王者之翼F-22 飞行性能优势探析方方作品本文已刊载于国际展望杂志Part1 Part2F-22，世界上第一种也是目前唯一一种投产的第四代超音速战斗机，它所具备的“超音速巡航、超机动性、隐身、可维护性”（即所谓的 S4 概念，也有资料将“短距起落”包含在内，称为 S5）成为第四代超音速战斗机事实上的划代标准。对于 F-22，著述已多，但涉及到飞机特点以及试飞情况的却少见。所幸CODE ONE对 F-22 试飞员进行了采访。本文即试图从访谈中获取信息，从 F-22 最突出的飞行包线两端的飞行性能角度探析该机在作战中所具有的优势，特别是和同样以超机动性闻名于世的苏-37 相比，二者优劣长短如何。观看 F-22A 试飞视频超音速性能超音速巡航能力说到超音速性能，首先要提到的就是超音速巡航能力。超音速巡航这个概念，对于航空爱好者来说并不陌生。但由于许多媒体报道不甚确实，使得这一概念往往同“超音速飞行”等概念混同起来。超音速巡航能力实际上是指飞机无需开加力而以较高的超音速巡航飞行的能力。在这一概念中，有两点必须明确：1）无加力；2）较高超音速。对于第一点，笔者曾经不止一次看到有文章提到米格-25/31 的“超音速巡航能力”，实际上这两种飞机不过是在机内载油量极大的基础上开加力实现较长时间的超音速飞行罢了。对于第二点，往往被人忽略，认为只要不加力，飞行 M 数超过 1，就可以称作超音速巡航了。英国人在介绍他们自己的“闪电”截击机的一篇文章中就提到，该机不加力 M 数达到 1.01，因此算是世界第一种实现超音速巡航的飞机。随着发动机技术的进步，一些第三代战斗机已经可以在无外挂条件下，不开加力在跨/低超音速区飞行（M0.9M1.3，一般只能略超过 1，尚未接近上限）。这些飞机也算不上实现了超音速巡航。2002 年 1 月 8 日，“猛禽”4003 号在 Edwards 基地上空以超音速状态试射“响尾蛇”导弹作为第 4 代超音速战斗机的划分标准之一，超音速巡航如果这么容易就被第三代、甚至第一/二代超音速战斗机实现，那么这条标准早就可以扔进垃圾堆了。上述两点只是量化衡量的标准，而不是超音速巡航的实质通过先进的气动设计，大幅降低超音速零升阻力系数，提高超音速升阻比，结合大推力低油耗发动机，飞机超音速性能实现阶段性的飞跃，这种优越性能的冰山一角就是超音速巡航，这就是它的意义所在，也是它能够成为分代标准之一的原因。如果只盯住量化标准，而不考虑背后的实质，恐怕会失之偏颇。试想一下，假如 F-15 可以装上 F119 发动机，那么不加力 M 数或许可以达到 M1.2 或更高，但它的超音速性能却绝对比不上 F-22，因为它的气动设计仍然是第三代战斗机的水平。那么超音速巡航可以为 F-22 带来什么样的战术优势呢？就这个能力本身来说，它的优势一般体现在拦截和超视距空战中。如果你正处于攻击态势，或者说，你正驾驶你的猛禽去拦截入侵者，那么超音速巡航能力将大大提高你的接敌平均速度，外推拦截线，在对手进入武器射程之前就对其实施攻击。而高达 M1.5 以上的巡航速度，将赋予你“先敌开火，先敌击落”的优势。例如，当载机速度从 M0.9 提高到 M1.5 时（这里假定载机具有高度优势），AIM-120 阿姆拉姆的动力射程也增大了 50%。从一架以 M1.5 飞行的 F-22 上发射的 AIM-120，其初速度要快得多，更多的燃料可以用在后续航程中，因此可以在比原来的距离远 50% 的地方击中目标。如果超巡能力再结合 F-22 自身的隐身能力、AN/APG-77 雷达以及具有无源定位能力的 AN/ALR-94 电子对抗系统，可以说，F-22 已经具有飞行员梦寐以求的在超视距空战中“先敌发现，先敌开火，先敌击落”的优势。好了，现在假定你的 AIM-120 已经进入自导段，或者你的猛禽很不走运地被对方锁定了（当然如果出现这种情况，那么你大概需要回内利斯补课了），那么你需要做的就是脱离对方导弹的有效攻击范围。只要你不是迎着导弹上去，那么你的任何机动都会导致对方导弹攻击范围的缩小事实上是导弹发射瞬间的总能量与猛禽的总能量之差决定了这个范围的大小。而超巡能力结合超音速机动能力，可以令你的猛禽在防御机动中保持较高的能量状态，从而大大压缩对手的开火距离和导弹的有效攻击范围。在这种情况下，你的生存几率比以亚音速机动的飞机要高得多。在和 F-15/F-16 的对比试飞中，如果 F-22 不想和它们纠缠而加速脱离的话，那么鹰和战隼无论如何也追不上具有超巡能力的猛禽尽管这些优秀的第三代战斗机已经采用了半油构型，以尽可能提高飞行性能，但结果仍然相同：猛禽能够将这些具有“优良”气动力设计的飞机远远甩开。采用 F100-110/129/229 发动机的 F-16 在初始加速突破音障阶段还不会落后猛禽太多。但当猛禽进入高马赫数超巡状态后，这场竞赛实际上就结束了。没有哪种飞机可以和猛禽比超音速续航力的。进行追击的 F-16 和 F-15 在加挂典型战斗载荷后，无论是在加速段还是在持续巡航段都无法跟上猛禽。对此，F-22 首席试飞员保罗梅斯回忆说：“我们的试飞任务总是受到追击飞机油量的限制。一句简单的“Bingo”就会迫使我们减速，然后把追击机带到加油机那里加油。而此时猛禽的油箱仍然是剩下很多燃油。如果这种下一代战斗机在面对今天的飞行器没有表现出明显优势的话，我会成为坚定的反纳税者。猛禽在很多方面都很出色，而一架超巡中的猛禽更是相当出众的。”除了空战外，如果需要 F-22 穿越对手的防空体系，超巡能力同样可以提高其生存力。道理和前述并无二致：穿越防空系统传感器探测范围的时间越短，留给防空系统的反应事件自然越短。猛禽的巡航速度越高，截击就越困难，防空系统攻击范围减小幅度也越显著。无论是尾追还是前置拦截，高速度都显著缩短了有效射击时间，因为导弹必须追击一个高速目标，而相对角速度太大使得它不得不在急转弯中消耗能量。加速/爬升性能在超音速巡航能力的背后，隐藏着这样一个事实：猛禽的发动机推力大而阻力小，在考虑飞机重量因素后，其单位重量剩余功率（Ps，其绝对值等于同等状态下飞机的爬升率）相当惊人。发动机是重要因素之一。F119-PW-100 最大推力 97.9 千牛，加力推力 155 千牛，可靠性高，可以忍受油门的剧烈变化，堪称战斗机的理想动力。带固定斜板的进气道在设计上偏重于考虑超巡的要求，在设计巡航速度下具有较高的效率和较小的阻力，飞行包线右端的加速性能和 Ps 都明显改善。对于 F-22 来说，限制其最大速度的因素不是发动机推力，而是包括机体强度在内的其它因素特别是在低空。为了避免飞行员无操作导致飞机超出最大速度限制，F-22 已经加装了最大速度提示和警告系统，以便当飞机接近极速限制时提醒飞行员。安装矢量喷管的 F119-PW-100而阻力小的特点主要得益于两方面：优良的气动设计（在设计上特别考虑了超巡的需要，在 M1.5 的设计速度附近和 40,000 英尺高度条件下，总阻力最小）和内置弹舱设计。可以对比一下 F-15。F-15 号称冲刺速度可以达到 M2.5，但那是在净形条件下。在挂弹后，由于干扰阻力增大，该机最大 M 数仅有 M1.78，在接近 M1.7 的时候加速性严重下降。而 F-22 在这方面的表现就要好的多。按照试飞员的说法：“在所有高度上，以军用推力或者更小的推力进行水平加速非常容易，但要是使用全加力，其加速度简直令人惊骇。我希望我可以用数字来说明，不过它们现在仍然是保密的。使用军用推力，在接近音速时随阻力上升，加速性有些下降，但突破音障仍很轻松。猛禽以军用推力跨音速飞行，感觉上和 F-15 开加力差不多。打开全加力，猛禽的加速性变得稳定而强劲。在 M0.97M1.08 之间，飞机有轻微抖振。之后，直到最大速度，猛禽的加速一直保持平稳连续。试飞时，我们喜欢尽快进入超巡状态，以最大限度地利用我们狭小的超音速空域。我们开加力进入超巡，当达到测试条件时收回油门。现在很多高速试飞已经转移到太平洋导弹靶场（Vandenburg 空军基地和 Point Mugu 海军航空站之间）进行。我们在这里有更长的直线飞行空间，并可以将音爆对当地居民的影响减至最小。”爬升能力方面，F-22 也相当不错。传统的战斗机快速爬升时是采用鲁特斯基爬升曲线。它们先以亚音速爬升到对流层顶（约 36,000 英尺），然后再加速到超音速进行爬升。对猛禽而言，就可以省掉这些复杂的曲线，直接从跑道上拉起加速，转入超音速爬升。“这家伙简直就象是为高速飞行而生的。”保罗梅斯如此评价。超音速盘旋能力超音速机动性能是 F-22 的设计重点之一，也是该机与第三代战斗机的“代差”标志之一。除了前述超巡、超音速加速/爬升性能外，超音速状态下的盘旋能力也有明显提高。有资料称，该机在 M1.7 时稳定盘旋过载可达 6.5G。考虑到 F-15 在同等条件下盘旋能力远逊于此，而苏-27 在 M0.9、中空才达到这个水平，不能不说这是一个相当惊人的进步。能够达到如此之大的超音速盘旋过载，发动机是一个重要原因，而同样重要的还有飞机的超音速升阻比和配平能力。关于升阻比，不难理解。要拉出足够的过载，机翼就必须产生相应的升力，伴随而来的就是诱导阻力的急剧增大（诱阻系数与机翼迎角平方成正比，与机翼展弦比成反比）。如果诱阻系数太大，诱阻增长极快，那么很快就会抵消发动机的剩余推力，飞机虽仍可能拉出较大过载，但发动机推力已不足以维持稳定飞行，当年的幻影 III 瞬时盘旋性能好而稳定盘旋性能差，正是为此。以现代航空技术水平而言，要设计出具有高升阻比的机翼或者具有良好超音速性能的机翼均非特别困难，但要将两者合而为一却非一日之功。这也是 F-22 足以自傲的一点。而配平能力则往往容易被人忽略。机翼的高升力是拉出大过载的基础，但升力越大，产生的俯仰力矩也越大。如果飞机自身不能提供足够的俯仰配平力矩，那么要么进入上仰发散状态而失控，要么被机翼升力产生的低头力矩压回去，无法拉到需要的迎角。特别是在超音速条件下，飞机焦点大幅度后移，机翼升力产生的低头力矩相当大，进行超音速机动需要更强的配平能力。以超音速性能著称的米格-25，就是由于配平原因而无法进行较大过载的超音速机动该机超音速平飞时，平尾偏转就已接近极限，能用于超音速机动的余量相当小，所以虽然机体可以承受更大的载荷，但 M2 时的最大盘旋过载仅有 3G。要解决配平问题，一是大幅放宽静稳定度，将飞机焦点前移。这样超音速飞行时飞机焦点虽然仍会后移，但距离重心近，产生的低头力矩相对较小。不过，这样一来飞机在亚音速大迎角机动时同样会面临配平问题这次是配平机翼产生的抬头力矩。被媒体过分渲染的近耦鸭式布局，由于鸭翼距离重心较近，配平能力不足，F-16 的总师哈瑞希尔莱克就曾说过：“鸭翼最好的位置是在别人的飞机上。”广为人知的 LAVI 战斗机就始终未能解决大迎角配平问题。因此，在当年 ATF 方案论证时虽然出现过不少鸭式布局方案（老航迷们应该还记得 80 年代采用鸭式布局的“YF-22”的想象图），但 F-22 最终还是选择了具有较强配平能力的正常式布局，纵向静稳定度也大幅放宽。解决配平的另一个途径是采用推力矢量控制（TVC）技术。采用 TVC，其主要优点有：在气动操纵面基础上又增加了一个配平手段，配平能力自然大幅增强；高速飞行时气动操纵面偏转将产生极大阻力，而采用 TVC 可以起到同样的操纵效果却无需偏转操纵面；TVC 并不仅仅是偏转推力矢量而产生法向分力，强大的发动机喷流将在后机身形成引射作用，产生新的“升力”增量，同时参与配平。F-22 的超音速机动性大幅提高，TVC 技术功不可没。处于全开状态的 F-22 尾喷管就超音速盘旋本身的特点