F-22 飛行性能優(yōu)勢(shì)探析

1、王者之翼 F-22 飛行性能優(yōu)勢(shì)探析 方方作品 本文已刊載于國(guó)際展望雜志 Part1 Part2 F-22，世界上第一種也是目前唯一一種投產(chǎn)的第四代超音速戰(zhàn)斗機(jī)，它所具備的“超音速巡航、超機(jī)動(dòng)性、隱身、可維護(hù)性”（即所謂的 S4 概念，也有資料將“短距起落”包含在內(nèi)，稱為 S5）成為第四代超音速戰(zhàn)斗機(jī)事實(shí)上的劃代標(biāo)準(zhǔn)。 對(duì)于 F-22，著述已多，但涉及到飛機(jī)特點(diǎn)以及試飛情況的卻少見。所幸CODE ONE對(duì) F-22 試飛員進(jìn)行了采訪。本文即試圖從訪談中獲取信息，從 F-22 最突出的飛行包線兩端的飛行性能角度探析該機(jī)在作戰(zhàn)中所具有的優(yōu)勢(shì)，特別是和同樣以超機(jī)動(dòng)性聞名于世的蘇-37 相比，二者優(yōu)劣

2、長(zhǎng)短如何。 觀看 F-22A 試飛視頻 超音速性能 超音速巡航能力 說(shuō)到超音速性能，首先要提到的就是超音速巡航能力。超音速巡航這個(gè)概念，對(duì)于航空愛好者來(lái)說(shuō)并不陌生。但由于許多媒體報(bào)道不甚確實(shí)，使得這一概念往往同“超音速飛行”等概念混同起來(lái)。 超音速巡航能力實(shí)際上是指飛機(jī)無(wú)需開加力而以較高的超音速巡航飛行的能力。在這一概念中，有兩點(diǎn)必須明確：1）無(wú)加力；2）較高超音速。對(duì)于第一點(diǎn)，筆者曾經(jīng)不止一次看到有文章提到米格-25/31 的“超音速巡航能力”，實(shí)際上這兩種飛機(jī)不過是在機(jī)內(nèi)載油量極大的基礎(chǔ)上開加力實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的超音速飛行罷了。對(duì)于第二點(diǎn)，往往被人忽略，認(rèn)為只要不加力，飛行 M 數(shù)超過 1，就

3、可以稱作超音速巡航了。英國(guó)人在介紹他們自己的“閃電”截?fù)魴C(jī)的一篇文章中就提到，該機(jī)不加力 M 數(shù)達(dá)到 1.01，因此算是世界第一種實(shí)現(xiàn)超音速巡航的飛機(jī)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，一些第三代戰(zhàn)斗機(jī)已經(jīng)可以在無(wú)外掛條件下，不開加力在跨/低超音速區(qū)飛行（M0.9M1.3，一般只能略超過 1，尚未接近上限）。這些飛機(jī)也算不上實(shí)現(xiàn)了超音速巡航。 2002 年 1 月 8 日，“猛禽”4003 號(hào)在 Edwards 基地上空以超音速狀態(tài)試射“響尾蛇”導(dǎo)彈 作為第 4 代超音速戰(zhàn)斗機(jī)的劃分標(biāo)準(zhǔn)之一，超音速巡航如果這么容易就被第三代、甚至第一/二代超音速戰(zhàn)斗機(jī)實(shí)現(xiàn)，那么這條標(biāo)準(zhǔn)早就可以扔進(jìn)垃圾堆了。上述兩點(diǎn)只是量

4、化衡量的標(biāo)準(zhǔn)，而不是超音速巡航的實(shí)質(zhì)通過先進(jìn)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，大幅降低超音速零升阻力系數(shù)，提高超音速升阻比，結(jié)合大推力低油耗發(fā)動(dòng)機(jī)，飛機(jī)超音速性能實(shí)現(xiàn)階段性的飛躍，這種優(yōu)越性能的冰山一角就是超音速巡航，這就是它的意義所在，也是它能夠成為分代標(biāo)準(zhǔn)之一的原因。如果只盯住量化標(biāo)準(zhǔn)，而不考慮背后的實(shí)質(zhì)，恐怕會(huì)失之偏頗 。試想一下，假如 F-15 可以裝上 F119 發(fā)動(dòng)機(jī)，那么不加力 M 數(shù)或許可以達(dá)到 M1.2 或更高，但它的超音速性能卻絕對(duì)比不上 F-22，因?yàn)樗臍鈩?dòng)設(shè)計(jì)仍然是第三代戰(zhàn)斗機(jī)的水平。 那么超音速巡航可以為 F-22 帶來(lái)什么樣的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì)呢？就這個(gè)能力本身來(lái)說(shuō)，它的優(yōu)勢(shì)一般體現(xiàn)在攔截和超視

5、距空戰(zhàn)中。 如果你正處于攻擊態(tài)勢(shì)，或者說(shuō)，你正駕駛你的猛禽去攔截入侵者，那么超音速巡航能力將大大提高你的接敵平均速度，外推攔截線，在對(duì)手進(jìn)入武器射程之前就對(duì)其實(shí)施攻擊。而高達(dá) M1.5 以上的巡航速度，將賦予你“先敵開火，先敵擊落”的優(yōu)勢(shì)。例如，當(dāng)載機(jī)速度從 M0.9 提高到 M1.5 時(shí)（這里假定載機(jī)具有高度優(yōu)勢(shì)），AIM-120 阿姆拉姆的動(dòng)力射程也增大了 50%。從一架以 M1.5 飛行的 F-22 上發(fā)射的 AIM-120，其初速度要快得多，更多的燃料可以用在后續(xù)航程中，因此可以在比原來(lái)的距離遠(yuǎn) 50% 的地方擊中目標(biāo)。如果超巡能力再結(jié)合 F-22 自身的隱身能力、AN/APG-77

6、雷達(dá)以及具有無(wú)源定位能力的 AN/ALR-94 電子對(duì)抗系統(tǒng)，可以說(shuō)，F(xiàn)-22 已經(jīng)具有飛行員夢(mèng)寐以求的在超視距空戰(zhàn)中“先敵發(fā)現(xiàn)，先敵開火，先敵擊落”的優(yōu)勢(shì)。 好了，現(xiàn)在假定你的 AIM-120 已經(jīng)進(jìn)入自導(dǎo)段，或者你的猛禽很不走運(yùn)地被對(duì)方鎖定了（當(dāng)然如果出現(xiàn)這種情況，那么你大概需要回內(nèi)利斯補(bǔ)課了），那么你需要做的就是脫離對(duì)方導(dǎo)彈的有效攻擊范圍。只要你不是迎著導(dǎo)彈上去，那么你的任何機(jī)動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致對(duì)方導(dǎo)彈攻擊范圍的縮小事實(shí)上是導(dǎo)彈發(fā)射瞬間的總能量與猛禽的總能量之差決定了這個(gè)范圍的大小。而超巡能力結(jié)合超音速機(jī)動(dòng)能力，可以令你的猛禽在防御機(jī)動(dòng)中保持較高的能量狀態(tài)，從而大大壓縮對(duì)手的開火距離和導(dǎo)彈的有效

7、攻擊范圍。在這種情況下，你的生存幾率比以亞音速機(jī)動(dòng)的飛機(jī)要高得多。 在和 F-15/F-16 的對(duì)比試飛中，如果 F-22 不想和它們糾纏而加速脫離的話，那么鷹和戰(zhàn)隼無(wú)論如何也追不上具有超巡能力的猛禽盡管這些優(yōu)秀的第三代戰(zhàn)斗機(jī)已經(jīng)采用了半油構(gòu)型，以盡可能提高飛行性能，但結(jié)果仍然相同：猛禽能夠?qū)⑦@些具有“優(yōu)良”氣動(dòng)力設(shè)計(jì)的飛機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩開。采用 F100-110/129/229 發(fā)動(dòng)機(jī)的 F-16 在初始加速突破音障階段還不會(huì)落后猛禽太多。但當(dāng)猛禽進(jìn)入高馬赫數(shù)超巡狀態(tài)后，這場(chǎng)競(jìng)賽實(shí)際上就結(jié)束了。沒有哪種飛機(jī)可以和猛禽比超音速續(xù)航力的。進(jìn)行追擊的 F-16 和 F-15 在加掛典型戰(zhàn)斗載荷后，無(wú)論是在

8、加速段還是在持續(xù)巡航段都無(wú)法跟上猛禽。對(duì)此，F(xiàn)-22 首席試飛員保羅·梅斯回憶說(shuō)：“我們的試飛任務(wù)總是受到追擊飛機(jī)油量的限制。一 句簡(jiǎn)單的“Bingo”就會(huì)迫使我們減速，然后把追擊機(jī)帶到加油機(jī)那里加油。而此時(shí)猛禽的油箱仍然是剩下很多燃油。如果這種下一代戰(zhàn)斗機(jī)在面對(duì)今天的飛行器沒有表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)的話，我會(huì)成為堅(jiān)定的反納稅者。猛禽在很多方面都很出色，而一架超巡中的猛禽更是相當(dāng)出眾的?！?除了空戰(zhàn)外，如果需要 F-22 穿越對(duì)手的防空體系，超巡能力同樣可以提高其生存力。道理和前述并無(wú)二致：穿越防空系統(tǒng)傳感器探測(cè)范圍的時(shí)間越短，留給防空系統(tǒng)的反應(yīng)事件自然越短。猛禽的巡航速度越高，截?fù)艟驮嚼щy

9、，防空系統(tǒng)攻擊范圍減小幅度也越顯著。無(wú)論是尾追還是前置攔截，高速度都顯著縮短了有效射擊時(shí)間，因?yàn)閷?dǎo)彈必須追擊一個(gè)高速目標(biāo)，而相對(duì)角速度太大使得它不得不在急轉(zhuǎn)彎中消耗能量。 加速/爬升性能 在超音速巡航能力的背后，隱藏著這樣一個(gè)事實(shí)：猛禽的發(fā)動(dòng)機(jī)推力大而阻力小，在考慮飛機(jī)重量因素后，其單位重量剩余功率（Ps，其絕對(duì)值等于同等狀態(tài)下飛機(jī)的爬升率）相當(dāng)驚人。 發(fā)動(dòng)機(jī)是重要因素之一。F119-PW-100 最大推力 97.9 千牛，加力推力 155 千牛，可靠性高，可以忍受油門的劇烈變化，堪稱戰(zhàn)斗機(jī)的理想動(dòng)力。帶固定斜板的進(jìn)氣道在設(shè)計(jì)上偏重于考慮超巡的要求，在設(shè)計(jì)巡航速度下具有較高的效率和較小的阻力，

10、飛行包線右端的加速性能和 Ps 都明顯改善。對(duì)于 F-22 來(lái)說(shuō)，限制其最大速度的因素不是發(fā)動(dòng)機(jī)推力，而是包括機(jī)體強(qiáng)度在內(nèi)的其它因素特別是在低空。為了避免飛行員無(wú)操作導(dǎo)致飛機(jī)超出最大速度限制，F(xiàn)-22 已經(jīng)加裝了最大速度提示和警告系統(tǒng)，以便當(dāng)飛機(jī)接近極速限制時(shí)提醒飛行員。 安裝矢量噴管的 F119-PW-100 而阻力小的特點(diǎn)主要得益于兩方面：優(yōu)良的氣動(dòng)設(shè)計(jì)（在設(shè)計(jì)上特別考慮了超巡的需要，在 M1.5 的設(shè)計(jì)速度附近和 40,000 英尺高度條件下，總阻力最?。┖蛢?nèi)置彈艙設(shè)計(jì)。 可以對(duì)比一下 F-15。F-15 號(hào)稱沖刺速度可以達(dá)到 M2.5，但那是在凈形條件下。在掛彈后，由于干擾阻力增大，該

11、機(jī)最大 M 數(shù)僅有 M1.78，在接近 M1.7 的時(shí)候加速性嚴(yán)重下降。而 F-22 在這方面的表現(xiàn)就要好的多。按照試飛員的說(shuō)法：“在所有高度上，以軍用推力或者更小的推力進(jìn)行水平加速非常容易，但要是使用全加力，其加速度簡(jiǎn)直令人驚駭。我希望我可以用數(shù)字來(lái)說(shuō)明，不過它們現(xiàn)在仍然是保密的。使用軍用推力，在接近音速時(shí)隨阻力上升，加速性有些下降，但突破音障仍很輕松。猛禽以軍用推力跨音速飛行，感覺上和 F-15 開加力差不多。打開全加力，猛禽的加速性變得穩(wěn)定而強(qiáng)勁。在 M0.97M1.08 之間，飛機(jī)有輕微抖振。之后，直到最大速度，猛禽的加速一直保持平穩(wěn)連續(xù)。試飛時(shí)，我們喜歡盡快進(jìn)入超巡狀態(tài)，以最大限度地

12、利用我們狹小的超音速空域。我們開加力進(jìn)入超巡，當(dāng)達(dá)到測(cè)試條件時(shí)收回油門?，F(xiàn)在很多高速試飛已經(jīng)轉(zhuǎn)移到太平洋導(dǎo)彈靶場(chǎng)（Vandenburg 空軍基地和 Point Mugu 海軍航空站之間）進(jìn)行。我們?cè)谶@里有更長(zhǎng)的直線飛行空間，并可以將音爆對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦挠绊憸p至最小?！?爬升能力方面，F(xiàn)-22 也相當(dāng)不錯(cuò)。傳統(tǒng)的戰(zhàn)斗機(jī)快速爬升時(shí)是采用魯特斯基爬升曲線。它們先以亞音速爬升到對(duì)流層頂（約 36,000 英尺），然后再加速到超音速進(jìn)行爬升。對(duì)猛禽而言，就可以省掉這些復(fù)雜的曲線，直接從跑道上拉起加速，轉(zhuǎn)入超音速爬升?！斑@家伙簡(jiǎn)直就象是為高速飛行而生的。”保羅·梅斯如此評(píng)價(jià)。 超音速盤旋能力 超音速

13、機(jī)動(dòng)性能是 F-22 的設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一，也是該機(jī)與第三代戰(zhàn)斗機(jī)的“代差”標(biāo)志之一。除了前述超巡、超音速加速/爬升性能外，超音速狀態(tài)下的盤旋能力也有明顯提高。有資料稱，該機(jī)在 M1.7 時(shí)穩(wěn)定盤旋過載可達(dá) 6.5G?？紤]到 F-15 在同等條件下盤旋能力遠(yuǎn)遜于此，而蘇-27 在 M0.9、中空才達(dá)到這個(gè)水平，不能不說(shuō)這是一個(gè)相當(dāng)驚人的進(jìn)步。 能夠達(dá)到如此之大的超音速盤旋過載，發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)重要原因，而同樣重要的還有飛機(jī)的超音速升阻比和配平能力。 關(guān)于升阻比，不難理解。要拉出足夠的過載，機(jī)翼就必須產(chǎn)生相應(yīng)的升力，伴隨而來(lái)的就是誘導(dǎo)阻力的急劇增大（誘阻系數(shù)與機(jī)翼迎角平方成正比，與機(jī)翼展弦比成反比）。如果

14、誘阻系數(shù)太大，誘阻增長(zhǎng)極快，那么很快就會(huì)抵消發(fā)動(dòng)機(jī)的剩余推力，飛機(jī)雖仍可能拉出較大過載，但發(fā)動(dòng)機(jī)推力已不足以維持穩(wěn)定飛行，當(dāng)年的幻影 III 瞬時(shí)盤旋性能好而穩(wěn)定盤旋性能差，正是為此。以現(xiàn)代航空技術(shù)水平而言，要設(shè)計(jì)出具有高升阻比的機(jī)翼或者具有良好超音速性能的機(jī)翼均非特別困難，但要將兩者合而為一卻非一日之功。這也是 F-22 足以自傲的一點(diǎn)。 而配平能力則往往容易被人忽略。機(jī)翼的高升力是拉出大過載的基礎(chǔ)，但升力越大，產(chǎn)生的俯仰力矩也越大。如果飛機(jī)自身不能提供足夠的俯仰配平力矩，那么要么進(jìn)入上仰發(fā)散狀態(tài)而失控，要么被機(jī)翼升力產(chǎn)生的低頭力矩壓回去，無(wú)法拉到需要的迎角。特別是在超音速條件下，飛機(jī)焦點(diǎn)大

15、幅度后移，機(jī)翼升力產(chǎn)生的低頭力矩相當(dāng)大，進(jìn)行超音速機(jī)動(dòng)需要更強(qiáng)的配平能力。以超音速性能著稱的米格-25，就是由于配平原因而無(wú)法進(jìn)行較大過載的超音速機(jī)動(dòng)該機(jī)超音速平飛時(shí)，平尾偏轉(zhuǎn)就 已接近極限，能用于超音速機(jī)動(dòng)的余量相當(dāng)小，所以雖然機(jī)體可以承受更大的載荷，但 M2 時(shí)的最大盤旋過載僅有 3G。 要解決配平問題，一是大幅放寬靜穩(wěn)定度，將飛機(jī)焦點(diǎn)前移。這樣超音速飛行時(shí)飛機(jī)焦點(diǎn)雖然仍會(huì)后移，但距離重心近，產(chǎn)生的低頭力矩相對(duì)較小。不過，這樣一來(lái)飛機(jī)在亞音速大迎角機(jī)動(dòng)時(shí)同樣會(huì)面臨配平問題這次是配平機(jī)翼產(chǎn)生的抬頭力矩。被媒體過分渲染的近耦鴨式布局，由于鴨翼距離重心較近，配平能力不足，F(xiàn)-16 的總師哈瑞&#

16、183;希爾萊克就曾說(shuō)過：“鴨翼最好的位置是在別人的飛機(jī)上。”廣為人知的 LAVI 戰(zhàn)斗機(jī)就始終未能解決大迎角配平問題。因此，在當(dāng)年 ATF 方案論證時(shí)雖然出現(xiàn)過不少鴨式布局方案（老航迷們應(yīng)該還記得 80 年代采用鴨式布局的“YF-22”的想象圖），但 F-22 最終還是選擇了具有較強(qiáng)配平能力的正常式布局，縱向靜穩(wěn)定度也大幅放寬。解決配平的另一個(gè)途徑是采用推力矢量控制（TVC）技術(shù)。采用 TVC，其主要優(yōu)點(diǎn)有：在氣動(dòng)操縱面基礎(chǔ)上又增加了一個(gè)配平手段，配平能力自然大幅增強(qiáng)；高速飛行時(shí)氣動(dòng)操縱面偏轉(zhuǎn)將產(chǎn)生極大阻力，而采用 TVC 可以起到同樣的操縱效果卻無(wú)需偏轉(zhuǎn)操縱面；TVC 并不僅僅是偏轉(zhuǎn)推力矢量而產(chǎn)生法向分力，強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)噴流將在后機(jī)身形成引射作用，產(chǎn)生新的“升力”增量，同時(shí)參與配平。F-22 的超音速機(jī)動(dòng)性大幅提高，TVC 技術(shù)功不可沒。 處于全開狀態(tài)的 F-22 尾噴管 就超音速盤旋本身的特點(diǎn)而言，其最大優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在日趨重要的超視距空戰(zhàn)中。前面已經(jīng)提到，在超視距空戰(zhàn)中無(wú)論是攻擊還是防御態(tài)勢(shì)，超巡能力都非常有用，而超音速盤旋能力則是保