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这场战争,让战斗机从此脱胎换骨

作者:未知


  气泡式座舱、高推重比发动机、脉冲多普勒雷达、内置机炮……这些现今习以为常的第三代战斗机设计元素,从哪儿来的?采用这些设计元素是巧合中,还是必然趋势?让我们从越南战争开始说起。 气泡式座舱
  从一战开始,战斗机使用机炮(枪)攻击空中目标,必须尾随对方。红外制导空空导弹自诞生以来相当长的一个历史时期内,载机基本在敌机后方约1英里(1.6千米)的30度锥形区域内,方可瞄准发射。因此,能够紧紧跟在敌机后面,才有可能取得空战胜利。同理,为了防止被敌机偷袭,飞行员需要时刻掌握身后的敌情。
  二战结束之前,许多战斗机的座舱盖结构复杂,严重影响飞行员观察敌情。如果飞行员个子太高或动作过猛,其头部还有可能撞击到座舱盖,导致其非战斗伤亡。当时,已经有包括P-51 D、P-47D、“台风”等在内的活塞式战斗机,采用了气泡式座舱。二战后的F-86、米格.15等少数喷气式战斗机也是如此。好处就是便于飞行员观看视野范��内的空情。再后来,所有新研发的喷气式战斗机为了降低阻力,提高飞行速度,一度将座舱高度降低。正是这一设计,导致在空中作战异常激烈的越南战场,交战双方都因战斗机座舱视野受限而吃了不少苦头。
  以美军主力战斗机F-4“鬼怪”为例,前座飞行员受挡风玻璃上的框架、前后座之间的隔框以及座舱高度的制约,视野比较糟糕。特别是空军型的F-4E,在加装“火神”机炮以后,机头延长0.84米,前下方的视野变得更差。而北越装备的米格战斗机后向视野比美国战斗机还要差,米格-21F-13飞行员向后观看,座舱后部的机身和57度后掠三角翼遮蔽了大部分视野,左右两侧向下的视野仅为20度。后来的米格-21的改进型机背隆起,座舱盖高度甚至还不及背鳍,视野更差。美军统计,在“滚雷”和“后卫”行动期间,交战双方交战损失飞机众多,其中60%的飞机在被击落前,飞行员根本不知道敌机就在身后。
  战斗机之间的空战,比的就是信息获取能力,除了机载设备、地面雷达或预警机,飞行员自行观察尤其有实战意义。美军在越南空战吃亏,总结经验教训,于是就把改善战斗机飞行员的视野作为新一代战斗机研发的重要指标。越战末期诞生的战斗机,无论是F-14、F-15,还是稍后出现的F-16、F/A-18,都是机头下坠,座舱高耸,座舱视野较佳。F-16战斗机更绝,采用了无框的整体舱盖。以单座型F-16为例:上半球水平方位视野达360度:垂直方位,前后方向视野为195度;左右两侧向下视野为40度,从左侧到右侧的视野为260度。美国的F-15、欧洲的“台风”战斗机的座舱视野基本与F-16的一样。其他国家第三代战斗机的座舱视野也较第二代战斗机有了大幅改善。 平视飞行握杆操纵
  随着技术的发展,战斗机座舱内的航空仪表越来越多,相应的控制开关和按钮也越来越多。到了20世纪五六十年代,战斗机座舱中的武器控制开关与按钮,不仅数量较多、操作程序复杂,而且有些开关、按钮的位置非常别扭,让飞行员难以操作。以F-4为例,在遂行对地轰炸时需要拨动14个开关。再以F-105“雷公”为例,把瞄准具从轰炸模式切换到空对空模式,需要5个开关,其中有几个位于很难摸到的位置。与米格机格斗时,F-105飞行员迅速摸到开关几乎是不可能的。因此,大多数机炮攻击都是不使用瞄准具的概略射击,只是把机头指向米格机而已。相比较而言,米格-21的武器开关方便多了,从导弹模式转换到机炮模式,只需要拨动2个开关。
  空中交战的时间非常短暂,机会稍纵即逝。飞行员在关键时刻却不能看准敌人快速射击,而是把宝贵的时间用于操纵繁杂的开关及按钮。美国国防部武器系统评估小组在越战期间的一份报告指出,糟糕的人机适应性引发了很多问题。第一,它经常迫使飞行员一会儿必须盯着座舱仪表切换开关,一会儿又得向外观察机动中的米格机,贻误战机,徒增损失;第二,它增加了飞行员犯错的可能性;第三,为了熟悉这些开关,飞行员需要进行大量的训练,却只能达到很低的熟练程度。对敌探测与识别,武器,以及人机适应性,几乎成了各类战时技术调查报告的主题。
  事实上,在不同的飞行和任务阶段,飞行员所需的信息是不同的。但众多机电仪表充斥于仪表板之上,其实很多仪表的利用率非常低。据统计,有些仪表在整个飞行过程中被使用的概率还不到1%。拥挤的仪表配置不仅增加飞行员判读负担,而且这些使用率低的仪表还会分散和干扰飞行员的注意力。
  在遂行作战时,飞行员观察舱外可以迅速、直观地了解战场概况和敌我态势。不过,飞行员要想准确掌握某些数据,还不得不低头观看座舱内的仪表显示,其视线不断从座舱内外跳来跳去。人体眼球需要调整焦距,以适应视距和亮度的变化。飞行员在约0.8秒的瞬间,根本看不清眼前的东西。这就产生了内视与外视的矛盾。随着飞机性能提高、任务复杂和仪表数量的增多,这种矛盾越来越尖锐。对于低空高速飞行的单座战斗机飞行员来说,不但可能丧失战机,还有可能危及飞行安全。
  为了解决上述矛盾,20世纪50年代中期,英、美两国开始研究利用阴极射线管作为光电显示仪表,换掉二战期间出现的反射式射击瞄准具。其结果就是60年代,平视显示器出现了。在作战飞机座舱发展史上,这种具有划时代意义的主飞行仪表,将反映飞机操纵和武器瞄准信息的显示画面,通过准直光学系统投影到飞行员正前方的视野里,使飞行员在观察前方外景物的同时,可以看到叠加在外景上的显示信息。装备该装置后,飞行员就可以在大部分时间内平视飞行。
  除了平视显示器外,对未来空战具有革命性影响的还有握杆操纵技术。飞行员触动开关或按钮时,无须把头埋在座舱里,成为设计新型战斗机时必须考虑的因素。这就是后来出现的“手不离杆”模式(Hands on Throttle and Stick,HOTAS)。
  这是越南战争的真实一幕。美军一架F-4飞机被北越空军米格机发射的导弹击中。F-4飞行员可能根本不知道敌机就在身后。
  F-15战斗机是第一种具备“手不离杆”功能的作战飞机。该机操纵杆和油门杆上设有雷达工作状态和参数调整按钮、武器选择开关、武器投放按钮等。飞行员在驾驶飞机时,双手不离油门杆和操纵杆,触动手指旁的按钮或开关,即可控制探测设备和显示设备,更新操纵点,指示目标,选择瞄准点。飞行员在飞行中,从此不必低头寻找开关按钮。
  在敌机临近的关键时刻,判读这么多仪表数据,还要做出反应,极考验飞行员的动作协调性。 脉冲多普勒雷达
  自从二战末期人们将火控雷达搬上战斗机后,这种能够发现远距离空中目标的电子设备便成了喷气式战斗机的重要装置。到了越南战争期间,战斗机火控雷达已经普遍采用单脉冲体制,能够探测到数十千米外的空中目标,能够引导半主�永状镏频嫉闹谐炭湛盏嫉�攻击敌战斗机或拦截敌方的轰炸机。不过,交战双方的战斗机根本无法通过火控雷达,在中高空发现低空飞行的敌方飞行器。
  在当时的技术条件下,透过纷乱的地面杂波探测到低空飞行的目标几乎更不可能。对于在北越上空作战的美军飞机而言,其面临的一项重要难题是探测与识别低空飞行的敌机。一旦F-4捕捉并锁定了米格机,假如米格机此时向下俯冲,地面杂波经常会导致F-4的雷达无法探测锁定目标。北越战斗机经常利用地面反射杂波的掩护低空待机,等到时机成熟后,再急速跃升,偷袭美军飞机。
  在20世纪70年代,如果要拦截低空飞行的空中目标,执行任务的战斗机必须拥有能够下视下射的脉冲多普勒雷达。于是美国海军的F-4J和F-4S,改用AN/AWG-10脉冲多普勒火控系统,利用多普勒效应来发现低空飞行的目标,从而使其具备下视下射能力。但这种雷达的技战术性能尚不理想。美军在研发新一代战斗机时,便选择了性能更优的脉冲多普勒雷达。
  以F-14A使用的AN/AWG-9雷达为例,该雷达具备边搜索边跟踪能力,能够同时跟踪24个目标,引导“不死乌”远程空空导弹攻击其中6个目标。AWG-9雷达天线直径910毫米,可截获120~315千米外的空中目标。对于同等大小的目标来说,作用距离约相当于F-4J所用AWG-10雷达的2~2.5倍,远距离扫描的空间体积为AWG-10的15倍。
  而F-15A/B战斗机使用的AN/APG-63作为一款脉冲多普勒雷达,相对F-4C/D/J战斗机上安装的火控雷达有着诸多优势。AWG-10雷达面对迎面飞来的目标以及向下探测低空目标时表现良好,但在尾随目标飞行和载机进行机动飞行时就应付不过来了。APG-63雷达针对之前雷达的种种性能缺陷,采取自动切换高频/中频模式。尽管F-4战斗机上的单脉冲雷达探测距离达到了史无前例的74千米,锁定距离达到37千米,但是完全没有下视探测能力。F-15的雷达系统可以在上视模式下最远可探测148千米外的战斗机大小的目标,而下视模式下探测距离也大概达到以上距离的一半。因而,APG-63雷达探测范围是“鬼怪”C/D机载雷达的4.3信。
  APG-63雷达还破天荒地给飞行员提供了“干净”的合成雷达图像。这意味着飞行员不用再从传统雷达屏上各种未经加工的回波图像中分辨目标,他们在F-15雷达屏上看到的是经过处理的清晰易懂的符号,有利于快速决策。 涡扇发动机
  在越南战场上空,发动机的推力和战斗机的加速性能是决定空战能否取得胜利的重要因素。F-105“雷公”战斗轰炸机,原本用于对地攻击而非用来夺取制空权,利用优良的加速性能,可以快速接近、攻击或摆脱米格-17。但是,在遭遇米格-21时,情况就完全不同了。米格-21的加速性能和机动性能都超过“雷公”,因此,F-105几乎没有使用机炮击落米格-21的机会。美国空军和海军的机组人员都认为F-4的速度和加速性能很好,虽然盘旋能力不及米格-17,但强大的推力使其能够进行米格-17望尘莫及的垂直机动。面对米格-21时,F-4在15000英尺(约4572千米)以下的盘旋能力还占据小小的优势,米格-21除了依靠偷袭外,很难追上脱离战斗的F-4。美军的一份调查报告显示,除了突然袭击和位置,航速和高度也是交战中的重要因素。在双方大约75%的损失中,胜利者都占据速度上的优势。当时,美国空军有少数几个人正在研究能量机动理论。他们认为,通过寻求某种高度和速度组合,能够让美国战斗机在对抗某种特定类型的米格机时获得剩余功率优势。这样,美国战斗机就能够在爬升和加速方面超过敌机,在特定情况下甚至可以在转弯中超过敌机。这就要求研制一种涵道比较小、推重比达到8的加力式涡扇发动机。
  F100涡扇发动机剖视图。原理上,涡扇发动机以涡喷发动机为核心机,把后者的低压压气机叶片变成了不耗燃料的风扁,又比后者增加了外涵道,使进入加力燃烧室的氧气更多。所以消耗同等数量的燃料,漏扇发动机效率更高,产生的推力更大。
  那时,交战双方装备的F-105、F-8、F-4,米格-17(合歼5)、米格-19(含歼6)、米格-21等作战飞机安装的都是涡喷发动机,耗油率较高。双方战斗机经常战斗正酣,却因油料告罄而退出战斗,此时一旦被敌机追击,就有可能被击落。假如发动机的耗油率降低,将有利于提高飞机的航程和作战时间。
  涡扇发动机与老式的涡喷发动机相比,具备更大的推重比、较高的推进效率和较低的耗油率。1968年,美国海、空军“空中优势战斗机计划”要求大幅度提高发动机的推重比和改善进气道与发动机的匹配性。同时,美国国防部做出了基于同―核心机发展两种发动机的决定。1970年3月,普惠公司以JTF22核心机为基础研制的原型发动机,战胜通用电气公司以GE1/10核心机为基础研制的原型发动机。1970年4月,美国空军与普惠公司签订合同,研制F100涡扇发动机。由于海军的F-14B项目中止,F100发动机成为在20世纪70年代专为F-15战斗机研发的动力装置。   F100发动机是世界上第一种投入使用的推重比达到8的军用航空涡扇发动机,注重提高发动机的性能,采用高涡轮进口温度、高增压比和小涵道比。其中,F100-PW-100的中间推力为65.26千牛,加力推力为100.53千牛。安�b使用这种发动机后,F-15A/B基本实现了预期的设计目标,只有高空最大飞行速度2.5马赫的目标没有实现。
  美国海军的F-14A因研制时间较早,采用了TF30-P-412涡扇发动机,加力推力仅有93千牛。但因该机采用直通道的二元外压式进气道和变后掠翼技术,保证了“雄猫”战斗机拥有较佳的飞行性能。与F-4J相比,F-14A最大爬升率提高20%,加速能力提高21%,只用机内燃油时,作战半径提高80%。 机动性能
  越战时期,美国海军和海军陆战队的F-8战斗机主要用于对付米格-17。随着改进型“埃塞克斯”级航母即将退役,美国海军和海军陆战队已经不再需要这种适应中型航母而设计的舰载机了。美国海空军及海军陆战队的主力战斗机F-4机体庞大、笨拙,在面对轻型的米格-21时,优势并不突出,有时还会遭其打击。当获悉苏联当时正在研制米格-23、米格-25时,美军感到如坐针毡,必须大幅提升新一代战斗机的飞行性能,方可胜任未来空战。为此,美军赋予F-14、F-15、F-16等新一代战斗机良好的机动性能。
  决定一架战斗机的飞行性能的主要因素包括:发动机、气动布局、飞控系统、结构重量、机翼面积等。这些因素共同决定了战斗机的爬升率、盘旋半径、盘旋角速度、加速度等空战机动指标。以飞机重量和机翼面积之比的翼载荷为例,使用这一指标可以粗略地评估一架战斗机的盘旋性能。一般地,翼载荷越小,战斗机的盘旋性能越好。米格-17的翼载荷非常小,几乎只有F-4的一半,并且比翼面积更小的F-105的一半还要小。因而在低速飞行时(时速740千米以下),米格-17是当时北越上空机动隆最好的战斗机。米格-21的翼载荷也很低,高空机动性也优于美军战斗机。
  从另一角度讲,战斗机飞行性能好的外在表现就是翼身融合、双垂尾、边条翼、鸭式布局等,内在因素就是采用电传操纵、主动控制技术等。美国海军F-14重型战斗机采用双发、双垂尾、变后掠翼的气动布局,具有极佳的大迎角飞行性能和盘旋性能。与F-4J相比,F-14A的最小转弯半径减少了40%。
  吸取越南战争的教训,F-15在设计之初完全用于夺取制空权。其机翼平面形状为切角三角翼,没有前后缘机动襟翼,依赖固定弯度的普通锥形扭转机翼来提高空战机动性。翼根整流罩在大迎角时产生涡流,可推迟机翼失速和提高尾翼效率,起到边条翼的作用。全动式带有锯齿前缘的平尾及大面积双垂尾,可以满足高速飞行和机动空战的需要。因历史局限性,F-15和F-14一样,仅使用高权限控制增稳系统,而没有使用电传操纵技术。F-15A作战翼载270~287千克/平方米,作战推重比1.4,瞬时盘旋角速度为16度/秒,因此作战机动性很好。 航空机炮
  空空导弹出现之后,许多人认为它能解决所有问题。直到越南战争结束,人们才发现事与愿违。美国空军在1967年四五月份提交的分析结果表明,F-4使用AIM-9B“响尾蛇”导弹取得的命中率为17%,使用AIM-7“麻雀”导弹取得的命中率为11%。在使用机炮情况下,F-105取得的命中率为28%,F-4为55%。“滚雷”行动期间,美军的AIM 9B的命中率为15%,AIM-9D的命中率约为18%。
  空空导弹的包线不是固定的,而是随着每个目标的机动而不断变化、时大时小的动态包线。随着作战高度的降低,导弹包线范围急剧缩小。低空使用还凸显了早期导弹的其他缺陷:飞行高度越低,AIM-7受地面杂波干扰越严重,而AIM-9自动飞向地面热源的可能性就更高。战斗机在导弹的最小射程之内是无法发射导弹的,假如此时有机炮的话,就好办了。而事实上,很多美军战斗机没有装备航空机炮。
  美国空军的一份报告揭示,F-4“鬼怪”与米格机的29次空战中,有23次都有利用机炮射击的机会,但因没有机炮而痛失胜利,甚至付出血的代价。1966年5月以后,所有“鬼怪”飞行员都声称需要机炮。因为使用空空导弹极难击中在低空急转的米格-17。
  为了解决机炮问题,美国空军在1964年中开始在F-4上试验SUU-16机炮吊舱。这种吊舱长5050毫米,直径560毫米,总重780千克,内有一门M61A1“火神”机炮。1967年5月,F-4开始携带机炮吊舱,其空战能力大大增强。不过,使用机炮吊舱也有局限性:F-4上的3个外挂点均可携带机炮吊舱,如果在机腹下携带,飞机将减少600加仑燃油的携带量;若在机翼外侧挂架携带一具吊舱,将减少370加仑的燃料。SUU-16机炮吊舱的射击精度不及F-105上的内置机炮。而且挂载机炮吊舱后,F-4的机动性能多少受到影响。
  1965年6月,安装M61机炮的F-4E正式立项,1967年6月开始试飞。M61“火神”射程3000米。服役后的F-4E在越战中共获得21个战果。其中AIM-7导弹获得10个,机炮获得5个,“响尾蛇”导弹获得4个,1个由机炮和“晌尾蛇”共同获得,还有1个属于敌机自行坠毁。 敌我识别系统
  越战期间,为了判断一个雷达目标是否为米格机,美军战斗机不得不从足够近的距离识别它们。在迎面方向和最有效攻击角度上,F-4使用“麻雀”的概率实际很低,机载远程雷达的目标截获优势体现不出来,做不到攻其不备。由于太近,空空导弹也不能用,对没有航炮的F-4而言,等同赤手空拳刺探敌情。
  1967年5月,美军开始装备AN/QRC-248敌我识别系统应答器。此举对以后的空战产生了深远影响。该系统被安装到EC-121D预警机上,能够为美军提供北越飞机活动的整体情况。1971年11月初,美国空军开始将装备AN/APX-80“战斗树”敌我识别应答器的F_4D部署到越南。即使这样,美军仍有严格的战术限制:在开火前,必须确认友机与米格机不能离得太近,以防误击。尽管如此,APX-80还是带来了很多好处,同时减少了时间和燃油的浪费。
  F-14、F-15,使用了更加先进的敌我识别技术,这两种重型战斗机的一个共同特点是将敌我识别天线寄生在雷达天线上。雷达天线上排列的高频偶极子,具备敌我识别功能。当火控雷达发现空中目标后,询问机以预定的频率发射询问信号,通过对方能否应答,在较远的距离上判断敌我,便于发挥机载火控雷达和中远程空空导弹的技战术优势。 结束语
  越南战争对美军的航空主战装备产生了深远影响,成为其发展的分水岭。
  越南战争直接导致了F-14、F-15、F-16战斗机,E-3预警机,以及“黑鹰”直升机5种航空主战装备的诞生,并间接导致F/A-18的横空出世。1969年1月,也就是美军“滚雷”行动结束后不久,美国海军与研发企业签订了研制F-14原型机的合同。年底,美国空军选定研制F-15的主承包商。1972年,越南战争最为激烈的时候,美军发起“后卫”行动。也正是这一年,美国空军的F-15战斗机原型机开始试飞,而F-14A开始装备美国海军。这一年,对美国空军来说还有一个重大事件,那就是轻型战斗机原型机计划的提出,这直接催生了后来的F-16战斗机。而与F-16竞争的YF-17后来演变成F/A-18。
  越南战争让美军颜面尽失。从1967年底到“滚雷”行动结束,北越每损失1架米格-21,美国空军就损失5架以上的战斗机。被打得满地找牙,只好别图良策。F-14、F-15作为F-4的替代者,是从二代机的失败中孕育而来,为世界上具有研发先进战斗机能力的国家指明了方向。此后,苏联开始奋起追赶,及时推出苏-27和米格-29的研制计划。为了对付苏-27和米格-29,欧洲诞生了“台风”、“阵风”。而美国针对苏联,又推出了第四代的F-22战斗机。
  可以说,正是越南战争,让当代战斗机设计从此脱胎换骨。
  责任编辑:吴佩新


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