当前位置：首页 > 军事

隐身飞机系列Ⅸ——狮鹰接班人FS2020

发布时间：2020-07-23 07:33:03

来自空军之翼

作者：候知健

瑞典第四代战斗机FS2020

导语：瑞典萨博的第四代战斗机方案并不是什么新闻，先期研究很早就在进行，而且并不低调。萨博是一家极具能力的航空企业，但笔者的看法是，萨博新一代飞机的研制过程并不轻松，难度很可能比研制JAS-39时要高的多。

一：萨博的辉煌与窘迫

从空气动力学历史来说，瑞典萨博的地位远远超出普通人的想象之外，他们是一个大时代的开创者。迄今为止鸭式布局在人类航空发展中支撑了三次历史性的突破，第一次是莱特兄弟的飞行者一号，它宣告人类的航空时代来临；第三次是美国的X-31验证机，它宣告人类掌握了在过失速区域这一死亡禁区实现可控飞行的能力。

萨博在上世纪60年代通过Saab-37飞机实现的近距耦合能力，实现了对脱体漩涡的利用

Saab-37鸭翼与F-16边条产生脱体涡的对比，鸭翼脱体涡强度更大

而第二次突破，正是萨博在上世纪60年代通过Saab-37飞机实现的近距耦合能力，实现了对脱体漩涡的利用。这是人类航空史上的第二个使用流型，也是今天所有高性能战斗机的设计基础；自F-16开始的所有高性能先进战斗机，无论其设计上采用的是边条还是鸭翼又或者是其它类型的涡流发生器，概不例外。几百上千年以后，或许再也没有人去关注F-15与苏-27究竟谁强谁弱，幻影2000击落F-16是确实有着明显性能优势还是偶然个例，但萨博和Saab-37的光辉将依旧耀眼。

作为一个人口不超过1000万的国家，瑞典没有能力支撑完整全面的工业体系；它注定是一个选择性发展的偏科生，航空工业领域也不例外。随着战斗机越来越复杂，萨博家族型号在研制过程中对于他国的技术依赖也越来越严重。在早期，除了发动机需要引进技术以外瑞典可以独立完成所有其它部分的研制工作；而到了JAS-39就必须进行多国联合研制，而且交由国外研制的部分包括了大量的核心项目，例如全权限数字电传飞控。

JAS-39NG的各国研制分工

国家工业体系的不完整并不是禁锢JAS-39性能的唯一桎梏，瑞典对于战斗机的定位规划失误实际上更为致命。瑞典虽然一直保持着中立国的身份，但是在意识形态和地缘政治上一直站在苏联的敌对面——这使它要获得美国和欧洲其它国家的技术支持十分容易，也很少有什么限制。例如Saab-37使用的RM8发动机，就是瑞典在引进美国普拉特惠特尼公司JT8D发动机的基础上，通过加装加力燃烧室改进而成；除此之外，美国还提供了数字大气数据计算机、惯性导航、战术仪表着陆、自动飞行控制等大量分系统技术。在后来JAS-39的研制过程中，美欧诸国也并没有改变这一充满铁杆兄弟色彩的历史传统——但恰恰是瑞典对项目的论证规划，使JAS-39项目出现了严重的挫折并限制了它的成就。

RM8发动机是使用民航发动机改战斗机发动机的经典例子

二：鹰狮的困境

在苏联解体以前，如何抵御苏联的侵略一直是瑞典所有国防计划的核心问题。由于两国之间最近的距离仅有200公里左右，而且瑞典本国的国土并不大（45万平方公里），因此瑞典对于战斗机的航程和作战半径并不过于看重；但对于战斗机的多功能化、短距起降能力要求非常高——前者是因为瑞典无力负担多个机种，而后者可以保证战斗机在抢修的机场、公路上进行起降。

在研制Saab-37后继机种的时候，这种只图自保的思路对于项目定位形成了决定性的影响：JAS-39不是在继承Saab-37的吨位尺寸（机翼面积46平米，空重10吨）基础上，利用新技术进一步扩展作战能力的中型战斗机；而是一款继承Saab-37任务要求，利用新技术减小吨位尺寸（机翼面积25平米，空重6.6吨）的小型战斗机。这样做的目的是为了减少战斗机的研制生产成本，更轻更小的机体不仅意味着制造成本的降低，也意味着可以采用更便宜、油耗更低的发动机，但形成的负面影响是决策者们所始料未及的。

捷克空军的JAS-39

瑞典在JAS-39项目规划时对于新技术运用的效果过分乐观，认为在先进的气动布局基础上，通过数字电传和静不稳定技术的优化，以及复合材料应用对于结构的减重效应和更先进的高推力发动机，以及更轻更小的航电设备，可以使新飞机仅需要Saab-37一半的重量。我国一些较早的资料对于JAS-39的空重估计在不到5.1吨，也正是基于这一论断；最终JAS-39超重1.5吨以上，这和印度LCA飞机上出现的情况惊人的一致。

如果说LCA超重来自于印度航空工业的严重落后，那么JAS-39的重量失控就完全来自于过高的要求。JAS-39的编号字母意味它必须实现的三种功能：分别代表着拦截（JAKT）、攻击（ATTACK）、侦察（SPANING）；最大起飞重量要达到空重的2倍；为了满足短距降落要求，不仅所有的起落架都必须安装刹车，而且必须能耐受每秒降低5米高度的冲击——普通陆基战斗机最大指标只需要3米，而且前起落架并不需要刹车。

JAS-39项目中的大量构型研究

JAS-39的最终构型

战斗机的功能和性能都不可能凭空获得，而是一定有实现它的硬件基础；对于飞机设计来说，这就意味着重量和体积。JAS-39在小型战斗机平台里硬塞进本应装在一架中型甚至大型战斗机的全套机载设备，又对机体结构提出了过高的要求，飞机超重、机身内容积严重不足的结果也就无法避免了。最终的结果是JAS-39不少性能和功能并未达到预期水平，而推重比则低于除了幻影2000以外的任何一种三代机。

为了保证机翼下有足够的空间用于挂载武器弹药，JAS-39不得不选择了中单翼设计

苛刻的尺寸要求带来的不仅是性能损失，还有巨大的风险。瑞典对于战斗机的短距和公路起降能力有着严格的要求，这使JAS-39必须特别注重地面操纵能力和防止进气道吸入外来物体打坏发动机——而只有两侧进气布局能够在小尺寸下提供最大的前后起落架间距和进气道高度。而为了保证机翼下有足够的空间用于挂载武器弹药，JAS-39又不得不选择了中单翼设计。两侧进气设计使鸭翼必须安装在进气道外侧，大大压缩了鸭翼与机翼的前后间距；而中单翼设计则大大压缩了鸭翼与机翼的高低间距。这种异常紧凑的安排对JAS-39的控制形成了极大的困扰。

“台风”战斗机早期构型的涡流研究

三代机上采用的鸭式布局，都是使用全动鸭翼和静不稳定技术对无尾三角翼布局进行增强的产物。与常规战斗机的全动平尾不同，全动鸭翼同时充当了两个角色：既是俯仰控制面，又是涡流发生器。

涡流增升的基本原理是在大迎角下依靠气流从涡流发生器带有较大后掠角度、“锋利”（前缘半径小）的气动面前缘上分离出稳定的脱体漩涡并经过机翼；高速旋转的脱体漩涡气流控制住机翼的气流分离趋势，并极大提高了机翼上表面的负压，从而产生巨大的涡流升力。脱体漩涡的强度会随着涡流发生器的迎角增大减小而迅速变化，因此涡流升力会表现出强烈的非线性——直观的说，涡流升力的强弱幅度与鸭翼偏转（或是边条的迎角变化）完全不成比例而且变化剧烈。

另一方面，在静不稳定布局中，飞机的气动中心在重心之前，只要一个很轻的扰动就能使飞机进入持续上仰或者下俯的状态。这正是采用静不稳定布局可以大幅度减轻飞机重量的一个重要原因：诸如平尾这样的控制面可以做的更小，更靠近飞机重心。这个特性与涡流升力相结合以后，既带来了极大的收益，也带来了极大的风险；如何处理这种关系，一直是现代先进战斗机设计中最为核心的设计部分。

如果说在第三代常规布局上，安安分分不会自己乱动的边条产生的涡流升力较小、并且温顺易于控制的话；鸭式布局飞机的鸭翼要如何偏转，才能协调好俯仰控制力矩与涡流升力变化的匹配，使飞机在进行机动飞行时不至于出现剧烈的上仰、俯仰失控，就很像是在尖刀丛中跳舞了。

注意气流的分离

JAS-39的难度又是其中最为极端的型号。对于短距起降能力的额外重视使它选择了较大的鸭翼面积以获得更强的涡流升力，但鸭翼和机翼间极其有限的间距调整范围，使它在高升力与力矩非线性的矛盾处理中无法从气动设计上顾及后者，而只能在飞控设计中进行弥补。JAS-39飞控研制是现役鸭式三代机中最为坎坷的，后来多次因为飞控问题导致严重事故和坠机；从1989年初第一次严重事故起，直到1995年底才完成全部试飞。

1989年因飞行员诱发震荡而坠毁的“鹰狮”原型机

最后从经济角度来看，JAS-39的规划并不见得划算。新型战斗机的研制过程中，电子设备的软硬件系统研制成本占全机比例非常高，单台发动机和机体结构制造成本差价的意义已经大大降低了。而风险失控引起的项目拖延（比如飞控问题）浪费的大量经费，其实都是可以避免的。尤其是因为吨位尺寸对作战性能带来的限制，JAS-39丧失了相当多的潜在市场份额，既不利于分摊研制成本，又损失了大量的盈利；作为一款比F-16更加先进的型号，它的外销表现和F-16比起来根本不值一提。

三：FS2020的困境

从已公布的资料来看，FS2020和JAS-39有着非常直接的演变关系——这种关系远比从歼10到歼-20要亲近、紧密的多。幸运的是，萨博这次并没有试图打造一款轻型四代机，很大程度上避免了JAS-39的窘境；但更为不幸的是，萨博这次恐怕很难再像JAS-39研制过程中那样，能够获得大量的国外技术引进和援助。

FS2020外形

前后内置弹仓设计

隐身战斗机的一个主要特征就是武器的内置化，这既是出于隐身的需要，同时也是出于减低阻力的需要，这就使飞机的尺寸和吨位受到了武器（导弹、炸弹）尺寸的限制。从这个角度来说，一款隐身战斗机至少需要10吨级别的空重，才能有足够的机身容积来安排内置弹仓和相关机构。实际上在国内某所的方案迭代过程中，10吨这个数字是在采用能将飞机重量和阻力控制到最小的无尾三角翼布局以后才获得的。

按照公开的资料FS2020的空重也正好是10吨，考虑到鸭式布局和无尾三角翼布局的相近，应该说还是有较大可能实现的——当然很可能要牺牲一部分弹仓容积等性能，但阻力又是另一个问题。国内某所在研究中最终认定无尾三角翼方案的另一个原因是：这是在使用一台类似F119发动机的条件下，尽可能减少阻力，实现超声速巡航的唯一选择。毫无疑问的是，基于瑞典对于短距起降能力的一贯强调，FS2020项目绝无可能放弃鸭翼。毕竟即使是通过涡襟翼等措施进行增强以后，常规的无尾三角翼布局飞机起降能力也只能说是过得去而已。

FS2020的遥控动力模型

如果从设法减少鸭式布局的气动阻力这一方面来说，恐怕歼-20上的成功经验并不能为FS2020所效仿。在第三代战斗机中，鸭式布局一直有两个问题没有得到解决，这使它在理论上的低超声速阻力优势并没有完全发挥出来。第一个问题是出于保证飞行控制的需要，鸭翼的安装位置要高于机翼，这使鸭式三代机都没有能采用类似苏-27、F-22那样的升力体设计。第二个问题则是机动性能与阻力的取舍，鸭翼面积更大、距离机翼更近，涡流升力和耦合效应也越强，有利于提升机动性——但是阻力也大，EF2000就是为了降低阻力而牺牲一部分机动性能的例子。

除了鸭翼外，“台风”的涡流发生器也能产生很强的涡流

歼-20在设计上完全突破了这两点。除了鸭翼与机翼水平安装，采用升力体机身外；通过鸭翼与边条的组合，从两个方面实现了高速下的阻力降低。除了鸭翼与机翼间距的加大以外，鸭翼和边条的涡流耦合非常大程度的提高飞机的升力表现——这使歼-20可以在保证优异机动性能的情况下，削减15~20%的机翼面积以降低重量和阻力。当然如果有足够的发动机推力的话，不削减机翼面积飞机的机动性能会更好，但是国内发动机现状并不支持这种美好的盘算。

歼-20

瑞典萨博的四代机：结语

歼-20这种设计的基础是FS2020所很难具备的，它完全基于极其先进的飞行控制系统才得以实现。观察FS2020的方案并不难发现，萨博并不打算在气动性能上做过于激进的突破；除了出于隐身设计的棱边机头会形成额外的涡流体系外，这个方案的气动设计仍然保留了鸭式三代机的主要特征——鸭翼与机翼的高度差也不可避免会在一定程度上破坏飞机的隐身性能。考虑到JAS-39研制过程中的研制分工和挫折，萨博这样的保守设计也是相当合理的。

可能是萨博自己也对FS2020的阻力感到不乐观，在方案的规划中对于发动机推力指标给出了170kN（17.3吨）的惊人数据——F119发动机的推力最大也才15.9吨。对于一个强调高速性能，声称将具备超巡能力的项目来说，笔者实在是想不到世界上哪里还有设计上偏重超声速飞行的战斗机发动机能满足萨博的要求。且不说俄罗斯和中国的该级别发动机尚且在研，即使是研制成功，恐怕也满足不了这样的指标。

F-35

按照笔者的看法，这些问题对于FS2020来说都不算特别致命；弹仓小一点，那就只挂空空弹；发动机找不到那么高标准的，那就放弃超巡能力。更要命的问题在于：这一次，恐怕美国人不会再帮助瑞典，不说F119这样绝不可能出口的神器，就是F100和F110的大推力改型也会卡住不放；而其它的关键分系统上也是如此。原因并不复杂，就是为了避免对F-35形成冲击。

事实上这并非没有先例，挪威在F-35与JAS-39改进型号中犹豫的过程中，美国就通过停止向瑞典提供相关雷达部件的措施来破坏瑞典和挪威的交易。在F-35价格居高不下，产能又无法满足各国战斗机更新换代需求的情况下，FS2020一旦批产，对F-35的冲击绝不是JAS-39的改进型号能比的。

一旦来自于外部的技术支援断绝，萨博的研制工作恐怕就会自然而然的停止。一方面大量分系统、设备失去来源，另一方面很多的设计咨询和外包都无法正常进行；瑞典要在国内重新开始相关技术的研发，把这些短板一一补齐，无论是时间还是经济成本都完全无法承受。更何况对于瑞典这样的国家，FS2020并不是一定非要搞出来不可，对于他们来说彻底得罪美国的代价要比获得一款半吊子的中型四代机严重的多。