拨云见闪美国F35A机动与近距空战能力.docx
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拨云见闪美国F35A机动与近距空战能力
F—35A作为替代多种型号的新一代先进多用途战斗机，从诞生之日起其’性能便日趋受人关注。
由于空军型F—35A要配合数量不足的F—22承担一定的空中优势作战任务．也呈美国众多盟国所倚仗的未来空优主力。
因此，其空战飞行性能一直备受关注，也是争议的焦点之一。
已经生产的F—35A包括AA和AF两种型别：
AA为最初生产型：
AF为进行重量优化之后、与量产型结构相同的F—35A。
由于目前AF的资料甚少．以下的分析中如不加特殊说明，均指AA。
关于F—35A机动性能的各种说法
目前关于F—35A机动飞行性能的评论中，有正面也有负面，说法也在不断更新，笔者将其总结如下：
先说负面评论。
在F-35A的重量优化改型AF—I-AF—4试飞之后这类说法日渐减少，基本销声匿迹。
之前比较著名的有：
美国军事评论家Winslow Wheeler和F—16概念之父PierreSprey认为F-35“是一只狗”，他们指出空军型F—35的正常起飞重量高达22吨，推重比明显小于1，翼载也偏高；澳大利亚军事网站编辑CarloKopp同样认为F-35动力不足而自重过大：
美国《航空周刊》撰文称，虽然F-35A初始加速性非常高，但在高马赫数区其阻力过大且加速性下降明显。
虽然当时F—35的全加力和超音速试飞并未完全展开，所达到的性能（如240-3构型的稳定盘旋和加速性）不能反映其最高水平，但《航空周刊》仍未雨绸缪地担忧了一把。
正面评论同样不少。
F—35AA—1号试验机试飞时发现其发动机推力超过预期，为了控制速度在允许范围之内而加大爬升角。
即便如此，负责追踪观测的F—16仍需不时打开加力才能跟上F—35AA—1。
在另一次测试中，F—35AA—1内载1枚JDAM制导炸弹和2枚AIM-120空空导弹，总负载超过2000公斤。
但空载的观测机同样需要不时打开加力才能完成追踪观测。
自从重量优化的F-35AF—I-AF-4试飞后，其更好的能量特性越来越多地展示出来。
多次起飞后无需打开加力就能做出近似于垂直的大角度爬升。
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其他关于F—35飞行性能的正面报道有：
根据JSF项目办公室给出的盘旋性能对比，F—35胜过了现役的F—16和F/A—18。
F—35B的试飞结果表明其能量机动特性比F／A—18更加优越，因此，更轻的F—35A有更好的表现并不足为奇。
而针对先前模拟空战的谣言，美国兰德公司公布了F—35与苏霍伊、“台风”战机的空战模拟结果。
最终．F—35以较大的交换比优势战胜了对手。
从上面的总结我们可以看到，对F—35A的机动飞行性能的负面评论来自非官方猜测，而正面评论多来自试飞结果和F35项目办公室。
即使是负面评论，也集中在几个方面：
全机推重比、高马赫数的加速性能和超音速性能等，而没有包括亚音速性能和转弯能力。
换句话说，这些只是局部而非整体的否定。
目前，媒体习惯性的以局部负面评论来评论整体，这样做是否合理有待商榷。
比如，是否可以从F—35A超音速加速性的缺点出发．得出其亚音速加速亦不足的结论?
或者更进一步，得出转弯性能不足的结论?
而这些外界猜测的“不足”究竟有几分实几分虚?
笔者将会在下文中分析。
先从最基本的重量分布开始，为读者揭示一个真正的F—35A。
基本空、使用空重与空战重量
F-35A各分系统的重量分布并不是秘密，但因为细节过于枯燥而常被有意无意地忽略：
F—35A的官方空重数据到13300公斤（29300磅），很多机构与军事爱好者将其作为基本空重，直接加入燃油、飞行员和武器重量就得出推重比不足的结论，但实际如何呢／见表1）?
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从表1看，显然29300磅是使用空重。
如果仅计算基本空重，即前2项．仅有27824磅（12624公斤）。
F—35AA—1的设备重量基本维持了与前一代同级战斗机相当的水平，动力系统相对于其推力而言有所减轻，但由于采用了内置弹仓设计，其结构重量有明显提高（约2吨）。
注意，以上为F-35AA-I的预计重量。
从实测值来看，即使没有AF那样的重量优化，AA结构加设备的总重量还是比预计值有数十公斤的减轻、各部分的具体减轻程度可参看F-35年度简报，笔者在此不一一列出。
总的来说，以F-35A的尺寸，和类似的第三代战斗机如米格-29相比，12600公斤左右的基本空重确实不算多。
F-35A重量介于米格-29M（也称米格-33）和米格-29K之间（米格-29M的设计基本空重为11600公斤，实际值未知），机长略短，翼面积略大。
作为拥有内置弹仓且较高机内燃油空间的型号，能够将重量保持在这个程度已实属不易。
内置弹仓导致的结构重量的增加，须由推进系统的减重和增推来弥补， 中、美、俄第四代战斗机的发展过程均遵循着这个基本原则。
气动外形的得失
目前关于F—35气动外形的评论中，唯一批判性的是高马赫数阻力较高。
除此以外，再也找不到任何负面评论。
原因很简单，F—35采用的是一种亚音速升阻特性极佳但超音速偏弱的气动外形。
重建F-35的气动外形模型并进行气动特性分析是国内外航空院校的热门课题。
南京航空航天大学航空宇航学院曾以基于草图跟踪的三视图标定技术，重建了F—35的外形网格模型，使用NACA64A-204翼型。
其在不考虑机动襟翼变弯和机翼前后缘修形的情况下，模拟了F-35的亚／超音速升阻特性。
无独有偶，法国SUPAERO和ISPA等工程学院都曾有过F—35模型的计算流体力学算例，但使用的是NACA64A—206翼型并考虑了襟翼的偏度优化。
这些模拟计算的结果显示：
F—35亚音速最大升阻比达到约14，超过了包括F／A-1R和苏—27在内的几乎所有三代机：
而在低超音速范围内最大升阻比约4.5，与常规三代机持平，但逊于“幻影”2000等。
法方的模拟由于加入了前缘机动襟翼的偏度优化，其亚音速机动升阻特性类似于F—16、苏—27等三代机。
如果允许前后缘襟翼同时变弯（F-22即采用了这样的控制率），甚至还略有过之。
F—35在设计过程中不要求具有超音速巡航性能，所配备的F135发动机较高的涵道比使其更适合亚音速飞行，设计要求的最大马赫数也不高。
因此，F—35的气动设计可谓有的放矢。
以F—35A为例，使用前缘后掠角仅35度的中等展弦比梯形翼，后缘前掠进一步减小了有效后掠角，1／4弦线后掠角仅23．4’，而其展弦比又是新一代隐身战斗机中最大的（2．68）。
尾撑又赋予了平尾较长的力臂，配平阻力更小。
其使用了类似于F—22的三段绕和边条，在高攻角t>20‘）时诱导出比常规边条更强的涡升力，综合了以上特性的F-35，具有优异的亚音速升阻特性并不让人惊奇。
当然，这是以牺牲一定的超音速性能为代价的。
F—35这样做，很大程度上是因为考虑到一旦与三代机遭遇发生自卫空战，仍然是以亚音速机动为主。
毕竟几乎所有的三代机都有着相当不错的机动性能。
而更高威胁，如超音速机动能力更强的目标并不是F—35的作战对象。
因此，F—35相对较弱的超音速飞行性能在遂行其主要作战任务（近距离空中支援／防空压制／自卫空战）时不会导致明显的作战效能下降。
我们知道， 目前世界各国的先进战斗机通常采用常规布局或鸭翼+三角翼布局。
常规布局因为平尾亚音速配平载荷较轻，且主翼不受下洗效应，机动需用攻角较小，亚音速升阻特性较优。
鸭翼+三角翼布局因超音速配平方向和三角翼自身的特性，超音速升阻特性较优。
但这是非常“学院化”的结论。
常规布局的杰出代表如F-22因为使用TVC（推力矢量）直接配平，无需平尾产生额外配平阻力的缘故，在超音速升阻特性上反而有超越鸭翼+三角翼布局的趋势。
F-35目前虽然没有在飞行中使用TVC的能力，但不排除在以后的发展中加入已经验证成熟的AVEN推力矢量喷管的可能。
在这里再纠正一个误区。
有的读者认为过于追求亚音速升阻特性的常规布局，换句话说就是稳定盘旋性能较优的布局，瞬时盘旋性能很可能存在缺陷，一个经常被提起的例子就是F—16。
但F—16是较为特殊的个案，原因是其攻角限制不同于其他机型，非常复杂且严格通常三代机的攻角限制是空速的函数，低马赫数时允许使用较高的攻角限制，高马赫数时较低。
F-16受制于高攻角稳定性的缺陷，其攻角上限是过载的函数。
具体来说，过载越高，则攻角限制越严。
虽然纸面上其攻角上限是25.5‘，不逊于其他三代机，但这是1g平飞中才允许使用的。
随着过载增大，允许攻角上限递减，9g机动中的攻角上限只有15‘。
接近这个数值时，飞控计算机会强制飞机“低头”以阻止攻角进一步增大。
考虑到气流分离之前升力与攻角呈近似线性关系，这样做无疑会浪费其优越的亚音速升力特性。
F-16虽然能量机动出色，但受攻角限制造成的升力浪费，瞬时盘旋性能一般，某些三代机型号，如“幻影”2000C和歼-10A等海平面瞬盘可以达到30’／秒，但这是以28-29度攻角达成的。
相比之下，F—16C以15‘攻角达成25-26‘／秒的瞬盘已经实属不易，从一个侧面证实了其气动布局极高的升力斜线率。
如果“幻影-2000也使用15‘攻角限制，那么其瞬盘性能可能就不那么出色了。
我们也可以想象，如果F-16系列能够克服其在高攻角稳定性方面的缺陷，毫无顾忌地使用25’攻角上限，其瞬盘性能也大有潜力可挖。
F—16的这个问题在F-35身上不存在。
F—35不会用自己15‘攻角的瞬盘去比拼对手30’攻角的瞬盘。
F—35的瞬盘表现如何，将会在下文分析。
亚音速升阻特性较佳的一个额外好处是巡航效率较高。
值得注意的是，不同飞机之间的航程、作战半径等数据并不能直接拿来比较，因为飞行剖面（飞行高度与耗油率密切相关）、余油等参数不一定是统一的。
而不同作战任务的飞机作战剖面（如在战区盘旋圈数）相差更大。
一般来说，偏重于对地攻击的机型吃亏可能多些。
比如，F／A—18E在最佳巡航高度每磅燃料可飞行0.14海里，如果起飞后立即爬升到该高度并维持，其机内燃油航程会相当可观。
但实际上，F／A—18E的官方数据中机内燃油航程只有约2000公里。
相比之下，俄系设计局倾向于使用最理想的航程性能作为广告数据。
例如，米高扬官网上米格—29A的内油航程高达1500公里，与F-16C的1600公里十分接近。
但保加利亚和东德的空战模拟演习表明，F-16C总能表现出明显更高的燃料利用率。
每当米格-29A因燃料不足而提前返场时，F-16C还能留下大量燃料，实际上．这就是载油系数的差距导致的，米格-29A在自重比F-16C高出27％的情况下，为了在空战中维持和对手相近的SEP（单位重量剩余功率），也需要比F—16C高出约同样百分比的推力，导致约同样百分比的耗油率增加，因而为了相同的留空时间，所需燃料也高出约同样百分比。
发动机推力：
40000磅?
43000磅?
这里笔者注意到一个有趣的现象：
F135的生产商普拉特•惠特尼（以下简称普惠）关于该型发动机的推力说法从2007年开始确定为43000磅（19500公斤其台架数值更高些，下文详述），与先前的“40000磅级”并不矛盾。
无论是普惠提供的F135的FACTSHEET还是官网上对F135的性能介绍，43000磅都标注得十分清楚。
但奇怪的是，很多科普刊物对此视而不见，关于F—35的性能分析仍以40000磅推力为准，并以此轻松得出其推力不足的结论。
笔者估计有如下两条原因：
第一，国内并没有“推力级”这个说法的习惯。
换句话说，国内在翻译外 文资料时，习惯将“40000lbsclass”中的那个“class"省略掉。
类似的事情出现在F119的推力上。
国内长期将"35000lbsclass"当成“35000lbsexact"。
2007年2月，F-22作战评估报告中F119的推力是39000磅，与先前的35000磅级并不矛盾，但习惯成自然，国内仍然继续沿用35000磅。
第二，从2001年到2007年，F135推力“178千牛”（40000磅）的说法已经对读者耳濡目染了7年之久。
而2007年才改过来的43000磅已经难以撼动这个先入为主、根深蒂固的印象。
当然还有一种可能，就是为了迎合主流受众的喜好，尽量压低F—35的性能而有意为之。
希望笔者的怀疑是多余的。
需要指出的是，F135的“最大推力43000磅，悬停推力39400磅”实际上是设计性能的最低指标。
也就是说，实际性能只会比这个更高。
例如2010年8月F—35B进行悬停试车时，悬停推力已经达到了41200磅，明显超过了设计指标。
台架平飞推力更是超过43000磅标准的20％，达到50000磅级。
当然，为了更长的使用寿命和留有一定程度的发展余量，笔者认为首批生产的F—35仍会使用43000磅，毕竟其较弱的超音速飞行性能不是单纯增加推力就能提高的。
载油量的误区
和空重一样，这同样是一个老生常谈的问题。
得益于较高的亚音速巡航升阻比和F135较低的单位油耗，F—35A在载油系数（油重／总重／与其他三代机相当时，如果统一飞行剖面，其留空时间将会略优于其他三代机，或至少是不相上下。
问题就来了：
F-35的内部载油量超过8吨，载油系数明显超过了包括苏—27（内设超载油箱）在内的各种三代机。
如果按照常规的“机内半油”计算空战推重比，F-35相当于在自己留空时间远超过对手的情况下进行不公平的比较。
举个比较极端例子，如果改装一架飞机，其余性能不变，仅仅缩小其内载油箱容积。
那么在纸面上，该机的推重比无疑会明显提高，但这真的能反映出飞机性能的增长吗?
亦或，扩大其内载油箱容积，我们是不是也能得出其机动性下降的结论呢?
这便是“50％内载燃料”不合理之处，统一留空时间或许是更合理的标准。
同样受高载油系数困扰的苏—27SK（内油量高达9400公斤，导致满油起飞时推重比明显小于1）对此的解决办法是，空战时使用满油5200公斤、半油2600公斤作为载油标准。
这样一来载油系数不仅不高于其他三代机，甚至还低些。
这种做法在一定程度上拉近了苏—27和老对手（几种欧美三代机）的推重比差距，但也导致其在这种情形下的留空时间，尤其是考虑加力空战的情况下会比对手更早耗尽燃料。
为了统一标准，我们不妨全部采用苏—27SK的载油系数标准，这样几个机型的留空时间可以近似相等。
在轻载空战状态下（只携带2枚近距格斗空空导弹），只需空重/油重为常数，即可保证载油系数基本相当。
换句话说，载油量须与空重呈正比。
苏—27SK这一比值为16800／5200=3．23，相应的，F-35A空战满油标准应取3908公斤（8614磅）较合适，相应的半油为1954公斤。
在下文中还要加入与F-16Cblock50的对比，其满油标准为2662公斤，相应的半油标准为1331公斤。
如果飞行员及其装备共重100公斤，空战武器为2枚近距格斗空空导弹（R—73E或AIM—9M），空重取基本空重12624公斤（F-35AA—1），16800公斤（苏—27SK） 和8600公斤（F，16Cblock50），不难得到此时三者的半油空战重量为19720公斤（苏-27SK）、14852公斤（F-35AA-1）和10205公斤（F-16Cblock50）。
以台架推力除之，三者的空战推重比基本处于同一水平。
以上并没有考虑发动机安装推力随速度的变化，故仅作参考。
目前，关于战斗机机动性与敏捷性的对比通常要结合多种性能参数（如稳盘，瞬盘、横滚、加速和爬升等）综合考虑，比单纯考虑某一性能有更好的说服力。
较为通用的标准是空战周期（CCT）。
战斗机要经过横滚、转弯180’调头（伴随着能量损失）、横滚恢复和加速恢复初始速度等4个主要过程。
第1和第3项强调高横滚敏捷性，第2项强调高瞬盘性能和低能量损失率，第4项强调加速能力。
在某高度上，F—16C、苏—27SK和两种高性能三代机型号对比见表2。
F—16C和苏—27SK在总时间一项表现较为抢眼。
F—35AA—1总体机动性／敏捷性将优于F—16C（项目指标要求），因此也没有理由输给苏-27SK。
F—35的主要空战对手——苏30等在原苏—27基本型的基础上机动性又有一定程度的下降（使用了推力矢量技术的苏-30MKI除外，但其常规机动性仍折损较大）：
F—35A的量产型AF比重量优化之前的AA又有一定程度的减轻，因此．F-35A在近距空战尤其是常规机动作战中理应可以从容应付对手：
当然这样做的前提是F—35A不会携带让自己留空时间远高于对手的燃料。
实际情况可能是：
F-35A投弹之后尚需较长时间返航，而敌方拦截机只需很小的留空时间完成截击任务。
但F-35A 会充分利用其隐身技术避免被发现，在视距外击落对手。
已知性能
通常认为，美军有较明显的体系优势，即使F—35机动性差一些也没关系，仅达到二代机的标准也无所谓。
做不到高标准严要求，F—35的实际机动性就不 可能好到哪里去。
这种想法有一定的代表性，而且和我们的文化积累是一致的。
俗话说“穷人的孩子早当家”，那么相应的，富人的孩子就得自甘堕落。
但这是建立在穷人的立场上的，也是穷人乐于看到的事实。
与其是说“认为”，不如说是“期望”。
富人立场可能更倾向于“龙生龙凤生凤”。
自1903年飞机诞生以来，在航空工业方面，美国与其他国家相比一直扮演着富人的角色，这是不争的事实。
那么，从一个中国军迷的角度出发，当然希望F—35作为富人的“纨绔子弟”，在空战性能方面“不思进取”，沉溺于“运泥巴的活”（mudmover，美军对对地攻击的戏称），一旦与对手空优机短兵相接．必被斩于马下。
笔者上小学时，对美军的所谓“多用途战机”的理解确实停留在这个层面。
正如前清时期官员认为吃惯精细肉食的西洋蛮夷人士吃本朝粮食，若没有茶叶通肠胃，必会梗阻而亡。
但现实情况却颇为残酷。
F-4E多用途重型战斗机在携带空战载荷时，对专精防空作战的米格-21比斯仍然具备大多数空战性能的压倒性优势。
技术上的领先使美国人能够同时追求空战和对地攻击能力的双重优势。
洛克希德•马丁公司似乎不愿意让F—35成为游手好闲的“富二代”，因为空军对其近距离格斗性能有十分明确且苛刻的要求，即在机动空战中面对高性能空中威胁且对手携带有大离轴角头盔显示与瞄准系统时，必须具有交换比优势。
为此，F—35必须具备高攻角性能和灵敏的机头指向能力。
F—35的一个较早型号240-3曾展示了内载2枚AIMl20空空导弹，在4527米以185．2米／秒空速的情况下完成过载为9s转弯的能力。
根据“角速度x线速度’向心加速度”的算式，不难求得此时的转弯率为26．5‘／秒。
我们知道，三代机中某些瞬时盘旋性能拔尖的型号如“幻影”2000，在海平面可以达到30‘／秒。
随着高度增加，因空气密度下降导致动压下降，在4572米高度其瞬盘明显小于这个数值，只有22．4‘／秒，已经不如F-35A。
由此可以想象，F-35A的海平面瞬时盘旋能力必将十分优异，而明显优于“幻影”2000的推重比使它的能量补充也十分迅速。
这一条件的前提是空战需在亚音速进行，否则较高的跨音速阻力可能会削弱其能量优势。
不过，《航空周刊》仍对F—35A的性能提出担忧，毕竟其假想的作战对象携带有大离轴角导弹，足以逆转盘旋能力的些许优势。
为了确保交换比占据上风，F-35使用了“分布式合成孔径系统”（DistributedApertureSystem，DAS），以获得凌驾于通常头盔瞄准与显示系统之上的离轴侦测与发射能力。
DAS系统的核心部件位于机腹，6个红外传感器位于机头和机背。
无论昼、夜还是复杂气象，DAS系统都能提供高精度高灵敏度的空中／地面目标定位，而其特殊的分布方式又能保证飞机周围无死角的球状探测覆盖。
DAS系统的确切作用距离还是未知数，目前可以确认的是该系统能够在90公里外探测并跟踪F-16。
DAS系统在空战中主要提供两项功能：
首先是动态敌我识别。
近程空战导致传统的敌我识别难以进行，飞行员眼前频繁飞过多架战机，它们可能转瞬即逝，甚至外形相似，因而难于区分敌我但DAS系统可以实时追踪周围战机,即使与飞行员失去目视接触也能继续定位并将结果投射在飞行员头盔上。
其次，DAS与初步具备发射后锁定能力的第四代近距格斗导弹（如AIM—9X、AIM—132）联合，可以有效对付机身侧面乃至后面的目标。
即使是身后的目标，由DAS锁定之后发射导弹，导弹也能够转向180’攻击之。
应该说，这项技术旨在提供一种比头盔瞄准与显示系统更快捷可靠的离轴锁定目标的近距格斗方式，相比于苏联／俄罗斯时代的类似技术有较明显的进步。
因为它充分利用了格斗导弹性能的发展，无需将导弹预先反方向放置于发射架上，并在导弹发动机喷口处盖上一个锥形整流罩，发射后导弹也无需等待速度降为0才能让发动机点火。
其存在的缺陷也很明显：
导弹转向180‘后已经消耗了一部分燃料，有效射程不如向前射出的导弹。
因此，当F—35进入尾后敌机射程，而敌机处于180‘转向后的导弹射程之外时，这项技术难以发挥作用。
但是，这种情形不会出现在盘旋空战中，此时高机动性战斗机的盘旋半径已经缩小到几百米。
如果F-35与敌机陷入盘旋空战，那么双方都会处于一个半径数百米的圆形空间中。
即使目标机位于F—35的后半球，其距离也必然小于这个半径的两倍，因而也必然处于即使经过剧烈转向的格斗导弹的攻击范围内（考虑到新一代近程格斗导弹的有效射程相对于上一代普遍有所提高）。
若想利用DAS该功能的缺陷，需要满足如下条件：
不进入盘旋空战，而是保持直线飞行：
在F-35毫无察觉的情况下，从尾后逼近之。
换句话说，这需要一种本身就有一定隐身性能（红外隐身性能尤其好）的先进战机，且具有较高的探测F—35这类低可探测性目标能力。
这种战机是否是F-35的作战对象姑且不论，有希望与F-35作战且又装备有这种战机的国家是否存在呢?
结语
通过上面的分析，我们已经形成了对F-35A（AA—1）的一些大致印象：
1.气动设计重点强调了亚音速升阻特性和续航性能；
2.跨/超音速阻力特性有一定牺牲：
3.基本空重与同规格第三代战斗机持平或略高（基本空重比米格-29M和米格—29SMT高8％）：
4.空机推重比（推力／空重）优于大多数第三代战斗机（台架推力比米格-29M高15．3％， 比米格-29SMT高17．4％）；
5.机内载油系数显著高于所有第三代战斗机：
6.生产型AF会进一步减轻重量：
7.瞬时指向能力优异：
8.亚音速加速能力优异：
9.拥有凌驾于头盔瞄准-显示系统之上的大离轴角攻击方式，可有效攻击后半球目标。
综上所述，F-35A是一种气动设计和推重比水平均优于或相当于米格-29M的战斗机。
而米格-29系列获得的评价通常是“双发高机动性制空战斗机”，那么，我们应该如何评价F-35A呢?
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