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作者：杨文轩 吴茜 原创不易 认可价值 转载请务必注明作者 以及来自空军之翼 F16C Block50全机各分系统简介 F-16的外形很有自己的特点。包含了典型的第三代战斗机特征，也形成了自己的特色。以下我们以第50批次的F-16C为例简要介绍全机的各项分系统。 F-16C是一种单发动机，单座，多用途战术战斗机，包含完善的空对空和空对地功能。机体最显著的特征是一个大尺寸气泡座舱，前机身边条，机腹进气，采用中等后掠角中等展弦比梯形翼，适中的根梢比，垂尾被尾撑垫起，翼身融合。前缘襟翼由计算机自动控制，可在大范围内改善性能。襟副翼位于机翼后缘，兼顾襟翼和副翼的功能。水平尾翼有很小的下反角，通过联动和差动提供俯仰和横滚控制。垂直尾翼和腹鳍一起提供航向稳定性。所有的控制面都是由两套互相独立的液压系统驱动的。这两套系统受电传飞控控制。 综合火控系统包括一台具备搜索跟踪功能的脉冲多普勒火控雷达，两台可显示导航、武器、雷达和其他信息的多功能显示屏，以及一个抬头显示器。一个挂载管理系统可向选中的多空能显示屏提供飞机所携带的物资(武器，干扰弹等)，控制和投放信息。基本武装包含一门20毫米口径固定机炮和翼尖的两枚导弹。附加挂载可由翼下和机身中线挂点携带。 座舱 该机使用常规座舱布局，除了座椅向后倾斜30度，操纵杆在座椅侧面。  发动机 飞机使用一台F110-GE129发动机。海平面台架推力约13.2吨。 燃油系统 全部燃油系统被分为7个功能子类：油箱系统，燃料转移系统，油箱通风和加压系统，剩余油量传感系统，油箱爆炸抑制系统和加油系统。  环境控制系统 环境控制系统包含空调系统和加压系统，可提供可控的温度和压强，便于座舱加热、座舱制冷、通风、座舱盖除霜、座舱密封、抗荷服加压、油箱加压、和电子系统制冷。这些功能均可用座舱控制面板的开关控制。 电气系统 电气系统包括一个主交流电源系统，一个备份交流电源系统，一个紧急交流电源系统，一个直流电源系统，一个飞行控制电源系统，和一个外接交流电源的接口。 液压系统 两套液压系统(系统A和系统B)使用3000psi压强的液压油。两套系统由两套互相独立的发动机驱动的油泵提供动力。每套系统有一个自己的液压油油池。每个油池由各自的液压系统加压保证油泵正压。液压系统的冷却由一套同样是液压的油-液热交换器提供。该热交换器位于油池上游。 应急动力单元 应急动力单元是一套独立于其他子系统之外的，同时给液压系统A和电气系统提供动力的系统。应急动力单元在主发电机和备份发电机都失效时，或者两套系统油压降到1000psi以下时自动启动。如果手动操作，该系统可无视故障类型强行启动。  起落架系统 起落架系统主要由液压系统B操纵。前起落架由液压驱动动作桶实现收放。主起落架由液压驱动收起，但是由重力和气动载荷协助放下。所有起落架舱门都是液压动作的。收起时由电气装置决定次序，而放下时由机械装置决定次序。如果液压系统B失效，起落架可由压缩空气放下。 前起落架转向系统 前起落架的转向是由电力控制(直流集线器)，由液压系统B驱动的。转向信号由方向舵脚蹬提供。如果方向舵脚蹬位置异常，前起落架自动转向方向舵位置。前轮转向被限幅在左右32度，但是地面转弯半径可以通过内置的刹车来进一步缩小。当前轮支柱处于伸展位置时，转向系统自动切断。如果起落架放下次序出现异常，或者起落架灯不亮，转向系统可能不会工作。 轮刹系统 每个主起落架装有一个液压驱动的多盘刹车系统。两个轮刹系统由常规脚踩踏板提供刹车指令。刹车力随着踏板被踩下去的幅度的增加而缓慢增加。此外还有一套额外提供的停机刹车系统。一套防侧滑系统在爆胎时介入，且只能由脚踩踏板控制。  空气刹车系统 空气刹车系统包含两个位于发动机尾喷口两侧，靠近机身的一对蚌壳式可开闭控制面，由液压系统A驱动。起落架收起时空气刹车会张开60度。起落架放下时空气刹车张开幅度被限制在43度以免下表面在着陆过程中接触跑道。该限制可通过手动按住座舱面板的空气刹车开关来强行越过。如果前起落架支柱伸出，空气刹车可在不手动强行越过限制的情况下张开到60度。  拦阻系统 拦阻钩由电气系统给出控制指令，由压缩空气驱动。压缩空气由起落架/拦阻钩紧急压缩空气气瓶提供。气压足够强大，可以同时放下起落架和拦阻钩。一旦拦阻钩放下，压缩空气使拦阻钩和跑道表面保持接触。如果需要收起，拦阻钩可被升到一个足够的高度防止被拦阻索勾到。拦阻钩是一个半弹簧结构，可在勾住拦阻索的情况下让飞机在地面滑行。一旦放下，拦阻钩必须手动恢复到初始位置。  襟翼系统 整个襟翼系统包含前缘襟翼和后缘襟翼。前缘襟翼覆盖全部翼展。偏转角度是马赫数、攻角和高度的函数。座舱的前缘襟翼控制面板如果调整为自动模式，那么其通常来讲其偏转就是自动的。除非两个主起落架都感受到了载荷，或者发动机处于怠速状态且滑跑速度高于60节，或者飞行控制系统处于备用增益模式。后缘襟翼(襟副翼)最大可向下偏转20度，向上偏转23度。如果当成襟翼来用，偏转角度向下;如果当成副翼来用，偏转角度可上可下。后缘襟翼是否放下取决于起落架控制杆位置和襟翼切换开关的状态。如果起落架控制杆放到“向下”位置，或者襟翼状态切换开关打开，后缘襟翼都会放下。在240节以下的任何速度，后缘襟翼都会下偏20度。下偏角度随着速度增加而减小，直到370节完全收起。  飞行控制系统 飞行控制系统是一个由计算机控制，四余度的线传系统。该系统使用液压调整控制面的位置。电信号由控制杆，方向舵踏板和手动配平面板产生。冗余备份由电子支路，液压系统和电源共同提供。一个飞行控制面板提供控制信息和故障情况。 攻角-过载限制系统 F-16C的攻角上限并不是马赫数的函数，而是过载的分段线性函数。在9G机动时为15度，在7G机动时为20.6度，在1G平飞时为25度。注意这虽然是飞行控制系统设置的上限，但由于飞机自身的静不稳定特性，如果飞行员猛烈拉杆，控制机制依然不能保证攻角上限不被突破。此时手动俯仰超控电门可以介入控制。 手动俯仰超控电门 平时此装置以弹簧固定在“通常”位置，但可以手动拉到“超控”位置。如果飞机因为猛烈拉杆等原因攻角达到了29度以上，启动超控模式，飞行控制系统解除对攻角和过载的限制。虽然理论上可以获得某些性能的提升(如瞬时盘旋角速度峰值)，但由于这是非正常操纵模式并且有一定危险性，飞行员操作手册并不讨论这一状态下的性能。 自动导航系统 自动导航系统可以提供机身纵轴(横滚轴)的姿态保持和航向选择功能，也可提供俯仰轴的姿态保持和高度保持功能。这些功能在多功能控制面板上由两个开关控制。手动配平和方向舵踏板输入都可以打断自动导航。 逃生系统 逃生系统包含座舱盖开闭系统，座舱盖手动破拆锤，引爆系统，弹射座椅系统和飞行员生存用品包。在地面如果飞行员需要紧急离机，座舱盖应能自动打开，否则只能手动破拆。飞行过程中在飞行员向上拉出两腿间的弹射起爆开关后，引爆系统能自动炸开座舱盖，弹射座椅弹射。在双座型上两个弹射座椅会互成一定角度弹射以免相撞。弹射后引导伞先展开，然后拉出主伞。飞行员落地后可使用生存用品包中的无线电台通报位置，还有一定量的食物和水。  空战周期——评价机动性和敏捷性的综合判据 F-16是一种按照空战敏捷性优化的飞机。传统上，比较两架战斗机机动飞行能力的优劣，采用的是逐一比较单个数据的方法，例如稳定盘旋角速度峰值，瞬时盘旋角速度峰值，横滚角速度峰值，指定速度区间加速时间等。这往往和实际空战(哪怕是模拟空战)都有较大的出入。比如一架战斗机为了发挥瞬时盘旋角速度峰值，以某个特定的速度开始转弯，导致错过了横滚角速度峰值所对应的速度点，那么纸面上的横滚性能优势就只有理论上的意义了。再有比如某架飞机虽然瞬时盘旋峰值较高，但是角速度衰减也较快，导致往往被对手抢先完成盘旋机动。  示意图：在离轴发射能力达到90度的今天，抢先掉头180度有特殊的意义。此处以F-16和JAS-39为例说明。图A)JAS-39抢先完成90度转弯，但是双方都在对方后半球，谁也不能构成射击机会。图B)F-16抢先完成180度掉头，JAS-39位于其90度离轴攻击范围内。结论：瞬时盘旋角速度的衰减快慢，也是瞬时机动性的重要一环。 关于F-16和JAS-39等机型的对抗演练，可见本文最后一章。 针对单向性能比较的误区，一种更为合理的格斗性能判据-空战周期(CCT)诞生了。在不同的场合下，这个判据的定义会有小幅度的差别，但通常来说都会包括下面四个阶段： 1) 横滚90度并拉杆进入转弯，达到最大转弯过载(有时候会忽略横滚过程，假设飞机直接“侧着身子”开始机动)。 2) 完成一定的角度的盘旋。以前通常以360度盘旋为基准。后因格斗导弹性能的发展，现在通常以180度为基准。在这个过程中允许损失能量，换句话说一直是“瞬时盘旋”的过程。 3) 反向横滚90度改平，推杆降低过载直到退出转弯。如果步骤1忽略了横滚过程，那么这一步也不包含横滚过程。 4) 加速恢复至步骤1)的初始速度。 这四步的总时间越短越好。具体来说，第1步和第3步要求飞机横滚反应快，加载-卸载速度快。注意这里的横滚反应不是单纯的要求横滚角速度峰值快，而更多的是强调角加速度。该动时要迅速动，该停时要迅速停，否则造成超调，往回调整，浪费的时间经常导致胜负易手。而加载-卸载速度则要求飞机俯仰敏捷性高，升力特性好。第2步要求飞机盘旋角速度峰值高，衰减慢。第4步要求飞机速度损失小，加速快。虽然通常情况下我们希望这四步的总时间尽量短，然而在某些场合下，可能只注重其中某一步的，如第2步的表现，因为毕竟盘旋是格斗占位的最直接的机动。 下面我们以第50批次的F-16C(而非改装保型油箱的50+批次)为例，逐一分析F-16的设计特点，探究F-16为这四步做了哪些优化。下文中的F-16C如不特殊说明，均指这一批次。 由于第1步和第3步都要求高横滚敏捷性，F-16布局紧凑，而且是单发，横滚惯量很小。从单纯的横滚角速度峰值来看，F-16A阶段已经达到308度/秒，F-16C因为飞控进一步放宽，在增重的情况下依然达到了324度/秒。流畅光滑的机身和单发机的小后体阻力特性赋予了F-16很小的零升阻力，再加上单发机中少见的大推重比，F-16的加速性在三代机中首屈一指，有助于缩短第4步的时间。另请注意单纯提高加速性并不是改善第4步的唯一手段，或者说第4步时间短的飞机并不一定加速性很好。减小速度损失同样能有效缩短第4步的时间。 我们在这里把第2步单拿出来讲，是因为这一步更为重要。它不仅占据了整个空战周期时间的大头，而且反映了飞机气动效率中的关键一环。为了缩短盘旋时间，首先请大家了解一下盘旋过程中飞机的角速度的变化情况。战斗机的典型的速度-瞬时转弯角速度曲线如图1所示。  图1 典型的速度-瞬时盘旋角速度关系曲线 图中不难看出一个特点：转弯角速度，在某个速度下会达到最高点，此速度被称作“角点速度”。高于和低于这个速度都会导致角速度下降。大家知道在瞬时盘旋过程中(我国和前苏联也曾称之为“极限盘旋”)飞机的速度是不断衰减的。为了尽快完成转弯动作，战斗机显然不应该以明显高于角点速度的情况下开始盘旋，否则初始角速度太低。也不应该低于角点速度开始盘旋，否则不仅初始角速度低，而且持续衰减。通常情况下，战斗机应该以略高于角点速度的速度开始盘旋，这样不仅初始角速度较高，而且还有一个短暂的角速度上升过程，总体来说较为划算。当然，具体应该以什么样的速度开始盘旋，盘旋过程中攻角如何变化，每种飞机都不一样，需要复杂的泛函优化计算，本文从略，仅就科普的目的介绍结论。 角速度先上升再下降，但根据上文的分析，上升时间很短暂，而之后的下降衰减过程才是盘旋过程的主体。图2表示了一种典型战斗机在整个空战周期中的角速度变化情况。所以衰减速度的快慢，在相当程度上决定了完成指定角度盘旋的时间的长短。如何降低角速度的衰减率，成为了令设计师绞尽脑汁的问题。一架机动性敏捷性优越的战斗机，和对手相比，需要做到在完成相同的盘旋转弯机动时，角速度衰减率较慢;或者等价的说，付出相同的角速度衰减率时，可以做出更猛烈的盘旋转弯。在经过飞行力学相关的公式推导之后，得到了下面的结论：在相同高度，相同速度，做出相同过载的盘旋时，速度衰减慢的，转弯角速度衰减率较低。换句话说，“低角速度衰减”和“低速度衰减”等价了起来 。显然，这需要发动机提供大推力，同时机体的阻力要尽量小。如果两架互为对手的飞机具有几乎相同的推重比，那么再经过公式推导后发现，决定胜负的参数为：做出相同盘旋动作时(在相同高度，相同速度，做出相同过载的转弯)的升阻比，亦即机动状态的升力和阻力之比 。  图2 一种典型战斗机在整个空战周期中的角速度变化情况 F-16拥有优越的机动升阻比。例如，在海平面高度，携带全部机炮炮弹，无外挂，内载可供2.8分钟加力的燃料时，F-16C在0.6马赫，6.5G机动时的机动升阻比为6.9，而其“老对手”米格-29系列同标准下的数值小于或等于6.6(该数值对应于系列中此项最优的米格-29A，下同)。在3000米高度，0.9马赫，9G机动过载，其余条件不变时，F-16C仍有高达6.8的机动升阻比，而米格-29系列同标准下的数值小于或等于5.3(此数据系根据气动力曲线理论求得，实际上米格-29在此速度下的强度不允许进行9G机动)。大的机动升阻比赋予了F-16C较低的角速度衰减和能量衰减，能更好的维持在角点速度附近转弯，提高自己的平均转弯角速度，降低转弯耗时。较小的速度损失也减小了对转弯结束后加速的依赖，缩短了每个动作之间的衔接。 另需注意，角速度先上升(T21)再下降(T22)的原因是，飞机以超过角点速度的速度开始盘旋。这个速度超前量越大，则初始角速度越低。不难想象，速度衰减慢的飞机，可以用较小的速度超前量，却依然花费相同的时间衰减到角点速度，保证在这个角速度速度上升阶段依然取得角速度优势，使得这个优势对任意时时刻都成立。某些科普文中的“快速衰减到角点速度取得优势”的说法其实具有误导性。因为速度衰减慢的飞机可以通过减小速度超前量的方法，和速度衰减快的飞机用相同的时间衰减到角点速度，而且还有更高的初始角速度。 以上主要讨论了第2步(盘旋)所需的性能特性。下面简要介绍包含第1步和第3步的综合表现。 F-16C的标准空战周期 当今美俄几种典型第三代战斗机的技术手册纷纷解密，使得各科研院所系统的、定量的计算和比较几种战斗机的性能成为可能。在4500米高度，F-16C和另外两种飞机的空战周期对比如表1所示。计算条件为外挂中距导弹和近距导弹各两枚，50%机内燃油(不计某些飞机的超载油箱，如苏-27)。第2步转向幅度为180度。表格的前4列分别是4步所需的时间，而最后一列是某个特征点(相同速度与过载。根据上一章节的讨论，此条件可保证可比性)的速度损失率，绝对值越小越好。 机型T1(秒)T2(秒)T3(秒)T4(秒)总时间(秒)特征点速度损失率(米/秒2) F-16C0.59.30.710.721.27.8 苏-27SK0.69.90.811.923.28.2 某算例机型0.59.50.713.42412.2 表1 F-16C和两种机型的标准空战周期 这几型飞机都有较高的敏捷性，其中F-16C综合性能最优。值得注意的是，除F-16C的其余几种飞机的单项性能不一定明显逊于F-16C，个别性能甚至优于F-16C(如瞬时盘旋角速度峰值)。但F-16C通过较低的角速度衰减取得了最短的盘旋时间，通过较低的需用攻角和高横滚敏捷性缩短了第1和第3步的时间，较高的加速性和较小的速度损失缩短了第4步的时间，为缩短总时间奠定了基础。根据发动机装机推力曲线，F-16C的推重比和其余几种飞机相比并没有明显优势，甚至在某些速度段处与劣势。而这些性能优势是建立在发动机推力以外的精妙的细节设计的，再次表明飞行器设计是一个整体，单纯发动机的强大并不能确保整体性能的优越。 有读者认为过于追求亚音速升阻特性的常规布局，换句话说稳定盘旋性能较优的布局，瞬时盘旋性能很可能存在缺陷，一个经常被提起的例子就是F-16。诚然，F-16家族的瞬时盘旋角速度峰值并不拔尖，但F-16是一种条件较为特殊的个案，原因是F-16的攻角限制不同于其它机型，非常复杂且严格。通常三代机的攻角限制是空速的函数，低马赫数时允许使用较高的攻角限制，高马赫数时较低。而F-16受当时严格保证航向稳定性和安全性的思路的影响，其攻角上限是过载的函数。具体来说，过载越高，则攻角限制越严。虽然纸面上其攻角上限是25度，不明显逊色于其他三代型号，但这是1G平飞中才允许使用的。随着过载增大，允许攻角上限递减，9G机动中的攻角上限只有15度，接近这个数值时飞控计算机会强制飞机“低头”阻止攻角进一步增大。考虑到气流分离之前，升力与攻角呈近似线性关系，这样做无疑会浪费其优越的亚音速升力特性。F-16虽然能量机动出色，但受攻角限制造成的升力浪费，瞬时盘旋性能一般。某些三代型号，如“幻影2000C”和“歼10A”等海平面瞬盘可以达到30度/秒，但这是以28~29度攻角达成的。相比之下，F-16C以15度攻角达成25~26度/秒的瞬盘已经实属不易，从一个侧面证实了其气动布局极高的升力斜线率。如果“幻影2000”等也使用15度攻角限制，那么它的瞬盘就很普通了。正是因为F-16对攻角的依赖不高，无需拉大攻角就能完成高角速度的机动，因而付出的阻力代价较小，根据前文的讨论可知，角速度衰减较慢。在空战周期的概念下，瞬时盘旋角速度峰值不占优的F-16，却往往凭借较低的角速度衰减，抢先完成盘旋机动，再次表明飞行器的性能是一个整体，剥离的单个的数据对比实际意义有限。 F-16与其他机型的对抗 重视机动性的第三代战斗机可谓强手如林。接触过F-16的飞行员，却大多不约而同的给了它一个外号：战斗机中的“一级方程式赛车”。这些人包括前美国空军“入侵者”中队教官Fred Clifton，前米高扬设计局试飞员Valery Menitsky和波兰空军上尉，米格-29飞行员M.Wi?czkowski。“一级方程式赛车”这样的绰号很好的概括了F-16强劲敏捷的特点。在下文中，我们着重于F-16如何对抗其他的高性能机型，尤其是瞬时盘旋性能优于F-16的机型，并且在外挂条件对F-16不利的情况下，如携带更多的翼下副油箱或者保型油箱。 在波兰对抗米格-29 加入北约以来，波兰空军从2006年起陆续引进了F-16C Block52+作为新一代多用途战斗机。这些飞机不可避免的在演习中与波兰空军原先装备的米格-29机队有了一番切磋。原先米格-29统治空对空格斗演习，但这一情况随着F-16的引进而发生了变化。多次对抗F-16的米格-29飞行员M.Wi?czkowski曾这样评价(见图3)： “我曾经驾驶米格-29在各种数量对比下对抗过F-16，包括2对1,1对2和1对1。F-16能保持更高的速度，而且横滚响应更快，即使携带保型油箱也不会丧失横滚性能的优势。F-16机队被要求携带保形油箱，否则飞行员得不到足够的锻炼。” 图3 M.Wi?czkowski访谈的截图 在2009年春季演习中，F-16和米格-29之间爆发多次空对空作战演习。除去超视距空战不谈，二者的近距离格斗空战共发生过两次，都使用了头盔瞄准具进行大离轴攻击。每次都是同数量的混战。如果仅看战果，双方打成2:2平。但是如果考虑到这是在F-16C Block52+携带保型油箱的情况下取得的，则孰优孰劣不言自明。尤其是最后一战，F-16携带保形油箱，依然在空战占位中同米格-29一直保持均势，直到米格-29燃油耗尽被判负。这从另一个角度诠释了“F-16不带保型油箱，则飞行员无法得到锻炼”的说法。 在爱琴海上空对抗幻影2000 F-16家族的另一个老对手是法国达索公司的幻影2000。同时装备幻影2000-5和F-16C的希腊空军，和装备F-16C的土耳其空军在爱琴海争议海域上空多次发生狗斗咬尾事件。不仅有F-16之间的内斗，更有F-16和幻影2000之间的对抗。从双方公布的录像看，F-16和幻影2000多次互相取得武器发射机会，似乎难分伯仲。但如果注意到双方挂载的巨大差异(见图4)，则优势依然归F-16所有。实际上，由于争议海域距离前线机场的距离不同，希腊空军的幻影2000可以只携带机腹中央油箱，而土耳其空军的F-16必须携带两个翼下副油箱。 图4 左：被锁定的幻影2000，注意翼下无副油箱。右：被锁定的F-16，注意翼下副油箱 在挪威对抗JAS-39 在最近一次冬季演习中，瑞典的JAS-39与挪威的F-16A MUL展开了异种机格斗演习。虽然瑞典对演习结果曾三缄其口，但是随着对抗视频被泄露到视频网站上并被多个媒体报道，瑞典军方承认JAS-39在这场对抗中被F-16“用机动性压制”(见图5)。 图5 冬季演习中的F-16与JAS-39的对抗报道 在希腊选型中对抗苏-27 为了替换老一代的F-4，希腊与上市价90年代初展开下一代战斗机的招标选型工作。第一轮入围的机型是苏-27，F-15和F-16。继承刚解体苏联的俄罗斯为了换取硬通货，压低了苏-27的报价，所以从标书上看，苏-27可谓是物美价廉的选择：不仅价格低，还有吸引眼球的“眼镜蛇机动”和创纪录的8000千克载弹量。但是在实机格斗对抗中，苏-27被F-16击败(见图6)，导致希腊选择了第一轮时没有被特别看好的F-16。也正在这件事后，我国开始了对战斗机空战周期，敏捷性等指标的评估。 图6 希腊招标对比格斗中被F-16击败的苏-27 结束语 在装备保型油箱的型号出现之前，F-16从A到C型一直受惠于高敏捷性的设计特点，在诞生30年后依然是敏捷性最高的战斗机之一。可能是出于这样那样的情怀或是情结，它也是我们非常喜欢“黑”的一款飞机。但无论它是不是我们的假想敌飞机，我们都需要了解对手，尊重对手，这才是战胜对手的必要条件。 关注“空军之翼”公众号给你最专业的航空感受 |
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