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装备 | 第六代战斗机发展前瞻

 山河依旧在f1ly 2022-08-29 发布于陕西
本文2013年投稿于《世界军事》杂志,编辑12月初给我发的校对稿,可能发表在次年第1期。2019年给《现代舰船》也投过一篇六代机预测,忘了发在哪一期。目前贫道一共有两篇半预测未来装备发展的文章,半篇是2006年12月发在《现代舰船》的《中国反舰弹道导弹发展探讨》,当时该系统虽未服役公布,但专业机构的概念设计早已完成;这是第一篇,与专业机构概念设计同步;第二篇是刚投给《舰船知识》的《新时代航母的危机与发展方向》,预测未来航母定位。


2012年美国海军发布F/A-XX项目,计划研制一种可以在2030年服役取代现役F/A-18E战斗机的作战飞机,要求该机具备空战、反舰作战、近距离空中支援和远程对地打击能力,并尽可能兼具空中加油、侦察监视、目标捕获和电子攻击任务。
现代作战飞机研制花费的时间很长,美国空军在1983年确定ATF项目以对空作战为主要目的,各厂商针对这一项目提出自己的方案,1986年各方组队开始验证机研制,1991年选中YF-22方案开始进入工程研制阶段,2003年F-22战斗机才正式服役,前后过去了20年。
参照F-22的研制进度,第六代战斗机从概念研究开始需要至少20年的时间,从2010到2030年要依次经历技术可行性和概念研究、方案设计、飞机设计和制造工作、试飞阶段,这样才来得及在2030年前后服役,现在正是进行技术可行性研究和概念讨论的时候。

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图:飞机研制一般流程。
未来战斗机概念讨论的基础是以往作战经验教训的总结和对当前可用技术的分析研究,前者由部队进行,通过分析以往经验推测未来空战形态;后者由研究单位主导,决定未来飞机的主要技术,并由技术决定其新的作战特点;两者共同决定未来战机的技术形态。
由于六代机的技术可行性研究和概念论证阶段必须在2015年前后结束,因此支持未来六代机研制的一定是当前已经出现并发展到一定程度的技术,基本限定在美军技术成熟度TRL等级3到4之间。等级3是技术概念和应用设想通过可行性论证,验证了技术概念的关键功能和特性,具有转化为实际应用的可能性。等级4是技术方案和途径通过实验室验证,通过实验室样品、部件、功能模块的实验和加工,以及实验室原理样机的集成和测试,验证了技术应用的功能特性,确定技术方案和途径可行。从这个范围内寻找,可用的技术范围就缩小很多。
在最近二十年内,对飞行器设计会造成直接影响的科技领域中激光、隐身和人工智能的发展速度最快,决定六代机特点的必将诞生在这些领域内。

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图:武器装备从研制到到投入使用的时间。早期项目是5年,1975年后持续攀升。

上世纪80到90年代期间,激光技术逐渐进入概念和方案验证阶段,苏联A-60激光试验机、美国ABL激光导弹拦截试验机、红石地基激光器、鹦鹉螺激光器等相继问世,为以后激光武器的研制指明了道路。2013年初德国莱茵金属公司30千瓦激光武器站公开展示,这标志着激光武器全面走向应用的时期已经到来。
机载激光武器的作用与其功率直接相关,千瓦级别的激光器可以在十几千米范围内致盲对方飞行员,使其无法目视搜索和跟踪目标;十千瓦级别的激光器可以在几千米范围内摧毁对方机载光电传感器,长时间照射可破坏对方机体结构;百千瓦级别的激光器可在几千米到几十千米范围内对敌方进行软硬杀伤,兆瓦级别的激光器可以在上百千米距离上摧毁敌方飞机。从现在的技术进展看,未来战斗机能搭载的激光器的功率等级大约在百千瓦级别,这意味着数千米到数十千米的硬杀伤范围。
激光武器跟踪即命中的特点使飞机机动动作对其攻击过程几乎没有影响,因此未来空战近距离格斗将消失;激光武器可以直接拦截来袭导弹,飞机不再需要用机动动作规避来袭导弹,这些都使得第六代战斗机在设计中可以不考虑格斗空战的情况。况且随着隐身飞机的普及,未来战场上空战的场景也将越来越少,对飞机空战的能力的要求会越来越低。

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图:能量武器的有效输出功率与作用距离,几千瓦的激光炮就可以在5-10公里距离上致盲飞行员。

F-22和歼-20这些第五代战斗机设计时,针对的都是伴随非隐身战斗机作战的环境。由于空军的主力是非隐身战斗机,很容易被敌人的远程预警雷达发现,然后引导战斗机进行拦截,所以空袭方总是将执行对地攻击任务的战斗机和攻击机集中成攻击波,在护航战斗机的掩护下执行远程打击任务。
为了掩护这些非隐身飞机,F-22这类第五代隐身战斗机必须拦截敌方战斗机,因此不可避免的要与敌机进行空战;如果在超视距交战中未能击落或逼退敌机,就要进行视距内的格斗空战,所以第五代战斗机需要具备过失速机动能力,以压制敌方第四代战斗机。第六代战斗机在2030年前后服役时,大国空军于2010年前采购的战斗机都将逐步到寿,非隐身飞机大量退役,隐身飞机逐渐成为空军的主力,所以六代机无需再以伴随非隐身飞机作战为设计背景,而应更多考虑隐身飞机为主导的空战。
当前防空雷达对隐身飞机的探测距离只有几十千米到一百多千米,无法实现早期预警,难以像对非隐身飞机一样构成绵密的探测网,因此隐身飞机在空袭过程的大部分时间中是隐蔽的。不管是战斗机拦截还是防空导弹伏击,发起攻击的前提都是作战单元得到指挥系统提供的目标方位信息,如果雷达根本就无法发现隐身飞机,那自然也就无法实施拦截。既然攻击机很难遭遇敌方战斗机的拦截,那么自然也就不需要战斗机进行护航,六代机也就不必再提出近距离格斗空战要求,超机动飞行也就不再必须。
同时随着机载激光武器的普及,战斗机可以使用激光器解决中近距离目标,而不再需要通过机动飞行来摆脱对空导弹的追踪。因此可以判断,第六代战斗机将侧重于载荷航程、超音速巡航、全向隐身等方面,基本放弃格斗空战要求,其气动外形会更加类似现在的X-47B等飞翼式攻击机,而与传统战斗机差距很大。

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图:诺格FA-XX六代机方案。飞翼布局,为了追求极致前向和下方隐身性能,背上背4个弹舱,发射导弹时放出缆绳牵引导弹离开一定距离,再点火飞离。

隐身技术在F-22和F-35这一代飞机上局限于处理外形(面反射和雷达主瓣)和绕散射(线反射和二次、三次旁瓣),使飞机雷达信号衰减20-30分贝,未来六代机可能实现控制点散射(多次旁瓣),其主要外在表现就是取消现有隐身飞机舱口盖上的锯齿外形,使飞机雷达信号衰减到-40至-60分贝。
在第五代战斗机设计中,常规布局和鸭式布局都是隐身设计上的不良结构,鸭翼、平尾、垂尾、边条等大量小型不连续独立结构大大增加了雷达回波控制难度,而且会对L、S及米波波段造成强烈反射,导致飞机雷达反射截面积大增。但为了保持飞机的机动飞行能力,这些结构必须保留。
六代机放弃机动飞行要求后,可以取消鸭翼、平尾、垂尾、边条等零碎部件,采用类似X-47B的飞翼结构,使飞机具备全向雷达隐身性能,并极大地提高飞机巡航升阻比,实现远远超过当前战术飞机的巨大载荷航程,从而可以不断的绕过敌方雷达探测范围实现隐蔽攻击和撤退,发挥出隐身飞机的独特优势。
人工智能技术的军事应用主要体现在各类军用机器人的研制上,能够实现部分自主控制的无人机就是典型的军用机器人。目前美军已经大量应用RQ-4、MQ-9、扫描鹰等无人侦察机用于侦察监视,并部分执行对地攻击任务,随着人工智能技术的发展,无人机将用于越来越多的战争领域。未来很可能的模式是有人机控制无人机配合作战,用无人机执行高威胁区域侦察、目标识别、打击效果评估等危险任务,以提高有人机的生存能力。

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图:601所孙聪的论文,结合上一期分析601所2007年四代机方案的文章,猜猜这是在批评谁。客观地说,孙聪已经是601所这么多年来最靠谱的人,给前人补了无数窟窿,歼-8很多问题要到他这才开始解决。

未来六代机可能会具备以下特征:
空重在F-22战斗机17吨的基础上增加到22-25吨,增加的重量主要用于容纳机载激光武器,其次是容纳更大的弹仓和油箱而增加的结构重量;
飞机外形从第五代战斗机的常规布局和鸭式布局转为轰炸机的飞翼布局,巡航升阻比从第四代战斗机的7-9提高到20-25(这个预测高了,实际可能是12-15),转场航程从第四代战斗机的3000-4000千米提高到6000-8000千米,能够实现跨战区作战;
飞机正面雷达反射截面积从第五代战斗机的正面0.0001平米继续下降1-2个数量级,侧面雷达反射截面积从0.1-1平米下降2-3个数量级,实现五代机不具备的全向隐身;
飞机同时携带激光武器和多用途空空导弹,能够同时打击地面和空中目标,尤其侧重反辐射作战,以提高自身生存能力;
由于激光武器软杀伤范围远大于硬杀伤范围,因此战斗机很可能不再设置大型突出式飞行员驾驶舱,而是像SR-71侦察机那样改为半封闭甚至全封闭式驾驶舱,以保护飞行员的视力并确保驾驶安全;
为了抵御激光武器的照射,飞机壳体可能采用更耐高温的钛合金,而不是当前广泛应用的复合材料和铝合金;暴露在飞机表面的保形天线和光电探头会成为激光攻击的弱点,如果重量和体积许可,后者有可能安装活动口盖进行保护;
未来六代机或许会携带部分小型无人机,或由飞行员控制多架无人机协同作战,组成小型作战集群,而不是以往单独一架飞机的概念;
六代机将同时取代战斗机、战斗轰炸机和攻击机,成为未来空军仅有的两种有人作战机型之一,另一种是大型战略轰炸机;

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