 为了隐身，F-22 在内部舱内携带武器，本图中战机机腹主弹舱和机侧弹舱的舱门呈开启状态。 武器系统的发射和投放是现代战斗机飞行试验的重要组成部分。在内置弹舱中进行的导弹发射试验是第5代战斗机飞行试验的关键内容之一。由于F-22A是目前（本文发稿时）世界上唯一已经服役、并已走完研制试飞全过程的第5代隐形战斗机，因此该项目在发展试验与评估（DT&E）阶段进行的内置弹舱导弹发射试验和弹药载荷投放试验具有极大的开创性。 试验项目概述 2000～2004年美国军方、有关政府部门和各级承包商组成了联合试飞队（CTF），在加利福尼亚爱德华兹空军基地对F-22A进行了近100次弹药和外挂载荷分离试验，其中包括70次导弹实弹发射试验，确定了F-22A的弹药发射包线和外挂载荷投放包线（见文末注释）。  图示：F-22“猛禽”战斗机除机腹内置主弹舱和机身侧面内置副弹舱外，还可以在翼下挂载武器，武器系统分离飞行试验就是验证上述部件如何进行式器发射和抛投载荷。 用于弹药和外挂载荷分离试验的F-22A是尾号为4002、4003、4005和4007的4架工程与制造研制（EMD）阶段试验机，其中4003号承担了大部分试验科目。这4架试验机上装有完善的遥测系统，便于试飞工程师实时监控并下载试验参数。  飞行测试中的两架 F-22，上面的是第一架 EMD F-22，猛禽 4001 分离试验的内容包括AIM-120C、AIM-9导弹发射试验和454千克联合直接攻击弹药（JDAM）、2720升外挂副油箱的投放试验。其中AIM-9M的发射包线被拓展到了极致，不仅在马赫数2.0和马赫数1.0、在1.2万米高空成功发射了AIM-9M，还分别在大过载（高达7.0g）和大滚转率（高达100度/秒）的状态下试射成功。 在F-22A的DT&E阶段共完成70次导弹实弹发射试验、6次JDAM炸弹实弹投放试验、8次副油箱投放试验。  导弹发射和载荷投放系统的设计特点 F-22A弹舱采用气动布局、机身结构及军械系统一体化设计，解决了弹药的合理运载和安全分离等关键技术问题。 在设计之初，洛一马公司通过大量风洞实验建立了弹舱在亚、跨、超音速范围内的分离参数数据库（包括静压、动压、声压、弹药迎角、弹药位置和几何形状等），并据此改进初始分离动态特性，机体布局和抑流装置的设计。 F-22A在跨音速范围飞行时打开弹舱，舱内前后移动的激波产生的声压水平高达170分贝，相当于距开全加力的F-15战斗机1米远处的声压；还可能产生50~60赫兹的振动，这一频率范围接近机体耦合的固有振动频率，有可能会损伤机体结构。因此F-22A弹舱设计中的最大难点就是导弹弹射装置——导弹在开舱后要从扰流中快速穿过，在离机身一定距离、获得正确姿态后要适时点火。这个困难相当大。  F-22战机发射格斗导弹瞬间 执行空战任务时，F-22A可以在机腹主弹舱（MWB）挂6枚AIM-120C，在机侧弹舱（SWB）挂2枚AIM-9；执行空对地任务时可在MWB中挂载2枚454千克JDAM、2枚AIM-120C，在SWB中挂载2枚AIM-9导弹。在低威胁空域作战时，F-22A可根据任务需要在机翼的4个外挂点上选挂2720升副油箱或AIM-120。 发射导弹时，为了保证飞机整体的转动惯量和重心不发生大的变化，MWB中AIM-120C发射默认顺序是“由外向内”、“由右向左”即9-4-8-5-7-6。但是在弹药分离试验过程中，试飞员无须遵循该程序而发射任意挂点的导弹。   飞行中的F-22打开机腹和机身侧部弹舱。可以清晰地看兑⑤~⑨号LAU-142/A液压区动导弹发射架。 为了保证在超机动条件下安全地发射弹药，弹舱内装备了先进的“自身补偿弹射发射架”。它可根据飞行参数和预先存储的扰动流场数据，由计算机控制施加到导弹上的弹射力和力矩大小，以补偿机动过载的影响和流场的干扰，使导弹在复杂运动条件下能顺利通过扰动流场，进入自由流飞向目标。 ◎LAU-142/A液压驱动导弹发射架（AVEL)  安装在弹舱中的LAU-142/A导弹发射架 AIM-120C导弹挂于MWB内6个AVEL上，分别装在4、5、6、7、8、9号挂点位置。AVEL主要由铝合金制成，重约51千克，结构非常紧凑，弹射AIM-120C时行程仅230毫米，弹射后即使不收回也不影响弹舱关闭。AVEL以40g过载、7.62米/秒的速度把导弹弹出弹舱，以利于AIM-120C快速离开机身气动干扰区，使F-22A在大部分飞行包线范围内都能发射。AVEL发射导弹的时候不产生任何烟火，因此减轻了维护和保障压力。从弹舱门打开到弹出导弹，再到导弹与飞机分离、最后弹舱门关闭的全过程仅需几秒，从而将导弹发射对F-22A隐形性能的不利影响降至最低。  LAU-142/A液压驱动导弹发射架打开（左）及折叠（右）状态示意图   ◎LAU-141/A液压发射架 AIM-9M导弹挂于F-22A两个SWB中的发射架上，装在3、10号挂点位置。该发射架是在现役LAU128发射架的基础上发展而来，结构和F-16的翼尖发射架非常相似，不同之处是它有一个可快速向外伸出的旋转作动机构。LAU-141/A装有导弹发动机尾焰导流片，可防止导弹的尾焰对弹舱造成灼烧损伤。 从F-22机身侧部弹舱中伸出的LAU-141/A导弹发射架。请注意红圈中的导弹尾焰导流片。 发射导弹前，必须先打开弹舱门，伸缩式的导弹挂架将AIM-9M伸出舱外，让其红外导引头锁定目标，然后导弹发动机点火，导弹发射，发射架收回，弹舱门关闭。发射AIM-9M的全过程也仅需几秒。 ◎BRU-46/A炸弹挂架 JDAM挂于F-22A机腹MWB中的BRU-46/A炸弹挂架上，但只能选择内侧的6、7号挂点。空空导弹挂架位于外侧4、9号挂点，这样就避免了JDAM和AIM-120的弹翼或舱门间的互相干扰。JDAM通过BRU-46/A上的1760弹药管理数据总线获得目标坐标信息。 ◎BRU-47/A副油箱挂架和LAU-128/A导弹挂架 F-22A翼下有4个外挂点（1、2、11、12），每个可携带2.3吨载荷。这4个挂点上可选挂4个BRU-47/A副油箱挂架，即最多可外挂4个2720升副油箱；也可加装4个复合挂架，每个可装2个LAU-128导弹挂架，形成8个挂点（1a、1b.2a、2b.11a.11b.12a.12b)，最多可外挂8枚AIM-120。在分离试验项目全过程中，F-22A仅进行了8次2720升副油箱（装载1/3剩余燃料）的投放试验，没有进行外挂AIM-120发射试验。 4003号F-22A试验机测试LAU-128导弹挂架，la和12b挂点位置上分别外挂了一枚AIM-120C导弹。 试验目的与安全措施 本试验目的是为了确定F-22A的弹药发射包线和外挂载荷投放包线，保证AIM-120、AIM-9、JDAM和副油箱能安全发射或投放。试飞工程师必须确认其发射和投放过程不会对F-22A的机体结构造成损伤，弹药和载荷间不会发生互相碰撞、干扰。具体的要求是 ——在分离瞬间不得因某些因素（如外力、排出物、声振等）损坏飞机结构，设备，特别是弹药发射时大量燃气不会进入进气道而引起发动机失速、喘振或停车。尤其AIM-9M是在挂架上点火的，必须保证它发射时所产生的尾流和烟雾不会对进气道性能产生影响。 ——AIM-9发射时产生的高温不会影响到F-22A的红外隐形性能。 F-22A弹药和载荷分离试验属于高风险试飞科目。在各种极端飞行状况下发射试验时，导弹有可能在分离过程中和弹舱或其他机体结构发生碰撞，从而导致灾难性后果。因此每次分离试验之前，技术人员都要为试飞员制定详细的“试验风险分析报告”和“风险状况处理方案”，并订制一套标准的无线电通信术语表，以便试飞员对可能出现的危险情况进行规范化表述，快捷、准确地与地面试飞监控室沟通。 试验数据采集方法 试验数据采集工作采取机载高速相机、机载遥测系统、弹载遥测系统和伴飞航空摄影相结合的方法。 机载高速相机采集的数据是试验的主要参考依据，机载/弹载遥测系统采集的试验数据作为次要参考依据，伴飞航空摄影方法很少采用。 工程技术人员在F-22A弹舱和机身各处安装了拍摄速度为200帧/秒的高速相机（共12台）。这种精密的相机可连续工作20秒，即每次分离试验每台相机可拍摄4000张连续照片足以涵盖导弹发射全过程。这些照片输入“爱德华兹弹药分离试验分析系统（ESSAS)软件后，生成一个6自由度（x、y、z、俯仰、偏航、滚转）的计算机模型，模拟出导弹从弹舱分离的运动轨迹，进而确定导弹在分离出舱过程中和弹舱、机体各结构之间的几何关系及最小距离，确保导弹和机体不会碰撞。 但高速相机在光线不足的情况下可能无法正常拍摄，偶然也会发生采集数据失败的情况。这时机载遥测系统就要派上用场了，不过该系统的数据误差远大于高速相机，只能作为一种补充。 试验方法 早在F-22A的设计阶段，技术人员为了预测其导弹发射飞行包线和载荷投放飞行包线、减小弹药和外挂载荷分离试验工作量，利用计算流体力学（CFD）的方法对飞机周围的流场和单独弹药/外挂载荷气动特性进行模拟，还进行了1800多小时的风洞实验，并将这两种方法获得的数据结合起来建立了F-22A弹药和外挂载荷分离气动数据库，结果显示导弹发射包线和载荷投放包线范围非常广阔。 由于CFD/风洞实验数据库很准确，同时也为了尽可能节省试飞支出，F-22A的弹药和载荷分离飞行试验科目主要集中在关键的高动压区域，即飞行包线的右下方低空、高马赫数区域。 F-22A副油箱采用传统的外挂形式，而且是在定常平飞状态下投放，因此试验风险较小，无须采用机载高速照相机和遥测系统。8次副油箱投放试验中，仅需两架伴随飞机记录下投放过程视频即可。 由于BRU-47/A副油箱挂架在设计时就考虑到了对隐形性能的影响，因此一旦飞行员需要抛弃外挂，那么BRU-47/A将随副油箱一同抛弃。外挂抛弃时挂架前方的支点首先松开，挂架先在气动力作用下绕着后支点在垂直面内旋转，旋转到30°左右时后支点松开，外挂物和油箱一同脱离。 为保证隐形性能，飞行员在抛弃外挂时会将BRU-47/A挂架随同副油箱一起抛弃。 分离试验结果分析 ◎偏差原因分析 从F-22A上发射导弹或投放载荷受到飞机最大飞行马赫数、最大飞行表速、发动机推力、最高总温等诸多飞行条件的限制，在试飞中协调如此多的限制条件是非常困难的。 例如AIM-9M在F-22A无滚转状态下的第19次发射试验，试飞工程师要求其发射状态为高度12千米（误差+600～-1800米）、飞行马赫数1.96（误差0.05）、过载7g（误差+0.2~-0.5g）。试飞员驾驶F-22A在15千米高度打开加力，以30”的角度俯冲，同时打开左侧弹舱舱门让AIM-9M暴露在高速气流中，保证飞机在12千米高度时的速度达到试验要求的马赫数1.96。这时试飞员全力拉杆让飞机的瞬间过载达到试验要求的7.0g，同时发射AIM-9M。 虽然试飞员在进行实弹发射前进行了多次模拟器训练，但实际试飞中还是没有达到诸多发射限制条件。首先在进入俯冲后左侧弹舱并没有打开，导弹没有伸出弹舱，这样飞行阻力比预计的要小，结果飞机达到了马赫数2.0。高度也降到了1万米。这时试飞员全力拉杆，按下发射按钮。左侧弹舱门打开后，F-22A的马赫数降到了1.8。所以最终的导弹发射条件变成了马赫数1.8、飞行高度1万米过载8.0g，所有飞行参数均不符合试验要求。 F-22A在无滚转状态下发射AIM-9M导弹 这样的例子还有很多，F-22A战斗机在滚转状态下发射导弹时，要达到试验限制条件就更难了。例如AIM-9M在F-22A滚转状态下的第17次发射试验，试验要求飞行高度6400米（误差300米）、飞行马赫数1.70（误差0.05）、过载4.0g（±0.2g）、滚转率-100°/秒（±5°/秒），这一切条件都要在总温低于138℃的情况下达到。但试飞员经过数次尝试后最终实现的导弹分离条件为：飞行高度6460米、飞行马赫数1.68、过载3.92g、滚转率-90°/秒，并未完全满足预期的飞行条件，其飞行马赫数和滚转率两项试验参数没有被控制在试验要求的误差范围之内。 F-22A在滚转状态下发射AM-9M导弹 出现较大误差的原因非常复杂。F-22A的飞行控制系统控制率是非线性变化的，这给试飞员精确控制飞机带来了困难。另外最好的试飞员也只能在试飞中同时兼顾2~3个飞行参数，要同时满足4个飞行参数是非常困难的。 通过伴飞航空摄影方法采集的F-22A实弹发射AIM-120C导弹的连续镜头 ◎试验终止原因分析 F-22A在试飞过程中弹药发射系统的故障率偏高，因此为了保证试验的安全性、往往为试射一枚空空导弹要经过数十次地面模拟和空中实测。 例如在4003号F-22A进行无滚转状态下第17次AIM-120C发射试验时，试飞员和技术人员共进行了12次尝试才成功发射了导弹，其中5次是在起飞前的地面调试过程中终止的，6次是在升空后由于故障而终止的。地面调试过程中终止试验的原因大多是导弹在加载过程中无法通过弹药管理软件的加载测试程序（BIT）；空中终止的原因就更复杂了，具体情况见下表。 AIM-120C的NR-17发射试验在空中被终止的情况及其原因分析 AIM-120C第17次发射试验的第二次空中试射失败到第三次空中试射之间隔了5个月，原因是试飞工程师临时决定将发射试验改为所谓“冷发射”，即将试验时间从夏季改为冬季，以检验F-119发动机在冬季是否提供足够的推力，同时考核F-22A弹药发射系统在寒冷环境下的工作状态。 F-22A从机腹主式器舱发射AM-120C导弹 经验与教训 发射与分离实验告一段落后，试飞工程人员总结出了以下经验教训 ——如果试飞员按下发射按钮后导弹没有发射，即发射失败。为了确保试验安全，同时也为了在地面进行“故障重现”，试飞员不允许进行第二次发射尝试，必须带弹返回基地，查找原因。 ——为了让高速相机清晰地记录导弹分离的全过程，分离飞行试验必须在足够自然光照的条件下进行，因此分离试验最晚必须在日落前一个小时进行，否则就会影响高速相机拍摄效果。有一次试验是在日落前35分钟进行的，结果数据非常不理想。 ——试验过程中空中加油机可跟随F-22A试验机飞行，随时提供燃料补给，以提高每一试飞架次的试验效率，但当进行实弹发射试验时，加油机必须远离试验空域，以免发生误伤事故。 从机腹主武器舱发射AM-120C导弹时，导弹需先由发射架抛离机身，然后再点火，以防尾焰对飞机造成捐坏。 ——分离试验的条件误差限定非常严，例如让试飞员驾驶F-22A在7g的高过载条件下发射导弹、发射点的过载误差要求在0.1g之内。实际上如此严格的试验条件是很难达到的，在误差冗余度足够的情况下允许适当放宽误差范围。 ——超音速发射AIM-120C时，打开MBW舱门会瞬间产生较大飞行阻力，导致飞行速度突然下降。试飞表明即使打开两台发动机的最大加力并进入-10°的俯冲状态，一旦打开MBW舱舱门，F-22的速度仍然会由于零升阻力加大而急剧下降。为了满足发射试验条件，试飞员应密切注意打开MBW舱门后的速度突变。 ——投放的导弹，炸弹和副油箱必须喷涂上黑白相间的色块，以便于高速照相机和视频观察设备拍摄。 简评 现代战斗机的飞行试验是一个庞大而复杂的系统工程，从原型机首飞到装备部队形成战斗力往往需要经历漫长而艰巨的试飞定型之路。弹药分离飞行试验仅是F-22A庞大而细致的试飞计划中的一个组成部分，但为完成该项目，F-22联合试飞队就抽调了9架EMD试验机中的4架，通过数百个试飞架次完成了70次导弹实弹发射飞行试验，前后历时5年，由此可见F-22A的飞行试验项目复杂性高，技术难度大，同时也不难发现将一种先进技术转化为工程应用并非易事。 战斗机内置弹舱的技术早在上个世纪末就被提出并引入到了隐形战斗机的设计中去，但具有内置弹舱的F-22A真正形成战斗力已是2005年年底了。 笔者曾在国内军事论坛上看到一些军迷提出疑问：美国空军为什么不给F-22A装备射程更远、技术更先进的“流星”冲压发动机远程空空导弹？他们的理由是：从尺寸上讲，“流星”弹的长度、最大直径和AIM-120早期型号相仿，装入弹舱是没有问题的。 然而一种导弹能否装入F-22A的内置弹舱，不仅要考虑尺寸大小，还要考虑是否能使用AVEL发射架弹射，而更重要的是要考虑各种分离条件下打开弹舱时的机械振动和声振等因素对导弹和机体结构的影响。美国空军为了在F-22A弹舱中集成AIM-120就花了5年时间、做了上百次导弹分离试验，才最终确定了AIM-120在F-22A上的发射包线。 如果现在为F-22A换装冲压发动机的“流星”导弹，那么所有的分离试飞、振动试飞都要从头做起，甚至要修改武器舱的设计，代价太高，无论从时间上还是从成本上都是美国军方不能接受的，因此美国空军决定于2012年用最新型AIM-120D替换AIM-120C装备F-22A。尽管AIM-120D在射程上不如采用冲压发动机的“流星”远，但由于其气动外形变化不大、在F-22A弹舱内的集成难度小，所以必然地成了“猛禽”的首选。 附注： 飞行包线注释 简单来说，飞行包线就是指一架飞机能够飞多高、飞多快。对于一种飞机来说，它在某一个确定的高度上，可以保持水平飞行的速度是有一定范圈的，其最大飞行速度会受到发动机最大推力、气动加热、飞机结构强度等因素的限制，而最小飞行速度则会受到发动机最小推力、失速条件等因素的限制。因此研究人员通常以高度作为纵坐标，把各个高度下飞机飞行速度的上限和下限画出来，这样就构成了一条边界线，即飞行包线。 飞机只能在这个包线确定的范围内安全飞行，一旦超出飞行包线，飞机的飞行安全将无法保证，轻则导致飞机失控或破坏飞机机体结构、重则导致飞机空中解体或发生毁机事故。因此，为了保证飞行安全，现代电传操作飞机都在飞控系统软件中写入了防止飞机飞出飞行包线的飞控程序，即我们常说的“飞行员无忧虑驾驶”功能。 飞行包线与飞机的气动力性能、动力装置性能、使用特性、飞机结构设计和热载荷设计等因素密切相关，所以，飞行包线是衡量飞机飞行性能好坏的重要指标。 根据上述概念，弹药发射包线和外挂载荷投放包线也即弹药安全发射及外挂载荷安全投放的范围。 F-22A的武器和载荷分离飞行试验科目主要集中在高动压区域，即主要集中在飞行包线的右下方区域——低空、高马赫数区城。 |
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