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最后的变后掠翼舰载机——胎死腹中的“超级雄猫”

 hercules028 2016-08-26

F-14战斗机,作为世界上第一种第三代战斗机,它在气动和结构设计上都独具特色,外观上有一种特有的气势和美感,不仅极快地完成从设计到装备部队的过程而且拥有梦幻般的远距空战能力,再加上超人气电影《壮志凌云》的推波助澜,使得它在军迷中拥有很高的人气,很多军迷亲切的称之为:“大猫”。

而这架诞生于冷战高潮之时的大型舰载战斗机,也随着冷战的结束,于2006年退役,过起了拿退休金的生活。而在现实中,F-18已牢牢占据了航母甲板的主力位置,但让我们回到1991年,如果具有和美国在大洋上展开海空大战能力的苏联仍在,现在甲板上的明星会是谁?

由于取代A-6E的A-12因为进度拖延、成本超支等一些问题被国防部枪毙,海军的空面打击能力无疑会陷入一个“真空”状态。A-12项目刚被取消,苏联也轰然倒下,国会并不想把过多的预算花在国防开支上,再重新研制一架新型的攻击机必然是不可能的,精明的厂家们纷纷抛出了基于现有平台进行发展的设计逻辑。这种设计思想的好处一目了然:基于成熟的平台即避免了技术风险,降低了成本,而这架战斗机在面对国会的审查时,可以是现有战斗机的改进型,也可以是一个全新的型号。



图片来源:www.moddb.com

在A-12项目流产后,格鲁曼公司便向海军推销他们的F-14改进计划:Tomcat Quick Strike,Quick Strike的改进集中在以下几个方面: 装备蓝盾导航和攻击吊舱,为装备在F-14D上的APG-71雷达加入对地模式,进一步强化空对面能力。在武器方面,加装AGM-84E反舰导弹和AGM-88反辐射导弹。使F-14可以进行反舰和反辐射任务。但Quick Strike也存在自身的问题,在海军看来Quick Strike相对于目前的F-14B/D,并没有什么本质上的区别,而且F-18也开始进行相应的升级计划,然而F-18的优势非常明显:便宜。



图片来源:www.moddb.com


格鲁曼公司雄心勃勃的“雄猫升级计划”

并不想失去订单的格鲁曼公司意识到自己必须拿出点真东西来打动海军,于是本文的主角: Super Tomcat 21计划被摆上了台面。相对于F-14,Super Tomcat 21有用更大的作战半径,更长的空中作战巡逻(CAP)时间,更远的探测距离以及多样的探测手段,同时飞机拥有更好的抗损毁性能以及多样灵活的战术作战能力。


Super Tomcat 21相对于F-14最大的区别就是前风挡改为整体式风挡,翼套修改了明显的外凸曲线,作为前缘边条提供额外的升力

Super Tomcat 21 相对于F-14,外观上的最大区别就是将三片式风挡改为整体式前风挡,优化了飞行员的视野。翼套增加了外凸折线,F-14依靠翼套和变后掠机翼获得了高达15的亚音速升阻比,而Super Tomcat 21这个外凸作为一个前缘边条(LERX)产生额外的升力,进一步提高了Super Tomcat 21巡航效率,其亚音速升阻比甚至高于波音737客机,额外的升力也可以进一步降低飞机的进场速度。


Super Tomcat 21机鼻下的电视红外吊舱相对于F-14并无太大变化,注意机腹下的武器整流罩整合了前视红外攻击系统和地形跟踪雷达。拍摄:律澪美学研究

在燃料方面,通过在修改外形的翼套内增加油箱,Super Tomcat 21的内油荷载从F-14A的7.4吨提升到了8.2吨,在8节甲板风的条件下携带4枚AIM-54,2枚AIM-120和2枚AIM-9执行舰队防空作战时的最大弹射起飞重量可以超过35吨。内油和最大弹射重量的增加,有效的保证了Super Tomcat 21的截击和空优作战能力。加上本身优异的亚音速和超音速性能,Super Tomcat 21成为了名副其实的全任务战斗机,它可以在执行任务的每一个阶段都获得较为满意的性能,同时不必过分依赖于加油机,这对空中加油能力比较孱弱的海军来说是非常重要的。


图片来源:siregar3d.deviantart.com

雷达方面,F-14D的APG-71雷达在对空性能上十分优秀,该雷达拥有单脉冲角跟踪、数字扫描控制、超视距目标识别、袭击判断等状态。增加了非合作目标识别技术,对雷达目标回波进行高分辨力的精确考查,以完成敌我识别,避免了一般IFF设备中的缺陷及混乱,可以探测210公里外的战斗机,在扫描大空域角的同时,可以跟踪24个目标,并对其中的6个发起攻击。而由于海军对于对地攻击的要求,Super Tomcat 21采用的APG-71雷达增加了SAR高分辨力地图测绘功能。多普勒波束锐化状态可在5°~60°扇形内的任何角度上对37~90公里远的目标区进行实时高分辨率测绘。对密集目标的分辨能力(方位)比原来提高12倍,具备了攻击判断能力。攻击判断时对64千米处的目标方位分辨力达18米,16千米处的方位分辨力可达2.5米。


图片来源:律澪美学研究


ST-21的座舱即使放到现在,概念依然非常先进

Super Tomcat 21计划在机身的不死鸟导弹整流罩里加装攻击前视红外系统以及地形跟踪雷达。而在座舱内,飞机将加装一个衍射HUD,并且可以将红外图像投影在HUD上。依靠地形跟踪雷达和导航吊舱,Super Tomcat 21可以轻松的完成夜间的低空突防任务。原来F-14D机鼻下的红外跟踪和电视成像系统也将进行性能升级,这套系统在升级前就可以在130公里的距离上识别DC-10加油机,对大型战斗机的识别距离也可以达到60公里,同时可以为AIM-54导弹提供处理后的目标数据,让F-14可以在静默的条件下进行攻击。识别传感器的升级极大的提高了Super Tomcat 21的探测,特别是识别能力,Super Tomcat 21可不依靠于识别效果不稳定的非合作目标识别技术和预警机的支持,依靠自身的能力进行目标识别,并在远距离进行和攻击。


图片来源:siregar3d.files.wordpress.com

F-14的高升力系统在1968年~1972年进行了6000小时的风洞测试后定型,这套系统由前缘缝翼、后缘机动襟翼和翼套扇翼组成,其中前缘缝翼最大展开角度为17°,后缘机动襟翼的展开角度为35°,翼套扇翼的展开角度为14°。高升力系统由中央大气数据计算机控制,根据攻角及马赫数控制这三块翼面的动作角度,确保F-14在各种飞行状态下保持最佳的升阻比。在高升力系统收起时虽然最大可用升力系数也可以高达1.6,但是由于抖振十分严重,难以准确追踪目标,多数情况只能用于防御机动。而在使用高升力系统时最大可用升力系数与最大可用于跟踪的升力系数基本重合,这主要是由于前缘缝翼极大的减弱了抖振强度,增强了F-14在进攻机动中的精确跟踪射击能力。此外,翼套扇翼和后缘机动襟翼提供的额外升力可以增强F-14的起降性能。

现存于纽约长岛航空博物馆的Super Tomcat 21模型。拍摄:律澪美学研究
现存于纽约长岛航空博物馆的Super Tomcat 21模型。拍摄:律澪美学研究

而Super Tomcat 21在这套高升力机翼的基础之上,重新修改了机翼,增大了前缘缝翼和全展后缘襟翼的面积和展开角度,前缘缝翼和后缘缝翼的展开角度分别达到了21°和40°。甲板弹射的状态下Super Tomcat 21的机翼升力相对于F-14提升了25%,而最大升力系数也在24°攻角的时候到了2.8,这是变后掠翼带来的最明显的收益。作为四代机气动设计代表的F-16,其在可用攻角内的升力系数也不过1.6。而修型后的机翼使Super Tomcat 21升力斜率和升力系数明显高于F-14,这也使得Super Tomcat 21在相对于F-14空重增加了450公斤的条件下,Super Tomcat 21的最大起飞和最大降落重量相对F-14分别提高了1.5吨和1吨。Super Tomcat 21的最大着舰重量为26吨,这样Super Tomcat 21可以携带4枚AIM-54,2枚AIM-120和2枚AIM-9在甲板上降落。而飞机弹射时对于甲板风的要求也进一步降低,Super Tomcat 21在进行35吨弹射起飞时仅需要8节甲板风,而F-14D则需要超过22节的甲板风才能在35吨的重量下弹射起飞。

在动力方面,Super Tomcat 21将会使用F110-GE-129发动机,这意味着Super Tomcat 21可以维持1.3马赫的超音速巡航。格鲁曼同时表示,如果海军需要,Super Tomcat 21可以装上矢量喷管和线传飞控系统。

F-14这个平台本身就拥有非常好的高攻角机动和超音速机动能力,F-14的瞬态攻角可以达到50°以上。两伊战争中,伊朗的飞行员屡次做出令人瞠目结舌的高攻角机动进行攻击,而格鲁曼的风洞实验结果表明,Super Tomcat 21在不依靠矢推的情况下,可以维持77°攻角,不发生任何非指令性的影响飞行品质和安全的偏离和失控。尽管矢推提供的俯仰控制力矩在超过70°攻角后就无法为控制飞机俯仰操控提供帮助,但是矢推对于滚转加速度的贡献是显而易见的。F-14由于采用了宽机体的升力体布局,加之主翼采用了扰流片而并非副翼进行滚转(差动平尾辅助),其滚转性能一直为人诟病,宽间距发动机局部可以最大限度的发挥差动矢推的滚转力矩。在此之外,矢推对于低速俯仰速率的改善也是显而易见的,F-22的低速俯仰速率就明显高于没有矢推的F-16。在低速时俯仰姿态的改变在格斗时是非常致命的,在头盔瞄准系统和大离轴角导弹普及的现在,低速的高俯仰速率配合大攻角稳定性,可以让Super Tomcat 21在耗尽能量的不利态势中对敌机进行致命的攻击。

在超音速飞行中,随着速度的增加,飞机的气动中心会后移,导致飞机的配平阻力增加,超音速升阻比下降。简而言之,飞机的超音速机动性会下降,第四代战斗机普遍采用了放宽静稳定度或者抬式布局去解决这个问题,而于上世界60年代设计的F-14很显然没有采用这两项技术。但是格鲁曼的设计人员发现了通过控制边后掠翼的转轴位置,可以减小超音速时的气动中心后移,甚至在超过1.3马赫后,气动中心还会前移,最终 F-14采用了展向靠外的转轴位置,约为30%机翼半展长,巧妙的设计为F-14带来了傲视三代机的超音速机动性。

F-14可以在携带6枚AIM-54,2个270加仑副油箱和2枚AIM-9的条件下,以2.04马赫在50000英尺飞出7G的过载,高马赫数下机动性能的意义在于F-14在超视距空战中可以用高速完成各种占位、进攻和脱离机动,以自身的高能量状态压制对方导弹的攻击距离。而Super Tomcat 21依靠放宽静稳定度和矢量推力发动机,将会拥有达到五代机标准的超音速持续机动能力,加上前文中提到的1.3马赫的超巡能力与过失速机动能力,Super Tomcat 21拥有了满足五代机标准的全包线机动性能。

在1988年,一艘航母上的舰载战斗/攻击机机由14架A-6,24架F/A-18以及24架F-14组成,而在格鲁曼公司关于Super Tomcat 21的效费比报告中,36架ST-21就可以包办总计38架A-6与F/A-18的对地攻击任务,而且在高-低-低-高作战剖面且攻击半径不变的条件下,其对地弹药的携带能力为A-6与F/A-18机队的2倍。如果Super Tomcat 21服役,那么他与F-14的关系可能好比F-15C与F-15E,而在美国空军及国民警卫队目前的作战序列中F-15C/D与F-15E的数量已经不相上下。在海军强调对地能力同时削减开支的情况下,Super Tomcat 21实际上完全可以看作是海军的F-15E,而相对于F-15E相对平庸的空战性能,Super Tomcat 21不仅仅增强了F-14的对地能力,对空能力也明显得到了提高。


过分追求起降性能不光导致了“大黄蜂”糟糕的超音速加速性能,其还存在跨音速翼下冲问题,飞行员在跨音速飞行中需要限制飞行过载和滚转率以免发生意外


除了过分依赖空中加油外,F-18还有个致命的弱点,对地攻击使用的红外吊舱挂在左侧进气道下,而大型挂载会遮挡吊舱的视野,所以大黄蜂的左翼内侧挂架不能使用大型挂载,也就是图中这种情况

尽管F/A-18E/F和E/A-18G在目前的表现也让人印象深刻,大黄蜂家族通过一个所谓的“80%”解决方案,在满足了海军开支削减的前提下,保证了相对的战斗力。但大黄蜂的缺点依然显而易见:飞行平台小,在执行大航程长时滞空任务时过度依赖加油机。因为强调巡航及起降性能,而导致非常差的超音速性能,极速和加速都非常慢。根据美国审计署的一篇关于FA-18E/F的使用成本报告中的图表,FA-18E/F携带60%的内油以及两枚AIM-9和两枚AIM-120高空极速居然还不到1.6马赫。而满油携带四枚AIM-9和四枚AIM-7的F-14,则可以轻轻松松的在高空飞到2马赫。当然,FA-18E/F并不是一无是处,小后掠角高展弦比机翼给大黄蜂带来了优秀的低速格斗性能,它的巡航效率和起降性能也可以满足海军的需求。


图片来源:律澪美学研究

众多的原因导致了F-14的子孙后代们无法继续在航母甲板上出现。但最核心的一点是美国海军希望用一种可以完成所有任务的飞行平台来统治甲板。不过把一架轻型战斗机增大成中型战斗机的效果远低于预期,大平台的好处是显而易见的,百花齐放的苏-27家族就是最好的证明。Super Tomcat 21本应该是非隐身舰载机的巅峰之作。它拥有大航程,高速度,超凡的机动性,卓越的探测能力以及强大的挂载能力。


格鲁曼对Super Tomcat 21信心满满,希望他可以统治21世纪初的航母甲板,他们确实有自信的资本,但是国际政治环境的变化却是他们无法预料的


同Super Tomcat 21一起死去的海军第五代战机计划NATF

事实上,格鲁曼公司甚至考虑过ST-21的升级版ASF-14,这架ASF-14计划重新设计F-14的内部子系统,进一步减重并扩大油箱容积,采用F119发动机以及有源相控阵雷达,就像空军给F-15升级APG-63V3一样。但这一切只是美好的愿望。随着苏联解体,海军的战略中心转向太平洋。海军不愿意接受Super Tomcat 21相对高昂的造价,就连Super Tomcat 21优秀的性能,对海军而言都已经过剩而显得毫无价值。所以当你下次听见有人聊起F/A-18E/F和E/A-18G的航电性能是多么优秀的时候,不要忘了,也许海军可以有一架能装下和他们一样好的电子设备,并且能以比他们快几百公里速度飞行的,真正的战斗机。


只生产187架的F-22同样是政治环境导致的悲剧,而最近重启F-22生产线的呼声愈演愈烈,放弃Super Tomcat21或者更为先进的NAFT是不是也是错误的选择?

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