F-35的空战能力问题

晨枫

F-35的世界充满精彩，总是高潮迭起，近来透露的美国空军F-35A与F-16D的对抗演习进一步吊起人们对F-35的兴趣，但这不是F-35项目办公室或者洛克希德所希望的那种兴趣。
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F-35的设计要求之一是“机动性不亚于F-16”，但近来透露的F-35A对F-16D模拟空战激起人们的极大兴趣

F-35的身世很复杂，但F-35的使命原本并不复杂：这是一架战斗轰炸机，以对地攻击为主，但空战能力要求不弱于F-16或者F-18。从某种意义上说，这是一架具有自我护航能力的F-117，可以客串兼职战斗机。由于时代的阴差阳错，现在F-35的使命大大复杂化了，空战成为F-35的重要使命，空战能力不足成为F-35阵营挥之不去的头痛。F-35A将替代美国空军的F-15、F-16、A-10，美国海军和海军陆战队的F-18，还有美国海军陆战队的AV-8B。由于F-22的产量远远低于美国空军的预期，F-35A将占美国空军战术飞机的90%以上，不可避免地要承当相当部分的攻势制空和防空作战任务。美国海军倒是有F-18E/F担任舰队防空主力，但航母舰载机数量有限，所有战斗机都要一个顶俩，性能可以有所侧重，但都应该在舰队防空和海陆攻击能力方面至少达到基本要求，这样才能最大限度地增加攻守实力和战术灵活性。美国海军的基本要求也是很高的。在美国海军陆战队方面，战术飞机将为清一色的F-35，包括在航母上与海军混编的F-35C和在两栖攻击舰上独立部署的F-35B。盟国方面的情况要复杂一点。已经装备“台风”的英德意西等不依赖F-35作为制空防空主力，但混合装备F-15、F-16、F-18的国家就比较纠结，用理论上已经过时的第三代战斗机（在欧美现在称为第四代）为更先进的第四代（在欧美称为第五代）战斗机开路保驾，不免很是尴尬，以色列、日本、韩国、新加坡都将遇到这个问题。计划采用单一F-35的国家这个问题更大，如挪威、丹麦和加拿大（尚未决定是否购买F-35）。

: K) `3 Y: H5 n空战战斗机要求有较高的速度、机动性、火控系统性能和武器携带能力。速度不仅对及时赶到战场很重要，还能增加武器发射时的能量；机动性是战斗机的生命，火控系统决定了发现、锁定和发射武器的能力，武器挂载量则是消灭敌人的基本，武器没有了，一切都是空谈。
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6 R- S0 w1 L/ l4 ?8 ?( l9 |8 {4 o为了降低成本与研发风险，F-35在设计时就定位于非超巡战斗机。不仅如此，F-35的最高速度只有M1.6，低于典型第三代战斗机。F-35的加速性也受到相对较低的推重比的限制，在正常起飞重量下，F-35的推重比与在越南上空就以笨重著称的F-4相当。更要命的是，F-35的翼载较大，甚至高于同样越南时代的F-105，使得机动性受到很大的限制。垂直机动固然依赖更高的推重比和更低的翼载，水平机动也同样如此。战斗机转弯不是靠垂尾上的方向舵的偏转，那样只能把战斗机扭转了身子侧滑，而不能真正转弯。转弯需要的侧向力是通过横滚到几近侧立位置而产生的侧向升力形成的，拉大迎角最大限度地增加升力，代价是阻力急剧增加，需要大推力来维持速度。这当然是对机动性的简单化描述，但高推重比和低翼载对机动性是具有决定性作用的。对于机内燃油量比惯例更大的F-35是否应该以正常起飞重量作为推重比和翼载的计算参照，这是可以争论的，但不争的是，F-35在美国空军与F-16的对抗演习中因为机动性不足而落败。
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2015年1月14日，美国空军组织了一次F-35A对F-16D Block 40的模拟空战演习，这是一次没有预案的演习，更加接近实战，目的是检验F-35A的格斗空战能力。也有说法这是测评F-35A机动能力的对抗性试飞，用于通过实飞数据来调试飞控律。不管用什么名义，两架战斗机在近似实战的条件下进行了多次对抗性飞行。参加演习的是AF-02，这是早期F-35A，缺乏隐身涂层，但这本来就不是格斗空战所必需的。减少了隐身涂层的重量实际上还改善了AF-02的机动性。对抗演习中，AF-02连机内武器都没有挂载，进一步减轻了重量。演习中也没有打开、关闭武器舱，因此没有武器舱门打开时额外阻力的不利影响。缺乏雷达和火控软件升级是一个问题，使得AF-02无法使用头盔瞄准系统，也无法在大离轴角度上发射空空导弹。不过演习中F-16也没有使用这样的能力，其结果是两边只有靠机动性和传统空战技巧硬抗。但较早版本的飞控软件有可能限制了机动性。另一方面，双座的F-16D不仅重量比单座F1-16C更大，还挂载了两个1400升翼下副油箱。4月间，美国《航空周刊》曾报道美国空军组织了一次F-35A对F-16的对抗演习，但没有提到演习结果。一般认为，这两起是同一次演习，换句话说，演习在加利福利亚的爱德华兹空军基地进行，F-35A的飞行员是洛克希德首席试飞员大卫•尼尔森。不过飞行员身份只是猜测，现在透露的报告中，飞行员的名字被掩去了。但报告指出，飞行员有2000小时的F-15E飞行经验，飞过F-16 Block 30/40/42/50，飞过F-18E的大迎角机动，用上述机型加上F-15C参加过异型战斗机对抗演习，还参加了F-35头盔显示系统的颤振性能试飞，具有丰富经验。

& E' w6 C( m0 d) I* W洛克希德始终坚持，在充分发挥信息、隐身和其他特点的情况下，F-35的空战能力为第三代战斗机的4-6倍。这些特点只有在超视距空战中才能体现出来，演习没有评估这个方面。另一方面，F-16D Block 40属于现役美国空军F-16中较早的型号，Block 20之前的F-16A/B现在基本上退役了。Block 25开始为F-16C/D，早期的Block 25和30/32已经开始退役，1987-94年交付的Block 40/42和更新的Block 50/52为现役主力。Block 30/32以后采用增大的进气口（俗称“大嘴毒蛇”，美国空军对F-16 常用“毒蛇”昵称，“战隼”是正式名称，但美国空军较少使用），还有有限的隐身措施，如座舱盖有金质镀膜，机体结构上采用局部雷达吸波材料。另外就是可以选择使用通用电气F110和普拉特•惠特尼F100发动机，以“0”结尾的采用通用电气F110，以“2”结尾的采用普拉特•惠特尼F100。美国空军没有采用最新的Block 60（也称F-16E/F），目前只有阿联酋采用。Block 30开始结构重量和最大起飞重量有所增加，但要到Block 50/52才得益于增加推力的通用电气F110-139或者普拉特•惠特尼F100-229发动机。双座的F-16D增加了重量，但报告没有说F-16D是否搭载了增加观察的后座飞行员。两个1400升副油箱使得F-16D的过载限制为7g，副油箱空了之后可以放宽过载限制。在整个演习中，副油箱始终没有抛掉，所以即使重量减轻、过载限制放宽，阻力还是不变。

演习包括17次交战，高度在5500-6700米之间，最低高度限制在3050米，以保证安全，最高高度限制在9150米。典型交战从斜距1830米、高差915米开始，或者从6700米高度以815公里/小时相对进入，或者从5500米高度以700公里/小时成直角进入。还有就是在5500-6100米空中建立接触后脱离并自由进入，对速度、高度和进入角度没有限制。这是典型的中空中速空战。飞行员报告说，首先注意到的就是F-35A缺乏足够的能量机动性，报告原文是“F-35A的能量机动性显著低于F-15E”，因为飞行员具有丰富的F-15E飞行经验。尽管F-16有两个外挂副油箱的累赘，F-35A的能量机动性在每一次交战中都吃亏。能量机动性是美国空军奇人约翰•伯伊德发明的概念，用于定量描述战斗机的机动性。能量机动性与速度成正比，与推力和阻力之差也成正比，与重量成反比。伯伊德指出，单纯的速度或者转弯速率不能决定机动性，只有能量机动性才能完整地描述机动性。能量机动力理论不仅成为战斗机设计的定量依据，也成为空战战术的定量指导。F-35A缺乏能量机动性是很糟糕的事情。不过F-35A缺乏能量机动性并不是惊人的新发现，F-35A的翼载比用作战斗轰炸机的F-15E还高，重量差不多，推力则少了67千牛，相当于少了一台F100发动机的军用推力。

F-35A具有比F-16更高的大迎角能力，但飞控律的限制使得F-35A迅速拉起、进入大迎角状态很笨拙，难以有效利用大迎角优势。推重比不足则使得加速迟缓，改出大迎角状态后迟迟不能恢复速度，同样限制了大迎角能力的有用性。能量机动性不足的缺点随着交战时间增加而越来越显著，交战时间以长就容易露怯，所以F-35A不宜缠斗。由于拉起速率较低，机动动作要摆足姿势才能真正转过来，很容易被对手看穿，既不能及时指向对手、形成射击机会，又不能及时躲开对手的锁定。控制面的动作很大，早早暴露机动意向，在格斗中很容易被对手看穿战术意图。相对来说，F-16的控制面动作较小，机动较隐蔽。不过F-15的控制面动作也较大。在演习中，F-35A的最大过载只能拉到6.5g，这是在急剧减速入弯时达到的，速度下降后，拉过载的能力进一步下降。F-35A的设计过载可以达到9g，F-35B为7g，F-35C为7.5g。不过飞行员发现，在大迎角时强行拉出大偏航角的话，可以利用侧拧着的机体进一步增加升力和转弯速率，在被尾追时迫使对手冲过头，反而形成有效发射角度。但这样做的结果是严重损失能量，速度、高度都很不堪，除非这是最后的残存对手和能够确保一击毙命，否则接下来F-35A就只有坐以待毙了。

7 f. q3 m( q1 N$ R% G; dF-35A的飞控律十分先进，可以自动适应不同的飞行状态。比较特别的是，在大迎角和小迎角之间还有一个过渡区，迎角在20-26度之间。飞行员报告说，在这段范围里，F-35A达到最优格斗性能，尤其在接近20度的低端。但这一段的飞行品质颇有点别扭，既有违习惯，又不太顺手，横向机动响应难以捉摸，时不时来一点小意外。飞行员认为，这是飞控律根据不同迎角和飞行状态而自动调整控制响应的结果。在试飞调试中，控制响应对不同已知的迎角和飞行状态下最优化，最后的整体结果是若干孤立调试点的机械堆积。实战飞行中，飞行员不是固定在某一迎角或者飞行状态，而是动态地大幅度改变，机械的分段调试可能造成控制响应不连贯，因此建议调整不同飞控律的分界点，把20度的最优空战性能区整合到连贯的小迎角区里，而把过渡区推高到30度开始。

% |# J( z1 }# L9 P6 }* ^另一个问题是不同控制律可能互相冲突，十分容易造成飞行员的判断混乱。有一次，飞行员压横滚，但横滚始终没有发生；另一次，飞行员想要拉一个偏航角，结果飞机做的是侧滑动作。还有一次，飞行员在追尾兜圈子的时候踩满舵，但没有反应；接着拉杆的时候，舵面倒开始动作了；可能是残存控制指令的缘故，舵面开始动作后，飞控系统自说自话把舵面动作重复了一次（F-35的操纵杆和F-16一样，是增量式而不是位置式的），使得舵面偏转大大超过飞行员的指令。此时，飞控律粗暴地自动突然切入，刚拉大的偏航角被猛烈地纠正，原来是抗尾旋逻辑起作用了，打断了飞行员的输入。迟缓的拉起和粗暴的抗尾旋纠正使得F-35A在被F-16咬住尾巴的时候，逃无可逃。在模拟的航炮交战中，F-35A完败。

2 c" i1 v% r5 p; y$ v9 d报告还指出，头盔太大，有时遮挡视界，尤其是水平盘旋时，头盔帽檐遮挡了上方视界，看不见9点钟位置的对手。F-15、F-16、F-18采用气泡式座舱盖，全向视界良好，F-35不同，后向视界本来就受到肥大机脊的遮挡，对手在6点钟位置时，座椅、头盔进一步限制了后方视界。在演习中，飞行员使劲扭头，大腿使劲顶着座椅和舱壁，还用手拉住座舱盖，帮助扭腰转身，甚至头在头盔内滑动，本来在眼前的显示都滑到一边去，依然不能看清后方。头盔转动时还出现电缆纠缠问题，头盔显示系统还出现多次错误信息。这些倒是研发过程中的常见问题，给点时间都是可以解决的。事实上，飞行员反应，头盔虽大，但重量不是问题，戴起来比老式头盔更舒适。
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演习中反应了诸多飞控律的问题，但这些问题假以时日都是可以解决的。难以解决的是基本的能量机动问题。F-35的气动外形和基本重量已定。即使给以更大的推力，F-35的气动外形也不适合超巡，但更大的推力无疑可以极大地缓解F-35在中空中速这个常用的空战区域的能量机动性。问题是F-35的普拉特•惠特尼F135发动机是从F-22的F119发展而来的，加力推力已经增加了25%，进一步增加很困难，勉强为之可能影响发动机寿命和使用泼辣性。在美国空军的主持下，通用电气、普拉特•惠特尼正在研制下一代战斗机发动机，代号AETD，不仅采用增推、节油（要求比现有战斗机涡扇节油25%）的变循环技术，还采用富有创意的三涵道技术。也就是说，在涡扇的内外涵道基础上，再增加一个更外的外涵道，用于提供冷却气流和进气道气流管理，还可能用于喷气温度管理。通用电气称AETD是涡喷、涡扇之后的第三个里程碑，其ATED样机已经成功运行，下一阶段为ADVENT，但进度可能受到国防预算削减的影响。采用AETD/ADVENT技术的新一代发动机有望大幅度增加推力。如果新发动机可以F135相似的体积和重量而增推25%，F-35的能量机动性就能大大改善，达到甚至超过F-16的水平，但这不是10年内可能解决的事情。技术验证是一回事，工程化和达到实战级的可靠性要求是另外一回事请，再次出现普拉特•惠特尼F100在初期曾使得新科状元F-15大面积趴窝那样的事情都是可能的。
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在能量机动性问题解决之前，F-35还有信息、隐身和超视距优势。美国空军和洛克希德都反复强调，F-35的设计初衷不是近距格斗，而是在超视距上击落对手。问题是，超视距上不能确保击落对手的话，接下来就是视距内格斗，这是不由设计初衷所改变的。且不谈历史上“导弹制胜论”导致F-4的初期失利，在现代，导弹越来越精密，机动性也越来越强，但聪明可被聪明误，越是聪明的导弹越可能受到反措施的制约。雷达制导（不管是半主动还是主动）不仅可以用白噪声强力压制，也可以用更加巧妙的数字射频记忆（简称DRFM）干扰，这是把入射雷达信号用数字技术储存起来，经过设定的或者不规则延时后，再发射回去。由于这是来自发射雷达自身的原始信号，在对方接受处理中不可能区分真回波和假回波，但回波延时（意味着目标距离）更大，甚至有多个重复回波，以此制造数据处理混乱，达到干扰目的。如果已知敌方的雷达信号编码规律，还可以修改回波，制造假距离、方位、速度等，进一步干扰对方雷达。

, n- H; e0 S5 g& h2 [$ a! e红外成像制导不大好用这样的欺骗，但用不规则的强力闪光和照射，使红外成像系统在强光和弱光之间反复调整的延迟之间丢失目标，也是可以反制红外成像制导的。激光致盲更是成熟的技术。

* e$ l/ c  O. w& q机载战术激光已经进入实用化阶段，使得反空空导弹除了软杀伤手段外，还有硬杀伤的选择。机载战术激光反导不要求击毁来袭的空空导弹，只要损坏制导系统就可以确保导弹失效。退一步的话，只要造成一定的结构或者控制面损坏，就可以促使导弹在高机动追踪中自我解体或者失控达到硬杀伤目的。

, M# R4 j1 s" d% m1 h' R超视距攻击不能确保击落对手时，进入视距内格斗就不可避免。F-35有头盔瞄准系统和大离轴发射能力补偿机动性不足的问题，还有球视光电系统（简称EODAS）弥补物理视界受到遮挡的问题。换句话说，高大肥厚的机脊最终也不妨碍后向观察。问题是，缺乏足够的能量机动性的话，F-35难以确保在近距格斗中先发制人，一击不能夺命之后，更难摆脱被动。最大速度不足，连逃都吃力。
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, B" T' i+ B# n8 S5 u. n: {% c5 @F-35在空战挂载状态可以在机内武器舱挂载4枚AIM-120中程空空导弹，未来可混合挂载英国AIM-132“阿斯拉姆”空空导弹。AIM-120是可以用于格斗的，但不很理想；AIM-132要好一些，但现在还没有计划在机内武器舱挂载专用于近战的AIM-9X。4枚导弹有点少，洛克希德正在努力，有望增加到6枚。
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F-35A是F-35家族里机动性最好的。F-35B由于垂直/短距起飞特殊要求的拖累，重量更大，机动性更低。F-35C的翼展加大，翼载是F-35家族里最低的，但重量随之增加，推重比进一步降低，最终结果是机动性没有实质性改善。过去对F-35的机动性有很多争议，焦点集中在推重比和翼载是否还能作为机动性的参照，毕竟与F-16等第三代战斗机相比，F-35的干净外形显著降低了阻力，这是能量机动性计算里的重要参数。1月14日的对抗演习澄清了这个疑点：F-35的干净外形不足以弥补推重比和翼载的不足。F-35A尚且如此，F-35B和C就更加成问题了。
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- O! {9 q# Z" G) v3 \那信息与武器系统的优势呢？F-35无疑整合了最先进的信息融合和武器系统，但这些先进技术不是第四代战斗机垄断的。剩余寿命已经所剩无几的第三代战斗机或许没有升级价值了，但机龄较短甚至全新制造的三代半战斗机（如F-18E、“台风”、“阵风”、苏-35等）已经在不同程度上整合进类似的技术，有的甚至比F-35更早投入使用，F-35并无决定性的优势。
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那超视距能力优势呢？F-35只是空战体系中的一环。美国空军和海军有完整的预警、电子战和支援体系，盟国空军在美国主导的作战行动中也能受益，但单独行动就不一定能受益。离开体系的支援，F-35先敌发现、先敌攻击的能力要大打折扣，超视距优势也因此受到限制。

$ n9 d9 y) d  P% D' ?那隐身优势呢？隐身在空战中的作用还在逐步为人所认识，但无疑是未来空战中最大的制约因素之一。问题是，美国并不垄断隐身，F-35的隐身优势在隐身对手面前也就不成为优势了。另外，反隐身技术也在迅速发展。多基雷达、长波雷达、被动雷达和非雷达技术各有优缺点，但作为体系的一部分，对F-35提供概略定位还是做的到的，然后引导己方战斗机搜索可疑空域，打草惊蛇，迫使隐身的F-35在不利情况下暴露，这是一种人们正在热议的战术，其战术潜力不容忽视。值得一提的是，美国海军对隐身远没有美国空军那么痴迷，有意无意地在拖F-35计划的后腿。

F-35的这些问题其实并不陌生，F-35最大的难题一向在于兜售。F-35的定价居高不下，如何说服买家花这个钱呢？美国空军或许不在乎F-35作为战斗轰炸机而不是战斗机的定位，但大部分盟国是很在乎的，国家的天空是要靠下一代战斗机保卫的，这是宣示和确保主权的需要。相反，专长远征作战的战斗轰炸机反而对大多数盟国是次优选择。各国对F-35的最大纠结正是来自于对空战性能的疑惑。1月14日对抗演习的报告不仅没有缓解人们的担忧，反而加深了F-35阵营的困难。报告全称《F-35A大迎角空战机动》。报告不长，只有5页，不是保密的，但是内部通报的（英文全称是Unclassified For Official Use Only）。报告首先在网上被披露，弄得美国军方很被动。F-35项目办公室的空军分部负责人杰弗里•哈利坚少将一面要人们不要过早下结论，一面要调查报告是如何泄漏出去的。堵漏当然是重要的，但透露一点好消息才能轻易粉碎不实偏见。美国空军或者是要对好消息继续保密、不让潜在对手知道F-35的底细，或者是并没有好消息可以透露。真相只有时间才能披露了。

晨枫

holycow 发表于 2015-10-14 21:51
+ e1 o( h# S6 C2 u$ E又黑上了

USMC的F-35太多，可能有两个中队要常驻伊丽莎白女王号和威尔士亲王号了，真的要变成女王 ...

' z7 Y  U9 {* }, H! C好久没黑了不是。

0 }+ i: v4 w8 u7 ~, t; v5 W* _1 P6 `; W人艰不拆嘛，我都不大好意思黑F-35了。这篇是舰船知识找上门来才写的。
1 _3 q: `5 O2 _3 _' S& n
2 G! Q3 v6 @2 ]/ _2 R! K/ m: p# E马云F-35太多，自己的船装不下，这消息我也看到了。这真是叫人哭笑不得哈。马云的苦日子还在后面呢，现在真是走到十字路口了，传统的精锐步兵角色被陆军挤掉了，commando又嫌太大，海外远征突击队的活儿都叫SOF包掉了，马云都不知道自己是干什么的了。

晨枫

小木 发表于 2015-10-14 22:21
; G( u: q( c& c/ b终于又黑F-35了....
阿斯拉姆不是专业格斗蛋么，这说的给人感觉还不如AIM-9X？ ...

ASRAAM有点尴尬，或者说是niche，这是介于AIM-9X和AMRAAM之间的，重量、射程、机动性都在中间。英国人折腾了有快20年了？到现在还没有实用化，美国人好像不大想用。

晨枫

料理鼠王 发表于 2015-10-14 22:30
3 P/ }5 A6 R8 O5 p& J+ r% Q  Y看来晨F35黑，又开始行动了。
; U) E6 a/ m$ N3 I8 W2 M$ a难道不担心洛克希德的暗杀行动么！！！！

& L0 U  y# {9 m洛克希德快来收买我吧，我很容易被腐蚀哦。

晨枫

晨枫 发表于 2015-10-14 22:33
洛克希德快来收买我吧，我很容易被腐蚀哦。

/ ]4 ~' P6 s) e( {( \6 o现在洛克希德顾不上我啦。要是自由党在下个星期当选，加拿大F-35就算泡汤了。赶紧收买自由党吧。不过自由党内部出猫腻了，一帮烂人！

晨枫

水风 发表于 2015-10-17 16:03
# Z! \3 e) ~3 h0 `8 N+ Z问题是洛克希德现在是四处堵洞都来不及，那里顾得上来收买你？

- }2 M; y$ k( q; q) J9 U8 C唉，我本来还指望能靠这提前退休呢。现在看来得干到70岁了。

晨枫

水风 发表于 2015-10-18 04:50
7 r' z) _! M0 N3 }, T: N, X没关系，继续黑三哥好了。看看三哥究竟是要派杀手还是美女来收拾你？

5 [: D; t( y4 x$ \$ N5 Q6 x派美女吧，多派几个。