战斗机超音速巡航的战术价值

中秋   2016-05-08 03:28:50


文/中秋


从T-50和米格-29M2对比可看出四代机和三代机设计差异,T-5O采用宽阔的机身和低外露的碟形翼,是为在超音速机动中增加机翼结构强度



SR-71所用J-58发动机在20世纪60年代进行加力燃烧测试的场景



巡航一词最早源于舰只,指用较经济的速度长时间稳定运动的状态。飞机相比舰船有明显变化的飞行速度、飞行状态和飞行过程,但飞行巡航仍指用稳定速度进行经济的长距离运动的状态,超音速巡航则是针对飞行速度划定的参数标准。

超音速飞行与飞机的阻力和动力性能有直接关系,尤其是对动力布局限制较大的战术飞机,超音速在很长时间里均与加力燃烧室相关。启动发动机加力这种非正常工作状态,所获得的超音速飞行性能也不能被称为巡航飞行。现在也有飞机具备不加力超音速的能力,如SR-71利用复合结构的J-58实现超音速巡航,“协和”客机也具备超音速巡航飞行的能力,但这些强调高速性能的飞机机动性能不好,不适合战术飞机战场应用。美国开始研制ATF先进战斗机项目时,提出了“超级巡航”概念,要求F-22具备在合适高度不开加力保持M1.5飞行速度的能力,在此速度条件下还具备较好的机动性能。这种在战术应用中利用超音速的实用化性能,在国内被称为超音速巡航。

超音速巡航对战斗机性能的影响

超音速战斗机从二代向三代进步时,突出的变化就是强调跨音速空战机动性能,默认远程打击尚不可靠这个现实,把近战与远战放到同样重要的程度。三代机气动设计的特点是升力性能好,变弯度机翼的前缘中等后掠(“幻影”2000除外),因此在亚、跨音速时机动性能好,却使超音速状态下的过载条件受到限制。

第三代战斗机在加力飞行时的速度可以超过音速,但发动机加力燃烧时的油耗是不加力的2~3倍。发动机的材料和结构虽然可以维持约30分钟加力,但机载燃料量却普遍把全加力时间限制在10分钟内,使超音速飞行存在时间限制。三代机采用的结构和材料比二代机更为坚固,但同速度条件的超音速过载与二代机并无大的优势,部分性能范围甚至存在比较明显的削弱。四代机强调隐身作战和主动打击,远程作战被放到了重要的地位,中距空战的重要性再次超过了近战,飞机的气动设计优势区也再次向高速端偏移。

所谓超音速巡航最根本要求是不需要开加力,动力系统保持正常的经济油耗(高于标准的巡航油耗),飞行速度至少要超过M1.3的跨音速段,这就排除了用小加力实现高空超音速的米格-31,以及采用超转(牺牲寿命)获得跨音速巡航性能的EF-2000。

超音速巡航是典型的飞机性能指标,但将其作为战斗机的战术性能要求时,超音速巡航必须与超音速机动相联系。超音速巡航本身可以增强突防等战术性能,但要想扩大超音速巡航的战术效能,不但要飞的快,还要飞的灵活才真正能够发挥超音速巡航的战术价值。美国在ATF项目中建立的四代机技术标准,空战应用重点被放到了超视距主动攻击,中距导弹的迎头杀伤成为空战的主要手段,超音速巡航也被融合到换代机的空战战术体系中。

超音速机动要求飞机的超音速阻力低,结构强度高,但受到飞机结构材料和工艺限制,超音速机动对机翼设计的影响最大。四代机的机翼面积大,但外露机翼面积比例则相对要小,展弦比也要尽可能小以强化结构。ATF采用了前、后缘掠角较大的碟形翼,米格1.44则是大后掠三角翼,T-50采用宽阔的升力机身和低外露比例的碟形翼,都是为在超音速机动中尽可能增加机翼的结构强度。F-35虽然并不要求很强的超音速机动性,但为满足超音速飞行和机动性要求,陆基型仍限制了机翼展长,并采用整体翼身以强化展向结构强度。F-35舰载型改用加大翼展的机翼后,就直接限制了在不同速度时的可用过载。

F-22利用有超音速段低阻力优势的气动布局,先进结构和材料支持的较高结构强度,两台剩余推力很大的推比10级发动机,获得在M1.5速度时进行6g机动过载的能力。按照世界战斗机发展的现有条件,F-22A在目前仍然是超音速机动性能最好的战斗机,也最能体现超音速巡航与超音速机动的价值。


从左至右为:F-22、F-35A、F-35B、F-35C。F-35C加大了机翼尺寸,机翼结构强度有所下降



左为F-35C,右两架为F-35B,可看出其机翼和尾翼尺寸的差别





空空导弹攻击目标战斗机的导引方式,能够看出导弹瞄准的并不是目标本身,而是目标“即将”到达的位置。目标在进行直线运动时,导弹的飞行轨迹则带有较明显的角度变化


超音速巡航对超视距空战的价值

第三代战斗机的高速飞行性能并不差,但超音速飞行时受气动和结构限制,飞机的机动过载大都被限制在4g以内,飞行速度越大可用过载就越小。高速飞行带来的问题是飞行中姿态变化缓慢,“越快越笨”成为三代战斗机超音速机动的瓶颈。

现代机载对空导弹的过载值很高,半主动雷达制导中距导弹的综合过载在30g,换代主动雷达制导导弹的过载提高到30~40g。“米卡”、“德比”这些兼备近战要求型号的过载高达50g,与新型近距格斗弹的过载指标相当,“米卡”还拥有适应大离轴的推力矢量装置。

30g过载的导弹能攻击M0.9速度进行8g过载的目标,但这仅是最理想的条件。导弹在发动机工作完毕后,必须依靠惯性保持速度,用弹翼控制机动,大过载产生的高能量消耗将迅速削减导弹的能量。换句话说,导弹在惯性段虽然还有不错的机动过载,但往往只能进行一次有效的航线修正,不具备再次对目标进行修正的能力,必须按照导引规律选择最有利的飞行轨迹。现代导弹导引末段的飞行过程,就是通过对目标运动轨迹的测量和估算,使导弹与目标的预期飞行轨迹交叉,这个交叉点就是导弹的有效毁伤范围。通过这个描述就可以知道,想让命中交叉点出现必须满足两个要求,首先是导弹的机动性可满足末段机动需要,更重要的是目标活动范围必须在导弹运动范围内。

按照目前机载对空导弹的设计,导弹过载比目标高3倍就能满足机动空战要求,但考虑到导弹不可能完全工作在理想状态,必须为实际环境留出过载余量。空对空导弹的设计过载应该是典型目标最大过载的3倍加10g,也就是要想攻击正常条件下4g机动的目标,导弹命中前的跟踪阶段过载不能低于22g。目标的机动过载如增加到6g,则导弹要有接近30g的过载才有打中的机会。考虑到超视距空战时目标位置的误差,导弹最大过载在35g才能保证有效跟踪。

设定这些数据针对的是典型的M0.9速度的对向目标,当目标飞行速度增加到M1.4,并取较大夹角脱离时,同样过载的位移将增加近0.5倍,导弹修正瞄准误差需要增加过载,不可逃逸区的远界也将会随之明显削减。按照模拟数据估算,以AIM-7M和R-27为代表的三代雷达制导空弹,对三代战斗机的有效攻击距离(发射机飞行速度M1.2,发射高度10千米)均不超过30千米,进入格斗距离前几乎没有迎头补射的机会。

第四代战斗机设计要求不仅有超音速巡航能力,在超音速巡航状态下还有较高机动性。按照F-22在飞行速度M1.5时进行6g过载机动估算,三代雷达制导空弹在载机以M0.9速度发射时,对超音速巡航的机动目标难以构成攻击条件,即使载机发射导弹的速度增加到M1.4,除在迎头状态可获得不超过20千米接战距离外,同样不具备有效的侧向和后向攻击条件,只有载机的飞行速度提高到M1.8以上,才能对目标进行有限距离的全向攻击。

冷战末期的三代战斗机进行超视距空战时,在有利高度以M1.2速度进行迎头空战,ASPIDE(“阿斯派德”)导弹的发射距离在30千米左右,载机需要照射目标到距离10千米才可以脱离。作战目标挂载的如果是AIM-120或R-77这类四代弹,其雷达主动导引头的探测距离约15千米,即使发射距离相同也可以使载机在距离22千米外脱离。四代弹比三代弹的速度更快,存速更高,能够更早的到达与目标的接触点。按照数据估算的结果,挂载“阿斯派德”Mk1A或R-27的第三代战斗机,在进入脱离距离前对方就已经开始脱离机动。本机除非在对方导弹进入末制导前放弃照射引导,采取反导弹机动摆脱攻击威胁,否则就将比目标更早进入与导弹的接触点,被击中或被迫机动的本机均无法继续照射目标。根据理论分析的结果,使用半主动制导导弹的一方,机载雷达锁定、照射和导弹有效射程如果不能超过对方空战系统的40%,就无法保证迎头空战中的对等杀伤。等效模拟分析的结果也证明,米格-29M在换装R-77导弹后,超视距空战效能是挂载R-27导弹的17倍,也就是说使用R-27一方即使争取到先发射的先机,实战中仍然没有什么胜利的希望。按照现代高性能战斗机武器系统构成条件,主动弹相对半主动弹的实战对抗优势是完全倾斜的,很难通过技术手段弥补武器性能上的差距,三代半主动弹在对抗四代机时几无效用。

第四代战斗机标准配置是主动雷达制导中距弹,超视距空战是空战的主要形式,近距格斗只被作为应急作战方式,空战思想与三代机差异明显。四代机的超音速巡航飞行性能,首先就是可以为导弹提供更大的初速。按第三代战斗机的典型飞行性能估算,载机在9千米高度要飞行近10千米的距离,才能将发射导弹时的飞行速度从M0.9提高到M1.3,导弹飞行过程消耗的时间则相应减少约30%,能争取到的直线射程大致也是10千米左右。相比之下,具有超音速巡航性能的四代机免去了三代机飞行近10千米距离加速至超音速状态的过程。

显然,亚音速巡航战斗机在进入战区后加速,不仅要考虑到加力燃料消耗的影响,加速消耗的时间和飞行距离也影响战术措施,尤其是加速过程中对机动动作的限制,更容易使战斗机受到低信号特征敌机的突袭。

超音速巡航能够用比较低的燃料消耗,始终维持M1.4以上的稳定飞行速度,为超视距空战提供更好的基础条件。同样的,超音速巡航所压缩的对方导弹杀伤区,还会随着自身机动性能的提高进一步被削弱。按照理论数据分析,目标机如果具备超音速机动性能,有能力在M1.5时将过载从3.5g提高到6g,主动雷达制导导弹迎头攻击范围将缩小三分之二,如果目标机通过战术机动占据侧、后向位置,中距攻击的导弹几乎不具备有效攻击条件,即使不考虑低信号特征的隐蔽性优势,目视距离内的近战在理论上也将无可避免。


意大利“阿斯派德”Mk1A空空导弹



R-77空空导弹


“流星”空空导弹





左为满载的AIM-54空空导弹,右为AIM-120D空空导弹挂载在F-22上


超音速巡航与中距弹的对应发展

采用比例导引或其它先进导引规律的中距空弹,除近距离采用直瞄或尾追方式外,导弹要依据目标飞行方向和速度确定的预期位置,按照设定的虚拟碰撞点确定导弹发射角度。按照现有第三代战斗机的性能标准,目标机在M0.9速度摆脱后立刻加速,导弹在远界最低速度不能低于400米/秒,目标机的加速度越大导弹的远界越小,高速度时过载加大导弹的远界也会减少。

现代空战导弹使用参数的不可逃逸区,就是目标在理论上无论如何机动,都无法脱离导弹杀伤区的覆盖范围。不可逃逸区的基础是导弹的性能,但这个范围又是根据目标的性能动态变化,当目标的速度和机动出现大的变化时,不可逃逸的范围设定也会出现变化。

先进中距弹强调低阻以保持能量,但低阻翼面形成的控制力矩也小,尤其是在无动力惯性飞行阶段,气动控制效率不足会影响到导弹过载值,也会因为气动消耗的能量降低导弹性能,这些因素均使导弹对弹道设定有很高要求。

现代超视距对空导弹很强调远距离机动性,除了提高导弹气动和控制条件外,还要尽可能保持导弹的远程存速。增加远程存速的方法中,既有采用冲压动力(“流星”空空导弹)来增加动力段持续时间,也可以改善弹道(AIM-120D)来提高导弹远射能力,这两个改进措施在现阶段还是比较有效的。

现有带矢量推进系统的机载对空导弹都采用喷口矢量,目前还没有采用弹体横向发动机的型号装备。喷口矢量只有在导弹动力段才能发挥作用,无动力的惯性段只能依靠导弹自身气动面的效果。美国发展的多个换代机载对空导弹方案,普遍在弹体安装有横向修正发动机,通过脉冲点火的方式提供侧向控制力矩,使导弹能在机动中降低对气动控制面的要求,也就是在保证弹体升力和气动控制的前提下,在导弹惯性段仍然能进行主动的大角速度指向调整。喷管矢量无法在视距外的惯性段使用,横向推力不仅技术难度大,还需要在弹上增加专用横向动力段。即使是已经应用矢量控制手段的先进导弹,更好的维持导弹动力和惯性段速度,仍然是提高导弹有效射程的最有效措施。

现代导弹不可逃逸区的设定都有基本标准,四代主动雷达弹设计时针对的大都是三代战斗机。三代战斗机的机动性虽然出色,但其动力性能和气动设计条件,决定了其在飞行的大部分时候处于亚音速,超音速飞行时间受燃料的严格限制。四代机如果具备超音速巡航能力,在接近战区空域时就可以加速到超音速巡航阶段。如果目标采用超音速巡航飞行方式,确实有利于增加迎头攻击时的导弹射程,但从现代空战技术条件看,拥有超音速巡航能力的现代战斗机,都具备较强的电子侦察和警戒能力,也不会在战场上进行长时间的直线飞行,很难在超视距条件下隐蔽实现远程导弹攻击。按照正常的战术环境,双方战斗机均不会依靠自身雷达去跟踪目标。战斗机在获取预警机提供的目标信息后,双方都将在接近对方导弹效能区之前进行机动占位或反拦截机动,即便此时没有得到对手进攻的信息征候。利用突袭“打死靶”的可能性微乎其微。

现代机载对空导弹在确定导弹不可逃逸区范围时,大都以导弹发射后目标立刻机动反向摆脱为前提,远界则以导弹构成对目标直线尾追状态确定,这种状态的导弹直线不可逃逸区射程也最小。典型导弹的理论不可逃逸区是取直线,就是用导弹达到接触点的飞行距离,减去飞机转向摆脱的反向直线飞行距离后的数据。这个直线距离如果再代入目标的摆脱过载,就需要考虑到导弹机动时的阻力影响,不可逃逸区的直线距离将会随之缩小。目标在摆脱过程中的机动过载越大,导弹跟踪时需要的角速度越大,产生的过载和气动阻力就越大,导弹可攻击目标的距离相应就越小。

美国在伊拉克禁飞区巡逻作战的过程中,多次发射AIM-120攻击米格-25,而机动性不好,加速性却不错的米格-25仅靠转向加速脱离动作,就使AIM-120甚至AIM-54无法命中目标。米格-25并没有完善的电子告警装置,伊拉克飞行员就是通过判断与美国战斗机的距离,在进入AIM-120理论迎头杀伤范围后,迅速开始以高速度进行摆脱机动。美国战斗机如果还没有发射导弹,机动将会破坏导弹攻击的瞄准状态。美国战斗机如果已经发射了导弹,高速度的摆脱机动将使目标机脱离不可逃逸区,使发射时处于攻击有效状态的AIM-120失去攻击条件。米格-25属于速度突出但机动性有限的二代机,高速脱离动作仅是被动摆脱,但在海湾战争中面对挂载AIM-7的F-15时,米格-25多次用连续侧转机动突破中距杀伤区,对F-15保护的攻击机编队甚至是F-15防空编队进行袭击。米格-25在战争中仅能依靠速度的优势,四代战斗机在高速飞行时还有大过载能力,必然大幅削减敌方导弹可攻击的远界距离,还能将高速摆脱动作与进攻性机动综合起来,将防御手段转换为进攻性作战措施。

超音速巡航与超音速机动组合之后,战斗机规避导弹攻击的能力大幅增强,三代中距弹几乎失去了攻击的有效性,主动雷达制导的四代弹的杀伤范围也大幅缩小。超音速巡航与大过载机动相结合,极大压缩了侧、后向导弹杀伤区,高速接近并横向大过载机动的战斗机,又将增加对方导弹保持跟踪的角速度,恶化对方导弹气动控制面的转弯控制能力,在前半球相应距离使对方导弹面对跟不上的困境。

超音速巡航如果无法与超音速机动结合,仅能在摆脱中发挥速度快的特性,同时也将失去主动进攻的战术态势(如伊拉克禁飞区的米格-25)。超音速巡航与超音速机动结合后,战斗机将可使用进攻性更强的战术动作,在不脱离交战状态的同时摆脱导弹攻击。进攻飞机如果仅具备超音巡航能力,用更大的初始速度可以增加导弹的有效射程,但在面对超音速状态下进行高机动的目标时,虽然可以通过离轴射击保证发射窗口,但载机的机动性不足会增加导弹的负担,迫使导弹消耗自身能量弥补飞机指向偏差,同样会削弱导弹攻击目标的有效射程。由此可以明确说,超音速巡航与超音速机动是相互促进的作用,也是四代空中优势战斗机取得空战优势的基础,足以使其压倒这两项性能无法兼顾的同时代隐身战斗机。


F-15C编队发射AIM-7空空导弹

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