說到超音速性能,首先要提到的就是超音速巡航能力。超音速巡航這個概念,對於航空愛好者來說並不陌生。但由於許多媒體報道不甚確實,使得這壹概念往往同“超音速飛行”等概念混同起來。
超音速巡航能力實際上是指飛機無需開加力而以較高的超音速巡航飛行的能力。在這壹概念中,有兩點必須明確:1)無加力;2)較高超音速。對於第壹點,筆者曾經不止壹次看到有文章提到米格-25/31 的“超音速巡航能力”,實際上這兩種飛機不過是在機內載油量極大的基礎上開加力實現較長時間的超音速飛行罷了。對於第二點,往往被人忽略,認為只要不加力,飛行 M 數超過 1,就可以稱作超音速巡航了。英國人在介紹他們自己的“閃電”截擊機的壹篇文章中就提到,該機不加力 M 數達到 1.01,因此算是世界第壹種實現超音速巡航的飛機。隨著發動機技術的進步,壹些第三代戰鬥機已經可以在無外掛條件下,不開加力在跨/低超音速區飛行(M0.9~M1.3,壹般只能略超過 1,尚未接近上限)。這些飛機也算不上實現了超音速巡航。
作為第 4 代超音速戰鬥機的劃分標準之壹,超音速巡航如果這麽容易就被第三代、甚至第壹/二代超音速戰鬥機實現,那麽這條標準早就可以扔進垃圾堆了。上述兩點只是量化衡量的標準,而不是超音速巡航的實質——通過先進的氣動設計,大幅降低超音速零升阻力系數,提高超音速升阻比,結合大推力低油耗發動機,飛機超音速性能實現階段性的飛躍,這種優越性能的冰山壹角就是超音速巡航,這就是它的意義所在,也是它能夠成為分代標準之壹的原因。如果只盯住量化標準,而不考慮背後的實質,恐怕會失之偏頗。試想壹下,假如 F-15 可以裝上 F119 發動機,那麽不加力 M 數或許可以達到 M1.2 或更高,但它的超音速性能卻絕對比不上 F-22,因為它的氣動設計仍然是第三代戰鬥機的水平。
那麽超音速巡航可以為 F-22 帶來什麽樣的戰術優勢呢?就這個能力本身來說,它的優勢壹般體現在攔截和超視距空戰中。
如果妳正處於攻擊態勢,或者說,妳正駕駛妳的猛禽去攔截入侵者,那麽超音速巡航能力將大大提高妳的接敵平均速度,外推攔截線,在對手進入武器射程之前就對其實施攻擊。而高達 M1.5 以上的巡航速度,將賦予妳“先敵開火,先敵擊落”的優勢。例如,當載機速度從 M0.9 提高到 M1.5 時(這裏假定載機具有高度優勢),AIM-120 阿姆拉姆的動力射程也增大了 50%。從壹架以 M1.5 飛行的 F-22 上發射的 AIM-120,其初速度要快得多,更多的燃料可以用在後續航程中,因此可以在比原來的距離遠 50% 的地方擊中目標。如果超巡能力再結合 F-22 自身的隱身能力、AN/APG-77 雷達以及具有無源定位能力的 AN/ALR-94 電子對抗系統,可以說,F-22 已經具有飛行員夢寐以求的在超視距空戰中“先敵發現,先敵開火,先敵擊落”的優勢。
好了,現在假定妳的 AIM-120 已經進入自導段,或者妳的猛禽很不走運地被對方鎖定了(當然如果出現這種情況,那麽妳大概需要回內利斯補課了),那麽妳需要做的就是脫離對方導彈的有效攻擊範圍。只要妳不是迎著導彈上去,那麽妳的任何機動都會導致對方導彈攻擊範圍的縮小——事實上是導彈發射瞬間的總能量與猛禽的總能量之差決定了這個範圍的大小。而超巡能力結合超音速機動能力,可以令妳的猛禽在防禦機動中保持較高的能量狀態,從而大大壓縮對手的開火距離和導彈的有效攻擊範圍。在這種情況下,妳的生存幾率比以亞音速機動的飛機要高得多。
除了空戰外,如果需要 F-22 穿越對手的防空體系,超巡能力同樣可以提高其生存力。道理和前述並無二致:穿越防空系統傳感器探測範圍的時間越短,留給防空系統的反應事件自然越短。猛禽的巡航速度越高,截擊就越困難,防空系統攻擊範圍減小幅度也越顯著。無論是尾追還是前置攔截,高速度都顯著縮短了有效射擊時間,因為導彈必須追擊壹個高速目標,而相對角速度太大使得它不得不在急轉彎中消耗能量
在超音速巡航能力的背後,隱藏著這樣壹個事實:猛禽的發動機推力大而阻力小,在考慮飛機重量因素後,其單位重量剩余功率(Ps,其絕對值等於同等狀態下飛機的爬升率)相當驚人。
發動機是重要因素之壹。F119-PW-100 最大推力 97.9 千牛,加力推力 155 千牛,可靠性高,可以忍受油門的劇烈變化,堪稱戰鬥機的理想動力。帶固定斜板的進氣道在設計上偏重於考慮超巡的要求,在設計巡航速度下具有較高的效率和較小的阻力,飛行包線右端的加速性能和 Ps 都明顯改善。對於 F-22 來說,限制其最大速度的因素不是發動機推力,而是包括機體強度在內的其它因素——特別是在低空。為了避免飛行員無操作導致飛機超出最大速度限制,F-22 已經加裝了最大速度提示和警告系統,以便當飛機接近極速限制時提醒飛行員。
而阻力小的特點主要得益於兩方面:優良的氣動設計(在設計上特別考慮了超巡的需要,在 M1.5 的設計速度附近和 40,000 英尺高度條件下,總阻力最小)和內置彈艙設計。
可以對比壹下 F-15。F-15 號稱沖刺速度可以達到 M2.5,但那是在凈形條件下。在掛彈後,由於幹擾阻力增大,該機最大 M 數僅有 M1.78,在接近 M1.7 的時候加速性嚴重下降。而 F-22 在這方面的表現就要好的多。按照試飛員的說法:“在所有高度上,以軍用推力或者更小的推力進行水平加速非常容易,但要是使用全加力,其加速度簡直令人驚駭。我希望我可以用數字來說明,不過它們現在仍然是保密的。使用軍用推力,在接近音速時隨阻力上升,加速性有些下降,但突破音障仍很輕松。猛禽以軍用推力跨音速飛行,感覺上和 F-15 開加力差不多。打開全加力,猛禽的加速性變得穩定而強勁。在 M0.97~M1.08 之間,飛機有輕微抖振。之後,直到最大速度,猛禽的加速壹直保持平穩連續。試飛時,我們喜歡盡快進入超巡狀態,以最大限度地利用我們狹小的超音速空域。我們開加力進入超巡,當達到測試條件時收回油門。現在很多高速試飛已經轉移到太平洋導彈靶場(Vandenburg 空軍基地和 Point Mugu 海軍航空站之間)進行。我們在這裏有更長的直線飛行空間,並可以將音爆對當地居民的影響減至最小。”
爬升能力方面,F-22 也相當不錯。傳統的戰鬥機快速爬升時是采用魯特斯基爬升曲線。它們先以亞音速爬升到對流層頂(約 36,000 英尺),然後再加速到超音速進行爬升。對猛禽而言,就可以省掉這些復雜的曲線,直接從跑道上拉起加速,轉入超音速爬升。“這家夥簡直就象是為高速飛行而生的。”保羅·梅斯如此評價。
超音速盤旋能力
超音速機動性能是 F-22 的設計重點之壹,也是該機與第三代戰鬥機的“代差”標誌之壹。除了前述超巡、超音速加速/爬升性能外,超音速狀態下的盤旋能力也有明顯提高。有資料稱,該機在 M1.7 時穩定盤旋過載可達 6.5G。考慮到 F-15 在同等條件下盤旋能力遠遜於此,而蘇-27 在 M0.9、中空才達到這個水平,不能不說這是壹個相當驚人的進步。
能夠達到如此之大的超音速盤旋過載,發動機是壹個重要原因,而同樣重要的還有飛機的超音速升阻比和配平能力。
關於升阻比,不難理解。要拉出足夠的過載,機翼就必須產生相應的升力,伴隨而來的就是誘導阻力的急劇增大(誘阻系數與機翼迎角平方成正比,與機翼展弦比成反比)。如果誘阻系數太大,誘阻增長極快,那麽很快就會抵消發動機的剩余推力,飛機雖仍可能拉出較大過載,但發動機推力已不足以維持穩定飛行,當年的幻影 III 瞬時盤旋性能好而穩定盤旋性能差,正是為此。以現代航空技術水平而言,要設計出具有高升阻比的機翼或者具有良好超音速性能的機翼均非特別困難,但要將兩者合而為壹卻非壹日之功。這也是 F-22 足以自傲的壹點。
而配平能力則往往容易被人忽略。機翼的高升力是拉出大過載的基礎,但升力越大,產生的俯仰力矩也越大。如果飛機自身不能提供足夠的俯仰配平力矩,那麽要麽進入上仰發散狀態而失控,要麽被機翼升力產生的低頭力矩壓回去,無法拉到需要的迎角。特別是在超音速條件下,飛機焦點大幅度後移,機翼升力產生的低頭力矩相當大,進行超音速機動需要更強的配平能力。以超音速性能著稱的米格-25,就是由於配平原因而無法進行較大過載的超音速機動——該機超音速平飛時,平尾偏轉就已接近極限,能用於超音速機動的余量相當小,所以雖然機體可以承受更大的載荷,但 M2 時的最大盤旋過載僅有 3G。
要解決配平問題,壹是大幅放寬靜穩定度,將飛機焦點前移。這樣超音速飛行時飛機焦點雖然仍會後移,但距離重心近,產生的低頭力矩相對較小。不過,這樣壹來飛機在亞音速大迎角機動時同樣會面臨配平問題——這次是配平機翼產生的擡頭力矩。被媒體過分渲染的近耦鴨式布局,由於鴨翼距離重心較近,配平能力不足,F-16 的總師哈瑞·希爾萊克就曾說過:“鴨翼最好的位置是在別人的飛機上。”廣為人知的 LAVI 戰鬥機就始終未能解決大迎角配平問題。因此,在當年 ATF 方案論證時雖然出現過不少鴨式布局方案(老航迷們應該還記得 80 年代采用鴨式布局的“YF-22”的想象圖),但 F-22 最終還是選擇了具有較強配平能力的正常式布局,縱向靜穩定度也大幅放寬。解決配平的另壹個途徑是采用推力矢量控制(TVC)技術。采用 TVC,其主要優點有:在氣動操縱面基礎上又增加了壹個配平手段,配平能力自然大幅增強;高速飛行時氣動操縱面偏轉將產生極大阻力,而采用 TVC 可以起到同樣的操縱效果卻無需偏轉操縱面;TVC 並不僅僅是偏轉推力矢量而產生法向分力,強大的發動機噴流將在後機身形成引射作用,產生新的“升力”增量,同時參與配平。F-22 的超音速機動性大幅提高,TVC 技術功不可沒
就超音速盤旋本身的特點而言,其最大優勢體現在日趨重要的超視距空戰中。前面已經提到,在超視距空戰中無論是攻擊還是防禦態勢,超巡能力都非常有用,而超音速盤旋能力則是保證攻防轉換順利銜接的關鍵壹環。當 AIM-120 進入自導段時,F-22 為了避免進入對方武器有效射程或者沖得太快進入風險極大的近距格鬥,需要轉向高速脫離。可以想象,對於 F-15 這類飛機而言,為了盡快轉向,轉彎前的速度需要保持在其角點速度附近,完成轉向之後再加速脫離,這必然限制其發射 AIM-120 時的速度,減小了有效射程;或者為了提高有效射程增速到超音速,發射後再次減速,但犧牲了時間。對 F-22 來說,完全沒有這些麻煩。良好的超音速盤旋能力使之可以在超視距作戰階段始終維持較高的能量狀態,以應付各種突發事件。