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[图文]日本心神级先进技术验证机

热度108票  浏览359次 【共0条评论】【我要评论 时间:2010年1月03日 23:28

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日本心神先进技术验证机

日本防卫厅技术研究部于2006年11月9日展出的先进技术验证机日前被正式命名为“心神”,并正式进行了公开。此次公开吸引了大量的媒体,同时航空自卫队也表示,航空自卫队已经注意到了未来空战环境需要新一代战斗机具备所谓的“F3”能力。即“首先发现(First Look)”、“首先攻击(First Shoot)”和“首先摧毁(First Kill)”,而新的“心神”先进技术验证机正是瞄准这一目标而进行设计的。

  日本防卫厅技术研究本部认为。下一代战斗机首先必须具备的自然是隐身性。而高机动性也是取得空战胜利的必备条件。然而这两项性能对于飞机外形的要求是矛盾的,简单说隐身性要求飞机外形更趋于棱角――将雷达回波尽可能集中在有限的方向,而高机动性则要求飞机外形更趋于圆滑――避免空气从机身表面分离。而“心神”的开发正是为了研究如何调和这两个性能带来的设计上的矛盾,同时让新一代战斗机同时兼备这两个赢得空战的必备性能。

  虽然这两项性能在设计上互相牵制纠缠,但是“心神”验证机的这两个部分设计是分别由两个部门进行的。其中高机动性的研究工作由日本防卫厅技术研究本部第3技术开发室完成,该项研究在2000年就已经开始,按计划将于2008年末结束;而隐身性方面的研究则由“心神”项目的主要合同单位――三菱重工承担。

  三菱重工为了实现飞机的低可探测性能,因此在外形设计上参考了目前唯一投入服役的标准四代机F-22,采用了并列双发双垂尾正常布局。

  根据上一代隐身理论,飞机的主要轮廓线和机身开口接缝线应该相互平行,以尽可能将雷达回波集中在有限的方向上,使得敌方只能在特定方向探测到自己。F-22正是在这一理论成熟的时候诞生的“心神”也参考了这些,采用了带附面隔层道的carret进气口。鉴于F一35的鼓包式进气口早已经进行过试验,而“心神”仍旧在进气口内侧设计有附面层隔道。很显然是为超声速飞行性能考虑的。其他诸如梯形主翼.外倾式梯形双垂尾等均与F一22如出一辙。这个外形也令很多人在看到“心神”第一眼后会认为这不过是继“猛禽斯基”后的“倭猛禽”罢了。平尾的轮廓倒还算有意思,前缘与主翼前缘相垂直,而折线形后缘外侧与前缘平行,内侧则与主翼后缘平行。不但保证了足够的气动效率,提高了隐身性,同时还扩大了机背通讯天线及其他天线的工作范围。不过这一设计也不是“心神”首创。

  “心神”在气动外形上与F一22的最大区别主要在于类似F一1 6的气动侧板,这一将主翼和平尾有机结合成一体的气动侧板有效提高了飞机的控制效率,同时后端与平尾相接,使得控制效率进一步提高。这种结合了F一16和F-35各自特点的气动侧板虽然在很多国家的方案中并不鲜见,但是将其付诸于实施的还只有“心神”。 F一22还有一个设计亮点,就是在进气口端上部外侧各有一个三角形的突起,这个突起上表面与机身连成一体,下表面则于进气口有一个折角。这个设计非常巧妙,极好地保证了飞机的隐身性以及进气口的要求,同时起到了边条/前翼的作用,能够在大迎角状态产生涡流提高主翼升力。而“心神”并没有采用这一设计,而是直接在进气口外侧伸展出边条,然后与气动侧板相接。这种结构简洁,而且与F一22的设计相比,“心神”的设计保证了飞机机身对面积律的要求,结合其进气口采用附面层隔道设计,说明“心神”非常强调跨声速/超声速特性。

日本心神先进技术验证机全尺寸模型

  不过“心神”的设计有一点必须特别注意,就是在主翼前缘襟翼内侧有一个非常有意思的“闭合锯齿”设计。肉眼平视非常难以注意到这个结构,该设计也算巧妙而有意思。这一设计类似于米格~23主翼前缘的锯齿结构,起到类似于翼刀的作用,用于控制失速气流的扩展,能够提高飞机的可控迎角范围。很多飞机都采用了这一设计,但是此设计的最大缺点就是其独特的凹口会大幅增加飞机迎风面的雷达反射面积,这对于现代战斗机来说是非常致命的。而“心神”为了获得更高的机动性、更大的可控迎角范围,因此毅然采用了锯齿设计,而与常规锯齿不同的是,“心神”的锯齿前端向内收拢与机身相接,整体形成了一个闭合的锯齿结构,挡住了前向雷达波直接进入锯齿内,这一设计目前还是只见于“心神”,不过这一设计是否真的能提高隐身性,以及气动效率具体如何,还有待进一步试验。

  三菱重工除了要进行低可探测性机体形状设计的研究外,还要进行IFPC技术的开发。IFPC是指综合飞行/推进控制(Integrated FIight Pro―pulsion Contr01)技术,主要用于在飞机通过气动操纵面无法控制飞机姿态的失速范围内,通过对推力的控制来操纵飞机的控制技术。不仅如此,为了使整个系统性能最优和稳定性最好,就必须对各个部分综合控制,即一体化控制。对于进气道、 发动机及喷管的综合控制称为航空推进系统综合控制,简称cs;对于飞机与推进系统综合控制称为飞行/推进系统综合控制,简称IFPC。通过IFPC的实现,飞控、推进等系统也将演进成为一种一体化的、智能的、综合了各种飞机控制能力并与指挥、控制、传感、导航、攻击等系统高度综合的飞机。同时,在整个飞行包线内最大限度地满足飞行任务的要求,以满足推力管理,提高燃油效率和飞机的机动性,有效地处理飞机与推进系统之间耦合影响及减轻驾驶员负担等项要求,从而使系统达到整体性能优化。

  作为IFPC的一个重要组成环节,“心神”采用了推力矢量喷管。而该喷管区别于苏一37的圆截面三维推力矢量喷管和F-22的矩形截面低可探测二维矢量喷管,而是类似于美德合作的X一31所具有的三片折流板矢量操纵方式,比较特别的是“心神”的矢量折流板带有锯齿,有可能是为了降低雷达探测性而设计的。

  毫无疑问,X一31项目是目前有人战斗机最强机动性的代表,这一项目诞生于1986年6月,美国和当时的联邦德国政府签订了一份关于联合进行“增强战斗机机动性”(EFM)计划研究的谅解备忘录,该计划由美国国防部高级研究计划局牵头,联邦德国国防部的技术计划部门以技术合作的方式参与该计划,为该计划的发展研究机就是X一31“增强战斗机机动性”验证机,该机主要用来研究提高近距空战格斗能力的方法。而X一31最具特点的就是折流板矢量喷口,3块碳一碳导流叶片绕发动机圆周对称配置,每枚导流叶片的受高温区都包敷着碳化硅面层,且均由单独的作动装置驱动。通过偏转导流叶片来提供俯仰和偏航所需的控制力。最大偏转角度为35度,折流板矢量喷管不像二维和三维推力矢量喷管那样包覆住喷流,因而在大多数情况下最大只能将气流方向改变15度,而在某些低能量状态以及发动机尾喷口面积较小的情况下气流改变还达不到15度。而且折流板推力矢量控制方式的缺点是相当明显的,首先它的导流叶片在同时偏转一定角度以上可能发生相互碰撞,因而必须在控制软件中做适当的设置,这会导致该机推力矢量的控制律和与飞行控制系统的结合相当复杂;其次是导流叶片本身的使用能力问题,X-31的折流板内偏5度仅仅10秒后就必须外转10度冷却15秒才能再次使用.最后是折流瓣式偏折喷口的固有缺点――推力损失问题,X一31A在导流叶片的偏转角度超过10度时推力开始明显损失,偏转至25度时推力将损失700千克力左右。

  不过尽管推力矢量控制方式有种种缺点,但是“心神”仍IEl决定采用这一矢量控制技术,一方面是结构简单,不用面临开发额外的且日本从未接触过的结构复杂的俄式三维矢量喷口,同时也不像F-22的二维矢量喷口那样不能对偏航方向作控制;另一方面,折流板技术是美国的现成技术,即使是双发动机同时采用折流板也在F/A一18 HARV上进行过验证,而X-31所验证的技术本来就是用于移植的,因此在结构设计以及控制软件上,日本都可以直接从其盟友美国身上获取。毕竟日本要试验研究的是控制技术而不是结构制造技术。对于日本来说,制造一个机器并不困难,不必因此浪费时间而导致“心神”计划的拖后。

  除此之外,三菱重工还要同时展开“灵巧蒙皮(Smart Skin)”的试制。灵巧蒙皮主要是指用于机身制造的一种重量轻且强度高的新型复合材料。这种全新材料的试验工作计划将于2011年完成。

  “心神”先进技术验证机起飞重量约为8吨,所装备的两台日本国产XF5-1涡轮风扇发动机总推力能够达到10吨,飞机起飞推重比为1.25。采用了新型灵巧蒙皮的“心神”还将进一步降低重量。除了灵巧蒙皮之外,“心神”还将要验证实现IFPC能力的矢量喷口.多功能主动相控阵雷达以及类似于F一35的综合光电搜索瞄准系统。如果一切顺利的话,全状态“心神”验证机将于2014年进行首飞。

  在目前已经投入部队服役或正在进行试验的新一代战斗机中,多为类似于苏--35/37一般强调高机动性,或如F一22一样侧重隐身性的飞机。而日本则希望自己新一代的纯国产战斗机能够借助低可探测性外形和IFPC成为领先于世界的新一代万能战斗机。

韩国四代战机另一方案,采用了独特的鸭主融合设计

韩国第四代战斗机KFX01方案模型

  鸭翅“鲜猛禽”

  2006年,一份未经证实的所谓“韩国绝密军事情报”中称,2007~2018年间。韩国国防部和韩国空军将投资120亿美元用于研发并批量生产韩国的下一代战斗机KFX。与此同时,一种涂刷着韩国空军机徽的具备四代机特征的战斗机模型开始慢慢被外界知晓。

  目前外界能看见的只有几个该方案的展示模型和风洞模型,细节不很明了。从外形上看该机不像一个正式方案,其实倒更像是一个年轻人对韩国空军未来主战机种的想象和憧憬。该机采用了曾经一度非常时髦的鸭式布局,同时糅合了很多F一22的特征,不过机身非常短粗,整体感较差,因此不太像一个正式的方案。就拿其整体式座舱盖来说,就说明韩国人对这个设计没有诚意,至少说明这个模型不精确。为了方便表述,该方案暂且称为KFX01。

进行电磁波反射特性试验的心神验证机

  KFX01采用了鸭式布局并列双发外倾式双垂尾设计。飞机的前翼、主翼以及垂直尾翼均为梯形,前缘后掠角稍大而后缘前掠角较小。均互相平行。

  飞机主翼设计有前缘襟翼和后缘襟/副翼,相对于其短胖的机身而言,翼面积较大,配合该模型令人咋舌的挂载,很显然韩国的方案更注重该机的多用途、甚至是对地攻击能力。毕竟朝鲜目前尚没有合适的空中优势战斗机与韩国争夺制空权。而韩国的最大威胁同时也是最主要的目标是朝鲜地面装甲部队以及无数隐藏在山间林内的所谓“长程大炮”阵地和弹道导弹发射架,这就促使韩国的各种作战飞机十分强调快速反应、快速突防和准确对面打击能力。目前韩国的这个新方案也强调了这些功能,巨大的翼面积使得该方案能够挂载更多的武器,不过太小的翼载荷实际上并不利于飞机的低空突防性能。梯形主翼直接安装在机身上,没有什么特别之处,而为了让气流流动得更为平缓,主翼前后缘内端与机身之间均有平滑过渡。这种设计在新一代飞机中仅见于法国“阵风”战斗机。

  KFX01的前翼也为梯形,这是个比较少见的设计,可能是为了隐身性考虑。但是没有上反角,而且与主翼在同一平面上而不是高于主翼。这种设计可能只能保证其仅具备对飞机的俯仰控制能力,但是对主翼的增升――近耦前翼的优点――恐怕贡献不大,之所以如此设计恐怕还是和降低飞机的可探测性有关。有意思的是前翼后缘内侧有一个非常微小的折角,不太清楚这一设计的目的。“阵风”战斗机的前翼也有一个类似的折角,但是该折角缺口是为了避免前翼动作的时候与初身发生干涉,是一个消极设计。而韩国新型战斗机方案的前翼安装在与主翼同一平面上,动作的时候不会与机身发生干涉,而此设计的具体目的尚不明了。不过这个折角仅在一个模型的一张照片中见到,其他模型的前翼都不存在这个折角,其中原因也尚不明确,可能照片曾被修改。

重新组合的心神先进技术验证机,注意机身上的锯齿开缝。

  该方案的尾翼设计相当令人费解。直接安装在机身上的两个外倾式垂直尾翼完全起不到对喷口红外特征的遮挡作用,在这一点上还不如某些三代机考虑得周全。而且过于靠前、靠内的垂直尾翼在飞机大迎角飞行时完全处在其巨大的主翼遮蔽下,在这些从主翼分离的扰流内两个垂直尾翼将完全丧失效率,而该机没有腹鳍,也没有证据证明其采用了能够进行偏航操作的矢量控制喷口,如果没有其他特别设计的话,该机的可控迎角范围会很小,这将极大影响其机动能力和起降滑跑距离,同时自然也丧失了采用鸭式布局的优点。唯一优点可能就是强度比较好。

  韩国的这种KFX01方案的挂载能力相当可观,虽然该机量级应该不大,但仅是在翼下就吊挂了两枚大型防区外对地攻击武器(可能是布撒器)、两枚常规对面攻击导弹和四枚中距空空导弹(长短两种型号?),在机身弹舱内则装载了两枚短距格斗导弹和两枚卫星制导炸弹。看上去该机同时展示了其防区外打击挂载配置和隐身突防挂载配置,可以说火力相当强。其翼尖挂架很有特点,既不像F-16那样将挂架直接安装在飞机翼尖,也不像苏一27一般将挂架竖直安装在翼尖,而是从在翼尖直接安装了一个常规挂架,该挂架与主翼形成了一个90度的夹角,作用类似于翼稍小翼,但是却对飞机的隐身性能有消极作用。

  需要特别指出的是。韩国KFX01方案机身表面的横向开口、接缝以及起落架/弹舱等可开闭舱门均与飞机纵轴线相垂直,而不是像常规隐身飞机那样采用锯齿设计,这将大大影响该机的隐身性能,使得该机低可探测性的象征意义远远大于实际意义。不过也不排除该模型忽略或隐藏掉了一些关键细节,毕竟锯齿接缝设计是第四代战斗机的一个基本特征。

  为了保证对地面雷达的低可探测性,KFX01的机头为带棱角的五边棱锥,而不是类似于F一22的圆弧形截面。这种棱锥风格更加接近F一117,这更证明了韩国的四代机非常强调对地纵深攻击能力和突防能力。但是这种带棱角的机头与融合体机头相比对飞机的大迎角飞行轴向稳定性贡献小。加上其粗短的机身、奇特的垂尾位置以及没有腹鳍和三维矢量喷口,其大迎角飞行能力实在很令人担心,在这种情况下采用鸭式布局的唯一理由就是: 发动机太重,而不是我们想象的缩短起降滑跑距离或提高机动性和敏捷性。

  属于是否不过目前可以看到的韩国第四代战斗机方案不止这一种,在一块F-50(T-50的单座战斗机发展型)的展板上,我们意外地发现了另一种韩国四代机方案。仅从图上看,该方案可能是一种类似于“倭猛禽”的“鲜猛禽”。在外形上应该比F-22小。通俗说是一种采用了DSI进气道的F一22,或者说是一种F-35的双发型,姑且称之为KFX02。

日本心神先进技术验证机示意图

  由于现在KFX02的细节尚不明了,再加上外形上平淡无奇,目前对KFX02的外形及性能都没有什么讨论的意义和基础。现在我们需要讨论的是,如果韩国能够购买到F-35的话,那么它有什么必要研制一种外形、量级、用途都和F一35一样的飞机呢?首先需要明确的是在未来韩国没有理由无法获得F一35,韩国在美国洛马公司的帮助下完成了T一50高级教练/攻击机的研制和生产,同时获得了打击能力超群的F-15K,甚至能够使用JDAM,这足以说明其在美国亚洲战略棋盘上的地位。那么韩国如果想要F-35,那只是时间和金钱的问题。

  那么我们只能比照T一50的模式,来推测这个尚不能证明其存在的KFX02。如果这个方案是真实的,我们可以回顾一下,韩国的F-16很早就具备了成熟的战斗力,并拥有一定的对空和对地攻击能力,但是韩国在洛马的帮助下仍旧不遗余力地开发了一种和F-16很像。但是性能更差的T一50。而根据展板的标示――“T-50一F-50一KFX02”――仿佛在说明KFX02是发展自T一50的。当然这肯定不可能,就像F-22不可能直接发展自F一16。KFX02只有可能是参照T-50的合作模式,生产一种有改动的F-35韩国生产型。这种“韩版'闪电II”'可能将装备两台韩国在这两年“自行”研制生产的国产发动机。甚至干脆就直接安装F404发动机(相信美国不可能输出F135的关键技术),同时改装韩国在这两年“自行”研制的航电火控系统,同时能够发射韩国产各式武器。这样一方面韩国可以借助美国的帮助一举跻身拥有先进战斗机研发生产能力的国家、拥有第四代战斗机。而且一旦爆发战争,韩国还可以自行生产并改进这种包括发动机和火控在内完全国产化的飞机而不受牵制;同时美国一方面赚到了钱,另一方面还可以避免收到令自己为难的抗议。就像“鹰扬”计划一样。这已经成了一个美国式援助的标准模式。

  当然这一切都只是推测,毕竟无论在哪个国家,下一代战斗机计划毫无疑问是严格保密的。除此之外,还有一个我们可以称之为KFX03的韩国下一代战斗机方案。这个黑色的模型为三翼面前掠主翼四尾翼布局,机头修长。前翼的设计还颇有俄国内嵌式前翼的感觉一一与主翼融为一体(本刊曾有过介绍)。不得不承认这个方案有其帅气的一面。当然正是这股不同寻常的“帅气”为其蒙上了“爱好者”的阴影。目前没有证据确定该方案是否是官方的,在此不过多讨论。

  “猛禽”的阴影

  除此之外,同在亚洲的中国台湾和土耳其也出现了第四代战斗机方案,虽然没有证据证明这些方案的真实性,但是有一点是可以肯定的――“猛禽”之翼的阴影已经覆盖到了亚洲,随着日本关岛开始部署F-22战斗机,任何一个国家都感受到了巨大的压力。而仅靠数量优势是难以弥补技术代差的,加速四代机的研制,装备能够与“猛禽”匹敌的第四代战斗机以恢复军事力量平衡,才是维持和平的最好办法。

日本公开的心神验证机缩比模型

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