也谈第三代战斗机

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　　从上个世纪50年代超音速战斗机问世到现在正在研制的先进技术战斗机，航空界习惯把它分成四代。
　　 第一代超音速战斗机以跨音速、低超音速为主，并向超音速发展。代表机型有美国的F-100、F-104，前苏联的米格-19、苏-7，英国的“闪电”，我国的歼-6等。
　　 第二代战斗机追求高空、高速，飞机比上一代大，战斗力更强。代表机型有美国的F-4、F-5，前苏联的米格-21、米格-23、米格-27、苏-24，我国的歼-7、歼-8等。
　　 第三代战斗机放弃了追求高空、高速，更加强调高机动性，并由单一的空战型向多用途发展。代表机型有美国的F-15、F-16，前苏联的米格-29、苏-27系列，法国的“幻影”2000，欧洲战斗机EF-2000“台风”，瑞典的JAS-39“鹰狮”等。
　　 第四代战斗机的明显特征就是超音速巡航，并把隐身性能放在很重要的位置。代表机型有美国的F-22，俄罗斯的苏-47、米格1.44等。
　　 随着战斗机的发展，其研制也出现了一些变化，国际合作越来越多，每一代飞机的研制周期越来越长，机型也越来越少。目前第四代战斗机正处在研制试飞或试用中，世界上主要国家装备的主力战斗机为第三代，有的比较先进的号称是“三代半”，但从其主要特征来看，仍属于第三代。为了达到高机动和多用途性能，第三代战斗机和前两代相比采用了很多先进技术，不同国家研制的飞机又有许多共同之处。
　　
　　飞行性能
　　
　　 第三代战斗机放弃了第二代战斗机对高空、高速的过分追求，更加强调飞机的机动性。因此第三代战斗机的最大平飞速度都在超音速2.5倍以下，升限都在20000米左右，但飞机的机动性却有了大大提高。
　　 考虑到机动性的要求，这一代战斗机普遍采用了放宽飞机的静稳定度技术，设计时将飞机的焦点放在重心之前一定位置。在低速飞行时飞机是静不稳定的，飞机的稳定性由人工增稳系统提供，飞行员的操纵和飞机具有稳定性一样，不受任何影响。随着飞行M数的增大，飞机焦点要向后移动，在跨音速阶段焦点移到重心附近，飞机中立稳定，稳定性主要还是由人工增稳系统提供。超音速飞行时，焦点移到了重心之后不太远的位置，飞机具有稳定性。这样一来就克服了常规设计的飞机超音速飞行时稳定性过强，操纵性不足，对操纵反应迟缓的毛病，使飞机在任何速度范围都有良好的操纵性，提高了飞机在高速飞行时的机动能力，还减小了飞机的尺寸和重量。
　　 当前的战斗机空战思想已从传统的近距格斗向以远、中程导弹交战和近距格斗并存的方向转移，因而第三代战斗机都十分注重增强导弹作战效能，机载的雷达和武器系统都要求能在尽可能远的距离内发现目标，还要求能先发制人发射武器将对方击落。在这种攻击中，除了导弹本身的跟踪和击毁能力外，还取决于母机本身的动能，能量越大，发射的导弹可以飞得更远、作战也更有效。同时飞行员必须寻求一个“最大的不能逃离区”，即敌机在这个距离内无论做怎样的机动，它都几乎不可能逃脱。由于要求母机能在尽可能高的速度下发射导弹，所以这一代战斗机要比上一代战斗机有更好的加速性、爬升性和超音速飞行性能。如俄罗斯第三代战斗机苏-27，其海平面最大爬升率高达每秒330米，是这代战斗机中最高的。
　　
　　 空战中由于导弹的最大发射距离还不仅取决于母机的能量，同时也取决于敌我双机之间的接近率。对于攻击一个正在逃离的敌机的导弹最大射程总是要小于攻击一个正在迎头飞来敌机的射程，因此飞行员在发射导弹时还必须考虑到尽可能快地、用尽可能小的能量损失逃离敌机，以免遭到敌机发射导弹的反击。另外，大家都意识到，在未来空战中即使装有很先进的空空导弹，近距格斗还是难以避免。一来导弹攻击不可能百分之百奏效，二来空战中很难十分准确地进行敌我识别。在这种情况下，只有继续靠近用目视或其他方法识别，一旦确定是敌机，必将有一方被击落。为增大击落敌机、防止自己被敌击落的几率，还要求战斗机要具有很高的瞬时转弯角速度和稳定转弯角速度，即杰出的敏捷性，法国的“幻影”2000-5战斗机，最大瞬时转弯角速度高达每秒30°。
　　 第三代战斗机还强调飞机在失速状态下的机动能力。因为在空战中，特别是在近距格斗过程中，飞机都会进行激烈的机动，难免在大迎角下飞行或进入失速状态，如果此时飞机仍能被飞行员很好地控制，具有较好的机动能力，就会增加在空战中击落敌机的机会和增强自己的生存能力。在这样的设计思想指导下，这一代战斗机都具有一定的失速和过失速机动能力，其中最突出的是俄罗斯苏-27战斗机，它能作“眼镜蛇”机动飞行。
　　 “眼镜蛇”机动由前苏联试飞员普加乔夫于1989年创造，因其动作酷似眼镜蛇而得名。动作过程是飞机在以400~450公里的时速平飞过程中，突然拉起机头，在很快转过垂直向上位置后继续增大迎角到110°~130°，在3~4秒内飞行速度急剧减小到125公里 / 小时，然后在稳定力矩作用下飞机自动恢复平飞状态并很快增速，在整个过程中飞行高度上升十几米，没有偏离趋势，说明飞机在过失速状态下仍有良好的机动能力。
　　
　　气动布局
　　
　　 为提高飞机的机动性，对飞机气动布局的要求是：升力系数曲线斜率要大，临界迎角要大，阻力系数要小，升阻比要高，力矩特性满意。
　　 为实现高机动性，第三代战斗机普遍采用了多种形式的非常规布局。其中用得最为普遍的是边条翼，几乎所有第三代战斗机都采用了。
　　 采用边条翼的飞机机翼通常由边条、中翼和外翼组成，是一种特定的、混合平面形状的机翼。边条翼主要通过控制和利用气流分离获得良好的气动效益，不同于早期的附着机翼。大部分边条翼飞机的边条前缘后掠角为70°~76°，机翼本身的后掠角为30°~35°，展弦比为3~4。
　　 边条翼可看作是一个尖前缘、大后掠角、小翼展的细长翼，当有一定正迎角时(一般大于3°即可)，气流流过尖前缘就会产生强烈的、稳定的脱体涡，在其向后流动的过程中，涡核速度很大，可达到飞行速度的3倍以上。这样，在脱体涡经过的机翼上方就会形成很强的负压区，产生很大的附加升力，这就是我们常说的涡升力；当脱体涡扩展到机翼上时，机翼外侧的流场会产生侧洗和上洗，从而延缓了翼尖气流分离，在一定程度上可控制后掠机翼的翼尖失速问题，也可克服后掠翼上翼刀、涡流发生器等所带来的阻力增加的不利影响，同时还能在机翼上产生附加升力增量；由于涡核速度很大，增强了机翼附面层内的流动能，有效防止了附面层加厚，从而延缓了机翼后缘气流分离，提高了飞机的临界迎角。
　　 采用边条翼的飞机，由于中翼和外翼后掠角较小，这就保证了飞机低速飞行时的气动性能。在低速飞行时，飞机的迎角较大，边条又能使飞机在大迎角飞行时升力增大、阻力减小，因此飞机在亚、跨音速范围内机动性能可明显提高。
　　 除边条翼外，第三代战斗机还普遍安装了机动襟翼。机动襟翼包括前缘襟翼和后缘襟翼，大多数飞机的后缘襟翼都和副翼合并在一起，同向偏转为襟翼，差动偏转起副翼作用，故又可以说机动襟翼是由前缘襟翼和后缘襟副翼组成。
　　 机动襟翼在飞行中的开度随飞机迎角和飞行M数自动调节，可使飞机的气动特性始终保持最好。前缘襟翼下偏，会增加机翼的相对弯度，使气流平顺流过机翼，延缓气流分离，增大最大升力系数和临界迎角，同时，还能恢复部分前缘吸力，减小诱导阻力。偏转前缘襟翼，还可减弱机身的方向不稳定作用，增强垂尾效能，使飞机在大迎角范围内的方向稳定性得到改善。而后缘襟翼的作用早就为大家所熟知，在此就不多说了。
　　 前缘襟翼、后缘襟副翼偏转规律按优化升阻比设计，可使飞机大迎角飞行时的诱导阻力减小20%~50%，升阻比提高，机动性大大增强，在空战中占有明显的优势，因此机动襟翼又被叫做空战襟翼。
　　
　　 F-15战斗机原型机不带机动襟翼，在高度4570米时，最小盘旋半径为1370米，最大盘旋角速度为每秒15.5°。后来加装了机动襟翼，最小盘旋半径减小到800米，最大盘旋角速度增大到每秒17.5°。
　　 边条翼和机动襟翼的运用，大大提高了飞机的机动性能，几乎同时满足了高速飞行和低速飞行对飞机气动布局的要求。因此，这种气动布局技术的成熟，无情地将装备最早的第三代战斗机F-14所采用的变后掠翼淘汰出局。
　　
　　 在第三代战斗机中，比较引人注目的还有翼身融合体布局，F-16和苏-27系列都在边条翼加机动襟翼的基础上采用了这种布局。
　　 采用翼身融合技术设计的飞机，机翼和机身融合在一起，没有明显的分界面，飞机表面连续过渡，整机形成一个统一的承力壳体。这样的设计使飞机的所有纵向切面都如同能够产生升力的翼型面，更符合跨音速面积率的要求，使得飞机的升力很大，跨、超音速的激波阻力更小。翼身融合，还减小了机翼、机身连接处和粘性气流的接触面积，进一步减小了摩擦阻力，因此，保证了飞机在机动飞行时可以获得较大的升阻比。
　　 翼身融合体设计还能减小机翼和机身结合处的集中应力，可起到间接增强飞机刚度的作用，在设计上就可以减轻飞机的结构重量。翼身融合增大了机内空间，可增加飞机的载重能力，提高续航性能和作战性能。机翼和机身没有明显的分界面，还减小了雷达反射面积，有一定的隐身作用。
　　 翼身融合体有诸多优点，因此后来的“三代半”和第四代战斗机普遍采用了这种布局。
　　 许多欧洲国家的科技、经济实力不如美苏，他们研制第三代战斗机的思路和美苏不同，而偏向国际合作和“拿来主义”。如英、德、意和西班牙4国合作研制了EF-2000，最初法国也参与了合作，后因在飞机的发展方向上产生分歧，退出合作；瑞典设计JAS-39“鹰狮”战斗机的拿来主义思想，所以该战斗机直接采用了许多其他国家的技术。
　　 EF-2000和“鹰狮”都采用了三角翼鸭式布局，“台风”和“阵风”也采用了这种布局，它几乎成了欧洲国家战斗机的统一布局。在跨音速飞行时，这种布局的飞机前翼压力中心后移量不大，超音速飞行时前翼产生正的配平升力，可弥补一定的升力损失。与常规布局相比，在同样情况下，这种布局的飞机升力较大，可获得较大的升阻比，有利于提高飞机的机动性和敏捷性。目前俄罗斯的苏-27改进型苏-35、-37也都加装了鸭式前翼。
　　 总而言之，各种不同气动布局的采用，都提高了整机的升阻比和临界迎角，为获得良好的机动性能创造了有利条件。
　　
　　动力装置
　　
　　 仅有先进的气动布局还不能完全满足飞机对高机动性的要求，还必须给飞机装上高性能的发动机。以高机动性和多用途为特点的第三代战斗机对发动机提出了更高的要求：为快速突防和在敌机包围中生存，为扩大拦截范围，更有效地追击敌机和到达射击位置，要求发动机在高速飞行时仍能提供大推力并且耗油率小；为执行空战格斗任务，飞机要剧烈机动，要求发动机有很好的加速性，即由加减油门到推力变化的时间要短；为提高战斗力，飞机的再次出勤率要高，要求发动机的可靠性、维修性、耐久性要好。第二代战斗机普遍采用的涡轮喷气发动机已不能同时满足这些要求了，因此，加力涡轮风扇发动机在第三代战斗机中得到了广泛应用。
　　
　　 加力涡轮风扇发动机与加力涡轮喷气发动机相比，突出的优点是：在亚音速巡航状态下发动机不开加力时，耗油率低；打开加力时，加力比(加力推力与不加力推力之比)大，即加力推力增大得多；在高速飞行时，加力比更大。地面静止条件下，当前比较先进的涡轮喷气发动机的加力比最高为1.4~1.5，而涡轮风扇发动机则达到了1.7以上。如英国、西德、意大利三国联合研制的“狂风”战斗机安装的RB・199加力涡轮风扇发动机，其推重比为8，加力比超过了1.9。
　　 涡轮风扇发动机具有较大加力比的原因，是加力燃烧室进口处的混合气体(内涵气体和外涵气体的混合气)温度，比涡轮喷气发动机涡轮后的燃气温度要低得多，因而加热量可以大得多。随飞行速度的增大，空气的速度冲压作用增大，尤其是外涵空气速度冲压作用使压力提高显著。混合气压力提高，发动机复燃效率就提高，使得加力推力增加更多。
　　
　　 在不开加力时，涡轮风扇发动机的燃气在涡轮内的膨胀要多一些，这多膨胀的部分，能使外路的空气能量增加，即燃气的总能量能传递给更多的空气。可见，涡轮风扇发动机所获得的能量用来增压的空气，比涡轮喷气发动机增压的空气更多，因此发动机的推力更大。与此同时，燃气在涡轮内的膨胀比增大，在喷管内的膨胀比必然减小，排气量也随之减小，这就使得发动机的燃油消耗率降低，从而大大改善了发动机的经济性。
　　 在加力状态下涡轮风扇发动机的燃料消耗率，比涡轮喷气发动机大，但由于加力状态增加的推力大，所以，在增大相同推力的前提下，耗油率仍然是低于涡轮喷气发动机的。因此，即是在加力状态下，发动机的经济性也优于涡轮喷气发动机。
　　 飞机对发动机的要求不光推力要大，发动机的自身重量也不能过大，即推重比要高。目前第三代战斗机安装的涡轮风扇发动机推重比大多达到了8，总增压比都在23以上。发动机涡轮前的燃气温度达到1370°C左右，为抗高温，涡轮叶片一般都采用钛合金制造，而且对叶片还采用了内冷却措施。
　　 第三代战斗机的发动机加速性普遍很好，由慢车推力过渡到全加力推力，几乎都在7秒以内。如“幻影”2000战斗机的M53发动机仅需6秒，苏-27战斗机的AL-31F发动机只要6~7秒。
　　 大部分第三代战斗机的涡轮风扇发动机都采用了许多现代技术，如单晶高压涡轮叶片、粉末冶金盘和全权限数字式发动机控制系统，在整个飞行包线上使用都不会受限制。
　　 可靠性和易维护性也是这代飞机发动机的亮点。发动机普遍装有喘振发现和排除系统，工作时稳定余度大。所采用的单元体设计和状态监控技术，使发动机具有一定的自检测能力，使用过程中只需视情维护，维护过程也相当简便。如美国普拉特・惠特尼公司研制的F100系列发动机(F-15、F-16使用)，在外场更换一台只需要18分55秒；美国通用电气公司的F404发动机(F / A-18使用)更换一台只需11分钟。(未完待续)
　　 责任编辑：空 友 ■
　　

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