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三代战斗机飞的并不慢,为什么说它不再是强调“高空高速”呢?

2022-04-01 16:43 作者:冰封之龙  | 我要投稿

我们知道,盛行于1955-1970年代的第二代喷气战斗机,都特别讲究“高空高速”能力,且不说专业截击机米格25具备飞到30000米以上,3.0马赫以上的“双三”性能,在同一时代大量服役的二代机里,飞过2马赫乃至2.2马赫都是屡见不鲜。

幻影3战斗机最大速度达到2.2马赫
F-4鬼怪最大速度达到了2.3马赫
最后诞生的二代机歼8-2最大速度也达到了2.2马赫

随着能量机动理论的发展,到了1970年代的三代机时,“高空高速”理论顿时被“跨音速能量机动”理论所取代,更加注重跨音速战斗的三代机出现了。但是,虽然三代机不一定强调“高空高速”,但是很多著名三代机仍有不错的高空高速能力。

F-15具备2.5马赫飞行能力,是三代战斗机除去米格31截击机外飞行最快的
苏27战斗机虽然不以速度闻名,但是现实中苏27最大速度仍然超过了2.3马赫,是现实中中国歼20服役以前飞的最快的战斗机
歼-10A战斗机具备2.2马赫飞行能力,是三代机中飞行速度较快的一款

那么,有意思的事情出现了:在部分三代机速度不比二代机慢的情况下,在公众乃至设计师的心目中,三代机已经不再是“高空高速”的设计了。这又是为什么呢?

高速和高机动性——理想与现实的技术矛盾

让我们把时间拨回二战时期。我们知道,二战是人类航空技术发展最快的时间,在战争爆发之初,战场上甚至还飞行着古老缓慢的双翼机;而到了战争结束的时候,具备万米高空巡航的B-29,以及飞行速度逼近音速的me262都已经跃居舞台上方。因此在这个时代,围绕着战斗机空战和拦截轰炸机,大家都力争让飞机飞的越高越快,只有飞得更高,才能避开地面的高射炮火;只有飞的越快,轰炸机才能够避免被战斗机咬尾追击,穿透敌方防空网。因此,在二战中战斗机与其说是主要面对战斗机之间的空战,更不如说是围绕着轰炸机的拦截和护航展开的。当著名的B-29轰炸机出现后,其巨大的机身,强悍的火力,极高的航速和极高的飞行高度,顿时成为了绝大多数战斗机的“叹息之壁”,只有极少数的战斗机能够飞的比它还高,并在万米高空追上它的速度,并在规避它遥控机炮的强大炮火后将其击落。

B-29是真正意义上的第一代战略轰炸机,它的出现彻底改变了战场上轰炸机和战斗机的力量对比

因此,为了抗衡如此强大的战略轰炸机,二战后第一代到第二代喷气式战斗机,都在进攻轰炸机上下足了功夫。

米格15是第一款在实战中击败了B-29的战斗机

1950年,朝鲜战争爆发。在开战之初的第一年,由于志愿军和朝鲜人民军缺乏对空火力和战场制空权,美国飞机肆意在朝鲜上空飞行,给地面推进的志愿军造成了极大麻烦,尤其是对于后勤线路的破坏使得志愿军难以长距离突击联合国军占领区。不过,1951年随着斯大林政策转向,苏联移交大批米格15喷气式战斗机给中朝空军,并秘密部署苏联空军支援朝鲜半岛的战斗,从而建立起著名的“米格走廊”。在1951年10月,美军再次以B-29轰炸朝鲜北部军事设施时,便遭到了中朝苏喷气式战斗机的有效拦截:10月23日,美军29架B-29在200架F-80.F-84和F-86护航下袭击朝鲜野战机场,遭遇150架米格15的有效拦截,307中队的9架B-29遭遇拦截,其中4架被当场击落,2架负重伤返回后报废,另一架负重伤返航,而美军仅击落3架战斗机;在之后的几天里,美军又付出了多架B-29被击落和重创的代价,此后放弃了使用轰炸机攻击朝鲜纵深目标的战术,并在之后战争只有当敌方没有制空权时才敢出动轰炸机。从此,喷气式战斗机的出现使得战局的天平开始向战斗机倾斜。

由于喷气式飞机超过了原有的轰炸机的飞行性能,美苏在朝鲜战争之前就已经开始预研超音速喷气式轰炸机。朝鲜战争后,美苏先后服役了第一代喷气式超音速轰炸机B-58和TU-22。他们都具备2马赫的飞行能力,这个飞行速度当时超过了绝大多数的第一代战斗机和早期的第二代战斗机(如米格-19、歼-6、F-100、F-102等),同时因为机关炮在超音速环境对射性能并不理想,使得美苏双方也不约而同的将飞得更快而且能够发射导弹的战斗机视为发展的重中之重。

B-58轰炸机
图-22轰炸机
苏-9截击机,是苏联最早能够飞过2马赫并使用雷达制导导弹的截击机

在飞过2马赫的战斗机和专职截击机服役后,美苏又进一步拔高了轰炸机的指标:飞过30000米,飞过3.0马赫,也就是最经典的“双三”概念。但是这一次不同寻常——由于双三指标已经逼近人类科技极限,使得北美航空一开始开发XB-70轰炸机时就遇上了前所未有的各项阻力,成本高度攀升。而随着洲际弹道导弹和战略核潜艇的服役,三马赫的轰炸机的性价比顿时暴跌,美军开始认为花费上百亿开发一款只能有限进行核威慑的双三轰炸机并不划算。因此,XB-70被转入预研,并在一次致命的坠毁事故后放弃。而双三的截击机开发反而是提前XB-70了很多,1965年苏联米格25截击机服役,从此轰炸机再也不能跑的比截击机更快更高了,从那之后,轰炸机就彻底放弃了传统的高空高速路线。

XB-70重轰炸机因为缺乏性价比和难度过高而被放弃
米格25是罕有的猎手比猎物诞生更早的案例,由于美国不再生产XB-70,米格25的对手仅剩下SR-71黑鸟侦察机,同时米格25自身也长期扮演侦察机的角色,创造了罕见的“侦查-截击机”二合一的现象

所以,在轰炸机不再考虑“高空高速”之后,战斗机的发展中心便迎来了巨变:以往的喷气式战斗机都在考虑拦截敌方轰炸机,但轰炸机无法跑过战斗机和防空导弹之后,战斗机就开始思考新的对手——对面的战斗机。从那以后,战斗机才开始真正为了彻底压制敌方战斗机而设计,而就在此时,用于衡量战斗机各个时点的飞行性能的理论——能量机动理论诞生了。

能量机动理论是著名的美国战斗机飞行员、战术理论和战略大师约翰·博依德提出来的。他在总结朝鲜战争和越南战争的战斗机间空战案例后,将战斗机间机动能力对抗以一个简明扼要的理论表现出来——战斗机的单位剩余功率(specific excess power,SEP)=(推力-阻力)*速度/重量,即在飞行包线里任何一点,SEP 较高的一方占优。SEP其绝对值恰好等于相应高度的飞机爬升率。也就是说,在其他性能保持一致情况下,推重比越高,飞机机身阻力越低,飞机作战重量越轻的战斗机,在空战格斗时越能够取得空中优势地位。从此之后,以战斗机间战斗为主设计的飞机,便抛弃了二代机时代盲目追求大推力、高速度的飞机设计,转而以优化飞机SEP为主要目标。

虽然SEP的道理很容易让人理解,但是真正落实到设计制造却很麻烦,其中最重要的因素还是该死的材料学发展速度追不上人的理论发展速度。同时,就算是材料能够顶住高G机动,作为有人驾驶飞机还得考虑到飞行员的承受水平。一般来说,普通的飞行员通过考核后很容易达到5G左右的飞行能力;在经过严格科学的训练后,达到高级飞行员./试飞员乃至航天员水平的飞行员,就能够抵抗9G乃至于10G左右的瞬时过载。最后,根据离心力公式F=M*V^2/R可知,在飞机和飞行员承受的过载一定情况下,飞机飞的越快,恒定的G值的回转半径会越来越大,飞机的操作也更加不灵活。在这样的现实条件下,飞行工程师只好作出取舍——暂不考虑“高空高速”下满足高G机动,而尽可能在目前材料学和人体极限下,实现最有利于格斗状态的飞机设计,即努力在亚音速段提升转向角速度(即低速瞬盘),并让飞机在0.8-1.3马赫的跨音速段实现良好的稳定盘旋而不掉速度的能力(即跨音速段稳盘)。这样下来,在战斗机格斗最为频繁的亚音速至1.5马赫阶段时,飞机都可以满足在机身和人体所能够承受的情况下,达到飞机能够实现的最好性能。

F-16和米格29的瞬时/稳定盘旋速度对比,可以发现由于9G极限,瞬时盘旋速度在0.6-1.2马赫实际上是一样的。而F-16由于飞控集成了攻角限制器,导致可用攻角不得高于25度,所以实际瞬时转弯速度要低于可用攻角更大的米格29,但由于F-16在15度攻角即可达到最快转弯速度,而米格29却需要26度攻角才可实现最快转弯速度,实际上米格29在完成机动后损失速度更多,反而不利下一轮攻势。F-16也可解除攻角限制器,达到35度攻角,不过此时有可能发生失速风险
台风作为一款使用鸭翼的三代战斗机,以出色的低速瞬时机动性著称,在机炮和格斗导弹交战中会取得不错的优势。但是在稳定盘旋能力上,台风并不比米格29来的出色。

除了飞机和人体极限外,第三代战斗机不再过分强调飞行速度和飞行高度还有一个原因:导弹空战成为主流。

我们知道,虽然二代机时代就开始通过布置雷达和雷达制导导弹,来实现对敌方轰炸机和战斗机的超视距打击能力,但是由于早期雷达性能低劣,无法分辨杂波和目标,F-4鬼怪理论上优秀的中距离战斗优势往往被不具备中距战斗能力的MIG 21以近战格斗抵消。直到1980年代,随着新式半导体技术的运用,雷达滤波能力、敌我识别能力、搜索跟踪差分工作能力和多目标跟踪能力都大幅度提高后,使用雷达制导导弹击中敌人才成为常见的事情。在此背景下,战斗机主要的作战武器从机身自带的航炮转为了机翼外挂点的导弹,携带导弹数量成为了BVR(超视距空战)的强弱标志。但是,战机使用外挂点挂载导弹必然要增大飞行阻力,尤其是对于轻型和中型战斗机来说,由于挂载导弹后整体浸润面积比起不挂导弹有大幅提高,使得飞行阻力急剧增加,飞行速度会明细小于最大速度。举例来说,F-16在不挂导弹情况下最大速度可达2马赫,但是挂载对空战斗弹药和延长航程的副油箱后,就无法达到最大限速飞行。

F-16这样的轻中型战斗机实战中为了延长航程通常需要外挂副油箱,同时机身总面积较小,外挂大型空对空/空对地导弹后阻力明显大幅增加,最大速度难以达到设计最大速度
重型飞机机身很大,加挂导弹后总体面积增幅不如轻型飞机明显,所以外挂同样数目导弹时,苏27和F-15飞行速度下降幅度要低于F-16和歼-10这样的轻中型飞机

所以在三代机时代,由于不再需要面对高空高速的战斗机,同时面对战斗机格斗所必须要的机动性和挂载武器的需求,战斗机仅仅追求无挂载情况下的最大速度已经毫无意义,这才是三代机虽然飞的速度快,但并不一定强调二代机的“高空高速”的实际原因。

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