猛禽的进化——从ATF到F-22

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速度
　　为飞行动力实验室进行的ATF概念研究还揭示速度是空中优势战斗机的另一个重要特性。高速不仅能缩短敌人的反应时间，还能使己方战斗机更自由地接敌和脱离，只有更快的战斗机才能拥有这种主动优势。
　　速度在上述研究的表现形式是超音速巡航，即不开加力进行的超音速飞行，这不仅能降低油耗，还能大幅降低对隐身不利的红外辐射。为超音速巡航优化的方案具有细长机身和大后掠短翼展机翼，以及大型高核心温度的发动机。
　　不过ATF并不是第一种能够超音速巡航的军用飞机，这个殊荣属于B-58“盗贼”。不过B-58需要打开加力或进行俯冲才能突破音障，后来的F-16XL和F-16后期型也能以这样的方式进行超巡。

超音速巡航即不开加力进行的超音速飞行，这不仅能降低油耗，还能大幅降低对隐身不利的红外辐射。图为F-22进行超巡

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机动性
　　机动性也被认定是空中优势战斗机的一个重要特性。不同于隐身和超音速巡航，高机动性经常被列入防御战术而不是进攻战术的需要。莫兰解释说：“尽管《壮志凌云》这样的电影或书籍都把战斗机描绘成具有很高的机动，但一般来说在激烈机动中向敌机射击并不是个好主意，不仅耗时而且还让对手能预测你的行动。”
　　莫兰继续说：“纵观历史，成功的空战飞行员一般都尽量避免机动交战。但有时他们会忘了这一点，著名的‘红男爵’——曼弗雷德•冯•里希特霍芬在一战中取得了创纪录的83次击坠，但最后因为违反这一守则而被击落殒命。战斗机飞行员一般会选择在飞行包线内利于发挥自己机动性的区域内作战，并避开敌机机动性优势区域，所以高机动的包线区域越大，就越能增加战术灵活性。”
　　60年代约翰•博伊德提出了量化机动性的能量机动理论，F-15在设计时应用了博伊德的理论，F-16成为第一架按能量机动理论设计的飞机。能量机动理论最常用的评价指标有：持续过载（不损失空速和高度的急转弯能力）、瞬时过载（不考虑降低速度时的机头指向能力）、单位剩余功率（衡量飞机在任何飞行条件下的潜在爬升、加速、转向性能），还有一个重要参数是跨音速加速时间（从0.8马赫加速到1.2马赫的耗时）。通过对比两种战斗机的上述参数，就能判断出哪一架会在机动交战中获得战术优势。

按能量机动理论设计的F-16与上一代的F-4比较转弯半径

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短距起降/短距起飞垂直降落/垂直起降
　　在七八十年代的早期ATF研究中，能从被损坏的跑道上起降成为ATF的另一个经过评估的特性。此类设计可被分成三大类：短距起降、短距起飞垂直降落、垂直起降（英文缩写分别是STOL、STOVL、VTOL），但短场起降能力带来的好处不如隐身、速度和机动性那样明显。
　　短场起降能力会大大提高飞机的成本，并且确定短场起降的具体需求也很复杂。莫兰说：“到底需要何种程度的短场起降能力取决于敌方进攻性防空（把敌机摧毁于地面）和反跑道武器的实施规模和效果，也取决于破坏多少条跑道才能显著影响我机的起飞迎战，还有我方的跑道快速修复及恢复作战的能力。当然还有一个最重要的前提，那就是我方防空力量在第一时间能打掉多少敌机。”
　　敌机要炸跑道还是炸飞机使问题进一步复杂化。炸飞机时，要考虑掩体坚固度和飞机位置情报准确性的因素。莫兰继续说：“美国及北约盟国正忙于开发各种能破坏大块混凝土的空地武器，我们有理由相信华约也在这么做。”
　　通用动力的“一饮而尽”和“蟋蟀杰米尼”是两种更直接解决短距起降问题的设计。“一饮而尽”通过把喷管布置在机翼上方使其对跑道的要求缩短为区区一二百米，这个设计通过复杂的管道和歧管把发动机排气从翼展方向分布的喷管中排出，在很低的速度下能产生很大的升力。不过这套管道系统非常沉重，最终被证明无法使用在高性能超音速战斗机上。

“一饮而尽”通过把喷管布置在机翼上方使其对跑道的要求缩短为区区一二百米，这个设计通过复杂的管道和歧管把发动机排气从翼展方向分布的喷管中排出，在很低的速度下能产生很大的升力

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　　“蟋蟀杰米尼”则用多发动机实现短距起降，飞机的一台主升力-巡航发动机提供正常飞行和短距起降所需推力，垂直安装的辅助发动机仅在起降时产生垂直升力。根据发动机大小的不同，飞机可具备短距或垂直起降能力。

“蟋蟀杰米尼”则用多发动机实现短距起降，飞机的一台主升力-巡航发动机提供正常飞行和短距起降所需推力，垂直安装的辅助发动机仅在起降时产生垂直升力

　　从另一方面看，针对超音速飞行和高机动性优化的战斗机先天就是高推重比和低翼载的，具备一定的短场起降能力。并且该能力还能通过加强起落架（适应修复后的跑道），加强刹车和增加反推装置得到加强。不过这些改进要付出重量代价，会降低空战中的可用推重比。
　　ATF项目在最初的确有短距起降要求，这需要各公司使用上面提及的一些技术，其中最引人注意的就是反推和推力矢量装置。不过到了ATF项目的演示/验证阶段，美国空军放宽了对起降距离的要求，所以各公司就去掉了反推装置来降低重量和成本。由于推力矢量能在多个方面提高飞机性能，所以洛克希德团队保留了YF-22的推力矢量尾喷管。与传统尾翼相比，尾喷结合推力矢量能使飞机在更低的滑跑速度下抬头，有助于缩短起飞距离。在巡航时，推力矢量又能进行配平操作，降低了用尾翼配平增加的阻力。所以使用推力矢量技术后，飞机能用面积更小的平尾，或在巡航中把平尾设定在阻力更小角度。推力矢量还能增强飞机进行大迎角机动和进攻机动时的操控力。

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挑战
　　ATF项目的根本挑战在于要综合隐身、速度和机动性，之前从没人尝试做如此复杂的设计。F-117已经表明隐身会大大影响飞机各方面的设计。隐身飞机必须采用内置弹舱，这会大大增加飞机的横截面积（看看F-35），而这又会增加超音速阻力，不利于超音速巡航。哈迪解释道：“隐身飞机需要一个大弹舱，这会挤占了原本用于安排起落架和进气道的空间。如果你设计出一架圆滚滚的飞机的话是不能超音速巡航的（再看看F-35），除非你把飞机拉长并装上巨大的发动机，但这种做法是不可取的，因为飞机会非常昂贵。”
　　机动性往往会要求飞机加大机翼和尾翼的尺寸，并采用比超音速巡航所需的体积更大的发动机（推力也更大），这些都使隐身更难以实现。为了隐身，F-117在速度、机动性、载弹量等方面都做了妥协，而ATF的飞行员们是绝对不会同意这样做的。
　　ASD在1981年重回游戏并发布了ATF的信息需求书，9家飞机制造商和3家发动机制造商回应了这次挑战。在该项目的早期阶段，美国空军还没有决定新飞机是偏重空空还是空地任务，于是邀请工业界来提供想法。

当时YF-12A在24380米高空以大于3马赫的速度发射了7枚休斯AIM-47导弹对50公里之外的空靶进行攻击，结果非常成功

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　　这些公司提交的答案五花八门。洛克希德公司提出一种YF-12A（大多数人认为该机是SR-71单座型）的衍生型，该机专为空地任务设计，中央弹舱可挂载多枚激光制导的动能侵彻弹，在高空以超音速投射。这一概念在1982年春完成设计，利用了60年代后期YF-12A空空导弹试射收集的数据，当时YF-12A在24380米高空以大于3马赫的速度发射了7枚休斯AIM-47导弹对50公里之外的空靶进行攻击，结果非常成功。顺便说一下，洛克希德在参加F-X项目竞争时也提交了高空高速方案，但败于F-15。

洛克希德公司提出一种YF-12A的衍生型，该机专为空地任务设计，中央弹舱可挂载多枚激光制导的动能侵彻弹，在高空以超音速投射

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　　波音公司和洛克希德一样，提交的概念也以超音速为卖点，这些设计偏重于空地任务。哈迪回忆道：“在研究了很多布局，包括飞翼、鸭翼、四尾翼、V尾、两侧进气、机头进气之后，波音很快就完成了设计。我们认为飞机需要很高的速度，所以这些设计都有很高的细长比。”
　　哈迪继续说：“很明显，我们需要的是一架机动性良好的飞机。当后来飞机的主要任务转到空空上时，我们很快就去掉了那些对操控性不利的东西。”波音的设计还具有巧妙的内部布置和半埋式弹舱。

我们认为飞机需要很高的速度，所以这些设计都有很高的细长比

波音的设计还具有巧妙的内部布置和半埋式弹舱

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　　通用动力公司提出的两个方案演变自该公司在1976-78年间为飞行动力实验室完成的4个设计。第一种叫Model 21的设计衍生自“平凡女孩”，并将成为通用动力在ATF项目下一阶段中传统布局探索的先驱。Model 21是一种中规中矩的现代战斗机，但也并非完全传统，该机具有能减少雷达反射面积的正面外形和结构，梯形后掠翼，安装了雷达与红外搜索/跟踪系统的可旋转机鼻。复合材料约占Model 21结构的40%，其空地弹药包括一种方形截面的滑翔炸弹。

第一种叫Model 21的设计衍生自“平凡女孩”，并将成为通用动力在ATF项目下一阶段中传统布局探索的先驱

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　　另一种方案发展自“劣酒”。由于“劣酒”的保密级别很高，所以通用动力被禁止向美国空军官员展示方案的真实图纸，只能提交了一份被空军官员称为“棉花糖”假图纸，而真正的设计将成为公司在项目的下一阶段中飞翼研究的起点。

由于“劣酒”的保密级别很高，所以通用动力被禁止向美国空军官员展示方案的真实图纸，只能提交了一份被空军官员称为“棉花糖”假图纸

一种方案发展自“劣酒”，将成为公司在项目的下一阶段中飞翼研究的起点

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　　ASD给工业界一年时间进行研究和撰写报告，然后把各公司方案分成四大类进行任务分析。这四类飞机分别被打上N、SDM、SLO和HI的标签，“N”代表数量，也就是能大规模采购的小型廉价飞机；“SDM”代表超音速冲刺与机动，这类设计强调速度和机动性；”SLO”代表亚音速低可观测，都是些飞翼设计；“HI”代表大马赫和高空，都是大型的导弹发射平台。最后SLO飞翼设计得分最高，较传统的SDM战斗机位列第二，导弹平台和廉价战斗机获得了较差的评价。

各公司五花八门的方案