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晨枫:中国新一代舰载战斗机会是什么样?
重型战斗机也是一公斤一公斤抠出来的,并没有多余的赘肉,不存在可以大幅度减重而战斗力不大幅度打折扣的事情。更加具体地说,鹘鹰的长度据报道为16.9米,翼展11.5米,翼面积40平方米。空重与正常起飞重量不明,最大起飞重量28吨。最大起飞重量通常为正常起飞重量的1.2-1.6倍,主要靠外挂的战斗机倍数偏高,如F-16,主要靠内载的偏低,如F-22(实际为1.3倍)。当然有例外,主要靠外挂的米格-29只有1.2倍,这是设计基准点就差不多撑到天花板的结果。对于鹘鹰,这里取1.35倍的典型值估算。那正常起飞重量约21吨,因此翼载约518公斤/平方米。鹘鹰1.0为两台RD93,预定换为涡扇19,技术水平与通用电气F414相当,估计加力推力在100kN级,军推在60kN级,发动机推重比为9。鹘鹰的最大速度为M1.8。
不过,即使换用涡扇19,在加力推力下,战斗机推重比才0.95,对能量机动性很不利。F-16 Block 50的推重比为1.10,F-15C为1.07,F-22为1.05。另一方面,F-18C为0.96,F-18E为0.93,鹘鹰似乎又够用了,只是毫无优势可言。F-18(包括E型)是第三代战斗机里能量机动性最不给力的。鹘鹰在军推时更是推重比只有0.58,显著低于超巡的最低要求0.7,F-22是0.8。这样的鹘鹰既不能达到超巡,又只有中庸的能量机动性。海鹘鹰要因为上舰改装而增重,性能更不给力。
F/A-18E/F是当代舰载机的一个比较典型的比较对象
由于双发、机内武器舱,F-22的结构系数(结构与起落架、液压等特设的重量占正常起飞重量的百分比)高达45%。比照这一数值,但把电子设备的重量从F-22一级(估计为2900公斤)降低到F-35一级(估计2600公斤),并把基本武器重量从F-22一级(估计1500公斤)降低到F-35一级(估计750公斤),鹘鹰的燃油系数(机内燃油重量占正常起飞重量的百分比)也只有30%,只比F-22的28%略高,与F-15的30%相当,低于F-18E的32%,远远低于F-35A的37%,与苏-27的40%更是不能比。这也意味着海鹘鹰的航程至少不会优于F-18E。换句话说,除了隐身,海鹘鹰比F-18E没有优势。
这些结果不难估算。战斗机的正常起飞重量是结构重量(包括机体和起落架、弹射座椅、液压系统等,但不包括发动机和电子设备)、燃油重量、发动机重量、基本武器和电子设备重量、飞行员重量之和。另一种算法是用相关重量占正常起飞重量的百分比(表示为各种“系数”)计算:
结构系数+燃油系数+发动机系数+武器电子系数+其他=100%
在很多情况下,“只要xx增加yy公斤就可达到zz而不影响其他性能”是一厢情愿,原因就在于这些增加都是面多了加水、水多了加面的,真正的限制来自所有“系数”加起来必须等于100%。至于有人质问为什么不能是115%,那就只有反问他小学是怎么毕业的了。
在设计估算中,有些变量是“固定”的,有些是“弹性”的,但“弹性”的分为真正弹性的和与正常起飞重量挂钩的。为简单起见,飞行员重量算作100公斤,这是固定的。电子设备和基本武器重量由战术要求和技术水平决定,独立于飞机设计,也是固定的。结构重量不是固定的,但飞机构型、材料、设计和制造水平决定了结构系数大体在35-45%的范围,双发、机内武器舱、上舰加强都是把结构系数往高推的。发动机系数也不是固定的,但等于战斗机推重比与发动机推重比之比。燃油系数而不是燃油重量决定了航程,通常要求在30-35%。低到25%就成米格-29了(实际为23.5%),成了机场围墙保卫者了;高到40%则成苏-27了,可望而不可求。在其他因素都或多或少“固定”的情况下,一般只有在燃油和武器、电子设备之间取舍,燃油系数常常成为第一个牺牲品。
要做出一架飞行性能更好的F-35C,而其他性能还差不多,是不可能的,必然有所取舍
上面只是在对现有鹘鹰作计算,推算飞行性能。但要“设计”理想的海鹘鹰,也不难做一些简单的估算。有两个典型情况。第一个是给定发动机和战术要求(如战斗机推重比),这时发动机推力确定了,可以倒推出正常起飞重量,以此可以推算和取舍其他重量。这有点削足适履,但在已经确定发动机的时候更加现实。第二个更加海阔天空,只给定一般技术水平和设计要求,上面的表述也可写成混合表述:
正常起飞重量=100*(武器电子重量+飞行员重量)/(100-结构系数-燃油系数-战斗机推重比/发动机推重比)
可从指定基本武器和电子设备的重量(代表战术要求)出发,解算上述重量关系。在这里,发动机推力也是推算出来的,而不是给定的,发动机与飞机同步研制。新一代发动机研发时,技术水平是“固定”的,比如发动机推重比和最大可能的推力,但具体需要多少推力,也是与战斗机研发互动的,而不是两家独立进行的。对于发动机来说,从极限推力降级意味着更长的寿命、更高的可靠性和更低的油耗,是有好处的。
但上述对鹘鹰的估算是在没有算入上舰所需要的增重的情况下,比如加强的机体、起落架和尾钩。鹘鹰的机动性可能也不及F-18E,F-18E的翼载为459公斤/平方米,鹘鹰为518公斤/平方米。即使不考虑机动性,海鹘鹰也是需要大大增加翼面积的。襟翼有增升作用,但那是锦上添花,低翼载才是锦。F-35A到C也经历了这一过程,翼展从10.7米增加到13.1米,翼面积从42.7平方米增加到62平方米,翼载从524公斤/平方米下降到413公斤/平方米,结构系数从36%增加到41%。海鹘鹰也需要这样的改装才适合上舰。比照F-35A到C,正常起飞重量增加14.3%,使得海鹘鹰的正常起飞重量达到24吨级,加力状态下战斗机的推重比只有0.85,只比F-35C的0.76好看。
要是海阔天空的话,可以指定要达到与F-22和歼-20相当的超巡、机动性,比照F-22的结构系数和发动机推重比,算到最后就是另一架F-22。必须说,这是很乐观的估计,因为3D打印、新材料可以降低结构重量,但上舰改装和加大翼面积将增加结构重量,平衡下来,45%的结构系数可能是偏低了。尽管这样,估算出来的就是与歼-20同级的超级鹘鹰,或许可以简称为超鹘。也就是说,约29吨正常起飞重量,38吨最大起飞重量,需要两台150kN级发动机。F-22的长度为18.9米,超鹘可以做到相似,比鹘鹰的16.7米长,比F-18E的18.3米略长,但比歼-20的20.4米短,更是比歼-15的21.9米短,还是可以接受的。
用两台大推力发动机为动力开发一个舰载版F-22那样的“超级鹘鹰”,那或许才是最理想的
尽管如此,超鹘的燃油系数依然只有28%,要增加到对远程海空作战更有用的35%,正常起飞重量将是不可思议的52.8吨,最大起飞重量71.3吨,需要两台270kN级的发动机。这是不可能的。
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