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主题:【原创】航母设计杂谈 -- 心有戚戚

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家园 【原创】新隐身舰载机的设计选择

航母舰体的成本和所载舰载机的成本相当,而隐身战斗机又是舰载机中最金贵的。目前正规航母隐身舰载机只有F-35C,在美国海军服役。当然,还有短距起飞垂直降落的F-35B也可以上舰,在海军陆战队的小平顶以及英日等跟班“航母”上使用。F-35B的航程只有F-35C的三分之二左右,机动性和载弹量等也不如。所以,新隐身舰载机的压制目标是F-35C。

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新隐身舰载机的入役并不会淘汰三代舰载机,相反还会配合使用、相得益彰。在空战中,隐身机尽量应避免近距格斗,因为会失去最重要的雷达隐身优势,而亚音速机动性又不比三代机高。所以一旦把超视距空空导弹发射完,就应该利用超音速巡航等方式撤出战场,剩下的由三代机处理。因此,新隐身舰载机并不需要挂载近距弹和安装机炮。F-35C就没有安装了机炮,也不能内置近距弹。 这其实就是它和重型机F-22的最大区别。既然这些不是刚需,那么重型舰载机就没有太大的优势。而中型舰载机占地小,成本低,维护容易,在寸土寸金的航母上反而受人青睐。所以,美国海军并没有选择F-22。

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那新隐身舰载机就没有考虑过重型机吗?有,是歼20的前掠翼版。歼20的气动布局是为超音速优化的,起降速度较大。前掠翼可以大幅提高升力系数,改善起降性能,但是却破坏隐身性,而且超音速巡航估计也够呛。由于削足适履,歼20的前掠翼版舰载机没有被海军相中,上航母只存在于军迷的想象中。

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以前,受到技术水平的限制,雷达很笨重。苏27及其衍生的苏33舰载机(歼15”飞鲨“的原型)就是围绕着一个系统全重将近1吨的雷达设计的。如今相控阵雷达重量又轻看得又远,不再是瓶颈。新舰载隐身机和飞鲨相比,雷达和和其它电子设备反而有后发优势,可以“轻装上阵”。新舰载隐身机使用中推发动机,可以有效瘦身,不仅成本较低,而且有利于航母搭载和调度。

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机会留给有准备的人,沈霍伊以出口机的名义搞了FC-31,这时正好派上用处。FC-31是双发正常布局中型隐身机,长相是双发F-22和单发F-35的结合。前机身象F-35,用上了蚌式进气道,而后机身象F-22,用了梯形垂尾。由于梯形垂尾的阻力较大,后来演化成现在的后掠切尖垂尾。

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其实正常布局的隐身战机差不多就应该长成大致这样,以达到对雷达波的镜面反射、而不是漫反射。特例是苏57,机腹有沟,而非像其它的机腹扁平。如此,苏57的机身中央由上部曲面和下部的平面形成机翼的形状,是三代机常见的升力体设计。由于机身也能产生升力,苏57的盘旋机动性好,但是隐身性较差,一般认为是四代半,而不能被称为真正的五代机。

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F-35的机腹比起F-22的已经是很不平整了,还可勉强达到隐身机的指标。即使这样,F-35C仍然碾压其它现役舰载机。

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那么,双发的新隐身舰载机如何设计才能压制单发的F-35C?下表将其于正常布局隐身机比较,包括F-22,F-35A和 F-35C。没有包括的设计理念相差太大:歼20有鸭翼,F-35B可垂直起降,而苏57用了升力体。

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设计首先要考虑的是发动机选择。FC-31首飞用的是枭龙上的RD-93发动机,就是米格29上的RD-33发动机改了机匣位置。米格29是著名的短腿“机场围墙”,那么FC-31的航程岂不堪忧?解决的方法就是让飞机变大:如果用推力大一点的高性能发动机,飞机体积和重量可以增加不少,就可以装载更多的燃油。所以,新舰载战斗机会安装新的中等推力发动机,据说是推比10的涡扇XX,成为世界上首架双中推隐形机。

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中小型发动机的推重比容易做得比较大,两台可保证飞机有足够的动力。而大推的优势是高效,即达到同样的推力,油耗要低。所以之前的隐形机用的都是大推力发动机。F-22使用的F119发动机的涵道比为0.3,军用推力11.8吨, 加力推力15.9吨。单发的F-35更是创下了战斗机发动机涵道比和推力之最,使用F119同源核心机的F135发动机涵道比达到0.56,军用推力12.3吨,加力推力18.6吨。相比之下,不仅推力提高(特别是加力推力,有了更多的氧气和燃料充分燃烧),而且耗油率也下降了。好处很多,但是坏处也很明显,就是大风扇造成阻力大大增加,特别是超音速的时候。即使开足马力,F-35A的最大速度也只能达到1.6倍音速,还不如大部分三代战机。为了保持传统的高空高速性能,新隐身舰载机还是会用小涵道比中推发动机,假设涵道比是F135的一半,而推比在F119和F135的之间。两台的加力总推力达到20吨,和单台F135的相差不大,但是军推要高不少。

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除了发动机和机身,F-35A和F-35C是相当不同的飞机,光翼展就相差2米多。为了减小着舰速度,F-35C,把机翼放大了约一半。但这样长宽比从1.46降到1.20,超音速阻力大大增加。比起F-35C,新隐身舰载机机身稍长,机翼后掠角较大,具备差不多的机翼面积而翼展较小。这样长宽比超过1.3,和F22的接近,兼具高低速性能。新隐身舰载机的干重在F-35A和F-35C之间,在14吨左右。新隐身舰载机专注空中优势,除了相控阵雷达,还在机头下方安装了红外搜索和跟踪 装置(IRST)。 由于F-35兼顾对空和对地,安装了分布式孔径系统 (DAS)。新隐身舰载机可以省略诸如此类的设备,节省重量。

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和F-35C一样,新隐身舰载机应该也不会安装机炮,而是主打超视距作战,用4枚中远距弹”霹雳15“。比起F-22和F-35系列所用的AIM-120中距弹,霹雳15更长更粗,采用双脉冲固体火箭发动机,有效射程更远。霹雳15还是歼20的标配,一般同样携带4枚。可以这样说,新隐身舰载机的设计就是围绕这4枚霹雳15展开的,保证其超视距空战火力使任何对手都胆寒。

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由于武器内置,隐身飞机的燃油系数一般比同等重量的三代机低。 F-22的内油8.2吨,燃油系数不到0.3,即使用了两台先进的F119发动机,作战半径也只有850公里。F-35A用了单大推,差不多的内油量,燃油系数达到0.36。F-35C的机翼面积虽然增加,但是由于需要折叠(外翼段不能装油),机翼油量差不多。去掉机炮,省出的体积装了大半吨的油,使得内油达到约9吨。新隐身舰载机的内油必须差不多才能在航程上不吃亏。虽然安装两台中推发动机比一台大推所占的可利用体积多些(F-35的两侧进气道很快合并为一条,而新隐身舰载机的两条进气道贯穿机体),但是新隐身舰载机机体毕竟长些,而且弹舱没有像F-35为了带大炸弹而掏的那么深,所以应该也可以装9吨燃油。为了多装油,机翼的折叠不会像歼15一样靠近翼根,而是会像F-35C一样和平尾对齐。

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所以下图中,新隐身舰载机的主翼连同平尾一起折叠的情况不可能出现(而且座舱盖不是注释中所称的”分段式“,而是带加强框的整体)。主翼折线靠外侧、除了能尽量增加机翼油箱大小,平尾也不用折叠,能减少设计复杂性、还能减重。

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没有机炮,就不用带炮弹,也能省个近百公斤弹药重量。 空战挂载下新隐身舰载机的载荷(包括飞行员)大约1吨。干重、内油和载荷总重约24吨,在F-35A和F-35C之间,而燃油系数达0.38。由于双中发比单大发耗油率略大,都加9吨的燃油、航程比F-35C稍低,但是也达到了2千公里。同时,还能带两个连同挂架一起扔的副油箱,三吨的外油可使无空中加油的航程达到3千公里。下图是为F-35A设计的修型副油箱,比普通圆柱型主体副油箱装的油少些,但是优化了气动。新隐身舰载机的副油箱视情况也可修型,虽然装油量降低,但是阻力也减小,航程可能非减反升。当然副油箱的成本会增加,然而除非是战斗,副油箱可反复使用。

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在海上,航母没有地面雷达支持、全靠自己,舰载机并不是飞得越远越好,而是受到其它短板的限制,最重要的就是预警机。即使有了固定翼预警机,出于安全考虑,预警机不能一往无前,而是需要躲在防空圈的内侧,以免被敌方“斩首”。预警机的前出距离和雷达视距的极限差不多在1千公里以内,所以新隐身舰载机的作战半径有千把公里足够了。在执行空中警戒任务时,几架隐身机在靠近航母的区域能通过空中加油长时间滞空,一旦预警机发现情况、即可迅速前往。而更多的隐身机和飞鲨可以依次升空,对先遣机进行增援与殿后,形成梯级防御。

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当然,隐身机在取得制空权之后,还可以参与对地攻击。这时可挂大量的外挂武器。对比F-35A和F-35C,新隐身舰载机的外挂量也可达到6吨左右。这样,最大起飞重量可以达到30吨。同样是30吨级别,由于机翼面积的差异,F-35系列的最大翼载有很大不同,从F-35A的700公斤每平米到F-35C的500多一点。新隐身舰载机的翼载约为500公斤每平米,介于F-22和F-35C之间。翼载和机动性相关:F-35A的大翼载让其低空突防时不太颠簸,但是空战时盘旋半径过大,使其更像与飞豹一样的战斗轰炸机。而新隐身舰载机具有和F-22相近的翼载,转弯快更易占领有利战位。

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同时,战斗机性能和推重比高度相关。要保证足够的空战机动性的话,加力状态下的战斗机推重比应高于1,这样可快速垂直爬升。而要达到超音速巡航,无加力的军用推力状态下的战斗机推重比不应低于0.7。到达战斗空域,战斗机的内油已消耗了一小半,此时新隐身舰载机加力推重比和军推推重比都可满足要求。这样,加力极速可达两倍音速,最大巡航可超过音速,虽然指标比起F-22还略有不足,但是可以吊打F-35系列。特别是超音速巡航能力,是隐身机的独特优势。虽然有的三代机在没有外挂的情况下也可以超巡(比如单发的鹰狮E),但是超巡对内置导弹的隐身机才有实战意义。新隐身舰载机的超巡能力可以使它在空战中快进快出,导弹打得更远,就像一个臂长腿快的拳击手,在战场上立于不败之地。而F135中涵道比发动机风扇阻力太大,使得F-35系列所有机型都不能超巡。虽然F-35C打开加力可以飞超音速,但一般情况下在1.3马赫的极速上规定不能超过50秒钟(F-35B只有40秒,而F-35A则无时间限制),更不要说超音速巡航了。

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除了可内置中远距空空导弹,新隐身舰载机作为双发中型机的各项指标都不算出挑,但是都中规中矩,没有明显的短板:不像F-22航程短,F-35A转弯大,F-35C飞不快。随着发动机的持续改进,还能飞得更快、更高、更远。在可预见的将来与飞鲨和预警机配合、一起为航母织起一张可靠的保护伞。

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