F22为什么是神（下）——浅析F22拥有和曾经拥有的技术优势超音速飞行能力篇

       超巡，目前来看应该是四代机中争议最大的性能了，尤其是F35出来后，似乎超巡能力就并非四代机所需的重要能力了?是否意味着在四代机空战中超巡不重要了？另一方面来说，超巡所能代表的也仅仅只有是否能超音速巡航，但超音速能力并不能完全被此涵盖，因此本篇改成了超音速飞行能力篇。

为什么要超巡?

       有一种说法是这样的，二代机重视高空高速，而三代机重视亚音速格斗。不完全，但是还是比较贴合现实中的发展趋势的。传统观念认为，我速度越快发射的导弹速度也就越快，我飞的越高导弹就扔的越远。同理，有了这个优势我就也越难被敌人的导弹击中。但是事实上现实中的空战没有这么简单，凭啥导弹就一定得是跟在你屁股后面追你?在双方探测能力差不多且有指引的情况下，更有可能是两机相向对射。

       那在这种情况下，速度越快生存能力越强就说不好了。我们先认识一下关于导弹不可逃逸区的概念，和很多人想象中的不同，不是说不可逃逸区内导弹就一定会命中目标，而是是在不可逃逸区内目标如何机动，导弹都能追上目标而不是被甩开就是不可逃逸区。简单的说，两架飞机相向而飞，A机发射导弹后B机迅速掉头然后直线飞行，导弹在这种情况下能够追上目标，而在导弹发射前，B飞机就可以视为进入了A机的不可逃逸区。

我们可以做一个极端理想模型，以典型二代机F104C战机为例，45000英尺2马赫时稳盘2G，a=v²/r，可得F104C在这个状态下回转半径等于680m/s×680m/s÷20m/s²=23120m（事实上这个模型比较粗略，不光加速度不准确，在这个高度下的1马赫所对应的数据也不对），而在这种状况下，F104c在做完一个四分之一之前基本上都是在接近敌机的或者敌机发射的导弹的（事实上因为有横向位移在转弯1/4之前一段我机和敌机或者导弹的航向的夹角就小于90°了，但是还是那句话，简化运算不用考虑），然后在算在做完1/4的过程中耗时≈23120m×3.14÷2÷680m/s=53.38秒。我们加速有一枚均速为3马赫的导弹在飞向F104c，那么在这个过程中导弹已经飞行了54447.6米，我们假设导弹随F104C机动的航迹是一个角速度变化一致的标准圆弧并在F104c做完四分之一转弯的时候相遇，可得发射距离达到了可观的70496.1米，而且这这个过程中导弹的过载并不大。也就是说，在飞行中一味地追求高速不能让自己活下去，反而可能让你死的更快。

        当然了二代机巡航速度也很少有超过音速的，现实中可能会更可观一点，但是在跨音速段，这可就是三代机的主场完全没有优势，也就不做对比了。为此了有了两个发展方向，第一就是一条路走到黑，进攻就是最好的防御，我速度更快使导弹射程更远，把机体造大换上尺寸更大的雷达远远的发现你，挂上更重的导弹增大其动力射程。远远的消灭你，没错，因此你得到了一款超级截击机——米格31。

       或者第二条思路，我不追求极速了，我换上涡扇发动机，追求低速下的机动性，用大推重比换取加速度，同理，我们可以假设一款三代机，在一马赫的时候拥有8G的稳盘过载（事实上这个数据已经很高了，正常飞机估计也就是在这个速度下瞬盘达到8G），那么他的转弯半径也就是340m/s×340m/s÷80m/s²=1445m，即使180°转弯也就是1445m×3.14÷340m/s²=13.345秒，同样假设一枚均速3马赫的导弹飞行轨迹才13611.9米。之后这架三代机就可以开加力靠大推重比加速跑路了。

      相比于二代机不可逃逸区范围大大降低，当然了真实空战中并没有那么简单，事实上三代机应该会在远超过不可逃逸区的范围外发射，同时如果对面也发射了话就会一边进行机动，要么试图让对面因为我机的速度向量与敌机雷达的波束垂直, 这样的我机的径向相对速度就非常小, 敌机雷达难以稳定截获。但是这样的话己方就不能继续引导我方的导弹攻击（目前新的三代半倾向于倾斜放置旋转阵面或者雪豹E那种可机械控制阵面指向的思路解决这个问题）因此更多的是进行侧向机动来诱使导弹跟着做机动，消耗导弹能量，缩短其射程，也可以选择左右摇摆蛇形机动能扩大导弹的动态误差, 增加其脱靶量。而当导弹和本机的距离小到一定程度时, 本机必须进180° 的转弯才能规避导弹的攻击, 这个距离称为“极限距离”，就是我们之前考虑的极端情况。

       而这个时候我们可以发现一件很操蛋的事情，在这种状态下发射的初速度越高，发射导弹能对敌机造成威胁的距离也就更大。因此单纯要跑路我们应该在速度很慢的情况下飞行然后加速跑路，要是要击落敌机咱们在第一轮反而要很快?（勇敢者游戏.jpd）如果没有其他雷达引导的话，机载雷达的发现距离和导弹发射距离差不多都是一百公里作用，如果在一发现的时候就发射导弹逼迫对方进行机动的话，超巡的话就意味着可以使得自己的导弹更先对对方产生威胁。那么我发现后迅速加速行不行?抱歉，三代机虽然推重比比较大，但是从亚音速加速到类似F22超巡1.5马赫的时间也得一分钟以上，此时两机距离已经很近了，此时你们的距离缩短了50公里左右，好吧，你成功使自己进入了别人的不可逃逸区且在这个速度下机动性很低。因此保持超巡很重要，当然了，前提是自己在高速下仍然拥有很强的机动性，比如F22，F22在超音速下仍然稳定的能有5G的稳定过载，以1.5马赫速度来算，回转半径也就是5202米，转弯时间也就32秒，同时一枚均速三马赫的导弹的轨迹也就是在32668.56米，再考虑到导弹动力射程往往也就10多秒，尾追能追上的距离也不会很远。这种简单运算的结论和下图数据是基本上符合的。

可见在过载相同的情况下，巡航速度越快的飞机越有优势，因此超巡很重要。

        不过，在F22服役的那几年，超巡的优势基本没怎么发挥出来，我隐身能力太好了，其他三代机根本就看不见他，基本上就是在敌机看不见的时候就把敌机击落，有没有超巡能力似乎不影响。我猜想，或许F35设计中不那么重视超巡能力就是这个因素，以为靠隐身能力就你碾压对面。然后歼20就出来了（F35：寄！）

      当然了，五代机直接的空战模式至今我们也不是非常清楚，有些人认为会接近于一代机空战，但是我认为五代机综合探测能力比较强（具体会在和别人合作航电篇介绍），实际上并不会沦落到视距内空战的地步，不然歼20没有机炮岂不是设计的很傻?

F22的气动设计

F22的超巡数据是在1.4－1.5马赫之间超巡185公里，然后亚音速巡航作战半径径约为833公里。

超音速能力好不好主要要看超音速升阻比，升力方面的话F22比较难观察，也没有什么明显的压缩升力设计，因此主要从减阻方面分析。

从整体设计来看，F22其实也就一般，论后掠角不如苏57和歼20，论展弦比不如歼20小，论平均截面积，倒是好看一点，歼20是3.62平方米，F22是3.619平方米，但是考虑到F22的平尾后延了很多，实际上去除平尾也就是3.88平方米，比不过歼20也比不过苏57。不过也得看是跟谁比，和F35比的话，这些就变成了全面优势。

细节设计的话，首先是进气道，F22采用了加莱特进气道，这是一种乘波体进气道。

（为啥是乘波体进气道自己看吧，肝着太累了，不想重新组织语言了）

反正说起来是挺厉害的，但是性能嘛。。。

不过在理想情况下，即使是加莱特进气道不能调节，理论上也会有一部分性能和二元可调进气道差不多的，因此更有可能的如大S弯曲之类的隐身设计影响了性能。

       从机翼上看，F22采用的比较独特的翼尖扭转设计。

众所周知，对于后掠翼来说有一个问题，那就是气流在经过机翼的时候会被偏折，而展现流动，这就意味着在机翼外缘流速会更快。这里我们引入雷诺数的概念，雷诺数Re＝ρVL／μ其中ρ是流体密度，V是流速，L是物体特征长度，μ是粘性系数，雷诺数其实就是流体的惯性力与粘性力的比值，当这个比值达到一定程度，气体的粘性力再也无法维持气流附着在机翼上时，气流也就随之分离，从层流变成湍流。这个数值叫临界雷诺数，达到这个数值失速就会发生。因为展现流动的缘故，外侧机翼的气流流速更快，因此更容易达到临界雷诺数，使失速率先发生。二代机选择加翼刀阻断展向流动，三代机有的选择在机翼上设置锯齿拉涡阻断展向流动。那么这些和机翼扭转有什么关系呢？我们要知道μ粘性系数则和迎角有关，因此通过降低机翼外缘迎角的方式也可以延缓机翼外缘失速的发生，增大超音速下的升力。

       关于超音速面积率修型，F22在截面积最大的后腰处进行了收紧设计，使得其整体截面积变化非常的平滑，降低了超音速下的阻力，歼20采用了类似的设计，这也是重型机的优势，而中型机的话因为机内空间不足，只能在背部增加截面积，破坏了升力体。（我不说是谁）

垂尾没什么说的，硕大的垂尾牺牲了阻力，增加的超音速下的稳定性。

       关于二元矢量喷口，这个就有意思了，可以在亚音速下起到增升和减阻的效果，首先是超环量升力，简单的说就是二元矢量喷口向下偏转改变了经过喷口气流的方向，增加了环量（可以理解为增加上表面流速与下表面的差，形成一个环状的速度）也被称为超环量升力，想要具体了解的可以看一下这个视频，讲到还蛮详细的BV1a34y1s7gS，当然了这个优势仅限于亚音速下，超音速后为了稳定不可能有飞机还能保证气动焦点在重心前面形成静不稳定，因此超音速后就没办法利用超环量升力了，还得用负升力配平。

至于减阻，我们可以看到在亚音速下有垂尾布局前半段二元喷口的阻力系数低于三维喷口，而无垂尾布局则是全面优于。

怎么回事呢，我个人的理解是，二元喷口使得尾焰的和空气的接触面积增大，亚音速下喷口喷出的气流更多的是亚音速的，喷管需要收缩，容易造成在喷口上的附面层破碎，形成负压，尾焰接触面面积更大的二元喷口可以在一定程度上拽住了附面层气流，而圆形喷口接触面机小，没有起到这种稳固附面层气流的效果，附面层气流破碎，产生负压，增大了压差阻力。至于有垂尾布局为什么二元喷口后面阻力又大于三元了，应该是垂尾产生了不利干扰，迫使附面层气流不得已也破碎了，因为面积更大，产生的压差阻力也就更大了。

       至于超音速后为什么阻力都是二元喷口大，实际上就是因为尾流在二元喷口内不是等压的，要让其高效对外做攻把内能转化为动能的话，扩张大概角度一致，但是外侧扩张角度相比于圆形喷口更大了，因此截面积更大，阻力增加了。不过矢量喷口参与配平的话，可以分担其他操作面的压力，减少配平阻力（当然因为推力方向改变了。。。向前的推力也变小了）。

       至于推力损失，可以确定的是，优化的比较好的二元矢量喷口无论是在亚音速还是在超音速下推力损失都不会超过5％（虽然我不知道循迹晓讲哪来的自信，居然可以在不标明哪条曲线是二元矢量喷口，那条是圆形喷口的情况下就敢说这图片证明了二元矢量推力损失小）

对于超巡来说推力也很重要，但是发动机方面不想肝了，给个图表完事。

                                          总结

     整体来看，F22的超音速能力很出色，不单单表现在超巡能力上，超音速下的机动能力也是F22的亮点，四代机之所以能领先三代机一代，不单单是有隐身优势，其整体的飞行性能也不容小觑。单纯认为通过其他手段应对了隐身就能使三代机枪挑四代机的，是严重的认识不足。

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引用资料：《美国第四代战斗机——F22“猛禽”》

《飞机气动布局设计》

《F-22 vs 苏-57：矩形/圆形矢量喷口的传说和事实》

关于三代机和四代机加速性能对比http://tieba.baidu.com/p/7396109222?share=9105&fr=sharewise&see_lz=0&share_from=post&sfc=copy&client_type=2&client_version=12.25.5.0&st=1655803687&is_video=false&unique=AF883BDFF97B6169139EB137E093AFA8

［理论计算］F22超巡和亚巡油量/航程消耗之比，以及F22最大超巡作战半径https://zhuanlan.zhihu.com/p/162060709

歼20气动布局研究三（高速篇）:比F22更优秀的超音速升阻特性https://zhuanlan.zhihu.com/p/270634518

https://www.zhihu.com/answer/2468553156

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