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一文了解战斗机进化史

第一次世界大战早期的飞机,设计师关注的是如何将飞机飞起来,飞多远。在外形设计上采用了巨大的双层机翼。从第一次世界大战到第二次世界大战尾声,无论是美国、德国还是苏联设计的飞机,都是相似的外形——圆筒形的机舱和两片长长的机翼。在第二次世界大战即将结束之际,德国人发明了一种强大的战争机器——喷气战机!尽管它最终没能拯救德国法西斯覆灭的命运,但人类迎来了喷气战机时代!经过第二次世界大战洗礼,领袖们明白了空中力量对于战争的重要性,美国从1944年生产第一架喷气战机起,开启了喷气战机时代!一、第一代战机美国第一架喷气战机是P-59A Aircomet,首飞于1942年10月1日。由于性能欠佳,并未在二战中大量使用,随后1944年6月1日首飞的P/F-80 Shooting Star 被认为是真正意义上战斗机的起源!F-80为直翼战机,性能有限,综合性能不如同时代的MiG-15S,因此美国对F-80进行改进,研发生产了F-84、F-86、F-89、F-94。

P-80 Shooting StarF-84是美国第一款可进行空中加油的战机,1945年英国人发明了锥套、探头对接装置,解决了空中加油对接的难题。后来美国、苏联等的软式空中加油系统都采用这种对接装置。F-86 Sabre 首飞于1947年10月,是美国研发第一款后掠翼的战机。随后的改进型FJ-1 Fury服务于海军。MIG-15二、第二代战机冷战时期,美苏军用飞机在设计上的较量加速了战斗机的发展,给战斗机外形带来了很多变化,如后掠翼,三角翼和可变翼的出现。20世纪50年代,美国推出了六款典型战机:F-100 Super Sabre;F-101Voodoo;F-102 DeltaDart;F-104 Starfighter;F-105 Thunderchief;F-106 DeltaDart;这六款战机与第一代战机技术上有很大提升,被称为第二代战机。其中,F-102是美国生产的第一款三角翼战机!F-102与第一代相比,第二代具有较好的航空和高空飞行性能。并整合了更先进的涡轮喷气式发动机,导弹发射装置,超音速飞行能力、搜索雷达和火控系统。从50年代初第一代超音速战斗机的问世,飞机进入了超音速时代,飞机的速度越来越快。飞机速度的提高,除了应归功于喷气发动机技术的进展外,还应归功于超音速空气动力学的突破,飞机的外形随着空气动力学的发展而不断变化。1952年美国空气动力学家惠特科姆基于大量的风洞试验数据发现,只要将飞机沿机身轴向的横截面积的包线修成圆滑的或流线的,就可以大大减小飞机的跨声速飞行的阻力,这就是有名的"面积律"。尖的机头、蜂腰机身和三角机翼成为超音速飞机的典型气动布局。尽管大后掠机翼和"面积律"解决了飞机穿过音障的难题,但飞机真正要实现超音速飞行还很困难。当时的试验和飞行都表明,当飞机的速度达到某个亚声速速度值时,飞机的阻力会突然的增加。经分析,尽管这时飞机的速度还没有达到音速,但在机翼上表面局部地方已经达到了音速(这个速度称之为临界速度,或者称之为阻力发散速度),由于薄机翼的临界速度要大于厚机翼,所以很长时间来,超音速飞机的机翼都采用很薄的机翼。1956年9月27日,美国的X-2超音速试验机在试飞中,在高度20000米、速度M3.2时,发动机突然熄火,飞机很快进入了左滚转,飞行员试图用副翼控制时,飞机却向右侧滑,结果引起更大的左滚转,致使飞机完全失控,并掉进了倒飞尾旋状态。X-2事故后,空气动力专家经过大量的理论和实验分析,得出了结论,这是高速飞机的一个特有的"惯性耦合"问题,或称为"气动惯性旋转"。"惯性耦合"的起因是由于高速飞机的机身质量太重,当飞机快滚时,由于转动轴和机身轴线不重合,产生一个使机身向外甩的惯性力矩,飞机的迎角和侧滑角增加,再加上飞机在高速飞行时方向安定性下降,所以当滚转速度快到一定程度时,外甩的惯性力矩就会超过飞机的方向安定性,飞机的侧滑角很快增加,侧滑角越大,滚转力矩也就越大,又导致侧滑角进一步加大,从而进人恶性循环,最终失控。为了增加飞机的方向稳定性,超音速飞机在设计上增大垂尾,或在机身下加有腹鳍或尾鳍。

F-100A

F-100A是美国空军第一款超音速战机,当1953年5月YF-100A第一次突破音障,苏联人必须用速度对美国人的挑战做出回答,第二年1月,米格-19就呼啸而出,它的外形既不是典型的超音速布局,也没有拘泥于苏联人轻巧型战机的设计理念,酷似米格-17的后掠翼设计,采用的却是与众不同的双发布局。通过对米格-19的仿制,诞生了中国的歼-6。三、第三代战机在20世纪60年代,随着冷战时代的发展,西方国家和苏联开展了一场无声的航空科技大比拼,从米格-21和F-104,到米格-23和F-4。航空大国对于飞机的综合性能的要求日益提高,高机动性、雷达火控技术、多功能航空武器的研发,造就了一代名机。其中第三代机最典型的就是F-4 Phantom Ⅱ,虽然这款机设计出发点是为海军航母战机,它同时也被美国空军大量应用。越南战争深刻影响了美军各军种未来军备建设和作战理论发展。这场战争演示了技术的重要性,也证明了美军先进技术在实战中的各种不适。美军在越战期间广泛使用的F-4“鬼怪”战斗机、A-7 攻击机和F-104战斗机表现力不从心。由于F-4 重型战机结构复杂、机体庞大,无法对抗苏制轻小、高机动的米格系列战斗机,在陷入视距内空中格斗时美制战机出现了众多战损记录。

F-4

苏联在1967年推出了米格-23,米格-23可能是苏联生产的最多的三代机之一,共生产了4000多架,出口到世界近20个国家,它曾经有过击落以色列F-4鬼怪战机的辉煌,也有在海湾战争中8分钟被击落的耻辱。

MIG-23

米格-23在设计上有许多突破,是苏联第一次采用变后掠翼设计,第一次采用机身起落架设计,第一次在战斗机上采用前轮转弯机构,改善了地面滑行性能,15吨级战机,加大了机载油量,使米格-23成为基本构型留空时间超过一小时的飞机,第一次在战斗机上采用控制增稳和自动控制技术并采用迎角限制机构,为大迎角飞行提供了安全保证;第一次采用两侧近气设计,从而使战斗机真正进入了雷达和中距武器的时代,米格-23飞机上配备的雷达制导武器,在1974年的中东战争中曾经成功地击落以色列的F-4战机。米格-23设计的的细节,无不体现出俄罗斯人的灵感和精巧,飞机较好地解决了变后掠翼飞机的结构和操控设计,保证了高性能、低成本和安全性的良性结合。米格-23设计后期,因在结构设计上的斤斤计较,精益求精,总设计师米高扬已积劳成疾。在起落架设计上遇到了难题,因为可变翼的设计无法将起落架舱设置在机翼里,机身的空间十分有限,结构复杂的起落架找不到安家的地方。苏联航空大学的一个女大学生设计了一种全新的可转动蟹爪结构,成功地解决了起落架收放的问题,她因此得到了苏联航空界的最高奖。

MIG-23

为了对抗米格战斗机,美国约翰·博伊德少校在数学家托马斯·克里斯蒂的帮助下,运用数学模型提出了“能量机动”(EM)理论。能量机动可以让飞行员通过图示了解战机的最佳机动性能区间,判断座机和敌机各自的优势区间所在。基于“能量机动”理论,一种高机动性的轻型战斗机(LWF)被认为可以弥补美国F-4 等战斗机的性能短板。美国国防部推动了博伊德的理论研究,研制出了第四代战机F-16!四、第四代战机四代机的高机动性是鉴于人类在飞机空气动力布局上有了新的认识。早期飞机机动性的最大限制是由迎角限制造成的,因此需要设计一种气动布局,可以获得更大的可控迎角,四代机的翼身融合技术、边条件技术就是为了此目的而设计的。通过飞机空气动力布局设计的优化,大大延缓了气流分离的出现,使飞机的偏离迎角大大增加,飞机可用的飞行迎角范围也大大增加,加之四代机翼载荷的减小,使得飞机的总体升力远远高于三代机。在减小空气阻力的同时但也减小了飞机的升力系数,而随着全金属飞机的出现,飞机的重量大大增加,为了获取足以使飞机离陆的升力,起飞离陆速度就大大增加了。如何实现超音速性能与起飞滑跑距离的彼此兼顾,人们发明了具有“空中优势”的气动布局,其典型的特征就是小翼载、翼身融合和面积率设计,通过鸭翼、前缘襟翼、襟副翼等舵面系统,改变了机翼表面的空气流场,使得大迎角小的空气动力得以进一步改善。这些气动布局设计都是为了减小飞机的超音速阻力,在满足飞机的超音速性能的同时尽可能增加飞机的升力系数。为了缩短飞机的起飞滑跑距离,飞机的推重比应大大增加,三代机的推重比只有0.8左右,而四代机的推重比通常都在1以上。20世纪70年代,美国推出了新一代战机,包括:F-14Tomcat;F-15 Eagle;F-16 Fighting falcon;F-18 Hornet;这一代战机整合了全新的航电系统。F-14 Tomcat 首飞于1970年12月,这是一架双座,双引擎,可变翼,舰载战斗机,用于取代F-4 Phantom。

F-16

F-16 Fighting Falcon首飞于1974年1月,并在1979 年进入美国空军服役。1980 年7 月21日,F-16 被冠以“战隼”(Fighting Falcon)之名。F-16 战斗机性能优异,大胆应用了放宽静稳定度设计和线传操纵系统。通用动力公司在YF-16 飞机将升力中心置于机体中心之前,将初始俯仰率提高到F-4 的两倍半,而线传飞控的引入则使飞行员可以快速调整飞控来维持飞机的稳定飞行,由计算机执行飞行员发出的滚转、俯仰等操作命令,从而大幅提升战斗机近距格斗能力。中国是世界上第五个具备独立研制四代机的国家,歼-10飞机的研制成功是我国国防现代化建设的一个里程碑。它凝结了几代航空人不懈努力的心血。歼-10飞机的技术状态已经达到了国外四代机的水平,优良的气动外形,数字电传的飞控系统,高度综合化的航空电子系统,强大的武器配置,使歼-10飞机成为可以与世界先进战机抗衡的“杀手锏”。歼-10飞机是一架全新的飞机,新技术使用率达到了80%。1998年3月23日,我国首席飞行员雷强驾驶国产第一款四代机歼-10首飞成功。

J-10

第四代战机的一大特征就是电传控制系统的应用。电传操纵系统是计算机时代的产物,没有计算机就没有电传操纵系统。在传统的飞机操纵系统中,尽管有液压系统和飞控机构的帮助,人们在操纵飞机时实际是在操纵舵面,舵面产生的气动力使飞机的飞行轨迹和姿态发生改变,这就是机械操纵系统的基本原理。而在电传操纵系统中决定飞机动态的除了人的操纵外,还有计算机的控制律和飞机的响应反馈。而真正作用于舵面的操纵信号是计算机将人的操纵输入和飞机的响应反馈通过控制率的计算产生信号。因此对于电传飞机来说,真正操纵飞机的是计算机而不是人,也就是说人操纵飞机的意愿要通过计算机来实现。电传飞机的最大优点在于,人们可以通过控制律的优化设计,实现最佳的操纵品质,这是人的操纵无法实现的,电传飞控系统实现了最佳机动性能和优良品质的最佳组合。五、第五代战机当美国的X-29展示其大迎角机动时,就意味着矢量推力将彻底改变人们对于飞行控制的传统理念。对于五代机而言,矢量推力对于飞行的最大贡献不是大迎角机动性能,而是对于飞机机头迅速指向的贡献,而这正是现代战机超视距空战和近距格斗中最重要的性能。在五代机上,“敏捷性”的概念一经提出,就引起了国际航空界的巨大关注,各国都迅速展开了直接力控制的研究,除了在飞机气动力设计上动脑子,人们从火箭技术上受到启发,想到了发动机“矢量推力”技术。2010年的范保罗航展上,美国F-22战机的飞行表演,让人真正领略了“飞发一体化控制”所带来的魔幻飞行。F-22 是美国洛克希德-马丁公司研制的新一代战斗机,当初的设计目标是使它将成为美军本世纪初的主力机型。F-22采用倾双垂尾布局,将隐身设计和低超音速波阻技术、大迎角气动力技术和非定常前体涡控技术融合,在隐身性和机动性之间取得了很好的效果。

F-22

在“矢量推力”的研究中,美国人和俄罗斯人走的是不同的路线,俄罗斯人利用他们在机电领域的技术优势,首先想到了“喷管转向”技术,而美国人则想到的“喷流舵面”技术。美国人很快在“喷流舵面”技术上获得了突破,他们一反常态地将高精尖的X-31试验机的飞行表演视频通过媒体公开,当世人看见X-31在机头几乎垂直冲天的情况下起飞都惊呆了,因为这种飞行状态已经完全突破了传统的飞行理念,人们突然发现:没有空气动力,飞机照样可以机动。

F-35

2000年9月波音公司的X-32A验证机首飞,10月洛马公司的X-35A 首飞,洛马的原型机随后被改装成X-35B 进行飞行试验,第二架原型机X-35C 则在12 月开始试飞工作。2006年7月首架系统研制与演示阶段F-35A战斗机亮相,F-35 被正式命名为“闪电II”战斗机,于2006年12月15 日完成了首飞。在战机换装压力下,美国各军种对F-35的需求非常明确:美国空军需要F-35A 替代F-16 战斗机和A-10攻击机,补充F-22 机队;美国海军陆战队用F-35B替代AV-8B 鹞式攻击机;美国海军则用F-35C 替换老式F/A-18,补充F/A-18E/F机队。歼-20是中航工业成都飞机工业集团公司研制的一款具备高隐身性、高态势感知、高机动性能的第五代战机,正是鉴于成都飞机工业集团的出色表现,大家亲切称她——“成洛马”!期待我们的“成洛马”带给我们更多惊喜!

J-20

参考文献:1.《宋文骢传》[M]作者:张杰伟、舒德骑2.《鹤舞凌霄》[M]作者:徐勇凌3. F-35战斗机三维重建及气动、隐身特性分析[D]姜浩4.武器生产合作与霸权权力制衡[D]陈超