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三代戰(zhàn)斗機(jī)飛的并不慢,為什么說它不再是強(qiáng)調(diào)“高空高速”呢?

2022-04-01 16:43 作者:冰封之龍  | 我要投稿

我們知道,盛行于1955-1970年代的第二代噴氣戰(zhàn)斗機(jī),都特別講究“高空高速”能力,且不說專業(yè)截?fù)魴C(jī)米格25具備飛到30000米以上,3.0馬赫以上的“雙三”性能,在同一時代大量服役的二代機(jī)里,飛過2馬赫乃至2.2馬赫都是屢見不鮮。

幻影3戰(zhàn)斗機(jī)最大速度達(dá)到2.2馬赫
F-4鬼怪最大速度達(dá)到了2.3馬赫
最后誕生的二代機(jī)殲8-2最大速度也達(dá)到了2.2馬赫

隨著能量機(jī)動理論的發(fā)展,到了1970年代的三代機(jī)時,“高空高速”理論頓時被“跨音速能量機(jī)動”理論所取代,更加注重跨音速戰(zhàn)斗的三代機(jī)出現(xiàn)了。但是,雖然三代機(jī)不一定強(qiáng)調(diào)“高空高速”,但是很多著名三代機(jī)仍有不錯的高空高速能力。

F-15具備2.5馬赫飛行能力,是三代戰(zhàn)斗機(jī)除去米格31截?fù)魴C(jī)外飛行最快的
蘇27戰(zhàn)斗機(jī)雖然不以速度聞名,但是現(xiàn)實(shí)中蘇27最大速度仍然超過了2.3馬赫,是現(xiàn)實(shí)中中國殲20服役以前飛的最快的戰(zhàn)斗機(jī)
殲-10A戰(zhàn)斗機(jī)具備2.2馬赫飛行能力,是三代機(jī)中飛行速度較快的一款

那么,有意思的事情出現(xiàn)了:在部分三代機(jī)速度不比二代機(jī)慢的情況下,在公眾乃至設(shè)計師的心目中,三代機(jī)已經(jīng)不再是“高空高速”的設(shè)計了。這又是為什么呢?

高速和高機(jī)動性——理想與現(xiàn)實(shí)的技術(shù)矛盾

讓我們把時間撥回二戰(zhàn)時期。我們知道,二戰(zhàn)是人類航空技術(shù)發(fā)展最快的時間,在戰(zhàn)爭爆發(fā)之初,戰(zhàn)場上甚至還飛行著古老緩慢的雙翼機(jī);而到了戰(zhàn)爭結(jié)束的時候,具備萬米高空巡航的B-29,以及飛行速度逼近音速的me262都已經(jīng)躍居舞臺上方。因此在這個時代,圍繞著戰(zhàn)斗機(jī)空戰(zhàn)和攔截轟炸機(jī),大家都力爭讓飛機(jī)飛的越高越快,只有飛得更高,才能避開地面的高射炮火;只有飛的越快,轟炸機(jī)才能夠避免被戰(zhàn)斗機(jī)咬尾追擊,穿透敵方防空網(wǎng)。因此,在二戰(zhàn)中戰(zhàn)斗機(jī)與其說是主要面對戰(zhàn)斗機(jī)之間的空戰(zhàn),更不如說是圍繞著轟炸機(jī)的攔截和護(hù)航展開的。當(dāng)著名的B-29轟炸機(jī)出現(xiàn)后,其巨大的機(jī)身,強(qiáng)悍的火力,極高的航速和極高的飛行高度,頓時成為了絕大多數(shù)戰(zhàn)斗機(jī)的“嘆息之壁”,只有極少數(shù)的戰(zhàn)斗機(jī)能夠飛的比它還高,并在萬米高空追上它的速度,并在規(guī)避它遙控機(jī)炮的強(qiáng)大炮火后將其擊落。

B-29是真正意義上的第一代戰(zhàn)略轟炸機(jī),它的出現(xiàn)徹底改變了戰(zhàn)場上轟炸機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)的力量對比

因此,為了抗衡如此強(qiáng)大的戰(zhàn)略轟炸機(jī),二戰(zhàn)后第一代到第二代噴氣式戰(zhàn)斗機(jī),都在進(jìn)攻轟炸機(jī)上下足了功夫。

米格15是第一款在實(shí)戰(zhàn)中擊敗了B-29的戰(zhàn)斗機(jī)

1950年,朝鮮戰(zhàn)爭爆發(fā)。在開戰(zhàn)之初的第一年,由于志愿軍和朝鮮人民軍缺乏對空火力和戰(zhàn)場制空權(quán),美國飛機(jī)肆意在朝鮮上空飛行,給地面推進(jìn)的志愿軍造成了極大麻煩,尤其是對于后勤線路的破壞使得志愿軍難以長距離突擊聯(lián)合國軍占領(lǐng)區(qū)。不過,1951年隨著斯大林政策轉(zhuǎn)向,蘇聯(lián)移交大批米格15噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)給中朝空軍,并秘密部署蘇聯(lián)空軍支援朝鮮半島的戰(zhàn)斗,從而建立起著名的“米格走廊”。在1951年10月,美軍再次以B-29轟炸朝鮮北部軍事設(shè)施時,便遭到了中朝蘇噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的有效攔截:10月23日,美軍29架B-29在200架F-80.F-84和F-86護(hù)航下襲擊朝鮮野戰(zhàn)機(jī)場,遭遇150架米格15的有效攔截,307中隊的9架B-29遭遇攔截,其中4架被當(dāng)場擊落,2架負(fù)重傷返回后報廢,另一架負(fù)重傷返航,而美軍僅擊落3架戰(zhàn)斗機(jī);在之后的幾天里,美軍又付出了多架B-29被擊落和重創(chuàng)的代價,此后放棄了使用轟炸機(jī)攻擊朝鮮縱深目標(biāo)的戰(zhàn)術(shù),并在之后戰(zhàn)爭只有當(dāng)敵方?jīng)]有制空權(quán)時才敢出動轟炸機(jī)。從此,噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的出現(xiàn)使得戰(zhàn)局的天平開始向戰(zhàn)斗機(jī)傾斜。

由于噴氣式飛機(jī)超過了原有的轟炸機(jī)的飛行性能,美蘇在朝鮮戰(zhàn)爭之前就已經(jīng)開始預(yù)研超音速噴氣式轟炸機(jī)。朝鮮戰(zhàn)爭后,美蘇先后服役了第一代噴氣式超音速轟炸機(jī)B-58和TU-22。他們都具備2馬赫的飛行能力,這個飛行速度當(dāng)時超過了絕大多數(shù)的第一代戰(zhàn)斗機(jī)和早期的第二代戰(zhàn)斗機(jī)(如米格-19、殲-6、F-100、F-102等),同時因?yàn)闄C(jī)關(guān)炮在超音速環(huán)境對射性能并不理想,使得美蘇雙方也不約而同的將飛得更快而且能夠發(fā)射導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗機(jī)視為發(fā)展的重中之重。

B-58轟炸機(jī)
圖-22轟炸機(jī)
蘇-9截?fù)魴C(jī),是蘇聯(lián)最早能夠飛過2馬赫并使用雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈的截?fù)魴C(jī)

在飛過2馬赫的戰(zhàn)斗機(jī)和專職截?fù)魴C(jī)服役后,美蘇又進(jìn)一步拔高了轟炸機(jī)的指標(biāo):飛過30000米,飛過3.0馬赫,也就是最經(jīng)典的“雙三”概念。但是這一次不同尋?!捎陔p三指標(biāo)已經(jīng)逼近人類科技極限,使得北美航空一開始開發(fā)XB-70轟炸機(jī)時就遇上了前所未有的各項阻力,成本高度攀升。而隨著洲際彈道導(dǎo)彈和戰(zhàn)略核潛艇的服役,三馬赫的轟炸機(jī)的性價比頓時暴跌,美軍開始認(rèn)為花費(fèi)上百億開發(fā)一款只能有限進(jìn)行核威懾的雙三轟炸機(jī)并不劃算。因此,XB-70被轉(zhuǎn)入預(yù)研,并在一次致命的墜毀事故后放棄。而雙三的截?fù)魴C(jī)開發(fā)反而是提前XB-70了很多,1965年蘇聯(lián)米格25截?fù)魴C(jī)服役,從此轟炸機(jī)再也不能跑的比截?fù)魴C(jī)更快更高了,從那之后,轟炸機(jī)就徹底放棄了傳統(tǒng)的高空高速路線。

XB-70重轟炸機(jī)因?yàn)槿狈π詢r比和難度過高而被放棄
米格25是罕有的獵手比獵物誕生更早的案例,由于美國不再生產(chǎn)XB-70,米格25的對手僅剩下SR-71黑鳥偵察機(jī),同時米格25自身也長期扮演偵察機(jī)的角色,創(chuàng)造了罕見的“偵查-截?fù)魴C(jī)”二合一的現(xiàn)象

所以,在轟炸機(jī)不再考慮“高空高速”之后,戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展中心便迎來了巨變:以往的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)都在考慮攔截敵方轟炸機(jī),但轟炸機(jī)無法跑過戰(zhàn)斗機(jī)和防空導(dǎo)彈之后,戰(zhàn)斗機(jī)就開始思考新的對手——對面的戰(zhàn)斗機(jī)。從那以后,戰(zhàn)斗機(jī)才開始真正為了徹底壓制敵方戰(zhàn)斗機(jī)而設(shè)計,而就在此時,用于衡量戰(zhàn)斗機(jī)各個時點(diǎn)的飛行性能的理論——能量機(jī)動理論誕生了。

能量機(jī)動理論是著名的美國戰(zhàn)斗機(jī)飛行員、戰(zhàn)術(shù)理論和戰(zhàn)略大師約翰·博依德提出來的。他在總結(jié)朝鮮戰(zhàn)爭和越南戰(zhàn)爭的戰(zhàn)斗機(jī)間空戰(zhàn)案例后,將戰(zhàn)斗機(jī)間機(jī)動能力對抗以一個簡明扼要的理論表現(xiàn)出來——戰(zhàn)斗機(jī)的單位剩余功率(specific excess power,SEP)=(推力-阻力)*速度/重量,即在飛行包線里任何一點(diǎn),SEP 較高的一方占優(yōu)。SEP其絕對值恰好等于相應(yīng)高度的飛機(jī)爬升率。也就是說,在其他性能保持一致情況下,推重比越高,飛機(jī)機(jī)身阻力越低,飛機(jī)作戰(zhàn)重量越輕的戰(zhàn)斗機(jī),在空戰(zhàn)格斗時越能夠取得空中優(yōu)勢地位。從此之后,以戰(zhàn)斗機(jī)間戰(zhàn)斗為主設(shè)計的飛機(jī),便拋棄了二代機(jī)時代盲目追求大推力、高速度的飛機(jī)設(shè)計,轉(zhuǎn)而以優(yōu)化飛機(jī)SEP為主要目標(biāo)。

雖然SEP的道理很容易讓人理解,但是真正落實(shí)到設(shè)計制造卻很麻煩,其中最重要的因素還是該死的材料學(xué)發(fā)展速度追不上人的理論發(fā)展速度。同時,就算是材料能夠頂住高G機(jī)動,作為有人駕駛飛機(jī)還得考慮到飛行員的承受水平。一般來說,普通的飛行員通過考核后很容易達(dá)到5G左右的飛行能力;在經(jīng)過嚴(yán)格科學(xué)的訓(xùn)練后,達(dá)到高級飛行員./試飛員乃至航天員水平的飛行員,就能夠抵抗9G乃至于10G左右的瞬時過載。最后,根據(jù)離心力公式F=M*V^2/R可知,在飛機(jī)和飛行員承受的過載一定情況下,飛機(jī)飛的越快,恒定的G值的回轉(zhuǎn)半徑會越來越大,飛機(jī)的操作也更加不靈活。在這樣的現(xiàn)實(shí)條件下,飛行工程師只好作出取舍——暫不考慮“高空高速”下滿足高G機(jī)動,而盡可能在目前材料學(xué)和人體極限下,實(shí)現(xiàn)最有利于格斗狀態(tài)的飛機(jī)設(shè)計,即努力在亞音速段提升轉(zhuǎn)向角速度(即低速瞬盤),并讓飛機(jī)在0.8-1.3馬赫的跨音速段實(shí)現(xiàn)良好的穩(wěn)定盤旋而不掉速度的能力(即跨音速段穩(wěn)盤)。這樣下來,在戰(zhàn)斗機(jī)格斗最為頻繁的亞音速至1.5馬赫階段時,飛機(jī)都可以滿足在機(jī)身和人體所能夠承受的情況下,達(dá)到飛機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)的最好性能。

F-16和米格29的瞬時/穩(wěn)定盤旋速度對比,可以發(fā)現(xiàn)由于9G極限,瞬時盤旋速度在0.6-1.2馬赫實(shí)際上是一樣的。而F-16由于飛控集成了攻角限制器,導(dǎo)致可用攻角不得高于25度,所以實(shí)際瞬時轉(zhuǎn)彎速度要低于可用攻角更大的米格29,但由于F-16在15度攻角即可達(dá)到最快轉(zhuǎn)彎速度,而米格29卻需要26度攻角才可實(shí)現(xiàn)最快轉(zhuǎn)彎速度,實(shí)際上米格29在完成機(jī)動后損失速度更多,反而不利下一輪攻勢。F-16也可解除攻角限制器,達(dá)到35度攻角,不過此時有可能發(fā)生失速風(fēng)險
臺風(fēng)作為一款使用鴨翼的三代戰(zhàn)斗機(jī),以出色的低速瞬時機(jī)動性著稱,在機(jī)炮和格斗導(dǎo)彈交戰(zhàn)中會取得不錯的優(yōu)勢。但是在穩(wěn)定盤旋能力上,臺風(fēng)并不比米格29來的出色。

除了飛機(jī)和人體極限外,第三代戰(zhàn)斗機(jī)不再過分強(qiáng)調(diào)飛行速度和飛行高度還有一個原因:導(dǎo)彈空戰(zhàn)成為主流。

我們知道,雖然二代機(jī)時代就開始通過布置雷達(dá)和雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈,來實(shí)現(xiàn)對敵方轟炸機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)的超視距打擊能力,但是由于早期雷達(dá)性能低劣,無法分辨雜波和目標(biāo),F(xiàn)-4鬼怪理論上優(yōu)秀的中距離戰(zhàn)斗優(yōu)勢往往被不具備中距戰(zhàn)斗能力的MIG 21以近戰(zhàn)格斗抵消。直到1980年代,隨著新式半導(dǎo)體技術(shù)的運(yùn)用,雷達(dá)濾波能力、敵我識別能力、搜索跟蹤差分工作能力和多目標(biāo)跟蹤能力都大幅度提高后,使用雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈擊中敵人才成為常見的事情。在此背景下,戰(zhàn)斗機(jī)主要的作戰(zhàn)武器從機(jī)身自帶的航炮轉(zhuǎn)為了機(jī)翼外掛點(diǎn)的導(dǎo)彈,攜帶導(dǎo)彈數(shù)量成為了BVR(超視距空戰(zhàn))的強(qiáng)弱標(biāo)志。但是,戰(zhàn)機(jī)使用外掛點(diǎn)掛載導(dǎo)彈必然要增大飛行阻力,尤其是對于輕型和中型戰(zhàn)斗機(jī)來說,由于掛載導(dǎo)彈后整體浸潤面積比起不掛導(dǎo)彈有大幅提高,使得飛行阻力急劇增加,飛行速度會明細(xì)小于最大速度。舉例來說,F(xiàn)-16在不掛導(dǎo)彈情況下最大速度可達(dá)2馬赫,但是掛載對空戰(zhàn)斗彈藥和延長航程的副油箱后,就無法達(dá)到最大限速飛行。

F-16這樣的輕中型戰(zhàn)斗機(jī)實(shí)戰(zhàn)中為了延長航程通常需要外掛副油箱,同時機(jī)身總面積較小,外掛大型空對空/空對地導(dǎo)彈后阻力明顯大幅增加,最大速度難以達(dá)到設(shè)計最大速度
重型飛機(jī)機(jī)身很大,加掛導(dǎo)彈后總體面積增幅不如輕型飛機(jī)明顯,所以外掛同樣數(shù)目導(dǎo)彈時,蘇27和F-15飛行速度下降幅度要低于F-16和殲-10這樣的輕中型飛機(jī)

所以在三代機(jī)時代,由于不再需要面對高空高速的戰(zhàn)斗機(jī),同時面對戰(zhàn)斗機(jī)格斗所必須要的機(jī)動性和掛載武器的需求,戰(zhàn)斗機(jī)僅僅追求無掛載情況下的最大速度已經(jīng)毫無意義,這才是三代機(jī)雖然飛的速度快,但并不一定強(qiáng)調(diào)二代機(jī)的“高空高速”的實(shí)際原因。

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