不定的心神

万磁王

原作者：晨枫

　　老话说，心神不定，输得干净。对于日本来说，心神指三菱重工的ATD-X技术验证机，新近正式命名为X-2，也就是说，从公司项目转为防卫省技术研究本部（现防卫装备厅，简称TRDI）的正式研发飞机。近代日本画坛巨匠横山大观把富士山叫做日本的“心神”，据说将“心神”用于战斗机名字包含了“日本之魂”的意思。1月28日，“心神”在位于名古屋的三菱重工小牧南工厂首次正式向公众公开，预计在2月首飞，但一直推迟到4月22日上午才首飞 ，接下来该机将开始进行包括实机雷达反射面积（简称RCS）测试在内的试验。重要的是，“心神”可能不止是技术验证机，如果一切顺利，最快可在2018年投产，作为三菱重工F-2战斗机的下一代。

经历了N多磨难之后，“心神”终于首飞了

万磁王

如果“心神”代表日本战斗机设计的最高水平，那只能说日本根本就没有打算认真设计战斗机

　　在二战时代，日本曾经有过颇有规模的航空工业，“零”式战斗机的速度、机动性和航程曾经在战争初期使得太平洋美军一筹莫展。1942年6月3日，作为中途岛之战的一部分，日本舰队袭击阿留申群岛南端的荷兰港，一架“零”式被击中，在阿库坦岛迫降过程中飞行员丧生，但飞机受到的损坏不严重。美国海军用“卡塔琳娜”水上飞机作为海上巡逻，经常巡视荷兰港周边，但由于阿库坦岛太偏僻，处在通常航线之外，直到一个月后有一架“卡塔琳娜”迷航，碰巧经过这里，才发现这架“零”式的残骸。美国海军很快组织力量把残骸运回美国本土。在差不多的时候，在中国南方，也有一架“零”式在海滩上迫降，被中国老百姓拖回来交给国军方面，在飞虎队机械师修复后，飞回大后方，最后借道印度运回美国。通过深入分析和对比飞行，美军发现，“零”式的飞行性能非常出色，但也有一些突出的缺点：结构强度不足，大过载机动可能自己就散架了，因此飞控在220英里/小时以上速度会非常沉重，避免过度操纵；高速俯冲时发动机汽化器会被燃油淹没，造成发动机停车；螺旋桨的反扭力强劲，造成向左横滚容易，向右横滚艰难；缺乏自封油箱和装甲，被击中后生存力很差。在后来的战斗中，美国飞行员已经熟谙“零”式的缺点，采用针对性战术，取得很大的战果。在战争后期，美国航空技术的进步加上日本飞行员的素质下降使得“马里亚纳猎火鸡”成为千古奇谈。
　　二战前的日本是新兴工业国家，一方面技术发展很快，另一方面受工业基础和资源的限制，在追求最大飞行性能时采用了一些极端技术，但这是从实战要求和尽早投产形成战斗力出发的有意取舍。“心神”正好相反，似乎是有意不以投产为目的的纯预研项目，种种X-2将投产作为F-2的替代的说法也不能改变这一事实。

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　　说起来，F-2是战后日本唯一的自主研制战斗机的企图。F-2的研制是在80年代展开的，这正是“日本神话”的时代，日本信心满满，自以为掌握了复材机翼整体成型和主动电扫雷达神技，要用雄厚的技术基础和财力堆出一架先进战斗机来。但理想很美满，现实很骨感，日本一上手，才发现不仅有美国的政治压力因素，还有具体的技术上的拦路虎，只好改弦易张，改从通用动力F-16大幅度改进，成为现代航空历史上少见的全新设计的现有产品。但在F-2时代，至少日本是认真试图自主研制战斗机的，由于内因外因迫不得已而最后做成这锅夹生饭。X-2时代则完全不同。
　　在日本空自开始装备F-15J的1981年，中国空军尚未完成歼-6向歼-7的换装，多难的歼-8还没有脱离襁褓，歼-10、歼-11更是连怀胎都谈不上。30年后，F-15J依然是空自主力，但中国空军歼-10、歼-11已经形成战斗力，极大地侵蚀了空自习以为常的技术优势。但日本向美国求购F-22的请求被一再打回，直到F-22停产都没有松口。日本开始ATD-X研制的确切时间不清楚，但在2005年将全尺寸RCS模型送往法国测试，检验隐身性能。2006-2007年间，日本制造了4架1/5遥控自由飞模型，并进行了多次试飞，验证气动设计和飞控系统。原型机制造从2010年开始，首批制造两架，一架用于试飞，另一架用于静力试验。试飞用的原型机在2014年7月出现在日本TBS电视台的报导中，但很多画面用马赛克遮挡。ATD-X原计划在2014年就要首飞，但整个2015年都没有首飞的踪影，只进行了一些地面试验。
　　ATD-X为单座、双发、双垂尾、中单翼设计，采用两侧进气口，在外观上像缩小的F-22，但只是“像”而已，而恶魔总是藏在细节之中。F-22的基本设计理念在于隐身、超巡、超机动和网络中心战。网络中心战是内秀，外观上是看不出来的。但隐身、超巡和超机动在外观上可以看出一点端倪。

X-2和F-2的大小直观对比

万磁王

“心神”的“豁嘴”喷口

F-22的矩形喷口

苏-35的轴对称喷口

　　ATD-X采用外倾双垂尾，这可能更多的是出于隐身的考虑，避免侧向的垂直面，而不是出于机动性的考虑。但ATD-X的两台发动机喷口采用三片式推力转向，这应该是出于机动性的考虑。超机动和高机动没有明确的界限，一般认为超机动更加强调过失速和超音速机动性，传统的气动控制在这两个情况下都力有不逮，推力转向更加有效。推力转向有多种基本设计，F-22的矩形二维喷口和苏-30MKI的轴对称三维喷口是两种典型的推力转向设计，F-35B的三段式推力转向喷口更加适合于垂直起落，用于气动控制的话在重量和反应速度上都不理想。还有一种就是ATD-X采用的多片式了。这在美国的洛克韦尔X-31上首先使用过，重量轻，但效果有限。三片式喷流转向是不可能密封的，在导流片大幅度偏转迫使喷气流转向时，导流片之间“漏气”显著，部分喷流的能量从巨大的缝隙流散，而不是形成偏转的推力，推力损失小不了。但换一个角度考虑，三片对喷口形成一定的遮挡，缝隙正好引入环境的冷气流，有一定的红外隐身作用，倒也不是一无是处。有说法生产型将使用轴对称推力转向，但看来那不属于技术验证的一部分，要不就是技术已经成熟了，不需要验证；要不就是技术离实用还相差很远，连验证都没有资格。

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　　但机动性不是光靠推力转向就能实现的，还需要良好的基本气动设计。在这里，ATD-X采用了少见的单片式襟副翼。襟翼和副翼通常是分开的，但在现代飞控控制下，两者的作用可以互相客串。外侧的副翼通常差动动作，产生横滚力矩；内侧的襟翼通常联动动作，产生额外升力，用于缩短起飞着陆距离，或者产生额外压力，在接地后确保可靠的着陆滑跑而不会再飘飞。但在高速飞行时，用副翼控制横滚会对机翼产生过度力矩，容易造成气动反转（机翼弹性在副翼作用下发生扭转，产生与副翼动作相反方向的形变，造成实际横滚力矩与飞行员控制意图相反的后果），或者对机翼结构造成损坏，因此常改用襟翼控制横滚。在起飞、着陆时，副翼也可以部分放下以辅佐襟翼作用，增加额外升力，只要保留足够动作余量用作横滚控制就可以了，反正起飞着陆阶段的横滚基本为小幅度姿态调整，而不是大幅度的真正横滚，并不需要太大的横滚力矩。但单片式襟副翼没法区分襟翼和副翼的作用，既不能在起飞着陆时完全放下、最大限度增升，又不能在高速飞行中做横滚动作时用足差动动作，难怪在战斗机设计中很少见到这样的做法，除了减少作动机构重量外，看不出ATD-X这样做的优点。

“心神”的单片式襟副翼

F-22的两段式襟副翼

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　　机动性的关键还是在于足够的升力，在9g机动中需要产生9倍于飞机重量的升力，其中大部分是用于转弯的横向力。增加翼面积、降低翼载、提高推重比是常见的提高机动性手段。ATD-X的重量、翼展与中巴合作的FC-1“枭龙”战斗机相近，翼载估计也相近，换句话说，作为第五代战斗机并不出色。另一方面，利用涡升力增升、提高机动性已经成为现代战斗机的典型特征。F-18用大边条产生涡升力，欧洲“两风”用全动鸭翼主动控制涡升力，F-22用菱形截面机头的尖锐侧脊、大倾角的进气道侧面和进气道外缘的窄边条形成涡升力，苏霍伊T-50用可动边条主动控制涡升力，歼-20则是高度复杂的用钻石形截面机头的尖锐侧脊、全动鸭翼、大倾角的进气道侧面和进气道外缘的边条产生涡升力。ATD-X的机头倒是也有一点侧脊，但与F-22或者歼-20相比，更像捏了一圈饺子边的圆形截面，侧脊只是意思意思而已，产生涡升力的作用很弱，隐身效果也只是象征性的。ATD-X的小边条和F-22相近，但F-22的进气道外侧高度倾斜，强化了小边条的作用，与机头的菱形截面和尖锐侧脊交互作用之后，产生强烈的涡升力。ATD-X则没有这样的作用，接近垂直的进气道外侧对小边条没有强化作用，小边条产生涡升力的能力不会比第一代尝试边条概念的F-5E强很多。

“心神”的机头侧脊不够尖锐，边条作用很小

F-22的侧脊尖锐得多，边条作用很强

歼-20不仅有尖锐的侧脊，还有全动鸭翼增强涡升力

苏霍伊T-50则用可动边条形成强大的涡升力

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　　F-22的设计理念已经不是高深不可莫测的奥秘了，尖锐侧脊和大倾斜进气道外侧对涡升力和隐身的作用不难理解，但要在工程设计上做好，而不是形成不可控的涡流和不利气动交互作用，需要很深的气动设计功力，连大型风洞都没有的日本缺乏这样的功力，只有象征性地粉饰一点貌似F-22的特征。
　　ATD-X的气动水平还可以从双垂尾看出来，这依然是传统的大型安定面加后缘活动面，与F-22一样。F-22当然不是落后的设计，但这是30年前的设计了，F-35的设计也在20年前冻结了。中国歼-20、俄罗斯苏霍伊T-50已经采用全动垂尾，大大减小垂尾面积和重量，比歼-20、T-50更后首飞的ATD-X还延续重量、RCS都大的传统设计就落后于时代了，但对于缺乏气动和飞控功力的日本来说，倒也不乏为识时务的做法。
　　ATD-D还有一个有趣的特征：沿机身两侧有宽厚的侧板，与F-16很相像。换句话说，机翼位置靠前，而不是像F-22那样机翼位置靠后。F-16是最早采用翼身融合体的，机翼圆滑地融入机体上表面，机翼前缘与机体之间则是精妙的三维圆滑过渡，但这给机翼后缘到机尾的后机身侧面处理带来了难题。F-16的解决办法是将翼身融合体的“双肩”向后延伸，形成侧板，平尾的安装点在侧板侧面，而不是直接安装在机体上。侧板实际上相当于增加了后体的翼面积，有利于升力中心后移，适度降低静不稳定性。F-22用大大靠后的机翼位置达到同样的目的，但在气动上优美得多。F-16是第一代静不稳定的战斗机，增加了机动性，降低了巡航速度的配平阻力。但这还是电传飞控的早期，侧板提供的靠后的升力贡献降低了飞控的难度，侧板尾端有可以下垂的扰流板，用于在大迎角飞行时提供额外的低头力矩，帮助恢复正常平飞。近似矩形体的侧板与圆柱体的机体之间只有简单对接，没有特别的过渡。30多年后的ATD-X也是一样，采用了简单侧板设计。

F-16的后机身和下表面

万磁王

“心神”的处理与F-16惊人地相似，换句话说，停留在80年代的水平

　　两侧进气使得中机身翼身融合的设计有所简化，没有F-16那样的机翼前缘与机体融合的难题。但ATD-X像F-22一样，双发在后机身紧密并排，从宽间距的进气口到窄间距的喷口之间有一个横向的收缩，因此像F-16一样，将翼身融合体隆起的“双肩”向后延伸，上表面还是圆滑展开过渡，下表面则随着进气道到发动机和喷口的收缩而逐渐“长”出侧板，只有平面到圆柱的直接对接，看不出有任何隐身考虑。ATD-X对隐身有所考虑，但基本气动设计水平不超过40年前的F-16，与F-22是东施与西施的差别。
　　ATD-X采用两台石川岛播磨XF5-1涡扇发动机，单台军推49kN，加力推力没有透露，比照军推相近的法国SNECMA  M88的话，估计在75kN级。ATD-X最大速度要达到M2.25，超巡速度要达到M1.82，超过F-22的M1.6，相当可观。ATD-X没有采用隐身更好的蚌壳式进气口，而是采用加莱特进气口，再次与F-22相似，但唇口后倾角度明显较小。F-22的加莱特进气口采用三维斜切，上下唇口后掠，侧壁唇口前倾，侧壁外倾。这些角度不仅符合隐身要求的边缘对齐原则，还符合进气口激波系的要求。在超音速飞行时，激波锋面成为进气的减速机制，将超音速来流减速到亚音速。理想激波锋面应该正好覆盖进气口，既消除激波锋面与进气口边缘之间的漏气，也避免激波锋面进入进气口对内壁结构造成的损害。ATD-X的超巡速度比F-22还高，进气口的斜切角度理应更大，但侧壁唇口反而接近垂直，侧壁外倾也几乎消失，设计难度相应大大降低，但设计水平比F-5E高不了多少。说到边缘对齐，ATD-X的主要舱盖（如起落架舱盖）采用奇怪的平直前缘和锯齿形后缘。锯齿形后缘应该是出于隐身考虑，但为什么同一舱盖的前缘缺乏隐身考虑，很难理解。
　　ATD-X是技术验证机，但要验证什么技术是个谜。技术验证机有两大类，一类不以最终发展成生产型为目的，纯粹是技术验证的，美国NASA的X系列飞机是这方面的例子，如突破音障的X-15、研究推力转向的X-31等。另一类是为生产型探路的，F-35在验证试飞时的X-32和X-35属于这一类，实际上F-22在验证试飞时的YF-22和YF-23也属于这类，更早的还有YF-16和YF-17。但ATD-X很奇特，两者都不是。ATD-X主要验证的是隐身和机动性，但三片式的推力转向明显没有实用价值，而且TRDI也声明了未来打算采用轴对称推力转向。在基本气动方面，ATD-X没有显著超过F-16/F-2的水平。在隐身方面，ATD-X达不到F-22和F-35的水平，到处充满了貌合神离、半心半意设计，比如近乎垂直的机体侧壁、象征性的机头侧棱、前后缘不一致的舱盖等，更不用说那个祸害的三片式喷口结构。
　　但作为受控技术风险的准生产型飞机，ATD-X太小，发动机推力或许足够达到M2.25的最高速度和M1.82的巡航速度，但缺乏必要的载弹量和载油量，将毫无航程可言。有说法由ATD-X发展而来的F-3将取代F-2，但F-2的起飞重量几乎两倍于ATD-X，很难想象后者具有相近的任务能力。

万磁王

23-25DMU

TRDI的26DMU构形

XF5-1涡扇发动机

　　在ATD-X之外，TRDI还不断推出下一代战斗机的虚拟设计，美其名曰数字化构形（Digital Mock  Up，简称DMU），并用平成年代命名。25DMU、25DMU、26DMU的基本设计有所差异，但都显著大于ATD-X，而且机翼位置像F-22一样靠后，取消了ATD-X的侧板。机翼的展弦比增加，提高升阻比，但放弃高速性能，机头侧棱明显尖锐，发动机外壁高度倾斜。全动平尾和外倾双垂尾不仅形状不同，容积设计也很不相同。总体上好似修长的F-22，在飞行性能上以航程、载弹为设计重点，而不是速度和机动性。换句话说，ATD-X验证的气动设计将显著有别于目标第五代战斗机，使人疑惑ATD-X到底要验证的是什么技术。ATD-X给人的印象是既没有实质性的技术可以验证，又不是为生产性研发做准备的，更像一种技术姿态，而不是认真的研发。
　　石川岛播磨还在研制推力达到146kN级的先进涡扇发动机，计划采用双转子结构，三级风扇-低压压气机，6级高压压气机，同轴反转的单级高压和低压涡轮，涡轮前温度达到1800C，涡轮匣体采用先进的耐高温碳化硅纤维陶瓷基复合材料（简称CMC），导流片和涡轮叶片采用镍基单晶超级合金，涡轮盘则采用镍-钴超级合金，采用传统的铸锻工艺制造，而不是更先进的粉末冶金。TRDI已经对涡轮盘进行了1000小时试验，在离心应力为630兆帕条件下，工作温度可达710C，接近粉末冶金的730C水平。TRDI宣称将研制完整的146kN级先进涡扇，但没有任何时间表，只说将在2017年测试低压涡轮和低压压气机。相信如果存在“适当的外来合作机会”，日本会很乐意放弃研制自主的先进涡扇，转而投入合作研制。合作对象当然是美国。
　　战后几十年来，日本始终没有放弃军工技术研究，但成功寥寥，除了质次价高、花拳绣脚的名堂，始终没有战时“零”式那样的成就。日本不乏引人注目的关键技术，但始终形不成整体水平。还在F-2时代，日本就有复材整体成型机翼和主动电扫雷达技术。洛克希德考察后认为，美国的分段成型复材机翼在刚度和重量上完全达到日本的整体成型的水准，后者的优势只存在于理论上，而且还有战损修复困难的问题，所以放弃了从日本引进整体成型技术的机会。在更后的F-35上，洛克希德继续沿用F-22的技术，也不是日本技术。
　　主动电扫雷达是现代机载雷达的方向，在探测距离、同时跟踪的目标数量和抗干扰等方面有突出优点，日本走在前面，曾经在一段时间里成为全世界空军的羡慕对象。但光有主动电扫元器件技术是不够的，美国、以色列和其他国家在数字信号处理、电子对抗、威胁评估和管理、复杂电子系统的可靠性、电磁兼容性等方面的经验迅速使得日本丧失了短命的领先，现在空自F-15J要升级主动电扫雷达，还是要找美国，日本的经验和技术似乎没有存在过一样。
　　ATD-X上也采用了一些新颖技术，比如光传飞控，不仅数据率比电传飞控更高，而且不怕电磁脉冲攻击，在核大战环境或者电磁脉冲弹的攻击下生存力更高。光传飞控的重量也较轻。另外一个问题是复材对电磁破的屏蔽作用不如金属，传统金属导线的电传飞控的屏蔽要求和重量相应增加，否则易受干扰。ATD-X还采用自重组飞控。传统飞控中，萝卜和坑是有固定对应的。即使襟翼、副翼可以反串，具体工况下的具体作用依然是确定的。自重组飞控可以在战损情况下，自动启用其他气动控制面补偿损坏的气动控制面。这不能完全恢复原功能，但至少能保证基本飞控。比如说，左侧襟翼损坏了，用左侧副翼补偿。在着陆时不能完全补偿原来左侧襟翼的作用，但依然可以放下一半，起到一定的襟翼作用。如果垂尾方向舵损坏，可以用两侧发动机的差动推力补偿。自重组飞控的复杂之处不在于硬件，而在于软件和飞控律，ATD-X最多能提供一个架构，但应用到另一架具体飞机的时候，需要重新设定和调试。
　　日本的技术路线是放弃整体研制能力，而是专注于某些关键技术。这是钓鱼，目的是诱使美国同意日本加入合作研发，日本不仅愿意出资，而且以技术入股。美国对日本先进技术未必不感兴趣，但对日本加入合作研制戒心重重。
　　日本或许愿意实质性地出资，ATD-X的研制就耗资394亿日元，约合3.5亿美元，这还是缺乏明确的技术验证或者生产前景的半吊子技术验证机。日本经济今不如昔，但这个钱还是出得起，也愿意出。问题是，日本出钱越多，在合作研发中的发言权也越大，美国的技术转移义务也越大，而这是美国不愿意的。美国不仅不愿意转让敏感技术（始终坚决拒绝出售F-22就是例子），更不愿意在研发中受到牵制。F-35就是三军互相冲突的要求互相牵扯最终导致研发巨大困难的例子，容许日本影响美国下一代战斗机的研制是不能接受的。
　　日本的单项先进技术对美国或许有用，但不是美国不可或许的，也不是没有替代技术的。光传飞控在概念上是电传飞控的自然延伸，从70年代就开始研制，只是因为缺乏需求而进展缓慢。美国在1974年就用NC-130试验过光传飞控，在90年代中再次用MD-87试验，NASA还在F-18上试验过光传飞控。只要有需求，美国研发光传飞控没有压力。自重组飞控也是一样。1989年7月19日，一架DC-10（呼号联航222）的尾发故障，爆裂的涡轮盘损坏了尾舵的控制连杆，飞行员用左右发动机的差动推力维持了方向控制，最终成功降落，机上大部分乘客和机组人员生存了下来。这以后，自重组控制在理论和实践中得到大力研究，美国对数字飞控的动态重组（也就是控制面反串）的经验丰富，这也不是跨不过的难关。在发动机方面，单晶超级合金、粉末冶金对美国已经是成熟技术，CMC也已经在通用电气-斯奈克玛LEAP先进高涵道比涡扇中大量使用。
　　在ATD-X即将首飞的时候，三菱正好开始第一架F-35的组装，这充分说明了日本的处境：日本既缺乏研制完整而且真正适合日本要求的第五代战斗机的决心，也缺乏相应的技术能力。ATD-X既没有多少先进技术可以演示，也不具备足够的生产价值，与日本理想中的大航程、大载弹的25DMU为代表的重型战斗机相距甚远。ATD-X只是一个姿态，试图刺激美国放松出口限制，或者邀请日本加入联合研制。美国会上钩吗？要是美国那么天真，看不透日本的这点小心思，美国就不是当今世界唯一的超级大国了。F-35计划从一开始就不光是美国三军联合的项目，也是国际合作的项目，其中英国为一级合作伙伴，意大利、荷兰为二级合作伙伴，加拿大、土耳其、澳大利亚、挪威和丹麦为三级合作伙伴，在不同程度上参加F-35的研发和制造；新加坡和以色列为安全合作伙伴，只购买（或者潜在用户），不参加研发和制造。日本根本不属于任何层次的合作伙伴，与韩国是同一性质。
　　F-22是1997年首飞的，而且提前停产，总数只有187架，远远不能满足美国空军的需要。F-35是F-22的低端补充，但多灾多难，前路崎岖，难当空战主力之重任。美国空军和海军已经分别展开第六代战斗机的预研工作，分别用于替代F-22和F-18E，预计至少要到2030-35年才能投入使用。在理论上，这是日本加入合作研发的最好时机。空自F-15J可以像美国空军F-15C一样延寿，可望能坚持到2040年，但美国的冷淡是最大的问题。如果空自要长期依靠F-35和吊打点滴的F-15J来面对歼-20的压力，日本列岛的防空态势将发生战后最大的逆转，这还没有算入战役弹道导弹和巡航导弹的因素。心神不定，输得干净。