珠海航展的最强音

文/行 健   2016-12-16 16:32:26

最强飞机——歼-20

本届航展,中国第四代战斗机歼-20短短2分钟的双机亮相,引发中国乃至世界关注。目前世界上研制装备第四代战斗机的国家只有美、中、俄三国。中国借由第四代战斗机的研制,弯道超车,一举超过欧洲、日本,与俄罗斯并驾齐驱。

一些80后、90后的朋友可能对中国航空工业原来的落后状态没有直观感觉,因此不太能体会目前成果的来之不易。想当年,在新中国建立之前的民国时期,中国的航空工业只有修修补补,自研机种少之又少,即使研制出来也根本没有批量生产。反观当时亚洲最先进的工业化国家日本,三菱、中岛、爱知、川崎等多家飞机公司竞争。二战期间,日本共有飞机制造厂13家,工人总数45万人,另有发动机制造厂工人25万人,合计70万航空产业工人,1942年年产量达到巅峰的18 000架。而一个国民党的统计说,抗日战争以前,中国共有飞机600架,其中战斗机只有305架,八年抗战期间中国一共进口外国飞机2 351架。

新中国成立后,中国用60亿斤小米从苏联换回成套设备,建立起了自己的航空工业,虽然初期都是仿制苏联机型和发动机,但毕竟形成了批生产能力。以歼-6飞机为例,一共生产了5 200余架。而且,新中国的航空工业,一上来就基本绕过了活塞发动机,直接进入喷气时代。

◎就在歼-20亮相航展之际,美国波音公司示威式地公布了最新六代机想像图,既无平尾,也无垂尾和腹鳍当然,步子迈的太大,多少有些基础不牢固。经常有人开玩笑,说中国可能连二战时期P-51“野马”飞机以及它的发动机都做不出来。这种论调有些过,但也不能说毫无道理。当然,即使用今天先进的加工机床做出来,可靠性、寿命、匹配度也真的不一定达到当年“野马”的性能。说回歼-20,它的气动布局是双垂尾鸭翼布局,主机翼和鸭翼之间有边条过渡,进气道为DSI无附面层隔板设计。从纯隐身角度考虑,国内外专家一致意见是,如F-22那样的常规布局要好于鸭式布局。因为隐身严格说是飞机各个投影面都需要隐身,但最优先考虑的是飞机正前方。因此,前置的鸭翼多少会影响隐身,而常规布局没有前鸭翼,但后部有水平尾翼,多少也会有影响,但不如鸭翼大。其实,严格说来,飞机从机体伸出的翼面越少,隐身效果就越好。飞翼布局整体前视,就可以认为是一个平面,没有垂尾、没有腹鳍,当然也没有鸭翼。而在珠海航展期间,美国示威式的公布的最新六代机想像图,就是没有任何垂尾和平尾的布局。当然,翼面越少,操控越难,所以比拼的是气动设计、如何利用襟副翼操控飞机、操控软件的编写以及发动机推力矢量控制。

俄媒经常说歼-20的气动外形模仿了米格-1.44验证机,笔者并不认可。成都飞机设计研究所早在上世纪七十年代就设计了鸭式布局两侧进气道的歼-9战斗机,远早于米高扬设计局,之后又有鸭式布局、机腹进气的歼-10。21世纪初曝光的米格-1.44除了是第一种双垂尾鸭式布局外没什么特色,机腹进气道也有抄袭“台风”战斗机的意味。至于成飞设计歼-20,双发重型机采用双垂尾顺理成章,之前的歼-10也是双腹鳍,因此双垂尾双腹鳍也可认为是之前设计的延续,不能算抄袭。

曾有外媒评论认为,歼-20的设计初衷,并不是要完全在隐身方面与F-22并驾齐驱,但只要超过F-35即可。F-35的隐身能力不如F-22,尾部发动机喷口只是简单的锯齿状处理。从空军司令员马晓天对歼-20的夸赞来看,相信歼-20的隐身试验已经获得了较好的成绩,这个成绩也许是综合优化,例如外形设计、内部结构微细设计、制造材料、涂料涂层、电子等等的整体匹配达成的。考虑到今后亚太地区,日本、韩国、新加坡、澳大利亚,也许更远的将来还可能有印度、中国台湾加入F-35的对华包围网,那么歼-20以超越F-35为主要目标是现实可行的。

再说到歼-20能否达到F-22的“4S”能力,即超级隐身、超音速巡航、超机动、超视距作战。很多评论认为,在没有大推重比发动机和矢量推力喷管的前提下,歼-20无法达成超音速巡航和超机动。笔者认为这些还是要和F-35比才是合适的。F-35目前也无法完成超音速巡航和超机动,说明该机的发动机在不开加力的情况下,整机推重比不够,此外该机发动机没有推力矢量喷口,机体超重,在对抗演习中,其机头转向速度甚至不如加挂副油箱的双座F-16,令美国舆论哗然。而且,这只是F-35A型,也就是空军空优型,海军的B、C型,一个是垂直起降型、一个是弹射型,重量更大,机动性更差。当然,洛马公司急忙出来解释,说F-35的整机隐身能力、电子搜索对抗能力很强,把这些能力都用上,还是会大幅压制三代机。真要是这样,歼-20也可以用这样的理由。而且,歼-20由于没有一机三型的牵绊,从目前的展示来看,即使不换新发动机,其机动能力也绝不会在F-35以下。◎F-22战斗机座舱

◎先进军机航电概念座舱,为侧杆操纵并有宽大的显示屏所谓超音速巡航指的是飞机在发动机不开加力时,长时间保持在超音速飞行,这个能力,中俄目前都无法达到。俄罗斯在试飞苏-35S时,飞机曾在发动机无加力最大推力时以略微超过音速的速度飞行,此时飞机无外挂,机内油肯定也不是很多。苏-35S使用的117S发动机是俄罗斯目前还算成熟的最先进发动机,性能超过中国国产的成熟发动机,而且还是理想的轻载状态下,都无法达成真正的超音速巡航,可见F-22那样长时间无加力飞1.8倍音速,需要发动机和机体设计制造的强大功力。这个功力,连欧洲以英国罗罗公司为主体研制的EJ200发动机都无法轻易达到。

很多评论都在猜测现阶段歼-20的发动机是否为国产,笔者认为国产的可能性不大,除非中国真的在自己仿制改进AL-31F发动机。因为涡扇-10“太行”发动机的尾喷口与AL-31F区别很大,而且真要用国产发动机,这款发动机也必须在其它飞机上先经过严格试验才能装到歼-20上,不可能出现在试验型号飞机上装试验型号发动机的事情,那样太冒险,除非是战时赶进度。“太行”发动机尾喷口较短、发亮,AL-31F尾喷口较长,颜色深还有发蓝色泽。那么,“太行”会不会只改进尾喷口呢?如果真要只改进尾喷口,也不是想像那么简单,因为细微的性能肯定会有改变,一样要做综合试验才能定型。

结合展馆内中国先进军机座舱模拟器来看,歼-20的座舱应该与其相似,就是一块横置长方形大屏幕液晶显示器,配合侧驾驶杆。液晶显示器可以从中间分为两部分,以显示不同的内容。仪表似乎也是全液晶显示,笔者倒是觉得应该保留一些基础的机械模拟式传统仪表,例如地平仪,以备应急使用。侧驾驶杆最早见于美国的F-16战斗机,后来的法国“阵风”战斗机也是用这个设计,目前已经推广到很多民航客机上。早年飞机没有电传飞控时,操作比较费力,飞行员有时甚至是双手拉杆推杆。自从有了电传操纵,操纵杆只是传出一个电信号,然后由电脑操纵翼面转动进而控制飞机,操纵杆活动量大小、力度反馈等都是模拟的,可以自由调节,操纵起来很省力,用一只手操作也没任何问题,还可以把飞行员整个前方空出来,便于安置显示器、观察等。俄罗斯目前还没有侧杆驾驶的战斗机,歼-20如使用这个设计,应该是继美、法之后世界第三个国家。

之前有俄媒酸劲十足的评论歼-20,说该机是集合几种飞机的设计,身躯太大,机身过长,隐身性不好等等。笔者恰恰认为歼-20是在成飞结合自身几十年发展鸭式布局战斗机的基础上,结合当今世界一些最前沿设计,例如DSI进气道等完成的有自身特色的设计。而且像DSI也不是照猫画虎就能抄出来的,需要做大量试验,而且还有在“枭龙”战机上实际应用的经验。而T-50反倒可以看做是在保留苏-27某些影子的基础上,大肆抄袭F-22的设计。其实俄国战机一贯抄袭美国,以至于很多飞机都被西方调侃冠以“XX斯基”,例如苏-27叫“F-15斯基”,图-160叫“B-1斯基”等,这些飞机虽然在美国飞机之后出来,性能有一定改进甚至超越,但多少都有美国原准飞机的影子在里面。

◎鸭式布局歼-9Ⅵ方案提出时,世界上还没有鸭式布局战斗机批量生产。显示中国对鸭式布局的探索远早于俄罗斯

◎21世纪初公开的米格1.44方案,双垂尾和双腹鳍都不算是独创

◎中国的歼-8、歼-10、歼-20翼展相对机身长都较短,可能是军方追求高速导致至于飞机机身显得较长,翼展相对较短,笔者认为可能是中国空军还是比较强调速度,因此成飞的飞机机翼前缘后掠角较大,还是有高速三角翼飞机的影子,如歼-10。包括“枭龙”那样的边条翼设计,仔细看翼展似乎都不是很大。一些分析认为机身长则飞机比较稳定,但机动性不足。但加上前置鸭翼配合电传操纵,则机头的快速指向性和盘旋半径指标会有很大改善。总之机身长和翼展之间有一个最优的选择。从一些报道看,例如歼-10和苏-27的演习对抗成绩,歼-10反倒占上风,说明至少鸭式布局配合电传操纵,再加上先进的航电火控,综合性能方面还是较强的。

最强设备——KJL-7A机载有源相控阵雷达

本届航展最令笔者惊艳的展品,就是中国电子科技集团南京第十四研究所展出的KJL-7A机载有源相控阵雷达。

一架战斗机上的什么部件最贵,如果以单一大部件来说,一个是发动机,一个就是火控雷达。外媒说俄罗斯卖给中国的AL-31FN涡扇发动机,用于歼-10,一台价格就是300万美元,合2 000万人民币。有外媒估计,中国空军采购歼-10的价格是每架1亿元人民币,发动机价格就占了五分之一。至于火控雷达,和一台俄制涡扇发动机的国际出口价是相当的。也就是说,一架先进战斗机价格的近一半,被发动机和雷达占去了。韩国出口T-50高级教练机,如果只买教练型的,价格是2 000万美元一架,美制F404涡扇发动机的价格就要占到600万美元。但要加装雷达,价格一下又多出几百万美元。

早期飞机没有机载雷达,要么靠地面雷达指挥,要么就是靠飞行员目视,当然那时候机载武器也很落后,主要就是机炮机枪,即使看得远,武器也打不到。后来机载雷达出现,配合空空导弹实现早期发现跟踪,主动攻击。

新中国成立后,中国战斗机机载火控雷达系统取得了巨大进步。初期当然就是以满足夜间国土防空作战需要,仿制和改进引进的苏联成品机载雷达。建国初期,我国随苏联米格-17和米格-19战斗机引进的机载雷达系统以圆锥扫描体制的脉冲搜索雷达为核心。受到雷达系统本身技术性能差和载机空间不足的限制,我国早期夜间战斗机用机载雷达存在有效作用距离短、抗干扰能力不强、低空探测效果差、可靠性不高和缺乏配套机载武器,不能满足我军执行国土防空作战的需求。夜间战斗机在拦截国民党军夜间低空侦察机的作战行动中的实际使用效果有限,在受到敌方飞机施放电子干扰和地面背景杂波影响下,甚至会出现了一定的误判。这一时期只是在一定程度上解决了我军战斗机机载火控雷达的有无问题。

国外机载雷达技术从上世纪六十年代初期开始进入迅速提高阶段。七十年代中期,当中国机载火控雷达还在努力突破小天线、低功率单脉冲雷达的技术瓶颈时,国外的机载火控雷达系统已经发展了几代。美国第三代战斗机已经基本上淘汰了单脉冲雷达,开始采用更加先进的平板缝隙天线和脉冲多普勒技术,苏联和欧洲国家的机载火控雷达也开始逐步向脉冲多普勒技术发展。中国机载雷达的发展则一度陷入停滞。歼-8战斗机在缺乏全天候火控雷达系统的情况下,只能被迫安装雷达测距器按照白天型战斗机的标准进行定型。

上世纪八十年代初期,中国准备与美国联合改装歼-8Ⅱ战斗机航空电子设备的“和平典范”工程,以及引进英国火控雷达系统改进歼-7、歼-8战斗机。歼-8Ⅱ计划引进在美国F-16战斗机AN/APG-66脉冲多普勒雷达系统基础上改进而来的先进多功能脉冲多普勒雷达,而与引进的AN/APG-66雷达配套的半主动雷达制导中距空空导弹更是第一次赋予了中国战斗机中距离空战的能力。但“和平典范”工程的提前终止使中国并没有得到先进机载火控雷达系统制造技术,不过同期与俄罗斯关系改善并重新开展军事交流。中国多个机载雷达研究单位从九十年代初期开始就开发出了多个达到装机试验标准的脉冲多普勒雷达原理样机,中国的机载火控雷达的整体技术只用了短短的5年的时间,就实现了从低脉冲重复频率的单脉冲体制到全波形脉冲多普勒体制之间的技术跨越,并仅用十年的时间就将国产脉冲多普勒火控雷达由探索阶段发展到了全面应用阶段。

此后,我国的机载火控雷达已经基本上解决了带平板缝阵天线的脉冲多普勒雷达的设计和生产技术难题,开始向更加先进的全新体制火控雷达系统迈进。这里说的全新体制火控雷达是什么呢?就是有源相控阵雷达。

一般的雷达有发射机和接收机,有源相控阵雷达的天线犹如蜻蜓的复眼,很多个“复眼”集合在一起,每一个都相当于一个小雷达,有发射和接收功能,称T/R模块。如果提高一块天线中的T/R模块数量,再加上提高每个T/R模块的功率,那么整个雷达的功率就会大幅提高,功率提高了,探测距离就会更远。而普通的雷达,甚至无源相控阵雷达,只有一部发射机,想要提高探测距离就只能强化这一部发射机的功率,但这部发射机功率达到一定程度后,会发生电打火现象,增加故障率,缩短平均无故障时间。而有源相控阵雷达,即使有一些T/R模块发生故障,只要不是很多,雷达可照常工作,天线阵面也无需旋转。这就是有源相控阵雷达为什么探测距离远,故障率低,连续跟踪能力强,而且可以集成电子战能力的原因。

◎先进军机航电概念座舱,显示装载有源相控阵雷达日本的F-2战斗机装备三菱电机的J/APG-1有源相控阵雷达,号称世界第一种量产的采用有源相控阵雷达的战斗机,特别是其砷化镓制造的T/R模块引发关注。但美国为F-22战斗机研制的AN/APG-77有源相控阵雷达,无论T/R模块数量,还是每个T/R模块的功率都大幅超越了J/APG-1,还逐渐降低了单价。目前,有源相控阵雷达已经成为美军四代机F-22和F-35的标配,一些老式三代机,如F-15/16/18等也在逐步改进成有源相控阵雷达。美国最新为台湾升级的F-16V战斗机,就装备了运用大量F-35的APG-81技术的有源相控阵雷达。

中国现阶段到底有没有机载有源相控阵雷达?如果有,到底是什么水平?这些谜题一直在广大军迷心中萦绕。四代机必须装有源相控阵雷达,而媒体从未公布过中国购买俄罗斯的有源相控阵雷达,那么中国只能是自己研制。

◎中国电科KJL-7A机载有源相控阵雷达小巧紧凑,性能强悍

◎2014年珠海航展展出的俄罗斯“甲虫-AE”有源相控阵雷达

◎“甲虫-AE”有源相控阵雷达可装备米格-35,图为其庞大的伺服系统答案终于揭晓,中国电子科技集团南京第十四研究所展出的KJL-7A机载有源相控阵雷达,虽然是用于“枭龙”战机的改进,但知微见著,从他身上可以一窥中国在此领域的发展。

笔者目测KJL-7A机载有源相控阵雷达的天线外径,只有约600~700毫米,恰好中小型战斗机机头雷达罩后的空间可以容纳。后部伺服机器的体积也不大。从大屏幕介绍得知,该雷达性能齐全,主要特点有:探测距离远、高精度、多模式、多目标,优良抗干扰性能。其工作模式多达11种,分别是:跟踪加搜索,单/多目标跟踪,近战格斗,实波束地图,多普勒波束锐化,合成孔径成像,地面动目标检测和跟踪,海面目标搜索与跟踪,气象模式,导弹制导及多目标攻击模式,多目标交替等其它模式。

据工作人员介绍,该雷达探测距离170千米,内含1 000多个T/R模块,性能优良,且包括T/R模块在内全部为国产。笔者听闻,甚感欣慰和骄傲。为什么,且看下面。

瑞典“鹰狮”战斗机的改进型JAS-39E验证机在近6年时间里一直在有条不紊地承担着各项改进措施的飞行测试,新一代“鹰狮”要想在21世纪具备更加强大的优势,尽快打造一双“火眼金睛”迫在眉睫,这是获得用户青睐的关键所在。

早在2006年5月,萨伯公司为了加强雷达和传感器的研发能力,收购了爱立信微波系统公司,更名为萨伯微波系统公司,目的在于进一步推动NORA计划向前发展。这项计划是研制一种PS-05/A Mk5 NORA雷达,NORA的意思是“不仅只是雷达”,反映出该雷达还能够执行其它任务。例如进行无源电子侦察和有源电子干扰。同时,这种雷达还增强了空对地功能,包括先进的合成孔径模式和对地面/海上目标的跟踪。2007年9月,瑞典萨伯微波系统公司临时采用了美国雷锡恩公司生产的大约1 000个T/R模块,制造了一个有源相控阵雷达天线测试台,安装在一架C-130运输机内,首次实施了飞行测试,证明了有源相控阵雷达提供了比单脉冲系统更好的旁瓣抑制。然而,由于NORA计划在T/R模块技术上一直未能取得突破性进展,萨伯公司只好寻求国际合作。

2007年9月,萨伯微波系统公司与法国的泰莱斯公司达成合作协议。后者负责研制适合于“鹰狮”雷达罩内部空间的天线阵列。遗憾的是,日益激烈的战斗机市场竞争导致这次合作不欢而散。泰莱斯公司的大股东达索飞机公司不愿看到性能提升的“鹰狮”成为“阵风”的强劲对手。无奈,泰莱斯公司只承诺将继续完成验证合同,但不再为有可能投入生产的“下一代鹰狮”提供有源相控阵雷达。万般无奈之下,萨伯公司只好另辟蹊径,最终决定与意大利塞莱克斯电子系统公司展开合作。

以上文字节选自本刊曾经的一篇文章。瑞典,作为一个老牌北欧发达工业化国家,他的第一辆沃尔沃卡车出现时,中国人连铁钉都做不好呢。上世纪五十年代,连美国人都惊叹于哥德堡住宅里自动化的家电和拧开龙头就有的热水。萨博的“鹰狮”战斗机当年号称世界第一种第四代战斗机,机上的PS-05/ A多工作模态脉冲多普勒雷达就是由爱立信公司研制,号称功能三倍于当时瑞典战斗机雷达。爱立信作为该国电子的龙头企业,其手机、基站设备当年曾横扫全球。小米手机去年在印度就遭到该公司关于手机专利的诉讼。然而,就是这样一家发达国家的老牌企业,做不出机载有源相控阵雷达的T/R模块,他求助于美国、法国,最后都因竞争关系而被放了鸽子。

中国做到了,全国产化而且性能很好。根据展商透露的数据,在针对雷达反射面积为5平方米的“典型目标”(一般指F-16大小的战斗机)时,KLJ-7A雷达在空空模式下的探测距离上要比原型提升了65%。如果拿目前主流的轻型战斗机雷达,例如以色列的EL/M-2032雷达进行比较,KLJ-7A雷达在探测同类目标的距离上要大70%;而和瑞典PS-05/A雷达比较时,KLJ-7A的探测距离也要远40%以上。

我们无从得知KLJ-7A雷达上的每个T/R模块的功率、总功率等,但这些指标已经够了。重型战斗机的雷达罩后部空间一般可以容纳直径一米,即1 000毫米左右的天线,这样一来,重型机的雷达天线面积比小型机(以直径700毫米算)大一倍左右,意味着T/R模块数量或总功率也会多一倍,探测距离、总功率可以概略计算为提高一倍。那么,为歼-20研制的有源相控阵雷达的探测距离,对典型目标可能达到300千米以上。这个指标放眼世界也是名列前茅。

中国的先进战斗机工业体系,目前万事俱备,可能只差高性能发动机了,加油!

◎美国诺格公司以AN/APG-80雷达为原型为F-16研制的新型有源相控阵雷达样机,曾经在试验机上实现了在9秒钟内探测到多达19个空中目标。目前,台湾F-16V就装备AN/APG-83雷达

◎美国三代机也在密集改装有源相控阵雷达,图为用于改装F-15的APG-63 V3

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