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[军事] 《出鞘》2020-05-18:先驱还是先烈?从F-22战斗机的研发历程谈起

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发表于 2020-5-18 07:16 PM |显示全部楼层








先驱还是先烈?从F-22战斗机的研发历程谈起
新浪军事  2020年05月18日 19:13


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当地时间上周五,美国空军一架F-22A战斗机在美国东南部佛罗里达坠毁,这一意外事件也将这款沉寂许久的战斗机重回了军迷们的视野。作为世界上第一款量产服役的第四代战斗机,F-22A誉也满身,谤也满身。一些人认为其是人类有史以来最强的战斗机,也有人认为其是一个胜利的失败者。那么今天我们不妨就着此次坠机事件,从F-22A战斗机的研发历程入手,谈一谈其基本的设计理念及其在现代空战中的地位。



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1981年,世界上一款完全采用隐身化设计的战术飞机F-117首飞成功。尽管该型战术飞机的存在是完全保密的,但对该型飞机的测试表明,“雷达隐身”这一概念真实存在的,而并非苏联人的“战略忽悠”。至此,“雷达隐身”正式从一个理论概念变成了一个“工程概念”,只不过此时的洛克希德公司还不得而知,他们会给后来的战斗机设计带来多大的革命性影响。



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而就在几乎同一时间,美国人开始了对苏联正在研制中的苏-27和米格-29两型战机的风洞研究。研究表明,苏联这两款战斗机的气动设计比之美国的F-15、F-16有过之而无不及,这意味着这两型战机一旦量产服役,美国人在欧洲战场上的空中质量优势将荡然无存。



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出于未雨绸缪的考虑,美国空军迅速上马了名为先进战术飞机(ATF)的下一代战斗机研究计划。为了在遥远的21世纪取得对假想敌的明显的质量优势,美国空军要求ATF拥有集航程、航时、机动性、生存性、杀伤性和勤务性于一身的次时代战斗机。而这中间就包含了众多不可调和的矛盾,如:超音速飞行与不开后燃加力的矛盾、仅使用内油达到较大航程导致飞机体积变大与超音速巡航所需的较小阻力的矛盾等等。



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空军蛮不讲理的需求使所有参与竞标的防务承包商都感受到了空前的压力。因此,各大承包商均采用了“报团取暖”的竞标策略,用我们今天熟悉的话说就是“全国大会战”。1986年初,参与ATF项目竞标的几个防务承包商结成了两个同盟:即洛克希德-波音-通用动力组成的LGB同盟和诺斯罗普-麦克唐纳组成的NM同盟。两大同盟的核心内涵几乎完全一样:一旦其中某一个公司的方案胜选,其将作为公司同盟的总负责人和总承包商,但对方案进行进一步完善的工作将按照美元折价等额分给同盟内的每个公司。即,如果通用动力的方案胜选,而美国军方的研究经费总计3亿美元,那么通用动力、波音和洛克希德将各自获得1亿美元的研发经费。这次结盟也正式奠定了ATF项目后来的基本格局。



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1986年10月31日,美国空军在评估了各防务承包商的初级方案后做出了如下排名:1、洛克希德;2、诺斯罗普,且与前者评分非常相近;3、波音;4、通用动力;而麦道、罗克韦尔-北美以及格鲁曼的方案则完全不在考虑范围内。对于今天的人们来说,这一初选结果可能并不值得大书特书。但在当时美国防务执业者眼里,这一结果却不啻于是一场山崩:麦道和格鲁曼两大战斗机巨头的方案均被直接pass,而头两名的胜利者确是在战斗机领域始终默默无闻,而在隐身领域造诣颇深的公司——洛克希德缔造了YF-12A和F-117两种隐身战术飞机,诺斯罗普此时则已经为B-2战略轰炸机耕耘了10年之久。



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根据初筛结果,上文中我们提到的LGB同盟和NM同盟分别获得了F-22和F-23的项目代号以在工程上实现他们的设计。同时,美国空军也正是敲定了ATF项目的初步技术指标:每架飞机的平均造价为3500万美元(换句话说,仅仅比F-15E多400万)、飞机的最大起飞重量不超过50,000磅。在此基础上,ATF需要非常隐身、能够进行超音速巡航、有出色的机动性、拥有非常先进的集成化电子信息系统,这也就是后来很多军迷所津津乐道的“4S标准”。



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不过需要注意的是,此处的项目需求之间并非递进关系或平行关系。事实上,这份需求来自于空军内部的妥协。虽然当时隐身战机的曙光已经乍现,但在空军中干了大半辈子的官员们依旧认为对于战斗机来说,机敏性才是王道。F-22之父——谢尔曼·N·穆林曾这样评价当时空军内部的风气:很多人对于技术问题一窍不通,并深深以此为荣。在这样的风气下,虽然美国空军认为隐形、超巡、集成化航电确实是下一代战机的特点之一,但是超机动性依旧被摆在了远远凌驾于三者之上的位置上。用空军的话说:决不能为了隐身性而在机动性上做出折衷。



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不过对于洛克希德的技术专家们来说,牺牲隐身性也是不可接受的——毕竟F-22团队的几乎所有人都是从F-117项目上摸爬滚打过来的。此外,虽然空军并没有做要求,但为了在原型机阶段就展露出自身的优势,F-22团队还是坚持为他们的原型机安装了完整的导弹发射能力。然而种种这些限制也极大影响了原型机的研制进度。在研制过程中,F-22团队遇到了两个重大问题,这甚至导致了整个方案在1987年被推倒重来:首先是原型机大幅超重,这一问题到最后也没有得到很好地解决。不过比较利好的消息是,美国空军参谋长韦尔奇在来洛克希德开会时,洛克希德的开发团队向其阐述了飞机减重的巨大难度,并说服前者同意将飞机的最大起飞重量放宽到55,000磅。而从后来YF-23的性能数据来看,他们的对手诺斯罗普很可能没有得到这个消息。



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此外,在1988年4月,F-22团队的首席飞行科学工程师发现首架YF-22应该没有办法超音速巡航,因为他在计算时发现1.5马赫的超音速阻力实在是太高了。F-22团队迅速更改了YF-22的前后机身设计以减小阻力。负责前机身生产的洛克希德臭鼬工厂与负责后机身生产的波音公司也迅速做出了反应——尽管此时首架原型机的前后机身已经加工完毕。空军的最终YF-22A首架原型机(也称PAV-1,安装YF120发动机)于1990年4月29日总装下线,同年10月30日,安装YF-119发动机的PAV-2原型机也总装完成了。这两架原型机一共进行了74次共92小时的试飞,展示了2马赫极速、1.5马赫超巡、空中加油、推力矢量控制发动机、从亚音速到超音速的机动性、高速下7G过载、从内弹舱发射两种不同类型的空空导弹等科目。



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相比于洛克希德的YF-22,诺斯罗普的YF-23尽管在隐身设计上更胜一筹,但其气动设计决定了其并不具备YF-22那样优秀的机动性,这意味着在“机敏性至上”论调甚嚣尘上的美国空军中,YF-23的评分要比YF-22低得多。此外,YF-22的进度也比YF-23更快——后者的S型进气道和内置弹舱还都是未完成品。



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或许是自认为已经胜券在握,F-22团队在YF-22原型机尚未获胜之前就开启了量产型F-22的研制工作。由于在YF-22的研制过程中,大量棘手的问题都已经得到了妥善的处理。因此,量产型F-22研制工作的重心就被转移到了“减重”上。这一过程虽然说起来很轻松,但实际上不啻于将整个项目推到重来:为了减重,F-22团队将飞机的长度从64英尺缩短到了62英尺;将机翼后掠角度从48度调整到了42度;移除了包括机翼上的雷达阵列和红外成像系统。这其中的任意一项改动都牵扯到大量的RCS测试、风洞测试和重量计算,与其说是脑力劳动,不如说是脑力与体力的双重考验。



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最后,F-22团队还大幅改变了量产型F-22的机身结构材料:根据计算,钛合金在机身材料中的占比为45%时,飞机最轻;占比为25%时,飞机最便宜。YF-22原型机为了尽可能满足成本方面的需求,采用了35%铝合金、24%钛合金、5%高强度钢、23%复合材料和13%其他材料的比例组合;而为了减重,量产型F-22采用了20%铝合金、41%钛合金、5%高强钢、24%复合材料和10%其他材料的比例组合。这将飞机的结构重量大幅下压到了17500磅级别,以0.45的系数换算为飞机空重约为39000磅(17.7吨),大幅提升了飞机的机动性能。



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1991年4月23日,空军正式宣布F-22、F-119分别赢得ATF项目及与之配套的超音速巡航发动机竞标。至此,F-22的技术状态基本定型,LGB团队在此后的几年时间里,一直致力于进一步完善量产型F-22。在这一阶段,F-22也发生了不小的变化:首先,洛克希德充分借鉴了竞争对手诺斯罗普的隐身设计,大幅修改了量产型F-22的隐身构型;其次,美国空军放弃了“燃油全部内置”的硬性要求,因此F-22开始使用外挂油箱以增加转场航程;最后,出于种种原因考虑,在先期设计中被尽量压缩的结构重量也开始缓步回升——在1993年初期设计中飞机结构重量仅17500磅上下,到了1997年EMD机首飞时,该数字已经上升到了18000磅左右,而到EMD阶段结束,量产阶段开始,这一数字又再次上升到了19000磅上下。这也最终使量产型F-22A的空重定格在了19.7吨。不过得益于F-119发动机的优秀表现,F-22A量产型在主要技术指标上依旧符合美国空军的预期。



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在F-22战斗机的发展过程中,我们可以看到其与后来的第四代战机F-35在侧重点上存在明显的不同。在F-22的研制过程中,机动性始终被摆在了第一位,为此F-22团队被迫与限制飞机机动性的“重量”做了超过10年的博弈。而为了在重量上满足需求,包括机翼雷达阵列、IRST等大量与现代空战息息相关的重要航电系统都被取消了。此外,为了追求超音速巡航性能,其所配备的F-119发动机也采用了较小的涵道比,这可以增加发动机在高空高速时的表现,但也大幅增加了发动机的油耗,非常不利于飞机进行远程奔袭。



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反观F-35的侧重点,则几乎处处与F-22相反。该机EOTS、EODAS、机翼雷达阵列和全向告警系统等现代化航电系统一应俱全,虽然机体超重、预算超标,但始终没有在航电系统上做出妥协。同时,该机放弃了华而不实的超音速巡航指标,转而用F119的核心机制造了涵道比比F119大了快一倍的F135发动机,大幅降低了油耗。加之堪比超载苏-27的超大内油,使其拥有了1000公里以上的超远作战半径。这无不体现出了这20年来美国空军战术思想的转变。



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F-22和F-35究竟谁更适合现代战争不仅是军迷水友间一场永不停息的口水仗,这两种设计思想也在另外两个航空大国的专业领域找到了自己的蹙拥:俄罗斯人显然更偏好F-22的设计思路,我国的歼-20则在设计思想上与F-35有极高的契合点。正如杨伟总师所说,歼-20最突出的特点有三个:突出隐身、突出远程打击能力、突出信息化作战能力。而“4S”和“三突出”究竟谁更适合未来战场,恐怕只有在未来的战场上才能一见分晓了。
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