寇蒂斯的交叉火力之下,美国航空工业在事实上被扼杀了,以至于一战美军入欧参战时,尴尬地发现没有作战飞机可用,只有向英法购买。时任海军部副部长的富兰克林·罗斯福强力干预,用行政手段将美国各大飞机公司的专利统统收缴上来,强行建立一个专利库,所有飞机公司都可以自由使用所有专利,按照政府指定的合理标准统一向专利库缴纳专利费,政府按照各公司对专利库的贡献分配所得,这样才启动了美国的航空工业。但近100年后,英国航空科技的血脉只有搭美国的顺风车才能维系,但这是题外话了。

 

二战可算是英国航空工业的顶点,“喷火”式战斗机在不列颠之战中挽救了帝国,“哈利法克斯”轰炸机在戈林的夸口中第一个把炸弹投向柏林,弗兰克·惠特尔和亨德里克·奥海恩同时发明喷气发动机,格洛斯特“流星”虽然晚于梅塞斯密特Me262一步,但依然在战争结束前投入使用。二战结束后,美苏还在通过俘虏的德国科学家和缴获的德国喷气发动机消化这一前沿技术,罗尔斯·罗伊斯已经推出新一代“尼恩”和“德温特”喷气发动机。装用“尼恩”的米格-15在朝鲜大显神威,打出了米格的天空,也打出了一个新生航空强国。恰成对照的是,英国航空工业从此走上漫长的下坡路,沦为二流强国。当然,英国航空工业还推出过杰作,但从总体上来说,英国航空已经和美苏不是同一个层次的了。这和英国航空科技的实力无关。英国航空科技实力依然雄厚,但科技实力只是催化剂,经济实力才是反应物。不管催化剂多少给力,缺乏反应物的反应终究是要熄火的。

 

进入21世纪,英国需要在航空科技前沿的关键技术领域保持接触。具体来说,就是隐身、发动机和STOVL 技术。另一方面,美国也需要英国在STOVL方面的经验。英国已经没有独立主导大型的战斗机和相关科技研发项目的雄心和财力了,唯一现实手段是通过欧洲合作或者美英合作。欧洲“台风”战斗机还在消化中,没有胃口启动第四代战斗机的研制,所以F-35既是英国航空通向未来的阳关道,也是独木桥。

 

另一方面,英国在60年代研制了“鹞”式战斗机,首创VTOL/STOVL战斗机和小甲板航母的全新组合。这个组合最初是为了北大西洋反潜护航作战而设计的,但在马岛战争中,这个组合证明了意外的有效性,在世界范围里掀起一波小甲板航母的浪潮,连美国海军也卷入了航母大论战。但是马岛战争也证明了这个组合的局限性。小甲板航母搭载战斗机数量较少,难以形成决定性的战斗力。更加糟糕的是,小甲板航母难以搭载预警机、反潜机、加油机、电子战飞机等特种飞机。用直升机充做预警机、反潜机具有速度、航程和留空时间的局限,难以远离航母部署;用战斗机挂载特种吊舱充做加油机和电子战飞机也不如专用飞机,尽管技术进步使得差距越来越小。进入21世纪,“鹞”式和“无敌”级都已经老旧,亟待更新,而维持有效的航母力量对于英国的国家战略具有特殊的重要性。

 

尽管充满了不甘,英国对自己不可避免的衰落具有清醒的认识,从二战后期开始,美英特殊关系就是英国国家战略的基石。但美英特殊关系是一个双向的杠杆关系,美国通过英国影响欧洲和英联邦世界,英国则借助美国影响世界。美国对英国的有用性不言而喻,英国对美国的有用性则在于政治军事两手都要硬,航母就是军事这一手中最重要的组成部分。

 

1992年海湾战争后,空中力量对未来战争的决定性作用已经没有疑问。海洋占地球表面70%,航母是海洋上的浮动机场,这是海上空中力量的根本,也是英国海外军事干涉能力的根本。鉴于马岛战争的教训,英国放弃小甲板航母的概念,转向中型航母,既增加舰载飞机搭载数量,也便于搭载预警机、反潜机等特种飞机,但依然避免了美国式大甲板航母天文数字般的造价和使用开支。这就是65000吨级的“伊丽莎白女王”级航母的由来,一号舰“伊丽莎白女王”号在 20097月切割第一块钢板,20101月开始建造,预计2016年交付使用;二号舰“威尔士亲王”号(拟改名为“皇家方舟”号)在20115月开始建造,预计2018年交付使用。

 

问题在于,“伊丽莎白女王”级使用STOVL还是CATOBAR战斗机依然是一个困难的选择。在“鹞”式之后,F-35B是唯一现实的STOVL战斗机,参加F -35计划也有助于英国和航空科技前沿保持接触,尤其是在STOVL技术方面的传统优势。皇家海军对于使用STOVL战斗机有丰富的经验.对于STOVL战斗机在航母起飞、着陆要求较低的特点尤为赏识。皇家空军的“鹞”式飞行员转型到“无敌”级航母上,不需要多少转型训练,这是一个不可忽略的优点。加上英国通过F-35B维持在STOVL技术上的领先的意图,皇家海军在一开始就是中意于STOVLF-35B的,“伊丽莎白女王”级是针对F-35B设计的。

 

但使用CATOBAR战斗机使得潜在选择大大增加,不仅可以使用F-35C,还可以使用法国“阵风M”、美国F-18E甚至经过CATOBAR改装的欧洲“台风”和瑞典“鹰狮”。这不是说英国将使用这么多种舰载战斗机,而是为盟国之间换位作战提供方便。换位作战能力(interoperability,对于航母来说,也可说cross decking)是西方盟国作战的一个重要概念,在这个概念下,盟约中各成员国的人员和装备可以自由插编到其他国家的部队中,作为有机组成部分参加作战,打散成员国之间的界限,最大限度地整合指挥和作战能力。在北约成员国军费削减、作战力量萎缩的今天,这一点尤其重要。冷战结束后,西欧国家的重点转到民生,偿还冷战时代的欠债,造成军费长期不足。2008年开始的严重欧元危机进一步加剧了军费不足的情况,北约的欧洲盟国中只有英国、法国、德国、意大利、西班牙、土耳其、希腊和波兰还有完整的国防力量,其他国家都已经残缺,缺乏武装力量中的必要组成部分,只有依赖北约才能维持完整国防。比如说,荷兰已经撤编装甲部队。欧元危机对西班牙、意大利和希腊的影响现在还没有完全显现出来,若干年后这些国家也成为“军事残废”国家将不奇怪。即使像英国、法国、德国这样的传统强国,军事力量在数量、装备和战备状态上也远远低于北约的要求,甚至缺乏一旦遇到大规模战争的动员和扩军能力。在这样的情况下,瞎子背上瘸子打仗就成为北约的重要使命,换位作战能力格外重要。

 

在卡梅伦和萨科齐的英法国防协议中,两国航母力量的换位作战是重要部分,包括英国舰载战斗机搭载在法国航母上,或者法国舰载战斗机搭载在英国航母上,形成统一的战斗力量。但法国海军的“戴高乐”级航母和“阵风M”采用的是CATOBAR,只有英国新航母也采用CATOBAR,才有可能形成真正的换位作战能力,否则只是单向的换位作战能力,英国的STOVL战斗机可以部署到法国航母,但法国“阵风M”战斗机不可能部署到英国航母。

 

舰载战斗机的战斗力不仅在于要能够在航母上起飞、着陆,还要能够携带足够的燃油和武器。航母在使用中应该隐蔽在大洋深处,以便于机动和躲开敌方威胁,只有很短航程和少量武器挂载能力的舰载战斗机是没有多少用处的,这就是舰载战斗机起飞重量的特殊重要性。在技术上,在同样的发动机推力下,CATOBAR依然比STOVL具有更大的起飞重量,这是由CATOBAR的强力助推决定的。根据牛顿第二定律,F=ma,其中F为力,m为质量,a为加速度。在推力一定的情况下,质量越大,加速度越低。在陆地上,重载起飞可以通过增加起飞滑跑距离来实现,更长的起飞滑跑距离意味着更长的加速时间,也就是更高的最终滑跑速度。只要最终滑跑速度达到起飞速度要求,机翼就可以产生足够的升力,确保飞机离地。但航母上滑跑起飞最大的问题就是缺乏足够长的跑道,也就是说,缺乏足够的加速时间。弹射起飞增加了额外的力,使得加速度恢复到足以在航母上很短的滑跑距离里达到离舰速度的要求。增加的起飞重量意味着更多的燃油和武器挂载,意味着更强大的战斗力。这对滑跃起飞、拦阻索降落(所谓Short Take Off Barrier Assisted Landing,简称STOBAR)战斗机也一样,如俄罗斯的“库兹涅佐夫”级航母上的苏-33,缺乏弹射助推意味着起飞重量受到限制。

 

在传统上,CATOBAR的入门门槛很高。蒸汽弹射用高压蒸汽沿很长的气缸驱动活塞,活塞通过滑块带动被弹射的飞机。滑块在甲板的开槽中运动,不仅磨损大,而且开槽有一定的蒸汽压力损失。滑块在高速滑行中,通过摩擦生热,所以用蒸汽弹射连续出动有一定的限制,连续使用若干次后需要一定的冷却时间。另外,蒸汽弹射需要大量的高压蒸汽,需要蒸汽轮机动力或者核动力。高压蒸汽管路系统的维修工作量很大,核动力的成本更是英国所极力避免。

 

英国的理想航母动力系统是使用燃气轮机的全电推进系统。燃气轮机的启动、加速快,体积小,采用废热循环后,热效率也非常高。全电驱动由燃气轮机驱动发电机,由电动机驱动螺旋桨。推进电动机是可变转速的,省却了传统的变速齿轮箱。可逆的推进电动机还可以用电气方式实现正车推进和倒车逆行。巡航是推进功率要求地,只需要巡航燃气轮机驱动发电机;加速或者全速航行时,加速燃气轮机启动,启动自己的发电机,为电网增加功率。这样柔性的电耦合解决了加速和巡航时动力要求差异所需要的变速器和硬性机械耦合系统,容易在燃气轮机和发电机之间做到最优匹配。电耦合还取消了传统的驱动大轴,使得燃气轮机的位置容易布置,也减轻了驱动系统的重量。推进电动机和螺旋桨的组合可以做成吊舱式的,转动推进吊舱相当于推力转向,可以取代传统的舵机,甚至可以横转90度,用自身动力实现码头靠泊。

 

最重要的是,全电推进提供了充足的电力,不仅为舰上的电子系统和武器系统提供足够的电力,还为电磁弹射提供了足够的电力。电磁弹射用线性电动机原理为飞机滑跑助推,也就是说,原本环形的定子一线铺开,原本旋转的转子就在交变电磁场作用下直线运动。电磁弹射不仅避免了高压蒸汽的需求,也没有滑块、开槽的问题,甚至可以在弯曲甲板上使用,把滑跃甲板和弹射结合起来。电磁弹射的原理不复杂,但实现中有大量的工程问题。全电推进系统的稳态发电能力足够,但电磁弹射所需要的特大脉冲电流需要超级电容或者飞轮储能来实现,这本身就有很高的难度,超大电流的绝缘和安全使用更是一个很大的挑战。但美国已经把电磁弹射技术实用化,在“福特”级上使用,并且愿意向英国转让,“伊丽莎白女王”级的全电推进系统和电磁弹射正好是理想匹配。

 

正是由于这样的纠结,皇家海军在STOVLCATOBAR之间拿不定主意,所以“伊丽莎白女王”级在设计上兼顾STOVLCATOBAR的情况,可以在建造中在最后做决定。但最终是需要拿定主意的。“伊丽莎白女王”号最后决定按照STOVL建造,如果最终改为电磁弹射的话,将从“威尔士亲王”号开始,“伊丽莎白女王”号留待以后改装。这并不矛盾,因为2008年以后的经济危机也重创了英国,布朗政府曾经试图中止“伊丽莎白女王”级的建造,但是计划已经进行到相当程度,中途取消的罚款将不抵取消项目带来的节约,只好硬着头皮继续下去。但是计划是将其中一艘在建成之日就封存,以节约开支。由于F-35计划的拖延,“伊丽莎白女王”号建成时将作为直升机航母使用。如果最后走STOVL的路线,F-35B开始使用时,“伊丽莎白女王”号换装F-35B;如果最后走CATOBAR路线,“伊丽莎白女王”号封存,“威尔士亲王”号启用。

 

但是F-35B研发的困难使英国的决定走了一段弯路。由于盖茨判决F-35B死缓两年,美国上下中止F-35B的呼声不断,而“福特”号电磁弹射的研制和试验进展顺利,CATOBAR换位作战能力和航程载弹优势进一步使天平偏向F-35C。另外,英国已经暗自决定,不会购买138F-35,而将会缩减数量,这样,数量较少但作战能力更强的F-35C可以维持最终战斗力大体不变。英国在2010年的国防评审中,决定把F-35B换成F-35C。英国的决定并不突然,但给F-35B阵营雪上加霜,美国海军陆战队和意大利海军成为仅剩的F -35B用户,而意大利严重的经济困难使得意大利意向的可靠性大打折扣。如前所述,从军事角度来说,改用CATOBAR是有好处的。皇家海军未雨绸缪,在更改为F-35C之前就派遣4名飞行员到美国,编入美国海军F-18中队,学习CATOBAR的经验,准备以后成为种子飞行员。

 

英国为改装电磁弹射技术投资了4000万英镑(约合6400万美元),这只是一艘航母的改装准备工作。但是电磁弹射技术遇到严重超支问题,“威尔士亲王”号的改装成本从15亿美元上涨到32亿美元,比预计增加了一倍。“伊丽莎白女王”号因为已经按照STOVL建造,改装工作量更大,预计耗资47亿美元以上。总改装费用接近80亿美元,差不多相当于不计电磁弹射的两艘航母本身的造价了。

 

电磁弹射本来就是技术前沿,在工程化的过程中出现成本上涨不奇怪。但英国“伊丽莎白女王”级的电磁弹射改装估价中犯了一些初级错误,造成成本严重低估。“福特”级使用4台电磁弹射系统,“伊丽莎白女王”级使用2台,所以英国在估价中把“福特”级的相应费用减半。事实上,电磁弹射公用系统的比重很大,4台系统减少到2台并不能使总承包成比例减半。另外,在设计时,从STOVL改装CATOBAR的话,估计舰上1200个舱室里只有80个需要改装。但恶魔就在细节中,开始改装的具体工程设计时,发现实际上需要大改290个舱室,另有250个舱室需要小改。美国国防部也从中作梗,坚持电磁弹射需要按照外国军售报价,也就是说,按照法律需要比对美国的报价增加7%,这又是2.4亿美元额外开支。另外,美国还坚持主导电磁弹射和“伊丽莎白女王”级整合的工程设计和施工管理。在电磁弹射这样的尖端技术上,美国对英国也留一手。但这又是英国不能接受的,因为美国主导工程设计和施工管理将是“伊丽莎白女王”级建造过程中很大一部分由美国控制,这不仅使“伊丽莎白女王”级在技术和能力上对美国彻底透明,而且使计划进度和成本控制都脱离英国的控制,这是这样国运攸关的超级项目中不能接受的。最要命的是,改装至少要到2023年才能完成,严重推迟“威尔士亲王”号投入使用的时间。皇家海军最后一艘CATOBAR航母“皇家方舟”号在1980年退役,从那以后皇家海军已经对CATOBAR运作生疏了。考虑到皇家海军需要至少几年时间才能重新熟悉CATOBAR运作,而“伊丽莎白女王”号将从2017年开始海试,全新建造的新一代航母要交付使用10年以上才能形成战斗力,这在政治上是不可容忍的荒唐。

 

2011年底美国国防部《F-35联合打击战斗机边试飞边生产问题快速评估》披露了F-35C的尾钩问题,更糟糕的是,洛克希德和美国海军并没有迅捷可靠的解决方案,一旦需要重新设计后机身以适应尾钩位置的需要,F-35C的延期和开支将是一个无底深渊。在F-35B身陷囹圄的时候,至少美国海军陆战队依然是满腔热情的铁杆拥趸,但美国海军对F-35C的温吞水态度使英国对改换为F-35C的决定越来越担心。另一方面,STOVL的入门门槛本来就低,皇家海军对STOVL的运作经验丰富,F-35B的试飞进展顺利,帕内塔解除了F-35B的死缓,F-35B预计2020年可以投入使用,至少“伊丽莎白女王”号有望早日形成战斗力。还有一个为很多人所忽视的问题是,F-35C比“阵风M”重得多,空重就超过“阵风M”的正常起飞重量,“戴高乐”号的甲板无法接收F-35C的运作,换位作战的设想实际上无法实现。就皇家海军而言,尽管CATOBARF-35CSTOVLF-35B的日常运作费用低,CATOBAR飞行员的训练要求比STOVL更高,综合平衡下来实际上没有多少差别。在这样的情况下,英国在2012510日宣布,改回F-35B

 

不过战斗机问题解决了,预警机和加油机的问题依然没有解决。E-2D在可预见的未来是唯一可以从航母上起飞的固定翼预警机,也是在可预见的未来唯一具有和岸基预警机相当性能的预警机,但取消电磁弹射意味着“伊丽莎白女王”级不可能搭载E-2D。现有的预警直升机以老旧的“海王”为基础,将在2016年全部退役。下一代预警直升机的研制预计围绕着新一代的“默林”直升机展开,代号“鸦巢”。泰利斯和洛克希德分别提交了竞标方案,泰利斯的方案是“海王”上的现有系统的现代化升级,洛克希德则以F-35AN/APG-81雷达为基础。不管哪一个方案入选,预警直升机的性能和E-2D无法相提并论,不仅雷达性能大大缩水,直升机在航程、速度和留空时间方面的天然不足使得预警直升机的战术使用受到限制。舰载预警机在部署中,既不能离航母太远,失去保护航母的意义;又不能离航母太近,暴露航母的位置。预警机的航程和留空时间的作用显而易见,速度则是进入战位和转移战位所必需的,必要的时候还可以用来逃避敌方战斗机的追杀,为自己一方战斗机前来保护争取时间。预警直升机在本质上无法达到固定翼预警机的性能,但“伊丽莎白女王”级没有选择了。在理论上,F-35B也可以用自身的AN/APG-81雷达实现一定的预警能力,但这和一般的战斗机作为预警机一样,实际上行不通。即使不考虑战斗机雷达视界和数据率有限的问题,单座(甚至双座)战斗机的飞行员操作负担已经够重,不可能承担有效的空中预警和指挥任务。

 

加油机问题在理论上可以用F-35B之间的伙伴加油解决,但F-35B在设计时就没有考虑伙伴加油能力,也没有有关升级的计划,只有两个外挂点可以挂载副油箱。作为伙伴加油机,应该至少能挂载两个翼下副油箱和机腹下的中线加油吊舱。美国海军陆战队对于STOVL战斗机的要求是近距空中火力支援,对大航程没有特别的强调。但作为海军航空的主力,皇家海军是需要F-35B具有较大航程的。美国海军在2030年前将继续使用F-18(包括经典型和E/F型)作为伙伴加油,但皇家海军将只能把“伊丽莎白女王”级部署在具有近便的岸基加油能力的战区,大大限制了“伊丽莎白女王”级的战术灵活性。

 

不过洛克希德最关心的采购数量问题依然没有落实。英国在2001年宣布,计划采购138F-35B。在2010年的国防评审中,英国透露有意削减采购数量,但没有明确说明最后采购数量。138架是按照两艘航母的装备数量决定的,如果一艘封存的话,采购数量减半将不奇怪。在2011年国防评审中,最后采购数量的决定推迟到2015年,再次使洛克希德失望。不过不发生政治地震的话,英国采购F-35是肯定的,最后是F-35B还是F-35C不能排除不会再出现反复,最终采购数量在最后签约之前也将继续作为一个悬念,而不会得到英国政府的明确承诺。另一方面,卡梅伦昂贵的变脸已经使英国损失了至少1.5亿英镑(约合2.36亿美元),整个决策过程充满了一厢情愿和仓促决定。这不仅和英国一贯的“老谋深算”的形象不符,更说明了深层的尴尬:英国已经失去了关键国防科技能力,依赖盟国只能导致国防决策独立性的丢失。

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