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珠海航展三款五代機亮相,五代機到底有什麼門檻?

2024-11-11 13:03:04

2024年珠海航展即將拉開帷幕,全國軍迷正翹首以待。

此次航展最大的驚喜,莫過於同時出現的三款隱身五代機了,這是俄羅斯蘇-57、中國的殲-20和殲-35第一次一起亮相,全球五款五代機來了仨,珠海航展非常有面子了。

有人可能有點奇怪,現在五代機不是很多國家都搞出來了嗎?比如日本、韓國、土耳其甚至伊朗都搞出來了,為什麼不算他們呢?

其實吧,這些“野生五代機”,和真正的五代機,差距還是比較大的。

那麼,五代機的門檻到底是什麼?

我們都知道,美國作為第五代隱身戰機的開創者,五代機的初代標準也是美國製定的,只有實現4S的戰鬥機才有資格被稱作第五代戰機,4S即:Stealth(隱身性);Super Sonic Cruise(超音速巡航);Super Maneuverability(超機動性);Superior Avionics for Battle Awareness and Effectiveness(超資訊化和感知能力)。

這四項技術標準說起來容易,要真想全部實現,難度是相當大的,至今也只有中美俄三個國家真正研製出了五代機。這其中4S技術標準全部實現的恐怕只有美國的F-22和中國的殲-20,美國的另一款五代機F-35和俄羅斯的蘇-57,嚴格來說其實並沒有全部滿足,更別說其他國家那些“野生五代機”了。

那麼,造一款隱身五代機到底有多難?

首先我們看看隱身設計。

隱身設計正規的稱呼為“低可探測技術”,它大概可以分為三類,第一是外形設計,第二是機身吸波材料,第三是特殊部位的隱身處理技術。

“野生五代機”的代表作品:日本的“心神”,韓國的KF-X,土耳其的“可汗”乃至伊朗的“征服者F313”,這些戰鬥機大都採用了菱形機頭,機身中段截面呈梯形,傾斜垂尾等等,目的都是想減弱飛機在雷達接收方向的反射效應。

這些設計這讓他們看起來的確像個隱身機,但事實上,其隱身效果很有限,因為外形隱身非常複雜,不是比葫蘆畫瓢就能實現隱身。

根據雷達方程,雷達探測距離與RCS成1/4次方關係,降低一個數量級就能減少44%的探測距離,降低四個數量級就能減少90%,所以,大部分的隱身設計,不僅要採用上面提到的額那些隱形設計,還有很多細節。比如,採用翼身融合體和半埋式座艙,使機翼與機身、座艙與機身平滑過渡,融為一體,減少鏡面反射;減少飛機表面能造成散射的突起物,減少雷達波透過劈尖、尖點時會發生繞射等等。

除此之外,因為外掛武器是強反射源,所以五代機的一個必然選擇就是內埋式彈艙。

但是,內埋式彈倉可不是挖個槽那麼簡單,它具有典型的空腔流動特性,當高速氣流流過內埋武器艙時將出現邊界層分離與再附、艙口剪下層運動不穩定、激波與邊界層干擾等複雜非定常流動現象,這些複雜的非定常流動現象,在開啟彈倉發射導彈時很可能會導致抬頭、翹尾、橫向滾動等不穩定狀態,導致彈藥碰撞艙壁或艙門,非常危險。

這也就是哪怕韓國搞出了一個外形酷似F22的KF-X,但還是沒搞定內埋式彈倉的原因。

當然,除了外形隱身設計,還可以透過機體吸波材料,把雷達發射來的電磁波吸收掉,來降低雷達反射。

吸波材料的種類比較多,比如新型熱固性的環氧樹脂、雙馬來醯亞胺、聚醯亞胺、聚醚醯亞胺和異氰酸酯等都具有比較好的介電效能,由它們製成的複合材料具有較好的雷達透射性,用其製作飛機蒙皮,可以有效降低雷達反射。

同時,蒙皮的外面,還可以噴塗隱身塗層,比如如鐵氧體吸波塗料、陶瓷吸波塗料、放射性同位素吸波塗料、導電高分子吸波塗料等等,機體噴塗這種塗層之後,可以大大提高散射雷達波和吸收雷達波的能力,降低雷達反射。

比如美國,用的就是氧化鎵與銀製成的特殊塗料,效果不錯,但非常嬌貴且容易老化,平時都要待在恆溫恆溼的機庫裡面,動不動還給你玩個開裂和脫落,要想補漆的話,一次就要幾百萬拿美元。

這些隱身材料和塗料,涉及到一個國家的整體材料工業、化學工業技術綜合實力,想都掌握,很難很難。

除此之外,一些特殊部位,也需要進行隱身處理。

電磁波在飛行器表面有多種散射方式,除了鏡面散射,在透過發動機葉片、縫隙、臺階、鉚釘頭這些不連續的表面時還會發生繞射。

所以,一般的隱形飛機,都要對口蓋、縫隙等實施鋸齒化設計,鋸齒邊與機翼的邊緣平行,對一些無法避免的散射源比如進氣道、噴口進行處理,比如採用“S”形彎曲的進氣道,在進氣道和尾噴管內加隔板,減少進氣道和尾噴管空腔反射和壓氣機、渦輪的反射等等。同時,座艙也是各強散射源,要在座艙鍍上鍍膜,防止雷達波透射。

但是,隱身設計和空氣動力學有時候是矛盾的,單純考慮隱身很容易導致飛行效能不佳,所以一遍一遍地吹風洞,修改設計,最終達到隱身效能和氣動效能的平衡。

所以,一款隱身五代機,不是外形像隱身機,就一定有隱身能力的。真正的隱身五代機,也絕不是仿個外形就能造出來,如果沒有強大的航空工業,根本不可能奢談設計隱身戰機。

光隱身設計都這麼難了,剩下的3個S,顯然都不是簡單的活。

比如超音速巡航,雖然現代能飛過超音速乃至二倍音速的飛機不少,但事實上,他們只是能飛到而已,而不是一直都能這麼飛。一般來說,飛機必須要開加力才能達到超音速,此時的耗油量增加1~3倍,而且因為發動機高溫,持續時間不能太長,要想長時間巡航,只能以低於0.9馬赫的亞音速飛行。

但是如果一直以亞音速抵達戰區,那麼發生緊急情況時很容易延誤戰機。特別是對於國土廣袤或者軍力遍佈全球的國家,不可能密集地部署軍事基地,這就對飛機的超音速巡航能力提出了更高要求。

所以美國提出,五代機必須能夠持續在1.5馬赫以上進行超過30分鐘的超音速飛行,這樣就能快速趕到作戰空域,敵人只有很短的準備時間,讓對手的接戰視窗降低為14.3%。而且因為飛得快,有利於快速地佔據有利的攔截位置,甚至先發制人,在超音速巡航狀態下緊急發射導彈,增加導彈的初速度,能在更短的時間內和更大的範圍內攻擊目標。

但是,達到超音速巡航很難,重點還是大推力發動機不容易研製,在很長一段時間內,只有F-22才擁有超音速巡航能力。中國殲20和俄羅斯的蘇57初代版本,都不具備超音速巡航能力,也就是換了渦扇15和“產品30”發動機之後,才具備了超音速巡航的能力,哪怕F35,雖然也是美國產品,但也不具備F22那樣的超音速巡航能力。

所以,F119發動機、渦扇15和“產品30”這樣的發動機,只有具備超強航空工業實力的國家才能研發,一般的國家,根本造不出來,又怎麼能實現超音速巡航呢?

至於超機動能力,就更不用說了。

所謂超機動能力,是戰機在超過失速迎角的條件下所具有的可控飛行和作戰能力,在近距空戰中擁有更大的轉彎角速度,可以更快完成機頭轉向咬住敵機,再配合大離軸角全向攻擊能力的近距格鬥導彈,以超機動實現對敵機的能量機動優勢。

四代機(美標三代機),只有寥寥無幾的飛機能做出類似弗羅洛夫輪盤、鐘擺、眼鏡蛇、落葉飄等不可思議的機動動作,而具備超機動效能的五代機,則可以輕鬆做出類似的動作。

要想實現超機動,除了更優秀的飛控和氣動設計外,最明顯的幫助就是向量推力發動機了。

但是,向量推力技術同樣是航空工業明珠,目前,美國的F22是二元向量推力,俄羅斯是軸對稱向量推力,中國是二元向量推力和軸對稱向量推力雙修。除了這仨國家,其他國家都搞不定,日本雖然在心神驗證機上搞出了折流板向量推力技術,但這種技術早就被淘汰了。

最後就是超資訊化和感知能力了,這一能力包括機載火控雷達、光電瞄準系統、資訊處理能力以及座艙的資訊化整合程度等等。

其中最典型的,就是機載有源相控陣(AESA)雷達,探測距離遠、解析度高、多工能力突出、抗干擾能力優秀,是五代機專用雷達。只不過近幾年因為技術成熟、成本降低,才陸續下放到了四代機上,這也算是“野生五代機”最容易得到的五代機關鍵部件了。

不過,就算一些“野生五代機”裝上了AESA雷達,也不是就萬事大吉的。一方面,機頭大小會限制雷達T/R元件安裝數量,比如F22也就千把個T/R元件,而無論是韓國還是土耳其的“野生五代機”,都屬於中型機,能安裝七八百個T/R元件就頂天了,真要作戰的時候,和正經五代機根本沒法比。另一方面,安裝AESA雷達,因為功率巨大,面臨巨大的散熱難題,非常考驗機體內部散熱設計。

▲伊朗F313的機頭根本裝不下大雷達

除此之外,還有光電分散式孔徑系統(EODAS)、光電跟蹤瞄準系統(EOTS)等等,也是尖端中的尖端航電系統,一般國家根本別說造了,買都買不到。

而且,就算你設計出來了,零配件也搞齊了,你的加工水平能不能跟得上?鈦合金框架能不能3D打印製造?複雜異形曲面加工能不能搞定?打孔定位是否精準?甚至,鉚釘能不能保證和機身蒙皮齊平?

所以,搞五代機真的是一個系統工程,你需要有出色的設計能力,先進的材料工藝,穩定耐用的發動機,足夠的風洞群來測試飛機在各個速度下的啟動效能,還要有駕馭這種外形帶來的氣動麻煩的航電系統,再之後是精密加工的能力、高精度隱形塗料噴塗機器人以及多系統間的電磁相容等等。

隨便拎出一個子系統,就能把這個星球上的絕大部分國家排除在外了,更何況湊到一起?

所以,所謂“野生五代機”,也只是個樣子貨罷了,距離真正的五代機,還遠著呢!

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