再谈F-35的机动性

万磁王

作者：晨枫
来自空翼


　　F-35和F-22同为第四代（在美国称为第五代）战斗机。F-22在1997年9月7日首飞，2005年12月15日入役，2007年5月1日就进行了首次对公众的飞行表演。出色的机动性、强劲的动力使人印象深刻。歼-20、T-50都是F-22的挑战者，但至今公众只看到不温不火的飞行通过，没有任何劲爆的表演。F-35A在2006年12月15日首飞，2016年8月2日入役。但不管是出于什么原因，直到2017年6月19日才作首次公开的飞行表演。作为21世纪最重要的战斗机之一，自然受到广泛关注。

F-22和F-35同为第四代战斗机，但F-22早早向公众展现出色的机动性，F-35则姗姗来迟

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　　6分23秒的飞行表演是洛克希德试飞员比利·弗林操刀的。表演后，洛克希德首席试飞员艾伦·诺曼做了4分钟的解说，并做了10分钟的问答。飞机公司试飞员在航展上对公众介绍并解答，这是以技术专家身份做促销，这不是什么大逆不道的事。但弗林在表演前的介绍没有起到应有的效果，他关于F-35A具有独特的起飞后马上转入垂直爬升的能力的说法引起广泛惊诧，他说的表演将粉碎一切有关F-35机动性的质疑也没有兑现。难说诺曼的进一步解说是原计划的一部分，还是有亡羊补牢的意思。不管怎么说，诺曼提供了一些有意思的细节。

F-35A全套航展表演高高度动作，为云层较高时准备

洛马试飞员比利·弗林

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　　他说道，弗林起飞后，马上转入垂直爬升，特意用较慢的动作凸显气动控制的强大和发动机推力的强大。这是奇怪的说法，好比法拉利要证明动力的强劲，特意气定神闲地轰油门，不是一骑绝尘，而是慢慢压马路。这当然也是一种情怀，但肯定不是期盼看到劲爆表演的人们所期望的。

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　　在问及弗林是否满油起飞的问题时，他回答道，弗林按照飞行表演的常规，携带了表演足够的燃油，再加着陆规定的余油，回避了是否满油起飞的问题，但暗示并不满油，也没有说明是半油还是1/3油。但他强调，弗林的起飞重量是按照战斗要求的，暗示携带了武器，但没有明确指出。飞行表演中大量使用加力，很耗油。但要是F-35的战斗要求只包括6分钟的留空时间（尽管是使出浑身解数而不是悠哉悠哉的6分钟），这也太短了一点，只够保卫机场围墙，还得是对方撩一把就走的那种袭扰。
　　F-35A把F-35B用于安装升力风扇的空间改作额外的机内油箱，机内燃油量超常地大。因此，常有人质疑用正常起飞重量（包括100%机内燃油、飞行员、最低限度机载武器）计算推重比是否合理。但要是弗林是按半油起飞的，半油的作战半径和留空时间就几乎不存在了，用半油计算推重比没有意义。如果他是按1/3油起飞，那正常战斗状态时满油起飞的机动性就十分不堪了。

F-35A把F-35B（图示）的升力风扇的空间转做机内油箱，所以机内燃油量特别大，因此常有人质疑，以满油的战场起飞重量作为推重比的基准是否公正

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　　应该指出的是，F-35对机内余油的要求高于常规，这是因为机内燃油同时用作电子系统的冷却。因为隐身的要求，F-35的机体表面不宜开孔太多太大，这使得常规的空调进气和排气成了问题。复材蒙皮散热不好，连依靠机体表面散热都不行。发动机当然发热更大，但发动机的散热主要由喷气带出热量做到，与电子系统的散热是两回事。热管理已经成为隐身飞机的重要设计问题，所以美国空军正在研究的三涵道发动机的第三涵道就有热管理的任务，但F-35无法得益于尚在预研中的三涵道发动机。幸好F-35有很大的机内燃油量，较冷的燃油可以用作热交换的冷源，F-35的地勤加油车也因此要求涂刷成白色，还要避免长时间露天停放，以避免高温暴晒使得燃油温度在加入飞机时就过高。

美国空军正在研究的三涵道发动机的第三涵道就有热管理的任务

F-35的地勤加油车也因此要求涂刷成白色，还要避免长时间露天停放

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　　在理想情况下，电子系统的热量通过换热器传入燃油，燃油进入发动机燃烧做功，喷气形成推力，同时把热量带入环境大气。但发动机的燃油消耗是随飞行状态改变的，电子系统的发热量则不随飞行状态改变，所以直接与即将燃烧的燃油换热并不能保证稳定的除热，还是需要与油箱内的燃油换热补充，也就是需要两套换热系统。为了节约系统重量，就直接采用后一方法了。但这样也要求油箱内燃油温度相对稳定，只有依然  要足够多的余油才能做到。因此，F-35的最低机内燃油量实际上不仅取决于着陆规定的余油，也取决于冷却需要，据报道后者的需要量还大于前者。应该指出，冷却需要是针对主动电扫雷达等发热大户，而不是飞控计算机。单纯从飞行安全角度来说，冷却用油不是问题，即使机内燃油低于冷却需要的最低限度，飞行安全依然不是问题，只是雷达、数据链等工作会受到影响，严重时可能当机。在问答中，没人问及弗林的最低燃油是按着陆规定还是按冷却要求，诺曼也没有提及。估计余油还是按照着陆要求，反正飞行表演根本不需要开启雷达和数据链。
　　诺曼特意指出，最后的小直径盘旋是7g，这是3I版飞控的容许极限，到3F版就可以提高到9g。这里“I”指初始版（Initial），“F”指最终版（Final）。诺曼可能说的是实话，也可能不是。当年美国在向伊朗巴列维国王演示F-14的时候，就悄悄在地面启动发动机空转，把燃油烧到勉强够飞行表演的数量，用作弊把推重比与同场表演的F-15拉平，然后做出一系列在战斗重量下不可能做出的超水平机动，看得巴列维的下巴直接摔碎在地上，当场拍板买80架。弗林用不着这样搏命，只要飞控工程师调整几个参数，放宽g限制，降低阻尼，就可以不动声色地开演了。这也不算多少作弊，毕竟3F是要达到9g的，现在只是调试没有完成而已。

F-35A到Block 3F软件版本才能达到9g过载

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　　但弗林不会有所保留，不会不把F-35的机动性最关键的部分和盘托出。航展给老百姓解闷提气，但这是第二目的。对珠海来说，第一目的是为国争光；对巴黎来说，第一目的就是做生意、拉订单，不赚足眼球这力气就白花了。保密也不是理由，F-35A已经卖给盟国，盟国也有自己的航展，也会卖力向自己的老百姓表演，以表明纳税人的钱用到刀刃上了。洛克希德让盟国的表演盖过自己的风头，这没有道理，也保不了密。
　　饶是如此，弗林手下的F-35A在爬升、横滚、盘旋等基本动作中没有表现出显著优于第三代战斗机的性能。相反，紧随其后的法国“阵风”展现了更加凌厉的基本机动性。F-35A将在巴黎表演，法国人没有理由不使出120%的力气展现“阵风”的性能。不过弗林的“落叶飘”机动是“阵风”的动作套路中没有的。这是垂直爬升后转入小直径筋斗，改出时用蹬舵使得飞机在掉落中进入过失速但可控的平螺旋，180度后改出，恢复正常飞行。诺曼说，“落叶飘”可以左转或者右转，飞行员可以在任何时候改出，不一定要等到完成180度，但这是第四代战斗机的代表性动作，只有F-22和F-35能做到。可巧，这两架都是洛克希德的战斗机，诺曼这么给第四代战斗机的代表性动作下定义有点自卖自夸，但“落叶飘”把人们的眼光重又拉到过失速机动上来了。

F-35的“落叶飘”机动

T-50的类似机动

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　　自从普加乔夫“眼镜蛇”和  科沃丘尔“钟摆”之后，过失速机动似乎成为俄罗斯战斗机的招牌动作。F-22在美国战斗机中首次展现了过失速能力，F-35则是第一架没有推力转向而具有显著的过失速能力的美国战斗机。过失速指速度过低、迎角过大的超常状态，此时机翼不再产生升力，襟翼、副翼、平尾、垂尾等气动控制面的控制效率也急剧降低。推力转向能重建一定的控制能力，但无推力转向的战斗机能有效、可控地做过失速机动动作是气动和飞控设计强悍的标志，也显示出发动机对进气畸变的宽容。传统上，美国战斗机较少重视过失速，苏联也未必是刻意追求，反而是在极限测试中偶然发现的。作为航展噱头，“眼镜蛇”和“钟摆”赚足了眼球，但战术价值一直受到质疑。

“眼镜蛇”机动示意图

“钟摆”机动示意图

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　　过失速不仅意味着丧失能量，更意味着机翼丧失升力，因此所有过失速机动都是在不同程度的“挣扎”中完成的。这是高度不稳定的过渡过程，打开武器舱门、发射武器引入额外的不利扰动，可能进一步加深失控状态，危及飞行安全。这好比悬崖飚车，在四轮漂移的同时，还要开窗、探头、拔枪射击。作为电影镜头，这很好看；对于最高超的试飞员，这甚至可能做到，但也是在没有敌人导弹瞄准的情况下，而且要装上阻力伞那样的额外安全措施，避免不可收拾的失控。但作为典型战术动作，这是不现实的期望。
　　时至今日，战斗机不再需要抢占对方的6点钟才能射击，也不再可能单纯依靠机动性而甩掉追踪而来的导弹。但机动性依然是增加自身逃逸区和对敌必杀区的有效途径。机动大体可分为角度机动和能量机动，角度机动以抢占机头指向为优先，能量机动以抢占高能量位置和姿态为优先，但两者不必互相排斥，最终目的首先都是把敌机置于武器的有效射界之内，次要目标是保持有利的再战态势。过失速机动以巨大的能量损失为代价，换取极端的飞行姿态和飞机指向，这肯定不符合能量机动原则，但貌似符合角度机动原则。然而，过失速机动在实际上既不能可靠形成射击条件，又因为丢失能量而实际上增加了对方的必杀区，这正是在“眼镜蛇”和“钟摆”时代人们质疑过失速机动动作战术价值的基本原因。
　　“落叶飘”不同于“眼镜蛇”和“钟摆”，那是不是意味着人们对过失速机动战术价值要重新考虑呢？即使不推广到一般结论，就具体的“落叶飘”而言，这从减速的垂直爬升开始，拉一个小半径筋斗后，在低速飘落中蹬舵、慢速转向。从拉起开始，整个动作完成需要约20秒的时间，扣除爬升约5秒，小筋斗约5秒，半圈“落叶飘”也需要约10秒。由于可以左转或者右转，在理论上，飞机可以在转完半圈之前，就可以在水平方向上锁定敌机方向。但在这样的状态下，至今没有证据表明F-35A可以打开机内武器舱门，投放武器，并且发射，而不导致失控。也没有证据表明，在过失速状态下，机内武器可以可靠投放、可靠分离。
　　如果不在过失速状态下直接射击，而是作为有利追击位置，在这样接近静止的速度下，改出、加速、追击需要时间。如果对手没有愚蠢到减速直线逃离，而是加速转弯爬升，能否重新咬上是个大问题。

还在70年代，英国皇家空军就用“鹞”式的VIFFing机动与常规战斗机机动相比，这可以看作用推力转向实现的过失速机动。理论上VIFFing可以在进攻与防守中抢占有利射击位置，实际上被打得没了脾气

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　　事实上，英国皇家空军在70年代对类似的问题早就悄悄做出结论。BAe早就鼓吹“鹞”式可以用非常规机动在空战格斗中占优。“鹞”式的推力转向本来是垂直起落用的，但可以在空中悬停，或者在前飞中转向、抬头、低头等，还能在这些状态下发射翼下的“响尾蛇”空空导弹。这种机动成为“前飞中的推力转向”（简称VIFFing）。为了验证VIFFing概念，皇家空军用一架老式的“猎人”战斗机与一架“鹞”式作空战格斗验证飞行，结果“猎人”不与“鹞”式缠斗，而是高速掠飞后，在爬升中滚转，然后俯冲，把还在VIFFing中手忙脚乱的“鹞”式当作固定目标打，一而再，再而三，打得“鹞”式没了脾气。这还是在红外制导空空导弹必须抢占6点钟位置才能发射的时代。但BAe和皇家空军很不满意，换人再上。第二个飞行员“奉旨落败”，皆大欢喜，于是VIFFing的神话作为“鹞”式的促销得以流传，甚至有说法成为马岛战争中的得胜法宝，尽管实战中并没有这样的记录。

VIFFing机动中的“鹞”