東瀛魔翼

日本“心神”驗證機(jī)到真正五代機(jī)的距離有多遠(yuǎn)

近日，日本高調(diào)公開了其最新一代驗證機(jī)“心神”的照片和視頻資料，其中不乏一些頗有價值的內(nèi)容。雖然現(xiàn)在的“心神”距離真正的五代機(jī)仍然很遙遠(yuǎn)，但作為驗證機(jī)，它所揭示的發(fā)展?jié)摿θ匀恢档梦覀兠芮嘘P(guān)注。

研發(fā)定位

尺寸和噸位一直是影響戰(zhàn)斗機(jī)造價的關(guān)鍵因素之一。按照一般規(guī)律來說，戰(zhàn)斗機(jī)越小，其結(jié)構(gòu)制造費用也越低；更輕的重量可以讓戰(zhàn)斗機(jī)選用推力更小、價格更低的發(fā)動機(jī)，而且耗油率上的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢會在批量裝備以后的使用中體現(xiàn)得極為明顯。這也是第二、三代戰(zhàn)斗機(jī)中都不乏空重控制在6～7噸內(nèi)的輕型飛機(jī)的原因所在。

但是，過小的尺寸噸位也會對飛機(jī)的作戰(zhàn)性能帶來很大的負(fù)面影響：飛機(jī)沒有足夠的機(jī)身內(nèi)部空間裝載燃油和電子設(shè)備，掛載的武器重量和數(shù)量也有嚴(yán)格限制。尤其是對于第五代戰(zhàn)斗機(jī)來說，“輕型五代”這一概念實際上不可能存在，因為在工程技術(shù)上已經(jīng)無法做到。無論是隱身性能的雷達(dá)反射特征控制要求，還是強(qiáng)化超音速飛行持續(xù)能力的低阻力要求，都迫使五代機(jī)必須采用彈倉內(nèi)置武器設(shè)計。如果飛機(jī)沒有足夠大的尺寸和噸位，根本無法在機(jī)身內(nèi)安排出足以容納多枚空空導(dǎo)彈、精確制導(dǎo)炸彈的空間用于設(shè)計彈倉。在某國對于新一代戰(zhàn)斗機(jī)的探索研究過程中，設(shè)計人員曾經(jīng)對低成本型五代機(jī)的噸位尺寸控制做過較為深入的研究。方案迭代的結(jié)果顯示，10噸空重已經(jīng)是五代機(jī)的下限；這個數(shù)字是在飛機(jī)采用重量最小的無尾三角翼布局，放棄超機(jī)動能力和損失一部分短距起降能力后才得到的結(jié)果。

對于日本的戰(zhàn)斗機(jī)研發(fā)來說，它的作戰(zhàn)環(huán)境和假想目標(biāo)都非常明確，就是在東海、日本海上空與俄羅斯、中國的戰(zhàn)斗機(jī)交戰(zhàn)，并具備打擊上海等中國東部沿海地區(qū)、俄羅斯遠(yuǎn)東邊界地區(qū)的能力。這種背景要求下，日本新一代戰(zhàn)斗機(jī)在執(zhí)行對地攻擊任務(wù)時，作戰(zhàn)半徑至少要達(dá)到800千米以上。從“心神”來看，日本新一代戰(zhàn)斗機(jī)采用了常規(guī)布局設(shè)計。由于多出一對平尾和飛機(jī)長度要更大等因素，其重量比無尾三角翼布局要高不少。即使是考慮到日本領(lǐng)先世界的材料工藝，可以通過高比例的先進(jìn)復(fù)合材料大幅度減輕結(jié)構(gòu)重量，其空重至少也要接近12噸才能滿足要求。但是根據(jù)現(xiàn)有信息，“心神”樣機(jī)的起飛重量也不過8噸左右，空重甚至不到6噸，顯然與此標(biāo)準(zhǔn)相差極大。筆者認(rèn)為，“心神”樣機(jī)尺寸特別大、明顯屬于雙座設(shè)計的座艙蓋，是解釋這一矛盾的關(guān)鍵所在。

和單座飛機(jī)相比，雙座飛機(jī)會在性能上出現(xiàn)很明顯的損失：飛機(jī)不僅需要付出很大的重量代價來安裝多出的彈射座椅、儀表臺、更大面積的座艙蓋等設(shè)備，還損失了相當(dāng)可觀的原本用于裝載燃油的機(jī)內(nèi)空間。事實上，隨著航電系統(tǒng)的高度綜合化、自動化，1名飛行員就足以駕駛戰(zhàn)機(jī)執(zhí)行復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)，這也是美國、中國、俄羅斯現(xiàn)有五代機(jī)均無雙座設(shè)計的根本原因?！靶纳瘛睒訖C(jī)采用雙座設(shè)計，噸位尺寸又特別小，這就只有一種解釋：現(xiàn)階段的“心神”既是承擔(dān)氣動外形/飛行控制系統(tǒng)試飛任務(wù)的驗證機(jī)，同時也是日本新一代教練機(jī)的原型機(jī)。這實際上是一種很聰明的策略，進(jìn)可攻退可守。無論將來政治局勢對“心神”項目如何影響，日本都不會徹底荒廢掉這一項目的投資和技術(shù)成果。

在順利的情況下，“心神”樣機(jī)試飛完成后，會進(jìn)一步投入全尺寸戰(zhàn)斗機(jī)型的研制。事實上。這就是照抄F-35戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展經(jīng)驗——最早的X-35驗證機(jī)噸位和尺寸都比今天的F-35小很多，而且同樣沒有內(nèi)置彈倉。如果我們僅以現(xiàn)在的樣機(jī)來評斷日本“心神”的未來水平，那么就和用X-35來評斷F-35的作戰(zhàn)性能沒有兩樣了。即使是項目發(fā)展不順，日本也會將現(xiàn)有的“心神”樣機(jī)稍加修改——比如去除矢量推力結(jié)構(gòu)后投入批量生產(chǎn)，作為新一代高級教練機(jī)使用。

氣動布局

日本在“心神”上采用常規(guī)布局設(shè)計和F-2戰(zhàn)斗機(jī)有很直接的關(guān)系。F-2戰(zhàn)斗機(jī)是三菱公司與洛克希德·馬丁公司合作研制的產(chǎn)品，實際上就是在美國提供F-16設(shè)計技術(shù)的支持下，日本半仿半研而成的放大改進(jìn)型號。在F-2的研制過程中，三菱公司掌握了常規(guī)布局三代機(jī)的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)，比如邊條翼的渦流增升設(shè)計、電傳控制技術(shù)，為今天的“心神”驗證機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

“心神”在氣動布局的總體設(shè)計上接近F-22，但是在機(jī)翼與尾翼的核心設(shè)計上卻截然不同。F-22采用棱型平面機(jī)翼設(shè)計，機(jī)翼的后緣帶有很大的前掠角度；這不僅使機(jī)翼獲得了更好的強(qiáng)度和剛度特性，而且機(jī)翼與機(jī)身的連接長度大大增加了，機(jī)翼受力能夠更多更均勻地分擔(dān)給機(jī)身。在機(jī)翼大幅加長以后，為了避免平尾向后超過噴管太多，引起重量的大幅度增加，設(shè)計人員將機(jī)翼的襟翼內(nèi)側(cè)切除了一個缺口，使平尾的前端正好切入進(jìn)來。

切入式平尾設(shè)計使F-22不僅避免了嚴(yán)重超重的窘境，而且緊湊的外形也為側(cè)向隱身和減低整體阻力帶來了非常優(yōu)越的性能改善。但這一設(shè)計也存在嚴(yán)重的弊端：經(jīng)過前機(jī)身和機(jī)翼的氣流對平尾的干擾特別嚴(yán)重，這使F-22在俯仰控制時的非線性問題特別嚴(yán)重，并引起了一連串的問題，包括墜機(jī)。后來F-22電傳飛控軟件經(jīng)歷過反復(fù)多次更新，與此關(guān)系極大。

俄羅斯T-50在機(jī)翼、平尾的設(shè)計上很大程度參照了F-22，其優(yōu)缺點都大體類似。所不同處在于，由于在氣動研究和飛行控制領(lǐng)域上差距較大，俄羅斯人需要額外在進(jìn)氣道前沿設(shè)置可動邊條，以便對渦流升力進(jìn)行主動控制，從而有效削弱俯仰控制的非線性問題，保證飛行安全。

“心神”選擇梯形機(jī)翼，縮短了機(jī)翼根部的長度；這樣可以在飛機(jī)長度不增加的情況下，保證平尾與機(jī)翼之間不直接干涉。雖然這種設(shè)計是典型的三代機(jī)水平，而且對于機(jī)翼的結(jié)構(gòu)特性和整機(jī)壽命沒有什么貢獻(xiàn)，但是大幅度減小了飛行控制上的風(fēng)險，應(yīng)該說是一種比較務(wù)實的做法。此外，在進(jìn)氣道設(shè)計上，日本此次公布的視頻中采用了模糊處理。此前“心神”全尺寸模型上采用的加萊特進(jìn)氣道已經(jīng)公開過，并無保密必要，因此本次樣機(jī)采用了DSI無附面層隔道設(shè)計的可能性很大。這種進(jìn)氣道現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛使用，除了重量優(yōu)勢特別明顯外，在隱身上也優(yōu)于F-22和F/A-18E/F的加萊特進(jìn)氣道；雖然進(jìn)氣道上下邊沿與機(jī)身側(cè)面的夾角會形成反射特征點，但這與加萊特那種附面層隔道形成的深腔效應(yīng)反射相比簡直不值一提。不過，日本現(xiàn)階段對DSI進(jìn)氣道的優(yōu)化能力到底如何，目前只能存疑。endprint

在氣動布局的其他方面，“心神”做得較好：整體流線相當(dāng)簡潔、流暢自然，不僅在機(jī)身各平面的過渡上找不到處理不良的地方，而且在后機(jī)身的面積分布和收縮過渡上處理的也不錯。與其相比，“鶻鷹”的尾撐在機(jī)翼下方形成帶有強(qiáng)反射特征的直角棱邊凸起，不僅后機(jī)身面積過大，還需要設(shè)置尾錐來減弱尾噴管之間的干擾阻力。

從整體設(shè)計上來評價，“心神”現(xiàn)階段的氣動布局設(shè)計是比較合理的；雖無驚才絕艷的亮點，卻勝在沒有什么錯誤。如果“心神”在放大以后還能保持這種水平的話，它將具備較大的性能潛力；只要設(shè)計方優(yōu)化到位，在RCS、阻力、升力性能上都能做出不錯的表現(xiàn)。

飛控系統(tǒng)

從日本公布的采訪視頻來看，“心神”項目的論證過程中始終將超機(jī)動能力放在一個很重要的位置，這無疑會對其飛行控制系統(tǒng)提出很高的要求。

對于飛行控制系統(tǒng)的動力部分來說，飛機(jī)的大部分活動部件，比如水平尾翼、襟副翼、方向舵這些都需要液壓系統(tǒng)來進(jìn)行驅(qū)動；液壓系統(tǒng)的功率越大，舵面偏轉(zhuǎn)的速度也就越快，飛機(jī)反應(yīng)便越敏捷，越適合超機(jī)動飛行。比如F-22的液壓系統(tǒng)總功率達(dá)到560千瓦，是F-15的兩倍。而根據(jù)某國《2008—2009年航空科學(xué)技術(shù)學(xué)科發(fā)展報告》中公開的研究進(jìn)展和性能指標(biāo)進(jìn)行推測，“威龍”的液壓系統(tǒng)總功率應(yīng)該在600千瓦左右。

在功率指標(biāo)越來越高的情況下，為了減小液壓系統(tǒng)的體積和重量，對于第五代戰(zhàn)斗機(jī)來說，液壓系統(tǒng)的工作壓力從210千克/平方厘米提升到280千克/平方厘米已經(jīng)是通行的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)-22、“威龍”、T-50的液壓系統(tǒng)都是采用這個標(biāo)準(zhǔn)作為恒定工作壓力。日本作為傳統(tǒng)的液壓強(qiáng)國，泵、閥、密封件等關(guān)鍵環(huán)節(jié)上一向技術(shù)先進(jìn)，要做到這點不存在任何難度。

實際上，因為設(shè)計時間的差異，五代機(jī)的技術(shù)并不一定就全面比所有的三代機(jī)先進(jìn)。比如F/A-18E/F液壓系統(tǒng)采用的就是210～350千克/平方厘米的可變壓力工作體制，一般飛行情況下使用低壓，而進(jìn)行高機(jī)動飛行時自動轉(zhuǎn)換到最大壓力?！靶纳瘛钡囊簤合到y(tǒng)是和目前五代機(jī)一樣采用28兆帕恒壓工作體制，還是采用35兆帕的智能變壓工作體制，還要等將來日方披露信息后才能知曉。

而對于負(fù)責(zé)信號傳輸處理的電傳部分來說，“心神”很有可能采用3～4余度數(shù)字電傳系統(tǒng)，無模擬電傳備份。這基于兩個原因：首先，現(xiàn)代數(shù)字電傳系統(tǒng)的可靠性已經(jīng)非常高，保留額外的備份系統(tǒng)沒有必要。其次，采用先進(jìn)氣動設(shè)計的現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)本身控制律就較為復(fù)雜，而且研制過程中反復(fù)修改調(diào)參更是無法避免的現(xiàn)象；要在軟、硬件修改無法分離的模擬電路中完成這些工作，技術(shù)難度非常高，無謂花費的人力、時間、財力代價都太大。

“心神”樣機(jī)從一開始就具備矢量推力系統(tǒng)，日本官方宣傳視頻中也刻意強(qiáng)調(diào)了超機(jī)動飛行能力。通過這兩點分析，“心神”的電傳功能肯定會包括建立在飛行控制系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)交聯(lián)基礎(chǔ)上的過失速區(qū)域控制能力?？紤]到某國目前受限于發(fā)動機(jī)問題，“威龍”尚未使用矢量推力發(fā)動機(jī)，日本甚至有可能在一些關(guān)鍵技術(shù)上比該國更早開始試飛探索。

在F-22和JAS-39的時代，由于設(shè)計手段和設(shè)計人員的思維習(xí)慣、技能傳統(tǒng)所限，飛機(jī)控制律編寫都是在傳統(tǒng)的單回路設(shè)計方法上展開的。其設(shè)計難度大，而且效果越來越不能滿足先進(jìn)氣動設(shè)計飛機(jī)進(jìn)行復(fù)雜機(jī)動飛行的需要。日本在數(shù)學(xué)和自動控制理論領(lǐng)域一向有非常高的水平，“心神”在控制律設(shè)計中應(yīng)用新的多變量控制理論，對飛控進(jìn)行系統(tǒng)化的多變量、多回路綜合處理將會是必然選擇。

但是，電傳飛控的特殊之處在于，控制律軟件其實本質(zhì)上就是設(shè)計單位將飛機(jī)氣動設(shè)計以數(shù)學(xué)形式展現(xiàn)出來，即所謂的飛控氣動一體。但是，現(xiàn)階段氣動水平研究仍然非常有限，對于過于復(fù)雜的流場（比如過失速下機(jī)翼氣流分離后的狀態(tài)）無法進(jìn)行模擬計算，這一方面只能依靠風(fēng)洞試驗和實際試飛的反復(fù)經(jīng)驗積累來指導(dǎo)氣動、飛控的設(shè)計修改。因此，就算在先進(jìn)設(shè)計方法、工具上日本并不欠缺，甚至在具體性能比“猛龍”等新型先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)所應(yīng)用的還要好一些，最終控制律的設(shè)計水平高低，依然極大地取決于研制單位的經(jīng)驗積累程度。在這一方面，日本的三菱公司要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于某國的相關(guān)研究所。

總的來說，“心神”飛行控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和指導(dǎo)理論、設(shè)計工具都將會是相當(dāng)先進(jìn)完善的，但具體的性能仍然要以實際試飛為準(zhǔn)。而且對于日本來說，要將“心神”的飛行控制發(fā)展到他們預(yù)期的完善程度，將是一個非常漫長而艱巨的任務(wù)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計

日本在現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)制造上一直擁有著非常高的水平。比如在重型三代機(jī)的生產(chǎn)能力突破上，日本生產(chǎn)F-15J/DJ就要遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于某國的“側(cè)衛(wèi)”系列。在這個過程中，日本掌握了非常強(qiáng)的鈦合金加工能力。

作為冷戰(zhàn)時期美軍在越戰(zhàn)遭受巨大損失后不惜血本搞出來的主力制空機(jī)型，F(xiàn)-15在結(jié)構(gòu)設(shè)計上很少考慮成本問題。在F-15機(jī)體材料中，鈦合金比例達(dá)到26.5%，而且這些關(guān)鍵的承力部件往往制造難度非常大。比如F-15機(jī)身承力隔框就是用6AL-4V鈦合金在3.5萬噸鍛壓機(jī)上鍛造的，寬度達(dá)到3.05米。在其中心腹板的厚度只有1.5毫米的情況下，腹板兩側(cè)筋條厚度1.3～2毫米，高度卻達(dá)到64毫米。腹板兩面的凹槽共計42個。然而，形狀如此復(fù)雜的承力構(gòu)件，精加工余量卻只有2.3毫米，加工難度之大遠(yuǎn)非蘇-27可比。

然而，F(xiàn)-15J/DJ畢竟只是美國授權(quán)日本生產(chǎn)的產(chǎn)品，對于提升日本的自主設(shè)計能力幫助不大，這種局面在F-2戰(zhàn)斗機(jī)研制時得到了改觀。二戰(zhàn)以后，日本航空并未像德國一樣一蹶不振，而是迅速復(fù)蘇并自行研制了多款軍用飛機(jī)。有了這些設(shè)計經(jīng)驗作為基礎(chǔ)，日本在F-2研制過程中很快就吃透了F-16的相關(guān)設(shè)計規(guī)范，不僅掌握了傳統(tǒng)金屬材料結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計等三代機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)，而且還利用自身全球領(lǐng)先的化纖水平優(yōu)勢，為F-2更換了復(fù)合材料機(jī)翼。

雖然此后日本一直沒有開發(fā)過新的戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)，但是在航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計制造上，其積累經(jīng)驗、探索先進(jìn)設(shè)計理論的腳步卻從未停止過。日本擁有世界上最頂級的高性能纖維和基體材料提供商，他們在與各大航空企業(yè)合作的過程中既是原料提供者，又是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的代工制造者，也是相關(guān)設(shè)計研發(fā)的參與者，同時更是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失效后的反饋信息接受者。在飛機(jī)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計制造領(lǐng)域，日本有著極強(qiáng)的技術(shù)能力。endprint

這些能力現(xiàn)階段并未直觀地體現(xiàn)在“心神”驗證機(jī)上。根據(jù)日本公布的視頻來看，這架驗證機(jī)為了降低成本，幾乎沒有使用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，絕大部分結(jié)構(gòu)都是鋁合金材料。但可以肯定的是，如果“心神”能繼續(xù)發(fā)展去下，它在結(jié)構(gòu)設(shè)計制造方面不會遇見大的難題。

發(fā)動機(jī)選擇

“心神”在發(fā)動機(jī)上最為引人矚目的外形特征，就是采用折流板結(jié)構(gòu)的矢量推力控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單可靠，易于實現(xiàn)，以往也常用在驗證機(jī)上，比如著名的X-31驗證機(jī)。但對于裝備型號來說，折流板對于發(fā)動機(jī)的推力損失太大，自身形成的超音速干擾阻力又太高，極不適合于超音速飛行，因此從未實用過。

基于正常的技術(shù)規(guī)律來說，筆者可以肯定在未來的更為成熟的“心神”上，其矢量推力結(jié)構(gòu)必然要更換為類似蘇-30MKI的軸對稱偏轉(zhuǎn)噴管，或者類似F-22的二元噴管設(shè)計。然而問題的關(guān)鍵也在這里，“心神”在發(fā)動機(jī)上究竟有多大的選擇余地？

“心神”現(xiàn)階段使用的是全重644千克的小型渦扇發(fā)動機(jī)。根據(jù)日本公布的結(jié)構(gòu)示意圖，以及日本發(fā)動機(jī)引進(jìn)歷史來看，其基本設(shè)計應(yīng)該是源于英、法聯(lián)合研制的阿杜爾發(fā)動機(jī)。通過改善結(jié)構(gòu)，比如增加風(fēng)扇和壓氣機(jī)的級數(shù)；使用先進(jìn)的材料減重，并達(dá)到極高的1900K渦輪前溫度，“心神”發(fā)動機(jī)的最大推力從不到3.5噸增加到了5噸?？梢钥隙ǖ氖?，這臺小發(fā)動機(jī)受基本結(jié)構(gòu)和尺寸所限，不可能再有大幅度的推力增加。

然而，10噸的最大推力絕不可能承擔(dān)起一款真正五代機(jī)的動力要求。對于“心神”的未來發(fā)展來說，目前看起來有一定可行性的唯一途徑，就是在F-2戰(zhàn)斗機(jī)所采用的通用電氣F110-GE-19發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行仿制改進(jìn)，增加矢量推力結(jié)構(gòu)。這款發(fā)動機(jī)日本不僅使用維護(hù)經(jīng)驗豐富，而且本身就具有一定的生產(chǎn)組裝能力。如果這一假設(shè)成真，在具體的矢量推力結(jié)構(gòu)選擇上，雖不能確定日本人的觀點如何，但至少他們制造具備實用水平的兩元噴管應(yīng)該不成問題。根據(jù)俄羅斯中央空氣動力流體研究院撰寫的《超音速飛機(jī)空氣動力學(xué)和飛行力學(xué)》所述，蘇聯(lián)早年在矢量推力的選擇上更傾向于兩元噴管，因為噴管和后機(jī)身一體化設(shè)計帶來的高速減阻效果十分優(yōu)越。但是，在關(guān)鍵的耐熱陶瓷材料上蘇聯(lián)始終無法突破，體積太大、重量超重數(shù)百千克以至于毫無使用價值。

不過，當(dāng)“心神”達(dá)到這種高度時，必然會對美國F-35形成非常嚴(yán)重的沖擊。即使日本不對外銷售“心神”，僅僅是F-35對日銷量的萎縮，也會對美國造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和干預(yù)能力下降。已有的事實證明，美國在這方面是非常敏感的。比如挪威在F-35與JAS-39改進(jìn)型號猶豫的過程中，美國就通過停止向瑞典提供相關(guān)雷達(dá)部件的措施來破壞瑞典和挪威的交易。也難怪很多人認(rèn)為，“心神”在很大程度上是一款政治型號，只是向外宣示日本軍事發(fā)展決心和實力，而且又能在美日軍貿(mào)中為自己添加重量的一個砝碼。

當(dāng)“心神”從現(xiàn)在的驗證樣機(jī)發(fā)展成完全體的中型甚至重型五代機(jī)時，它的性能將會達(dá)到怎樣的程度？美國會支持日本發(fā)展到哪一步，最后能否容忍定型的“心神”戰(zhàn)斗機(jī)出現(xiàn)，沖擊F-35的對日銷售？目前披露出來的信息仍然太少，我們只能在保持警惕的同時，靜觀后續(xù)發(fā)展。

（編輯/一翔）endprint