中日隱形戰機比一比:「心神」 殲-20 各有勝場

【博聞社】日本國產隱形戰機X-2(心神)在4月22日終於進行首飛。對關心中日局勢的讀者而言,「心神」與中國開發中且即將服役的殲-20、殲-31相比,究竟誰更具優勢、更先進,是熱門話題。事實上,日本在2014年公開「心神」的照片和視頻等相關資料時就引發過一番爭論,但公說公有理,如英國「簡氏防務週刊」(Jane’s Defence Weekly)認為,殲-20完勝心神;但加拿大「漢和防務評論」卻持相反意見,認為心神完全走在殲-20之前。持平來說,心神目前只是一架技術驗證機,用以展現日本的航太工業基礎。日本經濟新聞的報導也承認,儘管技術都很先進,能否整合成為一架優秀戰鬥機還是大有疑問。中國軍事討論社區「鐵血網」在2014年10月曾刊載過一篇四平八穩的比較文,本社轉載如下,以嚮讀者。

最近日本公開了其最新一代戰鬥機”心神”的照片和視頻資料,不但日本媒體積極報導,在中國這邊也引發了媒體和輿論的高度關注。其中俗套的對比是難免的,”心神”與殲20哪個優秀?我們不妨對”心神”來一次全方位的瞭解。

一、 現有心神為技術驗證機,無法與殲20相提並論

尺寸和噸位一直是影響戰鬥機造價的關鍵因素之一。按照一般規律來說,戰鬥機越小,它的結構製造費用也越低;而更輕的重量可以讓戰鬥機選用推力更小、價格更低的發動機,而且耗油率上的經濟優勢會在批量裝備以後的使用中體現的極為明顯。這也是第二、三代戰鬥機中都不乏空重控制在6~7噸內的輕型飛機的原因所在。

但是過小的尺寸噸位也會對飛機作戰性能帶來很大的負面影響:飛機沒有足夠的機身內部空間裝載燃油和電子設備,掛載的武器重量和數量也被嚴重限制了。尤其是對於第四代戰鬥機來說,”輕型四代”這一概念實際上不可能存在,因為在工程技術上已經無法做到了。

無論是隱身性能的雷達反射特徵控制要求,還是強化超聲速飛行持續能力的低阻力要求,都迫使四代機必須採用彈倉內置武器設計。如果飛機沒有足夠大的尺寸和噸位,根本無法在機身內安排出足以容納多枚空對空導彈、精確制導炸彈的空間用於設計彈倉。

在我國對於新一代戰鬥機的探索研究過程中,某單位曾經對低成本型四代機的噸位尺寸控制做過較為深入的研究。方案反覆運算的結果顯示,10噸空重已經是四代機的下限;這個數字是在飛機採用重量最小的無尾三角翼佈局,放棄超機動能力和損失一部分短距起降能力後才得到的結果。

無尾三角翼佈局結構重量小,法國幻影2000使用此設計,彌補了發動機性能劣勢。

對於日本的戰鬥機研發來說,它的作戰環境和假想目標是都非常明確,就是在東海、日本海上空與俄羅斯、中國的戰鬥機交戰,並具備打擊上海等中國東部沿海地區、俄羅斯遠東邊界地區的能力。這種背景要求日本新一代戰鬥機在執行對地攻擊任務時具備至少要達到800公里以上的作戰半徑。

從心神來看,日本新一代戰鬥機採用了常規佈局設計。由於多出一對平尾和飛機長度要更大等因素,其重量比無尾三角翼佈局要高不。即使是考慮日本領先我國的材料工藝優勢,可以通過高比例的先進複合材料大幅度減輕結構重量;其空重至少也要接近12噸才能滿足要求。但是根據現有資訊,心神樣機的起飛重量也不過8噸左右,空重甚至不到6噸,顯然與此標準相差極大。筆者認為,心神樣機尺寸特別大、明顯屬於雙座設計的座艙蓋,是解釋這一矛盾的關鍵所在。

和單座飛機相比,雙座飛機會在性能上出現很明顯的損失;飛機不僅需要付出很大的重量代價來安裝多出的彈射座椅、儀錶台、更大面積的座艙蓋等設備,還損失了相當可觀的原本用於裝載燃油的機內空間。事實上隨著航電系統的高度綜合化自動化,飛行員一人就足以駕駛飛機執行複雜的作戰任務,這也是美國、中國、俄羅斯現有四代機均無雙座設計的根本原因。

心神樣機採用雙座設計,噸位尺寸又特別小,這就只有一種解釋:現階段的心神既是承擔氣動外形/飛行控制系統試飛任務的驗證機,同時也是日本新一代教練機的原型機。這實際上是一種很聰明的策略,進可攻退可守;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成果。

在順利的情況下,心神樣機試飛完成以後,會進一步投入全尺寸戰鬥機型的研製。事實上這就是照抄F35戰鬥機的發展經驗–最早的X35驗證機噸位和尺寸都比今天的F35小很多,而且同樣沒有內置彈倉。如果我們僅以現在的樣機來評斷日本心神戰鬥機的未來水準,那麼就和用X35來評斷F35的作戰性能沒有兩樣了。即使是項目發展不順,日本也會將現有的心神樣機稍加修改–比如去除向量推力結構以後,投入批量生產,作為新一代高級教練機使用。

但如果回答開篇問題的話,心神現在實在無法與殲20進行性能上的比較,因為它只是驗證機,未來還需進行諸多改動,而殲20作為新型號戰鬥機已開始定型試飛,預料數年內就會裝備部隊。

心神作為技術驗證機採用雙座設計,體現了日本人精打細算的特點。

二、 心神氣動佈局較為合理,設計中規中矩

日本在心神上採用常規佈局設計和F-2戰鬥機有很直接的關係。F-2戰鬥機是三菱公司與洛克希德馬丁公司合作研製的產品,實際上就是在美國提供F16設計技術的支持下,日本半仿半研而成的F16放大改進型號。在F-2的研製過程中,三菱公司掌握了常規佈局三代機的關鍵設計技術,比如邊條翼的渦流增升設計、電傳控制技術,為今天的心神驗證機奠定了基礎。

心神飛機在氣動佈局的總體設計上比較像F22,但是在機翼與尾翼的核心設計上卻截然不同。F22採用棱型平面機翼設計,機翼的後緣帶有很大的前掠角度;這不僅使機翼獲得了更好的強度和剛度特性,而且機翼與機身的連接長度大大增加了,機翼受力能夠更多更均勻的分擔給機身。在機翼大幅加長以後,為了避免平尾向後超過噴管太多,引起重量的大幅度增加,F22的設計人員將機翼的襟翼內側切除了一個缺口,使平尾的前端正好切入進來。

切入式平尾設計使F22不僅避免了嚴重超重的窘境,而且外形的緊湊在側向隱身和整體阻力減低上也帶來了非常優越的性能改善。但這一設計也存在嚴重的弊端:經過前機身和機翼的氣流對平尾的干擾特別嚴重,這使F22在俯仰控制時的非線性問題特別嚴重,並引起了一連串的問題–包括墜機。後來F22電傳飛控軟體經歷過反復多次更新,與此關係極大。

F-22獨特設計縮短長度減輕了結構重量,但也為飛控系統設計帶來難度。

俄羅斯T50在機翼、平尾的設計上很大程度參照了F22,其優缺點都大體類似。所不同處,由於在氣動研究和飛行控制領域上差距較大,俄羅斯人需要額外在進氣道前沿設置可動邊條對飛機的渦流升力進行主動控制,這才能有效削弱飛機俯仰控制的非線性問題,保證飛行安全。

心神選擇梯形機翼,縮短了機翼根部的長度;這樣可以在飛機長度不增加的情況下,保證平尾與機翼之間不直接干涉。雖然這種設計是典型的三代機水準,而且對於機翼的結構特性和整機壽命沒有什麼貢獻,但是大幅度減小了飛行控制上的風險,應該說是一種比較務實的做法。

此外在進氣道設計上,日本此次公佈的視頻中採用了模糊處理。以前心神全尺寸模型上採用的是加萊特進氣道已經公開過,並無保密必要,因此本次樣機採用了DSI無附面層隔道設計的可能性很大。

這種進氣道現在已經得到了廣泛使用,除了重量優勢特別明顯外,在隱身上也優於F22和F18E/F的加萊特進氣道;雖然進氣道上下邊沿與機身側面的夾角會形成反射特徵點,但這與加萊特那種附面層隔道形成的深腔效應反射相比簡直不值一提。不過日本現階段對DSI進氣道的優化能力到底如何,目前只能存疑。

在氣動佈局的其它方面,心神做的較好;整體流線相當的簡潔、流暢自然。不僅在機身各平面的過渡上找不到處理不良的地方,不像殲31的尾撐在機翼下方形成帶有強反射特徵的直角棱邊凸起;而且在後機身的面積分布和收縮過渡上處理的也不錯,不像殲31不僅後機身面積過大,還需要設置尾椎來減弱尾噴管之間的干擾阻力。

心神整體設計更像F-35、殲31,流線簡潔自然。

從整體上來評價的話,心神現階段的氣動佈局設計是比較合理的;雖無驚才絕豔的亮點,卻勝在沒有什麼錯誤。如果心神在放大以後還能保持這種水準的話,它將具備較大的性能潛力;只要設計方優化到位,在RCS、阻力、升力性能上都能做出不錯的表現。

三、 心神飛控系統硬體先進,但設計經驗不如中國

從日本公佈的採訪視頻來看,心神的專案論證過程中始終將超機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提出很高的要求。

對於飛行控制系統的動力部分來說,飛機的大部分活動部件,比如水準尾翼、襟副翼、方向舵這些都需要液壓系統來進行驅動;液壓系統的功率越大,舵面偏轉的速度也就越快,飛機反應便越敏捷,越適合超機動飛行。比如F22的液壓系統總功率達到560KW,是F15的兩倍;而根據我國2008-2009年航空科學技術學科發展報告中公開的研究進展和性能指標進行推測,殲20的液壓系統總功率應該在600千瓦左右。

在功率指標越來越高的情況下,為了減小液壓系統的體積和重量,對於第四代戰鬥機來說,液壓系統的工作壓力從每平方釐米210公斤提升到280公斤已經是通行的設計標準。F22、殲20、T50的液壓系統都是採用這個標準作為恒定工作壓力。日本作為傳統的液壓強國,泵、閥、密封件等關鍵環節上一向技術先進,要做到這點不存在任何難度。

實際上因為設計階段的差異,四代機的技術並不一定就全面比所有的三代機先進。比如F18E/F液壓系統採用的就是每平方釐米210~350公斤的可變壓力工作體制,一般飛行情況下使用低壓,而進行高機動飛行時自動轉換到最大壓力。心神將來的液壓系統是和目前四代機一樣採用28兆帕恒壓工作體制,還是採用35兆帕的智慧變壓工作體制,還要等將來日方披露資訊後才能知曉。

飛機液壓系統也是現代戰鬥機研製的難點之一,這方面F-18E/F領先。

而對於負責信號傳輸處理的電傳部分來說,心神很有可能採用3-4餘度數字電傳系統,無類比電傳備份。這基於兩個原因:首先是現代數位電傳系統的可靠性已經非常高,保留額外的備份系統沒有必要。其次採用先進氣動設計的現代戰鬥機本身控制律就較為複雜,而且研製過程中反復修改調參更是無法避免的現象;要在軟、硬體修改無法分離的類比電路中完成這些工作,技術難度非常高,無謂花費的人力、時間、財力代價都太大。

心神樣機從一開始就具備向量推力系統,日本官方宣傳視頻中也刻意強調了超機動飛行能力;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、發動機控制系統交聯基礎上的過失速區域控制能力。考慮到我國目前受限於發動機問題,殲20尚未使用向量推力發動機,日本甚至有可能在一些關鍵技術上比我國更早開始試飛探索。

在F22和JAS39的時代,由於設計手段和飛機設計人員的思維習慣、技能傳統所限,飛機控制律編寫都是在傳統的單回路設計方法上展開的;設計難度大,而且效果越來越不能滿足先進氣動設計飛機進行複雜機動飛行的需要。日本在數學和自動控制理論領域一向有非常高的水準,心神在控制律設計中應用新的多變數控制理論,對飛控進行系統化的多變數、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於,控制律軟體其實本質上就是設計單位將飛機氣動設計以數學形式展現出來,即所謂的飛控氣動一體。但是現階段人類氣動水準仍然非常有限,對於過於複雜的流場(比如過失速下機翼氣流分離後的狀態)無法進行類比計算,這一方面只能依靠風洞試驗和實際試飛經驗的反復經驗積累來指導氣動、飛控的設計修改。

因此就算在先進設計方法、工具上日本並不欠缺,甚至在具體性能比殲20等新型先進戰鬥機所應用的還要好一些;最終控制律的設計水準高低,依然極大的取決於研製單位的經驗積累程度。在這一方面,日本的三菱公司要遠遠落後於我國的611、211等研究所。

高機動下的氣動分析計算至今仍是難題,這方面日本廠商的經驗不如中國。

總的來說,心神飛行控制系統的硬體系統和指導理論、設計工具都將會是相當先進完善的;但具體的性能,仍然要以實際試飛為准。而且對於日本來說,要將心神的飛行控制發展到他們預期的完善程度,這將是一個非常漫長而艱巨的任務。

四、四代機結構設計製造,日本有優勢

日本在現代戰鬥機結構製造上,一直擁有著非常高的水準。比如在重型三代機的生產能力突破上,日本生產F15J/DJ就要遠遠早於我國的殲11系列;在這個過程中,日本掌握了非常強的鈦合金加工能力。

作為冷戰時期,美軍在越戰遭受巨大損失後不惜血本搞出來的主力制空機型,F15在結構設計上很少考慮成本問題。F15機體材料中,鈦合金比例達到26.5%,而且這些關鍵的承力部件往往製造難度非常大。

比如F15機身承力隔框就是用6AL-4V鈦合金在3萬5千噸鍛壓機上鍛造的,寬度達到3.05米。在其中心腹板的厚度只有1.5毫米的情況下,腹板兩側筋條厚度1.3~2毫米,高度卻達到64毫米。腹板兩面的凹槽共計42個。然而形狀如此複雜的承力構件,精加工餘量卻只有2.3毫米,加工難度之大遠非蘇27可比。

F-15鈦合金比例高,加工難度大。

然而F15J/DJ畢竟只是美國授權給日本生產的產品,對於提升日本的自主設計能力幫助不大,這種局面在F-2戰鬥機研製時得到了改觀。在二戰以後,日本航空並未像德國一樣一蹶不振,而是迅速復蘇並自行研製了多款戰術飛機。有了這些設計經驗作為基礎,日本在F-2研製過程中很快就吃透了F16的相關設計規範,不僅掌握了傳統金屬材料結構的損傷容限設計等三代機結構技術,而且他們還利用自身全球領先的化纖水準優勢,為F2更換了複合材料機翼。

雖然此後日本一直沒有開發過新的戰術飛機,但是在飛機複合材料結構設計製造上,日本積累經驗、探索先進設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合作的過程中既是原料提供者,又是複合材料結構的代工製造者,也是相關設計研發的參與者,同時更是複合材料結構出現失效後的回饋資訊接受者。在飛機的複合材料結構設計製造領域,日本有著極強的技術能力。

這些能力現階段並未直觀的體現在心神驗證機上,根據日本公佈的視頻來看,這架驗證機為了降低成本,幾乎沒有使用複合材料結構,絕大部分結構都是鋁合金材料。但可以肯定的是,如果心神能繼續發展去下,它在結構設計製造方面不會遇見大的難題。

五、心神可能最終無法成長為戰鬥機

心神在發動機上最為引人矚目的外形特徵,就是它採用折流板結構的向量推力控制系統。這種系統由於結構簡單可靠,易於實現,以往也常用在驗證機上,比如著名的X-31驗證機。但對於裝備型號來說,折流板對於發動機的推力損失太大,自身形成的超聲速干擾阻力又太高,極不適合於超聲速飛行,因此從未實用過。

基於正常的技術規律來說,筆者可以肯定在未來的完全體心神上,其向量推力結構必然要更換為類似蘇30MKI的軸對稱偏轉噴管,或者類似F22的二元噴管設計。然而問題的關鍵也在這裡,心神在發動機上究竟有多大的選擇餘地?

心神現階段使用的發動機是重量644公斤的小型渦扇發動機。根據日本公佈的結構示意圖,以及日本發動機引進歷史來看,它的基本設計應該是源于英法聯合研製的阿杜爾發動機。通過改善結構,比如增加風扇和壓氣機的級數;使用先進的材料減重,並達到極高的1900K渦輪前溫度,心神的發動機推力從不到3.5噸增加到了5噸。可以肯定的是,這台小發動機受基本結構和尺寸所限,不可能再有大幅度的推力增加。

心神現有的發動機無法支援戰鬥機的研製。

然而5 x 2的10噸推力絕不可能承擔起一款真正四代機的動力要求。對於心神的未來發展來說,目前看起來有一定可行性的唯一途徑,是在F-2戰鬥機所採用的通用電氣F110-GE-19發動機基礎上進行仿製改進,增加向量推力結構。這款發動機日本不僅使用維護經驗豐富,而且本身就具有一定的生產組裝能力。

然而當心神達到這種高度時,必然會對美國F35形成非常嚴重的衝擊。即使日本不對外銷售心神,僅僅是F35對日銷量的萎縮,也會對美國造成嚴重的經濟損失和干預能力下降。

已有的事實證明,美國在這方面是非常敏感的,比如挪威在F35與JAS-39改進型號中猶豫的過程中,美國就通過停止向瑞典提供相關雷達部件的措施來破壞瑞典和挪威的交易。也難怪很多人認為,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展決心和實力,而且又能在美日軍貿中為自己添加重量的一個砝碼。

結語

綜上所述,心神目前仍是一款小尺寸技術驗證機,暫時無法與中國的殲20、殲31相提並論。但從心神身上,我們可以看到日本航空技術的深厚功底,心神要發展成完全體的第四代戰鬥機並非難事。究竟美國是否允許日本獨立發展四代戰機,我們只能在保持警惕的同時,靜觀後續發展。

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