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逼近技術邊界,六代機能否實現馬赫數3的巡航速度?

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近年來,歐美等國已經陸續公開了一些六代機概念方案和項目編號,如美國的F-47等。但目前,各型六代機的詳細定義、技術特征、性能指標等具體信息依然處于不透明狀態。這引發了很多來自媒體和航空愛好者的猜測。


一些文章推測,目前在研的六代機飛行速度將遠高于現有戰斗機,可以實現速度在馬赫數3甚至以上的長時間巡航飛行。但從人類現有的工業能力來看,該推斷或許過于樂觀。

全球首款能夠以馬赫數3以上速度巡航的飛機是美國SR-71“黑鳥”系列,該機最大巡航速度可達到馬赫數3.2左右。盡管距離“黑鳥”首飛已經過去了60余年,但如果目前人類要設計、制造一款能夠以這樣的速度進行高速巡航的全新戰機,并同時實現在隱身性能、作戰高度、機動性等方面的大幅跨越,難度依然相當大。

進一步來說,如果盲目以高巡航速度為首要性能要求,大概率將導致該戰機不得不犧牲其最重要的能力——戰場生存和任務執行能力。

從飛行器設計原理來說,飛機飛行中,機體與氣流的高速摩擦會產生大量熱量,使機身結構處于高溫之中。在馬赫數3以上的巡航速度下,該問題會尤為嚴重。根據試飛員的回憶,在SR-71的早期試飛試驗中,試飛員甚至在戴著阻燃手套的情況下,都無法長時間握持滾燙的操縱桿,不得不頻繁換手操作。


SR-71操縱桿

米格-25是與SR-71同時代的戰斗機,其巡航速度可達馬赫數2.35以上。也因為摩擦產生的機體高溫,米格-25放棄使用鋁合金這樣的輕金屬作為主要結構材料——因為鋁合金在高溫下強度下降,可能導致機體解體、散架。


米格-25RB,其在正常任務模式下僅允許以馬赫數2.35的速度進行巡航。受溫度限制,馬赫數2.65以下,飛行員可巡航15分鐘,馬赫數2.83以下,飛行員可飛行5分鐘。


“黑鳥”能夠以馬赫數3.2的速度進行長時間巡航,但在15000米高度,其最大允許速度只有馬赫數1.5,弱于同時代的第二代戰斗機。

SR-71和米格-25分別使用了中、高密度的鈦合金和高鎳合金鋼作為主要結構材料,以實現高速巡航。但另一方面來看,由于這兩種材料質量較大,兩種飛機的結構都設計得較為單薄,強度不高:SR-71的最大過載為2.2G,低于大多數客機/運輸機。而米格-25的設計指標僅允許其在15000米以上高度進行超聲速飛行。

類似這樣的限制,對于新一代需要執行制空和攻擊的多用途戰斗機來說是不可接受的。

盡管現代航空材料對比半個多世紀前已有巨大進步,但是在輕質、耐高溫材料方面,科研進展都比較有限。


碳纖維復合材料

以碳纖維材料為例,20世紀70年代之后,人類發明了樹脂基碳纖維強化復合材料。盡管碳纖維本身耐高溫能力非常強,但將其黏合成型所使用的熱塑/熱固樹脂塑料,在耐高溫能力上并不比鋁合金更強。也就是說,今天,我們可以使用鈦合金等作為飛機結構主材料做出強度和剛度更好,維護檢修更容易,巡航速度可達馬赫數3以上的飛機,但依然難以完全克服SR-71和米格-25身上所固有的性能缺陷。


飛行包線的狹窄使SR-71在馬赫數3的速度下巡航時幾乎沒有應變能力。瑞典JA-37曾多次以返航的SR-71為假想攔截目標,成功實施截擊演練。


瑞典JA-37戰機,最大速度為馬赫數2.1。

此外,高速巡航狀態下的飛機還難以解決被紅外探測器發現的問題。

通常情況下,針對常規雷達,新一代隱身戰斗機一般會通過多種手段實現隱身。比如保持電磁靜默,不對外主動發射信號,或是以最小的功率發射信號并將其偽裝為無線電噪聲。即使對方發起了主動探測,還能通過外形與吸波材料的結合,將其吸收衰減并反射到安全方向。

但是紅外特征則難以被掩飾,尤其是高速巡航下機身溫度很高的戰機。任何溫度高于絕對零度的物體都會時刻不停地主動發出紅外輻射,飛機也不例外。與外界空氣的溫差越大,飛機的紅外特征就越明顯。要實現紅外隱身,唯一的手段就是竭力縮小飛機與外界空氣的溫差。

為了避免熱量與壓力摧毀飛機結構,要實現馬赫數3速度巡航,飛機至少要爬升到1.8萬米以上高空。這也意味著其將處于一個毫無掩蔽的暴露環境中——機體多個區域超過200℃,局部區域超過300℃,甚至400℃,而環境溫度僅為-20℃,甚至-50℃。溫差達數百攝氏度。這必然會被敵方的紅外探測器等光電類傳感設施發現。


裝甲車輛的紅外隱身主要依靠隔絕內部熱源(比如發動機)與車輛外表之間的熱傳遞,對外表實施主動強制降溫等手段來實現,但這樣的思路在高速巡航的飛機上是不可行的。

在SR-71首飛的時代,受當時技術水平的限制,光電類探測系統難以對其形成威脅,SR-71的熱管理系統甚至還專門涂有散熱涂料,讓熱量轉化為紅外輻射散發出去,協助機體實現30℃左右的降溫效果。但近年來,隨著全球光電探測技術的飛躍式發展和火控數據的信息化,像SR-71這樣以馬赫數3以及更高速度進行任務活動的飛機已經無法躲開現代光電系統的探測了。也就是說,如果要設計新一代的高巡航速度戰機,不僅不能通過紅外輻射來進行降溫,反而要竭盡全力降低紅外信號,否則就意味著在現代戰場上毫無生存能力。

例如,美國五代機F-35的一個重要能力就是通過機載EOTS/DAS系統中的紅外傳感器被動捕獲目標的方位信息,并通過數據鏈傳遞給包括遠程防空反導系統在內的友軍單位。

對于紅外信號強烈的高空目標,F-35的探測距離相當遠。2010年6月,DAS的研制商諾斯洛普·格魯門公司曾在“獵鷹”9火箭發射時,在美國北卡羅來納州上空對該火箭實施了1300千米外的觀測跟蹤,并有效跟蹤到了一二級分離與發動機狀態變化。


F-35的EOTS光電系統。


F-35的DAS系統在1300千米外監視到“獵鷹”火箭2級發動機燃盡。


F-35跟蹤RIM-2“小獵犬”探空火箭(不含工作載荷重量1.3噸)。畫面中,火箭的一二級已經分離,黃框代表AN/APG-81雷達跟蹤,洋紅色圓圈標志代表DAS跟蹤。跟蹤距離未公開。


只有很少的云層高度能達到15000米以上。

現代的紅外傳感器溫度分辨率已經可以達到0.02℃左右,因此,以馬赫數3速度巡航的飛機很難通過常規手段實現紅外隱身。而在11000—15000米的高度范圍,以馬赫數1.4至1.7的速度進行超聲速巡航,機身表面的大部分區域溫度可以控制在較為溫和的70℃左右水平,紅外特征要弱很多,而且能借助云層的掩護,實現紅外隱蔽。

總體而言,對現在的軍用飛機來說,保持馬赫數3的速度進行巡航是一種得不償失的性能要求。參考SR-71的性能特征,并綜合近年來全球航空科技領域的主要突破,可以發現,追求單一的高巡航速度,對戰機設計、制造和應用來說,都意味著巨大的經濟成本和性能代價。戰機的任務靈活性將大幅犧牲,戰場生存能力也會降低。而且,這樣的高速優勢也難以消除來自現代傳感通信和導彈動力性能進步所造成的戰場威脅。因此,在六代機身上,我們或許依然難以看到其選擇在高速方向產生跨越式的進展。

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