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全面碾压F-22和歼-20?下一代战机究竟长啥样?
华夏经纬网   2017-04-06 09:58:59   
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    自从美军率先研发成功划时代的F-22战机以来,五代机的4S(超音速巡航、隐身、超机动性、先进航电)概念就开始深入人心。随着歼-20的入役,按照标准装备一代、研制一代、预研一代的思路,现在也该是研制下一代战机的时候了。 

    相对于四代机时代的百花齐放,五代机就剩下中美两个大国能独立进行研发。俄罗斯这种把苏-27拍瘪了修修型就拿出来忽悠人的只能算4.9代机的还不够格。而其他传统军工强国因为各种有原因无力自研五代机,他们纷纷瞄准了六代机准备来个弯道大超车。 

    翻开战机发展史来看,超音速战机是如何从初代发展到五代的?这几代战机的设计无一不是由以往实战、演习的经验和工程技术条件所共同决定的。对于无力研发甚至无缘装备正规五代机的国家而言,想研发六代机只能拾人牙慧或者脑洞大开。拾人牙慧则无法实现全面超越,而脑洞大开则充满了未知风险,容易被对手以成熟体系全面碾压。 

    目前五代机的实战经验基本为零(F-22只扔过一次铁炸弹),只能在演习场上进行试验。而目前的演习更多见的则是四代机和五代机之间的对抗,以帮助四代机获取经验提升他们的生存能力。五代机之间的对抗经过和结果则很少被公布。其实不难想象,以目前的雷达技术,机载雷达对于隐身目标的发现距离都很短,往往都在目视范围之内。五代机之间往往很难发现彼此,更别谈什么对抗了。打击对方的关键作战节点才是最重要的事情。 

    而作为更新一代的六代战机,将具备哪些能力,将通过怎样的技术条件实现? 

    战机更新换代的决定性条件,是机体性能。电子设备和作战软件可以通过后期升级不断完善,而机体性能则只能小修小补。F-15和苏-27这种典型的四代机无论如何修改都无法实现超巡和隐身,只能不断用4.XX代战机的称谓来安慰自己。

    所以,全新的机体和性能才是新一代战机的基础。那么六代机需要什么样的机体呢? 让我们从战机的几项关键性指标来看看吧。

    发动机

    机体的先决条件在于发动机,这一点毫无疑问。下一代发动机技术路线已基本确定为变循环发动机。变循环发动机可大范围调节涵道比以适应宽广的工况范围,以一台发动机兼顾涡扇、涡喷和亚燃冲压发动机的性能优势区间。对未来战机而言,巨大的气流速度和高度(密度)适应范围比单纯的增加推重比更加有意义。使战机可以同时兼顾低油耗的亚音速巡航和高战术价值的超音速巡航,而不是现在的2选1。

    当然,下一代发动机的推力肯定也会进一步增加,其推重比有望提升至12或13级别。与之相应的,就是油耗、体积和复杂度的上升。不难想象,未来战机的个头不会比现在的五代机小,否则将出现内部空间不足,油箱减小作战半径缩短的问题。

    变循环发动机的高适应性还有一个好处,就是对进气道的设计要求降低,同时尾喷口大小也可以固定以省去截面调节机构。这对机体外形的设计而言无疑是个福音。 

    速度和航程

    速度和航程往往是矛盾的两面,高速往往意味着需要克服巨大的阻力和高昂的油耗,因此带来航程严重不足。

    然而在优秀的发动机基础之上,下一代战机有望同时兼顾2马赫以上的超巡能力和省油的亚音速巡航能力。从而实现超越五代机的巨大作战半径,在理想状况下可超过2000公里。

    为什么超巡能力只增加到2马赫?原因很简单,气动加热。即使是3万米高空的稀薄空气,以3马赫飞行时的启动加热将达到300°,而5马赫将达到900°的高温。在这种温度下机身材料难以保持刚度和可靠性。结构简单的导弹弹头可以靠牺牲烧蚀层和携带液氮来顶个一时半会儿,结构复杂且需要长期重复使用的战机则不可能承受。

    曾经的3马赫飞机米格-25和SR-71通过选用钢材和全钛机身勉强应付高速需求,但也成为了机动性严重下降的“飞行火箭”。下代高机动战机还这么做就得不偿失了。 

    另外,气动加热将产生严重的红外信号。而现代机载红外传感器技术大幅升级,过高的速度将不利于红外隐身。

    隐身、机动和结构

    这三项是战机外形设计的限制条件,他们对战机外形的要求往往是矛盾的。以往战机总有不同程度的顾此失彼,难以完美兼顾。

    隐身性能的进一步完善是下代战机的优化重点。由于发动机技术和气动控制技术的进步,机体外形设计可以做的进一步简洁。其中最大的亮点就是有可能完全取消垂直尾翼。垂直尾翼的主要作用是控制战机飞行的偏航并保持方向稳定性,但它也是一个巨大的侧向反射源。在五代机的时期通过垂尾倾斜的方式控制反射方向,而到了六代机时期,则可以通过更先进的布局来兼顾气动需求和隐身需求。

    另外,针对五代机隐身频段较窄,面对新锐的VHF/UHF波段雷达隐身性能堪忧的情况,六代机很有可能通过增大机体尺寸和细节优化的方式加以平衡。随之带来的是机体内部空间增大、油弹设备等载荷增加、后续可升级性好等红利。但也带来了结构重量的上升、推重比下降等副作用。

    随着发动机气流引射技术的逐渐成熟,战机在舵面之外有了全新和高效的气动控制方式,可实现以往难以实现的超机动性能。设想一下在机头位置直接喷射气流来调整机头指向,在航展上连转3圈是多么令人激动的事情。若以此技术取代传统的气动舵面,则可进一步减少战机表面的活动部件,大量减少VHF波段信号源,进一步提升战机隐身能力。

    超机动的另外一个限制问题就是机体和驾驶员的G值承受能力。在高马赫数下大力推动机头转向所带来的巨大加速压力很有可能直接将飞机压碎解体,想象一下在高速公路上飞奔的汽车如果猛打方向盘会是什么后果?如果不考虑人体的限制进一步增强机体强度则不可避免的带来结构重量暴涨,这更有可能得不偿失。

    六代机的超机动性将在亚音速体现的淋漓尽致,在高马赫数下则可以避免传统舵面控制效率严重下降的问题,从而在所有的速度范围内实现9G机动。足以碾压现有战机。

    综合这些先进技术,六代机将同时拥有四代机和五代机的机动性特点。并在滚转、盘旋和机头指向速度等技术指标上达到一个新的高度。在机动空战中占据绝对优势的地位。 

    信息感知和整合

    现代机载雷达技术在不断的进步,但同时也受到物理规律的限制。在技术水平相近的情况下,雷达的天线尺寸、收发单元数量和功率仍然是雷达性能的绝对标杆。

    六代机上很有可能大量应用分布式雷达,但受限于机体的外形尺寸和隐身需求,全向雷达监视仍然难以实现。战机的主要探测和跟踪能力依旧要靠机头雷达实现,而后半球方向仅限于预警和辅助观察。

    因此若机头尺寸相差不大,保持同步升级,五代机和六代机之间的正面雷达性能就不会出现太大的差距。而六代机在侧后方向上的传感器能提供更全面的保障。 

    随着光电技术的进步,红外和可见光的观察距离得到巨大提升。在很大程度上可以作为雷达技术的补充:在高空背景下高速飞行的战机会出现明显的气动加热现象,即使拥有优秀的隐身能力也难以避免被高灵敏度的红外探头所发现。在美军未来的设想中,就有用无人机网络用红外定位,对抗中国隐身战机的报告。 

    除了战场信息的探测和收集,整合和分发也是下代战机不可或缺的能力。同时这也是五代机正在不断加强的方向。依靠隐身和高机动平台进行抵近探测和观察,并承担一部分指挥和控制功能,是未来战机信息系统的发展方向。随着微电子技术的突飞猛进,未来战斗机平台也将拥有比肩现代预警指挥机的信息处理能力。指挥小群无人机前出探测和引诱也将是六代机的任务范围。

    为照顾驾驶员精力问题,六代机也很有可能配备两位飞行员以兼顾驾驶战斗和指挥控制。而且双飞行员在长时间续航下进行轮流休息也可以较长时间保持效果。

   武器系统

    与下一代战机相配套的武器系统也必须得到升级。现役空空导弹体系多为针对四代机进行设计,在面对五代机时性能已捉襟见肘。而且地面防空武器的现代化也对未来的空地武器提出了更高的需求。

    采用双速制发动机并增大燃料携带可以兼顾远射程和高突防能力,而为反隐设计的大型导引头也要求下一代导弹更加大型化。这些重型导弹的尺寸和重量将达到早期导弹如不死鸟和猎鹰导弹等的水平。所以在面对高威胁目标时,六代机也必须拥有巨大的内部弹仓以容纳这些武器。

    至于能量武器,最接近实战化的激光武器也有可能装备六代机。但激光武器由于受到大气干扰限制能量衰减很快,功率有限的战术机载激光系统很有可能仅用于对抗视距内目标的近战武器。无论是近距离格斗还是对抗来袭导弹都能发挥不错的效果。当然激光武器系统能否整合进六代机的机体还受限于技术的发展。现有激光武器实验平台显然是无法直接使用的,激光平台的高功耗和高散热需求或许是比六代机更难跨越的工程技术障碍。

    至此,我们可以对未来的六代机总体样式画下一个轮廓。下代战机的体积将比现有战机明显放大至30吨级,双驾驶员,完善的宽频隐身能力,全面的超机动性、兼顾 2马赫超巡和2000公里作战半径,先进的航电系统和大容量弹仓。无论是面对现役的五代机还是现代新型防空系统都将拥有巨大的技术优势,成为未来天空的主宰。

 凤凰军事

 

责任编辑:胡光曲

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