评美国的F-35战斗机计划

来源:百度文库 编辑:神马文学网 时间:2024/03/29 01:50:31
 

不知道在中国神话里玉皇大帝发起威来用的是什么兵器,在希腊神话里,主神宙斯发起威来,就抓起一把闪电丢下去,哪个倒霉蛋要是挨上一下,后果很严重。洛克希德飞机公司一定很喜欢这个口彩,把第二次世界大战中美国唯一从战前一直生产到战争结束的战斗机P-38命名为“闪电”。这架双发动机的重型战斗机不负众望,其累累战功中最出名的是在太平洋上的布干维尔岛上空把三本五十六的座机打了下来。进入喷气时代后,洛克希德的运气欠佳,在50年代并不太成功的F-104之后,一直要到90年代才连中两彩,接连获得F-22和F-35的订单,其中F-35被命名为“闪电II”。但是这一次,洛克希德闪电的光彩似乎暗淡了。

闪电是很厉害的兵器,希腊神话里的主神宙斯一发脾气,丢的不是杯碗瓢勺,而是闪电

第二次世界大战中,洛克希德P-38“闪电”是唯一从开战一直连续生产到战争结束的美国战斗机,更是应在布干维尔击落山本五十六的座机而出名。洛克希德用“闪电II”命名当代最重要的战斗机F-35就不奇怪了

 在美国的第三代战斗机中,F-15是主力,但红花还要绿叶扶,这就是高低搭配中的低端F-16。这哥儿俩在历次战争中一唱一和,唱出一台台好戏

 

 美国空军已经进入F-22时代了

F-16的位置自然由F-35来接替

 

从F-15、F-16时代开始,美国空军就采纳了高低搭配的概念,美国海军则用F-18和F-14配对。高档战斗机主要用于攻势制空和防空截击,低档战斗机在高档战斗机忙不过来的时候用于填补次要方向,但更重要的是用于承担对地对海攻击,把敌人的空军扼杀在地面上。对于没有那么财大气粗的盟国来说,美国的低档战斗机实际上在性能上足够满足主力战斗机的要求。比利时、挪威、丹麦、荷兰在F-16计划的初期就决定采购,用作主力战斗机,此后F-16在世界上25个国家生根开花,总产量达到4500架以上,成为战后最成功的美国战斗机之一。加拿大、澳大利亚、瑞士、芬兰等国则采用F-18。在 F-22时代,美国空军最终选定洛克希德F-35作为抵挡搭配,这是未来几十年里美国空军的低档战斗机,在F-22已经停产并被禁止出口的情况下,F-35也将是美国战斗机出口的基本力量。

 

但F-35不是单纯的F-16的替代。美国海军的F-18舰载战斗机需要替代,美国海军陆战队的AV-8B垂直起落战斗机也需要替代。作为F-16的替代,F-35应该简单、轻巧以适合大量部署,需要具有优秀的敏捷性和武器挂载能力;作为F-18的替代,F-35强调可靠和性能完善以适应航母上以一当十的特点,需要具有优秀的低空低速性能以适应航母起飞着陆的需要;作为AV-8的替代,F-35则需要具有垂直-短距起落性能,以在平甲板两栖作战舰艇和海军陆战队上陆后的前进基地简易起降场上使用。这些相互冲突的要求使本来以低成本、适度先进和现成技术为主要特点的F-35一步一步滑向了深不可测的泥坑。

F-16对于大多数国家已经不是轻型战斗机而是中型战斗机了,到了F-35时代,这轻型战斗机的起飞重量实际上已经接近苏-27了

不过F-35不仅要接替F-16,还要接替F-18和AV-8B,这问题就来了

出于规模经济的考虑,美国三军的下一代低档战斗机应该达成最大限度的通用化。战斗机升空后,三军的作战要求没有原则性的差别,航空技术的进步使同一基本战斗机的不同改型具有常规跑道起落、航母起落和垂直起落能力成为可能。就美国的航空技术基础而言,空军型的F-35相对简单。由于这是大头,在发动机上和F-22达成某种通用性是最合理的,F-15和F-16共用发动机是美国战斗机发展史上的一个里程碑,这个有效做法不能放弃。但这也决定了F-35将是单发的。美国海军在传统上偏好双发战斗机,但为迁就海军而迫使空军改用双发不现实,现代发动机的可靠性已经足够高,10年前美国空军的研究就表明,美国单发战斗机因为发动机故障而失事的机率不比双发战斗机高,所以美国海军的这种迁就是可以接受的。但舰载型依然需要对起落架和结构防腐作特殊处理,并且需要在气动上大大强化低空低速大迎角操控,以适应上舰需要。但最大的问题来自美国海军陆战队。

 

美国海军陆战队是一个独特的合成军种,具有有机的空中力量。海军陆战队航空兵和海军航空兵共同承担舰队防空任务,但主要任务是为上陆的陆战队提供紧密的空中火力支援。海军的舰炮在传统上提供对岸火力压制,但舰炮的射程、精度和威力都不能和空中火力支援相提并论。舰载飞机虽然比舰炮进了一步,但依然受制于航母的就近存在。60年代垂直起落战斗机在核大战的大背景下出现,“鹞”式战斗机是西方唯一修成正果的。“鹞”式可以在平甲板的两栖攻击舰上垂直起落,也可以通过倾斜跳板滑跃起飞或在陆上简易跑道上短距起落以大大增加载弹和航程,十分有利于伴随陆战队行动的空中火力支援,因此受到美国海军陆战队的青睐,成为美国历史上唯一引进生产的战斗机,并改进为AV-8B。作为AV-8B的替代,垂直-短距起落能力是美国海军陆战队最重要的要求,此外还要求具有超声速(AV-8B是高亚声速的)能力。但垂直-短距起落是航空技术的一个难关。

垂直起落时,向下的炽热喷流对甲板的烧蚀很厉害。“鹞”式的推力小,已经很麻烦,F-35的推力大,问题更大

 

作为重于空气的飞行器,飞机产生升力的奥秘在于机翼,但机翼依靠速度才能产生升力,跑道就是供飞机加速、产生足够升力以升空的途径。要摆脱跑道,实现垂直起飞,只能用发动机的蛮力产生直接升力。发动机垂直向下的推力产生直接升力好比垂直爬天梯,在前进中通过机翼产生气动升力好比走斜坡,虽然最终都可以上升到同样的高度,但走斜坡明显比爬天梯省力。换句话说,滑跑起飞比垂直起飞省力省油。“鹞”式的使用经验表明,垂直起飞在实际上使用很少,不光大大缩短航程、压缩载弹量,炽热的喷流还容易严重烧灼跑道或者甲板的表面。另一个问题就是喷流回吸的问题,喷出的贫氧高温气流在地面反弹,再次作为新鲜进气被吸入发动机,严重降低发动机效率,也增加磨损。苏军在阿富汗曾部署过雅克-38,用于近距支援地面部队,也出于这些原因,很快撤下了。另外,垂直起飞对飞行员的操作水平要求很高,稍有不慎,就有造成失衡的危险。滑跑起飞(包括弹射起飞)就相对容易。但垂直降落依然是必要的,美国海军陆战队的平甲板两栖攻击舰没有航母上的斜角下降跑道,为了不阻碍舰上飞机的连续出动,只有在起飞甲板后的空间垂直降落。垂直降落时,飞机已经轻载,也没有航程、载弹量的问题,不必太顾忌耗油问题,这些都有利于降低技术难度。AV-8B的替代因此没有追求垂直起落,而是短距起飞-垂直降落,简称STOVL。由于F-35需要三军通用,STOVL成为F-35这个木桶上最短的一块板,对F-35的整个计划起决定性的作用。

 

美国先进国防研究计划局(简称DARPA)在80年代就和工业界联手开始新一代STOVL技术的研究,其中波音的技术以英国用于“鹞”式的罗尔斯·罗伊斯“飞马”发动机为基础,采用机体重心四周的四个转向喷管实现一体化的直接升力和姿态控制。洛克希德则吸收了俄罗斯雅克夫列夫的技术,升力风扇和发动机转向喷口相结合,实现垂直升力和俯仰姿态控制,另外用两个横向的姿态控制喷嘴作横滚控制,但不产生升力。波音方案技术相对成熟,但飞机的整体气动布局受发动机喷口和机体重心的相对位置的限制很大,最后导致了波音X-32那不雅的尊容。波音方案依然有喷流回吸的问题,所以从压气机引出高压常温空气,从喷口和进气口之间的槽形喷嘴向下喷出,形成气帘,阻止喷流回吸。洛克希德方案采用一前一后两个直接升力来源,像用抬杠抬重物一样,控制力臂较大,有利于姿态控制的稳定性。由于升力风扇的排气是常温空气,在地面反弹回吸也不至于造成问题,在本质上解决了这个老大难。但洛克希德方案的难点在于如何把发动机的功率传送到升力风扇。

波音和洛克希德采用了不同的垂直升力的思路,波音(下)还是传统的偏转喷口,洛克希德(上)则采用单设的升力风扇,蓝色的是基本的涡扇发动机部分,橙色的是为垂直升力而增加的部分

升力风扇鼓出的是冷空气,极大地降低了废气回吸的问题,但动力传递就成了一大难题

 

洛克希德和DARPA的合作围绕着叶尖涡轮概念,也就是像溪流推动水车一样,用高压喷流吹拂风扇的叶尖,驱动风扇。这个概念很有吸引力,不需要机械传动的轴系和齿轮。但如果从压气机引出所需的高压气流,发动机效率将大大下降;如果从喷气流引出所需的高压气流,很难解决高温的喷气流在机体内转弯180度的工程问题,管道占用的空间、耐热都是问题。在努力多年之后,洛克希德放弃了这个方案,改用机械传动,从驱动风扇的转轴引出延伸,经过齿轮减速,驱动升力风扇。这个结构不仅沉重,还需要传送相当于驱逐舰推进功率的大功率,技术难度非常高,但洛克希德和普拉特·惠特尼最终解决了这个难题,这才有了今天的F-35。

 

由于飞机重量的不断攀升,F-35的发动机最终成为世界上单发推力最大的战斗机发动机 ,非加力推力就达125千牛,加力推力更是高达191千牛。但战斗机的推重比依然低于F-15或苏-27,对机动性不利,最大速度也只有1.6倍音速,甚至低于F-16和F-18。由于空军型不需要STOVL能力,升力风扇和传动系统的空间转用于额外的油箱,增加航程。空军型也拥有机内航炮,用于近距格斗。海军型除加强起落架和机体防腐外,大大增加了翼面积和襟翼,以提高低空低速性能。为了不使起飞总重过分增加以影响飞机的性能,机内航炮只好放弃,需要的话用外挂航炮吊舱。海军陆战队的STOVL型也是一样,只有外挂航炮吊舱,与其注重对地攻击的使命不大相符。

F-35的三个型号实际上已经貌合神离,有很大的不同,所以需要三个相互独立的试飞计划和生产线,极大地提高了成本,也降低了共用平台的好处

 

F-35最主要的要求不是绝对性能,而是低成本。F-35 的成本包括两个方面,一是基本航空技术,二是三军机型的通用程度。在设计初期,曾经有一个将海军型和海军陆战队型合并的想法,共用STOVL。对于海军来说,即使对有经验的老飞行员来说,在航母上降落也是很大的挑战。空军飞行员的资历是按飞行小时计算的,海军飞行员的资历则是按航母起降计算的。和起飞的情况相反,相对来说,在航母上垂直降落的难度和直升机降落相仿,要比拦阻索降落容易很多,并且有利于在降落之后马上腾出甲板,供后续飞机接连降落,这对维持很高的连续出动率尤其重要。STOVL的缺点则是重量、航程、机动性的代价,但成本反而由于和海军陆战队共用使得批量增大而不至于大幅攀升,提高的出动率等效地增加了可用飞机的数量,间接地进一步补偿了成本。但美国海军最终还是选择了单独研制CATOBAR(弹射起飞、拦阻索降落的缩写)的F-35,使F-35具有空军型的F-35A、海军型的F-35C和海军陆战队的F-35B三个独立的型号,需要分别研制、试飞、组织生产,大大增加了研发时间和成本,最终促成今天的困局。

 

至今,F-35的研发已经耗资600亿美元,按照乐观估计的5000架总产量,每架分摊的研发费用也要1200万美元。相比之下,B-2的研发耗资“只有”100亿美元。由于计划的拖延,生产准备闲置的成本也将打进单价,制造成本进一步上升,6月份美国总审计署估计单价为1.124亿。美国海军在对F-35的使用成本估算之后,得出结论,单发的F-35的使用成本比双发的F-18C要高出65%。这是因为隐身和先进电子设备都带来额外的维护要求。如B-2轰炸机,每飞行小时需要60小时的维护时间,每7年需要一次为期13个月的全面翻修,使得每个月的维护费用就高达340万美元。F-35当然没有那么极端,但使用费用也是不菲。因此美国海军有可能削减F-35C的采购,转而采购成熟而且是双发的F-18E,或者用无人机补足。美国空军原打算采购1763架,现在也降低到“至少1500架”。美国海军陆战队为了保住本来就不多的F-35B的产量,婉言拒绝了海军的F-18G电子战飞机,坚持用缺乏专用的特种设备的F-35担任同样的任务。F-35本来是准备接替F-16的出口市场的,F-35总产量中的60%来自预计的出口订单,但这样的天价买得起的国家不多,出口订单大幅度萎缩难以避免,将进一步推高F-35的单价,最后实际单价估计要上涨到1.5亿美元以上,大大超过F-16,甚至超过被公认为昂贵的F-15最后型号。

 

F-35的压力还不仅于此。1991年的海湾战争揭示了未来战争的两个重要动向:精确制导武器和无人机。当年的人们没有意识到的是,20年后,精确制导武器的白菜化和无人机的武器化极大地改变了未来军兵种的走向,对未来战场和武器系统发展带来深刻影响。

 

传统武器射程的增加使精确命中的挑战同步增加。精确制导武器的出现改变了这一切,尤其是末端制导武器,使命中精度和射程无关。另一方面,大大提高的精度使武器的实际威力获得极大的提高,一枚直接命中的155毫米炮弹可以轻易地掀掉坦克炮塔,但同样一枚炮弹如果在离坦克50米远的地方爆炸,就只能刮掉一点油漆了。传统上,和空中火力支援相比,炮兵的射程和威力有限,空中投放的炸弹不仅“射程”取决于飞机,重量和威力远远大于炮弹,精度也不受航程影响,投弹精度在离机场30公里和300公里处是一样的。由于近年作战行动频繁,美国空军的战术飞机大量老化,F-22的数量大大削减,F-35不仅削减而且推迟服役。美国空军在2008年预计,在未来10年里,将出现高达800架的战斗机缺口。但现在美国空军更新了对战斗机缺口的预计,现在预计到2024年前,将出现185架战斗机的缺口。依然短缺,但缺口大大缩小,如果F-35计划在未来几年里得到加速,还可以完全避免缺口。为什么呢?

采用现代技术翻新后,现有战斗机的使用寿命大大延长,也降低了对F-35的迫切性

美国空军正在翻修部分现有战斗机,采用新材料和新技术后,原本设计寿命为8000小时的F-15C/D可以延长到12000小时,原本设计寿命4000小时的F-16C/D也可以延长到8000小时,A-10则从8000小时延长到惊人的28000小时。如果必要,还可能召回部分新近退役但状态尚好的战斗机(美国空军的F-15A/B和F-16A/B已经全部退役,早期的F-15C/D和F-16C/D也开始退役,近期内准备再退役248架F-15C/D 和F-16C/D)填补空缺。但缺口缩小的关键在于精确制导武器,美国空军只需要少得多的架次,就能够完成对地攻击任务,护航和支援机群也相应减小。

 

另一方面,美国陆军大量采用精确制导炮弹和火箭弹,也减少了对美国空军的需要。美国陆军射程最大的炮兵武器是MLRS多管火箭炮。这种227毫米口径的重型火箭炮的射程可达70公里以上,采用GPS制导弹药后,可以在远距离上有效地实行精确打击,使过去需要几十发火箭弹才能覆盖的目标现在用单发就可以拔掉。对于步兵分队来说,120毫米的GPS制导炮弹不仅提供强大而且精确的伴随火力,还大大降低了所需携带炮弹的数量。武器化的无人机则从另一个方向侵蚀空军的传统地盘,用与陆军指挥链的有机结合和及时反应弥补火力和性能上的不足。陆军全程精确火力的普及大大降低了对空中火力支援的依赖,未来空军对地打击的重点可能要从近距离的直接火力支援向纵深的硬目标转移,这进一步降低了对战术飞机在数量上的需要,进一步增加F-35的控制单价的难度。

像SDB这样的精确制导使得武器的当量和数量不再像以前那么重要,战斗机出击的次数也因此减少

采用GPS制导后,火箭弹也能达到10米以内的精度,大大降低了空军近距支援的重要性

早在80年代,美国先进武器系统造价无节制攀升问题已经很严重,参议员山姆·纳恩和众议员大卫·麦柯德在1982年的国防预算法案审议期间提出附加案,要求美国国防部在项目超过预算15%的时候必须通知国会,自动启动重新评审过程。如果项目开支超过预算25%,则面临自动下马,除非国防部长能提出理由,证明这个项目对国家安全至关重要,涨价有合理的理由,没有项目管理不当,而且没有合理的替代方案。此后美国重大武器系统的研发多次触及纳恩-麦柯德法案的底线,但国防部都能提出足够的理由在国会过关,使得项目得以继续。下马的项目都是国防部的主动行为,不是被纳恩-麦柯德法案枪毙的。但这一次不同了,美国经济困难,上下都在寻找削减开支的空子;反恐战事像无底黑洞,吞噬了大量军费;国防部长盖茨着眼于反恐的当务之急,对传统战力的热情不高。F-35或许还是能最后过关,但可能会掉几层皮。F-35计划得超支现在预计将几达一倍,预计海军和空军将在2016年开始接受作战标准的F-35,海军陆战队还是坚持原定的2012年。为了控制项目开支,未来5年内F-35的生产计划将削减122架,其中30架的经费被转用于完成试飞和作战测试。但第一层被扒掉的皮自然是项目总管。

 

由于STOVL是F-35计划的短板,海军陆战队被指定为F-35计划的总负责,大卫·海因茨少将出任主管。他从排长干起,不仅在作战飞行中队干过,还干过海军试飞员和候补航天员,并任职于F-18、KC-130、AV-8B等项目办公室,还在美国国家指挥中心(美军的最高日常指挥机构)担任过作战部副部长,是作战、技术、管理的三栖专家。但他在负责F-35计划过程中,对严重超支、拖延负有领导责任,被盖茨撤职。接任的是海军中将大卫·范利特,他在1981年8月19日的锡德拉湾空战中,是“尼米兹”号航母上第41中队(代号“黑色王牌”)呼号为“快鹰102”的F-14战斗机后座飞行员,在战斗中击落利比亚苏-22战斗机,成为美国海军历史上第一次击落敌机的F-14机组成员。以后他成为前座飞行员、试飞员,负责过中国湖的海军空战中心武器和系统测试部门,后担任海军航空系统司令部司令。

范利特是1982年锡德拉湾空战中“快鹰102”的后座飞行员,后来自己也成为前座飞行员。这是“快鹰102”在战斗之后在“尼米兹”号的甲板上稍息

F-35这个烫手的山芋现在就交给了范利特,这是他以前接受奖状时的照片

范利特的任务艰巨。F-35计划的重组将耗资28亿美元,使F-35的服役时间推迟13个月,空军和海军的F-35A和F-35C推迟到2016年服役,海军陆战队的F-35B则于2012年服役。范利特最大的困难还是项目的成本控制。F-35的F-35的计划超支有两部分,一是洛克希克报价低于实际成本,但这种人为低价最终要转嫁到用户头上。美国军方曾经在F-14的研制期间实行过严格封顶的合同制,但格鲁曼由于过低报价、对研制困难估计不足和其他因素最终濒于破产,美国海军要么接受夹生饭的F-14,并坐视美国海军战斗机设计制造的半壁江山的消失,要么追加投资,后来还是走后一条路。F-35如果继续下去,也只有走这条路。洛克希德要是因为F-35超支而破产,对美国已经大大缩小的战斗机工业是毁灭性的打击,美国不能忍受这样的事情发生。F-35超支的第二个原因是计划大大拖延,2009年应该进行169次试飞,实际只进行了16次,总试飞工作量只完成了2%,大大落后于计划。这是项目管理的问题。

 

有意思的是,洛克希德方面也进行了人事调整,原本负责F-35计划的丹·克罗利升任洛克希德航空部执行总裁,原F-22计划总管莱利·劳森接手F-35计划,劳森的副手乔治·舒尔茨扶正。看来洛克希德方面并不认为F-35计划弄得一塌糊涂。

 

F-35还有一个发动机的问题。按照现在的设计,F-35采用由F-22的普拉特·惠特尼F119发动机发展而来的F135发动机。在美国的两大发动机公司之间,普拉特·惠特尼比较善于短平快,用较低风险推出适用的高性能发动机;而通用电气走豪华路线,追求技术完美和超前,但技术风险也较大。在F-16时代,美国空军在普拉特·惠特尼F100和通用电气F110之间鼓励竞争,引发了所谓“战斗机发动机大战”,其结果是两家的发动机技术最后都得益于竞争,而军方不仅增加了成本控制的选择,也扩大了技术基础。在F-35时代,通用电气联合英国的罗尔斯-罗伊斯,提出用落选的YF120发动机研发F136,作为F-35的备选发动机。YF120采用了变循环技术,在低速时相当于涡扇发动机,在高速时相当于涡喷发动机,理念超前,性能先进,但在F-22时代因为技术风险和时间关系落选。以YF120为基础研发F136不仅保住通用电气的战斗机发动机技术能力,也是英国等盟国的强烈要求。但美国总审计署的报告表明,五角大楼已经需要追加625亿美元以完成F135 的研发、采购(现计划2443台发动机)和生产,要是继续平行研制F136,将需要另外追加45-57亿美元(通用电器和罗尔斯-罗伊斯说只要追加18亿美元),只有竞争使发动机单价下降至少10.1-12.6%才有可能在整个项目的全寿命里回收平行研制的成本。五角大楼一直想把F136的计划下马,但F-35项目办公室不愿意,国会也屡屡通过拨款法案迫使五角大楼继续。在财政拮据的今天,奥巴马和盖茨都强烈反对继续研制F136的计划,奥巴马甚至威胁要是国会强加F136拨款,将否决整个国会拨款案,但海因茨不识时务地力主研制F136,为自己的棺材上钉下了最后一根钉子。取消F136的研制对制止F-35计划成本的进一步攀升的好处不言而喻,但对美国战斗机技术的前景投下了一抹阴影。70年代开始的F100对F110的大战带来了美国战斗机技术近40年的辉煌,从某种意义上说,F119甚至可算F100的超级大改。F136被扼杀不影响美国发动机眼下的继续辉煌,但光芒暗淡的日子或许就接近了许多。

美国三军给予厚望的F-35会成为失色的闪电吗?这是人们正在密切关注的问题

 

美国重大军用飞机的项目负责人通常是少将,本该在今年7月退役的范利特是第一个中将级项目负责人,就任需要国会批准,凸现F-35事关重大。这也难怪,2002年F-35计划正式启动时,计划预算是2320亿美元,现在暴涨到3824亿美元,超支幅度达到65%,战斗机单价从原来的6200万美元暴涨到1.124亿美元,其中纯粹制造成本从原来的5000万美元暴涨85%,达到9230万美元,时间上更是拖延了四年。说到估价,F-35项目办公室在两个月前提出项目总额3280亿美元的预估,但盖茨对F-35项目办公室根本失去了信任,另外组织了一个独立评估队伍估价,得出比F-35项目办公室更加悲观的预估。这个本来就数额最大的军购项目现在落得一团糟,盖茨怒而宣布扣下对洛克希德的6.14亿美元的付款,以惩治洛克希德的低效和混乱,另外调老将出马大规模整顿。说起来,海军陆战队通常轮不到主持作战飞机的研制,一般都是空军或者海军负责,但海军陆战队主持了V-22倾转旋翼直升机和F-35战斗机,两次都弄糟了,在美国海军陆战队传奇式的闪光形象上留下了令人尴尬的污点。

 

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