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既生瑜何生亮?美国空军的双蛇记

晨枫老苑 晨枫老苑 2024-04-17
生活中有很多既生瑜、何生亮的故事,在战斗机世界里,也有这么一对,那就是F-16和F-18。F-16在美国空军里不叫“战隼”(Fighting Falcon),而是叫“蝰蛇”(Viper)。F-18的原型YF-17的名称是“眼镜蛇”(Cobra)。所以,F-16和F-18的故事就是双蛇记了。

F -16“蝰蛇”和F-18(原名“眼镜蛇”)的故事可谓双蛇记


第二次世界大战后,美国仗着财大气粗和夺人之美(从英国的德国获取了大量的先进航空技术),航空技术水平见长,到60年代时,在西方世界已经拔剑四顾两茫茫了。但是越南战争中,闪耀着先进技术光芒的鬼怪式战斗机被简单、小巧、灵活的米格17和米格21打得满地找牙。

朝鲜战争中,轻巧灵活的F-86对更轻巧灵活的米格-15取得了良好的战绩,但在美国军方心目中,朝鲜战争不代表未来战争的主旋律。第二次世界大战后,美国从上到下都对艾森豪威尔的“大规模报复”战略坚信不已,空军获得军费的大头,而空军内部,李梅的战略空军又拿了大头。空军基本是轰炸机派的天下,要么就是用核轰炸机把敌人炸回石器时代,要么就是用截击机防止敌人把自己炸回石器时代,战术飞机的唯一另外一个用途,就是投放战术核武器。所以50-60年代的美国空军的战斗机都是以对敌纵深攻击为主的战斗轰炸机和以拦截敌轰炸机为主的截击机,没有真正的格斗战斗机。1962年,李梅任空军参谋长,这是轰炸机派的顶点。


战后美国空军长期被轰炸机派主导,空军的使命就是把敌人炸回石器时代,同时防止敌人把自己炸回石器时代


60年代初空军的装备论证报告准确地预测了对C-5一级的超大型运输机和B-1一级的变后掠翼超音速轰炸机的需要,但对战斗机,预测的结果还是“以导弹为主要武器的为空战而优化的F-111和F-4”。这些预测倒不是拍脑袋想出来的,而是在无数空战研究和实战演习中的得出来的结论。

然而,研究和演习的想定和实战有很大的差距。在研究和演习中,敌我之间有一条明确的楚河汉界,这边的都是友军,那边的都是敌人,只要雷达能够看见的,打就是了。然而,在越南的实战中,敌人常常从意想不到的方向出现,敌我很快就混战一团,在视距外敌我识别根本不可靠,所以条令规定必须目视识别敌我后方可开火。这样,截击机的远程火力优势根本得不到发挥,而机动性不足的劣势反而暴露得淋漓尽致。美国空军被迫开始了痛苦的反思,结论是美国需要一架新时代的F-86。


在越南,纸面上更先进的F-4“鬼怪”式被轻巧、灵活的米格-21打得一筹莫展

与此同时,空军内部研究有限战争中美国空军装备的需要,得出结论:F-111那样昂贵的装备不适于中低烈度的冲突,美国空军需要一个高低结合的装备结构,建议美国空军考虑F-5和A-7作为低端装备,具有良好机动性的F-5作为空优的低端补充,与海军通用的A-7作为对地攻击的低端补充。但是那是一个国防经费取之不尽、用之不竭的年代,美国空军对任何不是“最好”的装备不感兴趣,建议被束之高阁。

但是战术空军司令部对寻找一个机动性优秀的下一代战斗机还是有干劲的。1965年4月,战术空军司令部提出F-X计划,其要求是单座、双发、全天候,机动性优先于速度和高度,具有高推重比,最高速度为2.5马赫,可以挂载红外和雷达制导的空空导弹。

但这是麦克纳马拉时代,尽管有F-111的悲惨先例,他还是对海空军的通用作战飞机的概念念念不忘,在1965年秋明文指令空军采购A-7攻击机,否则就要陈述特别的理由,以证明不采购的原因。1965年11月,新国防部长哈罗德·布朗和空军参谋长John McConnel提议采购11个中队的A-7,这个决定在空军中广受批评,但实际上为继续研制F-X扫清了道路,因为这时F-X是作为替代F-4的“更先进的高性能战斗机”而提出的。




麦克纳马拉对空海军通用带来的规模经济念念不忘,强令空军采购A-7“海盗II”,否则就要陈述特别的理由。空军后来从命了,但实际上是为F-X铺垫
1965年12月8日,战术空军司令部向工业界13个公司发出F-X研究的招标,还是强调均衡的空空、空地能力,有8各公司回应。1966年3月8日,战术空军司令部选中波音、洛克希德、北美,开始4个月的概念研究,格鲁曼自费参加。这些公司总共提出500多个研究方案,但典型方案的重量达到30吨,采用变后掠翼,机体大量采用先进材料,速度为2.7马赫,与其说是新时代的F-86,不如说是死灰复燃的F-111。

空军对研究的结果很不满意,中止了进一步的研究。这时战术空军司令部开始意识到,原先F-X要求的提法不对,不应该不分主次,同时强调空空和空地,把所有人都引向了一个错误的方向。正在这个时候,John Boyd少校的能量机动理论开始得到重视,空军把他调到装备规划部门,责令他把F-X重新引上轨道。

John Boyd是一个奇人,他的故事容另文详述。Boyd参加朝鲜战争的时候,战争已经打到尾声了,所以没有捞着什么仗打。战后,Boyd被调任内利斯空军基地的战斗机武器学校任教官。作为内利斯的教官,他基本上每天都要飞两三个架次,6年里竟然飞了近3000小时。基于大量实际经验和对前任经验的总结,Boyd编写了美国空军的第一本空战战术手册。Boyd不满足于此,试图用科学的方法进一步研究空战和机动性问题。他在研究朝鲜战争中,注意到米格-15在总体上比F-86的机动性更好,但F-86对米格-15取得了良好的战绩。当时的一般说法是这是因为美国飞行员的素质更好,但是Boyd不是一个安份的人,不满足于人云亦云。他发现飞行员的态势感知(situational awareness)和战斗机迅速改变飞行状态的能力才是格斗取胜的决定性条件,当时被津津乐道的速度和推力并不是最重要的。这和他多年的空战格斗实践是吻合的。

和米格-15相比,F-86恰好拥有视界更好的气泡式座舱盖和较高的座位,F-86的液压式操纵系统也比米格-15的机械连杆式操纵系统反应更快。

1962年在乔治亚理工学院在职学习航空工程时,Boyd开始研究能量机动理论。能量机动理论提出,战斗机在飞行包线内任一点的机动性可以表示为动能、位能之和,和迅速改变这个能量水平的能力。这样,不同的战斗机之间可以在整个飞行包线内做定量的性能比较,对战斗机在飞行包线内任一点的性能改进也有了量化的指标。利用能量机动理论,也可以针对敌我飞机在飞性包线内的能量情况,制定最优的战术。

能量机动理论在物理和空气动力学的基本原理上并没有提出什么新概念,但它把战术要求量化了,从而可以和工程设计指标连到了一起,从根本上改变了战斗机设计。传统上以可用的航空技术为主导和注重速度、转弯速率等纸面指标,在能量机动时代,整个飞行包线内的战术要求成为主导,而且战术要求主导技术指标。

能量机动理论简洁、优美,但需要大量的计算。由于能量机动理论在一开始并不为官方所认可, Boyd在Eglin空军基地(美国空军的主要试飞基地)任机修军官时,和基地的数学家Thomas Christie私下合作,编造理由来“骗取”在当时还是很宝贵的计算机上机时间,绕过了没有预算和经费的问题。

Boyd和Christie通过计算,用朝鲜战场的实战数据验证了米格-15对F-86的性能对比,然后再对越南战场上的米格-17和米格-21对F-4作性能对比,并根据研究结果对当时盛行的战术作出改进的建议。能量机动理论不仅提供了一个在不同战斗机之间对性能作定量比较的标准,还为新机研制的技术参数指出了方向。

1967年对美国空军来说流年不利,F-4和F-105被证明不适合越南空战的需要,而苏联又在土希诺航展中意外地展示了米格-25,空军重新提出了F-X计划,用以取代F-4。空军开始强调空优的重要性,强调没有可靠的空优,对地攻击也无法保证。在Boyd的主持下,F-X(F-15的方案阶段)的重量要求由60,000磅降到40,000磅,速度由3马赫降到2.3~2.5马赫。F-X成为战后美国空军第一架以机动性为主要设计指标的战斗机。

1967年8月11日,第二轮F-X启动。通用动力、洛克希德、费尔柴尔德-共和、北美、格鲁曼参加研究,空军的评估队伍达到500多人,多用途派还是想把地形跟踪、盲目轰炸等功能塞进去,辨称技术的发展会使这些系统的重量降下来,但忽略了这么做对技术风险和成本的影响。


麦克纳马拉对空海军通用的坚持导致F-111,但计划步履艰难,最后空海军分道扬镳,空军的并列双座型成为重型战斗轰炸机,实际上作为准中程轰炸机使用

海军的串列双座型则彻底拆散、重新包装,成为F-14


1968年,海军最终还是退出了百病缠身的TFX(F-111)计划,另起炉灶,搞起F-14。F-14其实是海军把F-111大卸八块,再按海军的心愿重新拼装起来的产物,基本技术就是F-111B海军型的东西,但是设计思想大大进步,不再追求不现实的通用性要求,而是围绕舰队防空的要求,将性能和系统最优化。

这一年又是总统大选,给F-X计划带来极大的变数,所以空军赶紧把F-X的要求制定得尽可能和F-14不一样,免得国防部和国会的老爷们又动海空军通用的脑筋,再次被迫吞下一个“盐水鸡”(空军戏称海军战斗机为saltwater fighter)。为了把生米煮成熟饭,空军学海军F-14的样,跳过原型,直接进入F-15的工程开发。

F-X的要求是单座、双发,具有优秀的视界,平衡的超视距和视距内空战能力。单座不仅可以节约2500公斤的重量,还可以和海军的F-14拉开距离。双发是为了更快的油门响应(小发动机加速快),而且单台推力的要求不至于太高,但是和安全没有关系,研究表明,现代双发比单发已经没有显著的可靠性优势。


米格-25的出现给空军很大的刺激,F-X快马加鞭了

最后推出F-15


F-15上马了,但是空军里还是有不同声音。国防部部长办公室的Pierre Sprey和John Boyd、Harry Hillaker(通用动力的设计师,先主持F-111的设计,后主持F-16的设计)、Everest Riccioni(试飞员,师从Chuck Yeager,曾主管Wright-Patterson空军基地的飞行力学实验室)等组成所谓的“战斗机黑手党”,鼓吹一种12,500公斤级的单座、单发的F-XX轻型战斗机,围绕跨音速性能进行优化设计,只装备简单的射控雷达,只需要简单的维修。


1969年,国防部要求海空军采用F-XX,取代日渐昂贵的F-14和F-15计划,但是海空军不感兴趣,以越南战场上表现不佳的F-104和F-5作为推搪。其实这根本是指鹿为马。F-104轻巧简单不错,但机动性和F-XX根本不是一个概念。F-5的机动性相当出色,但速度太低,爬升也不力,追不上米格-21。但是F-XX的想法还是无疾而终了。


但是战斗机黑手党在空军里有很多同情者,很多空战老鸟甚至调侃性地建议索性购买米格-21来解决空优问题。1968年的一些计算机仿真研究和实战演习都证明了F-XX的概念,但F-XX的时机实在不好,空军的F-15和海军的F-14都刚上马,灸手可热,最不希望的就是受到F-XX或任何别的计划干扰。F-XX迫使海空军勾结到一起,竭力反对任何轻型战斗机的计划。但是海空军心里都清楚,军费上予取予求的时代一去不复返了,F-14和F-15的成本太高,用F-14和F-15全面取代F-4已经不可能了,被束之高阁的高低结合概念是必然的趋势。


空军心里其实不笨,早在1965年就悄悄地开始研究轻型战斗机的问题,命名为“先进昼间战斗机”(Advanced Day Fighter,ADF),12,500公斤级重量,要求推重比和翼载至少比米格-21好25%。但是米格-25面世后,空军的精力全部都转移到F-15上去了。


到了70年代,美国的财力已经大不如前,放弃了金本位体系,在国防开支上也大幅度收缩。尼克松时代的国防部长莱尔德被指令整顿国防采购系统,莱尔德任命助理国防部部长David Packard理顺国防采购这个烂摊子,Packard强烈主张恢复竟标制度。正好这时Boyd在空军装备预研部门,说动了Packard,启动轻型战斗机的研制。


1972年,国会拨款一千二百万美元,正式启动“轻重量战斗机”(Light Weight Fighter,LWF)计划,要求新战斗机为10,000公斤级,比ADF和F-XX还要轻,要求具有高机动性,高推重比。LWF是作为F-15的补充,而不是替代。LWF不要求和米格-25比速度、比高度,相反,LWF要求在空战常用的10,000-13,000米高度、0.6到1.6马赫的范围里对性能进行最优化,重点为机动性和加速性,而不是速度和载弹量。越南战争的经验也表明,尺寸较小的战斗机在视距内空战时较难发现。但这时候,LWF还只是一个研究性的计划,没有生产计划。


LWF竟标的目的有三个:


1、评估新技术对提高战斗机性能的作用

2、评估降低研制和生产成本的方法

3、为未来战斗机提供选择

空军于1972年1月向发出招标,向波音、通用动力、洛克希德、诺思罗普和沃特公司发出竟标的邀请。这五个公司很快提出了各自的方案。


波音LWF

沃特LWF

诺斯洛普P-530“眼镜蛇”

洛克希德CL-1200

通用动力的若干LWF方案,右下的401-16B方案最终成为YF-16


波音虽然在喷气时代从来没有制造过战斗机,但一直没有放弃战斗机的设计,对每次战斗机竟标都认真设计,全力竟标,可就是屡战屡败。波音的方案是单发、单座、单垂尾、机腹进气、正常布局,和最终的F-16很相似,但是没有F-16的翼身融合,矩形的进气口和F-16的椭圆形不一样,倒和歼10的有几分相似。

通用动力在ADF时代就开始研究轻型战斗机的问题,并提出过几个方案。LWF的要求一发表,立刻在以前ADF方案的基础上,提出好几个新的方案,基本机身都是一样的,但是在有尾还是无尾三角翼、单垂尾还是双垂尾、机腹进气还是两侧进气之间拼七巧板,最后的401-16B号方案和现在的F-16很接近了,不过是上单翼,而不是F-16的中单翼。

洛克希德在50年代制造过F-104,之后在F-104的基础上,开发过CL-1200“标枪”,和诺思罗普的F-5E竞争出口合同。CL-1200的基本布局和F-104相同,但是加大了机翼的翼面积,把中单翼改为上单翼。美国空军在60年代曾对CL-1200有兴趣,洛克希德为此将两侧的带半锥的半圆进气道改为类似鬼怪式的矩形进气道,并以此为LWF的竟标方案。

诺思罗普的成功之作是F-5。诺思罗普在F-5E上采用了小边条,取得了良好的效果。作为F-5的后继型号,诺思罗普先后推出N300和P530,后文还要详述,但应者寥寥。LWF招标开始后,诺思罗普将P530涂脂抹粉一番,改名为P600参加投标。

沃特以海军战斗机著称,A-7和F-8在海军获得良好的口碑,A-7在90年代初前才从美国海军退役,F-8要到90年代末才从法国海军退役。沃特的LWF方案是现代化并加大的F-8,采用更先进的机翼,但基本没有脱离F-8的路子。

显然,洛克希德和沃特对LWF竟标并不是太认真,没有设计全新的方案参加竞标,只是把已经过时的东西重新粉饰一下拿出来交差,早早被淘汰也就不奇怪了。波音虽然没有战斗机的设计、制造经验,但是创意突出,也很下过一番功夫,通用动力和诺思罗普的方案的先进性则是显而易见的。在最初的评比中,波音的方案胜出。波音和通用动力的方案十分相似,通用动力的方案成本低一些,所以最后还是通用动力的方案入选。为了比较不同技术路线的优缺点,诺思罗普的方案也入选。通用动力和诺思罗普各制造两架技术验证机,对比试飞,赢者通吃。通用动力的型号为YF-16,诺思罗普的为YF-17。通用动力获得拨款三千七百九十万美元,诺斯罗普获得拨款三千九百九十万美元,拨款包括设计和制造两架原型机和300小时试飞的费用。


最后通用动力和诺斯罗普方案入选,分别按照YF-16和YF-17对比试飞
战斗机黑手党受到鼓舞,开始得寸进尺,鼓吹将LWF投产。空军也意识到F-15不可能满足数量要求,只能退而求其次,用F-15夺取空优,然后用LWF巩固战果。

YF-16的设计师Harry Hillaker是战斗机黑手党的成员之一,对战斗机黑手党鼓吹的轻巧、简单的战斗机深谙真谛。YF-16在设计中大量采用现成的技术和系统,设计中强调降低生产成本。采用单台普拉特-惠特尼F100涡扇,和F-15实现通用,大大简化后勤保障和降低采购费用。研究表明,现代发动机的可靠性已经大大提高,机械故障导致的单发的事故率和双发没有实质性的差别。在战损情况下,受损的发动机经常会解体,破损的涡轮会击穿发动机匣,损坏另一台发动机,所以战损安全性也没有实质性的差别。通用动力的计算表明,单发比双发省油,单发可以实现8000公斤的空战重量,而双发就要10,000公斤以上了。后来的事实表明,通用动力的估计是相当精确的。


YF-16的首飞是一个意外,强烈侧风使得飞机一侧平尾开始蹭地,试飞员当机立断拉起,6分钟后有惊无险地返回着陆


YF-16在1973年12月13日装配完工。YF-16的首飞是一个意外。1974年1月21日,通用动力的试飞员Oestricher(怎么听着像鸵鸟?)在跑道上作高速滑跑试验时,遇到强烈侧风,一侧平尾开始蹭地,他当机立断,拉杆起飞,6分钟后,有惊无险地返回着陆。YF-16真正的首飞是在1974年2月2日,试飞飞到650公里/小时的速度和1万米的高度,试飞持续了90分钟,还是由“鸵鸟”先生掌舵。

YF-16当然不是即兴之作,但相比之下,诺斯罗普的YF-17要“处心积虑”得多。诺斯罗普的F-5系列很成功,成为北约和其他美国盟国的主力战斗机。F-5E至今还韩国和台湾空军使用,和F-5“同宗同族”的T-38更是美国空军的主力超音速教练机。但是诺斯罗普未雨绸缪,早在60年代就开始F-5的后继型号的设计。

最早的成果是N300,这其实就是将F-5的机身加长,再在翼根增加小边条。到1967年,N300演变为P530,采用两台通用电气的GE15发动机,紧密横向并列,这样可以减少一旦单发停车引起的偏航力矩。这是一台很特别的发动机,虽然有0.25的涵道比,也就是说有一部分空气从发动机的外围流过,但这部分空气并不产生推力,而是仅仅冷却发动机核心而已,以便在采用轻质低价的材料作发动机机匣的同时,提高发动机的工作温度,增加推力,所以不算真正的涡扇,而只是涡喷,尽管是“漏气的涡喷”(leaky turbojet)。

P530的机翼还是和F-5的大体同源,大一些而已,采用大边条,前缘机动襟翼。因为2马赫以上的性能不是重点,把原先的进气道半锥调节装置取消了。单垂尾也改成了外倾的双垂尾,以在大迎角时避开机身的遮挡。同时,双垂尾前移,避开机翼上表面涡流的不利影响;平尾后移,以增加俯仰控制力矩。因为从进气口向前延伸的大边条看起来有点昂首挺胸的意思,诺斯罗普就给P530取名为“眼镜蛇”。P530也是放宽静稳定性的,但诺斯罗普对60年代的电传飞控技术不放心,所以没有采用电传飞控。起飞重量大约20,000公斤,最大速度2马赫。

P530的模型在巴黎航展展出,但无人问津,最主要的原因是没有人愿意在美国空军没有兴趣的情况下购买一个专供出口的型号。诺斯罗普忘记了,F-5是一个特例,F-5的外销基本都是美国军援的结果,现在要别的国家自己掏钱了,人家自然要权衡一下了。洛克希德在同期也向外国推销F-104的后继型号CL-1200,同样空手而归。

美国空军虽然对P530和CL-1200没有兴趣,但还是有足够的远见,继续资助通用电气开发GE15,这就是后来的YJ101,日后更名为人们所熟悉的F404。

LWF招标一开始,诺斯罗普就把P530的空空-空地兼顾改成专业空空,把机头航炮从原本适合于对地扫射的机头下方位置搬到适合于空战的机头上方,并冠以新名P600,美国空军代号YF-17。YF-17的起飞重量约11,000公斤。YF-17装配完成与1974年4月4日,被YJ101的验证拖延了一点时间,到1974年6月9日首飞,成为美国空军第一个不用开加力就在平飞中达到超音速的战斗机,并在试飞中以50节的速度达到过63度的迎角,充分显示了优良的低速性能。

在对比试验中,美国空军安排了尽量多的飞行员参加试飞,但真正同时飞过YF-16和YF-17的飞行员还是不多。YF-16和YF-17之间也没有进行过模拟空战。但美国空军安排了YF-16和YF-17对所有现役美国作战飞机以及米格-17和米格-21进行模拟空战,结果充分证明了战斗机黑手党对于轻巧战斗机的概念的正确性。
恰好同一时期,北欧四国(比利时、丹麦、荷兰、挪威)计划替换F-104,在YF-16、YF-17、萨伯JA-37、幻影F1之间比较,倾向于选用LWF的获胜者,但条件是美国空军必须自己也大量购买。



这时美国空军的F-15开始逐渐进入现役,美国空军越来越清楚无法负担用F-15全面替换F-4和F-105的现实,加上北欧的条件,国防部长施莱辛格宣布,LWF的获胜者将被投产。至此,LWF才从一个学术性的研究项目变为一个计划投产的项目,战斗机黑手党的理念终于要实现了。不过空军在最后关头又改主意了。F-15作为纯空优战斗机后,空军需要一架多用途战斗机,填补空地的空挡,于是LWF被赋予空地的任务,但LWF的名称反而改成空战战斗机(Air Combat Fighter,ACF)。

1974年9月11日,美国空军宣布将购买650架ACF,今后还将增加。1975年1月13日,空军宣布YF-16获胜。

其实在竟标开始的时候,一般认为YF-17会获胜,毕竟诺斯罗普已经在P530上花了好多年的时间,技术上比较成熟。但YF-16的重量轻,速度快,机动性好,单发的价格低、维修容易、省油,发动机和F-15通用。相反,J101还没有得到时间的证明。另外,YF-16明显比YF-17要美观,试飞中亮丽的红白涂装明显要比YF-17抢眼,对YF-16的获胜也不无作用。

ACF的赢家非YF-16莫属,量产化后命名为F-16。北欧四国成为F-16的第一个出口用户,在1981年7月7日以色列空军空袭伊拉克奥西莱克核反应堆的作战中,F-16第一次经历了战火的洗礼。

通用动力F-16是少见的革命性设计:翼身融合体、放宽气动静稳定性、线控操纵、颌下进气道、气泡式座舱盖、倾斜式座椅、侧杆操纵。这些技术对后来的战斗机设计的影响太大了,以至于今天要找一架F-16之后问世而不受F-16任何影响的战斗机难之又难。

F-16是少见的革命性设计,以至于今天要找一架F-16之后问世而不受F-16任何影响的战斗机难之又难


在早期战斗机设计中,飞机的各个部分泾渭分明,机身就是机身,机翼就是机翼。机翼和机身的连接一般要么在机身顶部,要么在机身底部。在机身顶部叫上单翼,在机身底部叫下单翼。上单翼的飞机的机身“吊”在机翼下,机身的重量起到重锤或单摆的作用,所以上单翼的飞机在横滚方向上过于稳定,为了增加灵活性,一般机翼下反一点,以中和一点过稳定性。所以早期飞机和用于新飞行学员的轻型飞机常用平直的上单翼,以回避横滚稳定性的问题。上单翼飞机容易在翼下吊挂武器,对于运输机来说,也容易在翼下吊挂发动机。上单翼飞机的两侧机翼和机身的上表面是连贯的,对产生升力的上表面气流的干扰最小。

下单翼飞机的机身“坐”在机翼上,这个头重脚轻的姿势有自然的横滚不稳定倾向,需要机翼有一定的上反来增加横滚的稳定性。中单翼是自然稳定的,需要横滚的时候,也是最灵活的。但是早期飞机很少有用中单翼的,因为中单翼的翼盒穿过机身,给机身强度带来很大影响,很少有人愿意惹这个麻烦。随着技术的进步,机身强度不再是问题,中单翼的优点可以利用起来了。


F-16采用中单翼和翼身融合体


上单翼机翼上表面连贯的优点,则可以通过把机身和中单翼机翼的连接处圆滑地填平补齐来近似地实现,这是翼身融合体的初衷。翼身融合体也增加机身有效容积,这增加了机内的载油量。翼身融合体还增加翼根厚度,改善翼身结合部的结构连接条件,可以用较轻、较简单的结构实现所需的结构强度,减轻重量和制造成本。平顺的翼身结合部也改善了气流分布,减小阻力,甚至对隐身有一定改善,实在是一举多得。


气动稳定性可以用重心(黑色)和升力中心(红色)的相对位置来说明,重心在前为静稳定的。绿色箭头显示的是配平力矩


早先的飞机都是气动稳定的,也就是重心永远在升力中心的前面。这样,在飞行时,如果受到气流扰动而导致机头上仰,机翼的迎角增加,升力增加,升力作用在机体上,以重心为支点,使机头回压。如果气流扰动使机头下俯,机翼的迎角减少,升力下降,升力作用在机体上,以重心为支点,使机头回仰。
重心和升力中心要有一点间距,但不要太远。为了补偿重心领先升力中心的这点力矩,飞机在飞行中需要压平尾来配平,这导致配平阻力。显然,理想情况下,重心只是稍微领先升力中心一点,这样只需要最小的配平力矩,导致最小的配平阻力。但是空气是可压缩的,随着速度的增加,升力中心向后移动。这样,在低速时合适的重心和升力中心的间距,到高速时就变得相当大,需要大大增加配平力矩,严重增加配平阻力。

放宽气动静稳定性后,重心和气动升力中心可以按中速条件设计,这样,用较小的配平力矩就可以满足最常用的中速巡航飞行需要,大大减小了巡航阻力。但是放宽静稳定性后,低速时升力中心可以跑到重心前面来,气动不稳定。这需要用快速自动调节平尾来控制飞行姿态。速度升高后,升力中心后移,又是气动稳定的了,没有问题。

问题在于,没有计算机控制的电传飞控,放宽气动静稳定性不可能实现,单靠飞行员手忙脚乱地调整气动控制面,还没有飞出不稳定区就早已经颠三倒四了。F-16是第一个在量产型飞机上实现放宽气动静不稳定性的,尽管早期的F-16还是模拟电传。电传飞控在F-16之前就有了,加拿大的流产的Avro Arrow就是电传飞控的。但早期的电传飞控只是把机械连杆操纵信号用电线传送,F-16首次在电传中增加了增稳(stability augmentation)的功能,也就是对飞行员的控制动作加以“过滤”,将飞行动作局限在不超过飞行稳定性或机体强度极限的范围,达到“无忧虑”操纵。


F-16的机腹进气口后来也为很多战斗机设计所效仿


F-16的机腹进气道是又一个神来之笔。战斗机爬高时,先是机头上仰,但机体依然在向前滑行,像昂首怒立而前行的眼镜蛇一样,然后才过渡到向上爬升。战斗机的高速水平盘旋也不是靠垂尾转舵,而是先横滚,机身基本侧倾到很大的角度,再拉大仰角(angle of attack,AOA),作水平“爬升”,实现盘旋。所以战斗机的大仰角性能对机动性至关重要。问题是,高仰角时,气流和进气道成一个角度,弄不好,发动机就要“断气”熄火。

整个F-16就像围绕着发动机设计的一样,座舱只是在发动机前上方的延伸体,而这个延伸体在高仰角时把前方气流“兜”住了,理顺了,机腹进气道刚好一口吞进去,发动机前端气流分布相对均匀,气就顺多了,发动机的工作条件也好多了。机腹进气道不光起整流压缩作用,还缩短进气道长度,减小进气压力损失,减轻结构重量。

在F-16的研制中,曾对进气口到底能后退到哪里做过很多研究。从气动和发动机性能来说,进气口的位置还可以再往后退,但是前起落架已经不能再往后退了,否则要影响起落时的稳定性。进气口再往后退,前起落架就只能安装在前机身的座舱下,这样一来,起飞、着陆时,前起落架的轮子容易将地面杂物容易卷进进气道,造成危险。所以最后进气口的位置与其说是由气动设计和发动机性能的,不如说是有前起落架的位置决定的。

F-16的发动机推力强劲,在空战重量下,推重比超过1,这使得F-16可以做完全垂直的爬升。不过垂直爬升在航展可以讨来叫好,在实战中并没有太特出的战术意义。高推重比当然可以换来实战中较高的爬升速率,但更重要的是提供强劲的加速,为迅速转换飞行状态提供能量上的保证。过去空中格斗中,飞行员不到万不得已,一般不愿轻易放弃速度、高度上的优势,因为如果一击不中,或者一躲不成,或者需要接连应付两三个对手,要重新建立速度、高度,需要太多的时间,也许就是此恨绵绵无绝期了。但是有了高推重比后,减速、主动放弃高度可以成为一种有效的战术选择,因为重新加速、爬升不成问题。

高点气泡式座舱由F-15首创,但在F-16上发展到了极致

无框的整体座舱盖提供了完美的视界


座舱在从发动机先前延伸出来前机身上,所以高高在上,正好改善飞行员的视界。双二(二马赫、两万米升限)时代的喷气战斗机的座舱常常是“埋”在前机身里,以减小迎风阻力,尽管发动机推力不足,依然可以实现双二。但这样一来,飞行员的后向视界和向下的视界很受影响,不利于空战格斗,鬼怪式、米格21MF、幻影3都有这个问题。在高点式座舱里,飞行员高高在上,前后左右的视界都不受影响,泡罩式座舱盖两边略有鼓起,所以飞行员向下的视界也比先前大有改善。

高点式座舱的气动阻力要大一点,但发动机技术进步了,这点阻力对性能没有影响,而高点式座舱对空战的优越性是显而易见的。飞行员视界对空战的作用是Boyd对朝鲜战争中为什么F-86对机动性更好的米格-15占优势所作的研究中得出的两个结论中的一个结论,另一个就是F-86的液压操纵系统比米格-15的机械连杆操纵系统反应更敏捷,所以F-86可以更快捷地改变飞行姿态,及早占领有利阵位,这一点也在F-16的电传操纵系统上体现出来了。

高点式座舱由F-15开始,F-16达到极致,以后成为现代战斗机的标准布置。F-16的无框架整体式座舱盖是很多战斗机力图模仿的,其理想的视野是没说的,但是除了F-22,没有第二家,原因主要是成本和重量。要保证没有光学变形,耐鸟撞,耐气流冲击,在飞行员弹射逃生时破裂得干脆利落,是挺难的。

倾斜式座椅的用意是减小高过载时血液下流的影响。在理论上讲,平躺最好,拉高过载机动时,血液最多从前脑流到后脑,比从头脑流到脚跟要强得多。实际上不可能,平躺着怎么操纵飞机呢?还不如老实呆在地面,遥控算了。所以倾斜式座椅都是有一定的角度的。实验表明,角度要到60度以上才开始真正起作用。但这么斜躺着,前方视野基本没有,不实用。


侧杆操纵在电传时代也受到追捧


F-16的30度到底有多少作用,并没有公论。不过这么一躺,传统的中置操纵杆就用起来不方便了,只好改到侧置。好在用电传了,操纵杆的位移量用不着太大,侧杆不再受“拉不开”的局限。侧杆还可空出两腿之间的位置,可以布置一个显示器。不过侧杆的优越性至今有争论。左撇子用起来不方便;战时右手受伤了,左手无法接替操纵;如果电传发生故障,用机械备份操纵,仍然受到位移量的限制;两腿中间的位置是空出来了,但右手的位置被占用了,本来这个位置也可以布置开关的。F-18还是中置,瑞典的鹰狮和英德意西联合的台风也是(英国人说中置是where the God intends it to be),就连以色列流产的幼狮(Lavi)也是。法国虽然喜欢对美国梗脖子,但阵风用的是侧杆。

F-16虽然是美国空军高低搭配中的低端,但其卓越而平衡的性能在使其在许多中等国家的空军里担当起全能的脚色,难怪F-16是F-4之后产量最大的美国战斗机,产量已经超过4000架。

本来YF-17在LWF/ACF竟标中落选,YF-17的故事也就完了。可巧海军也有自己的高低搭配的问题,也在寻找合适的轻型战斗机。战斗机黑手党的成员都是空军和工业界的人,但海军内部不乏悄悄的同情者,他们希望看到F-14有低端的补充。海军陆战队也对F-14的动向越来越感到不安,因为海军陆战队需要空空-空地兼优的飞机,空战专业户F-14对海军陆战队的用处有限。

国会命令海军也买空军选中的LWF,但海军成功地赢得了自己选择的权力,这才有了F-18


于是海军正式启动轻型战斗机计划NAFX。有意思的是,海军高层从一开始就对NAFX不太抵触,F-14已经进行到末期,不可能下马了。另外,NAFX只是作为F-14的补充,不是替代,NAFX只替换F-4、A-7和A-4。海军也清楚F-14日益严重的超支问题。

1973年夏,国防部长施莱辛格指令海军开始评估使用LWF/ACF的可能性,同年8月国会要求海军寻找F-14的低成本补充。1974年5月10日,国会武装部队委员会索性中止对NAFX的拨款,强令海军采购LWF的入选者,以达到和空军的共用。海军强调了对空空-空地性能兼顾的要求,指出LWF单纯强调空空,没有空地性能的要求,所以LWF的入选者不一定对海军合适,要求国会重新考虑。1974年8月,国会同意了海军的说法,将原来拨给NAFX的3千4百万美元转拨新的海军空战战斗机计划(Naval Air Combat Fighter,NACF),指令海军最大限度地利用LWF的成果,但不再受限于LWF的入选者。于是,海军开始在爱德华空军基地参加空军对YF-16和YF-17的评估。

一旦海军明确了NACF的要求,通用动力和诺思罗普立刻意识到自己没有海军舰载战斗机的设计、制造经验,为了在竟标中不使“缺乏经验”变成对自己不利的因素,通用动力和沃特(这时已经改组为LTV)合作,推出海军型的YF-16,按LTV的代号命名为V1600。诺思罗普和麦道合作,推出YF-17的海军型,诺思罗普命名为P630,麦道命名为267型。

试飞过YF-16和YF-17后,海军表达了对YF-16的极度不满。单发对于岸基飞机的正常飞行安全虽然没有太大影响,但是舰载机起飞、着陆过程中,发动机必须绝对可靠,一、两秒钟的迟疑就是生死之别。另外,陆基飞机发动机熄火后,可以迫降或跳伞等待救援,在海上迫降,危险性就要大多了,如果有一台发动机可以把飞机飞回航母附近再跳伞,也比在汪洋大海正中间跳伞强。F-14用的是TF30发动机,F-16的发动机和F-15的通用性对于海军来说没有意义。YF-16的机头锥太窄小,难以容纳较大的雷达,难以制导中程空空导弹。实际上,按照Boyd原来的设想,LWF根本就不需要火控雷达,有一个测距雷达就足够了。当然后来空军没有全听Boyd的,但F-16的机头锥确实天生就不适合安装大型雷达天线。除了航炮以外,最初的F-16A/B的唯一空战武器就是响尾蛇近程空空导弹,难以满足海军的舰队防空作战要求。F-16的主起落架的左右轮距较短,对舰上起落的稳定性不利。

当然,海军没有明说的一点,是不原意和空军共用一架战斗机。空军的采购量大,如果和空军共用,NACF的要求必然要向空军靠拢,F-111的前车之鉴在海军中还是记忆犹新。顺便说一句,空军对和海军共用一架战斗机也有类似的顾虑,因为空军的战斗机将要为上舰的特有设备付出代价。即使这些设备拆除,设计上的考虑也足以导致不可忍受的性能或系统安排上的折中。

海军向国防部和国会强力游说,指出将YF-16修改到适合上舰的工作量和重新设计一架飞机已经差不多了,抵消了通用性的任何好处,何不索性满足海军的要求,让海军自由选择一架合适的飞机。在和国防部和国会讨价还价后,海军获准在YF-17的基础上研发NACF。

实际上,除了单发、双发的差别外,海军反对YF-16的理由大半在YF-17上也成立,所以麦道和诺思罗普对YF-17进行了彻底的重新设计。重新设计后的飞机和YF-17没有任一主要几何尺寸是相同的,也没有任一主要结构是相同的。海军将新飞机重新命名为F-18。


原计划有F-18、A-18和TF-18,最后只有F-18A/B


按原计划,F-18有三个型号:战斗机型F-18取代F-4,攻击机型A-18取代A-4和A-7,还有双座的战斗教练型TF-18,保留战斗能力,但航程有所损失。F-18和A-18将共用基本机身和发动机,但机载电子设备不同,以适应不同任务的需要。进一步的研究发现,现代雷达和先进数字信号处理技术使同一雷达在空空模式和空地模式之间的切换成为可能,座舱内采用CRT多功能显示器使仪表在空空模式和空地模式之间的切换成为可能,所以不再有必要为某一任务配备专用的雷达和相应的仪表显示,而是在不改变机载电子设备的情况下,通过适当的外场编程,可以很快地在空空和空地任务之间切换,实现双任务(dual role或者swing role)。注意,双任务战斗机和多用途(multi-function)战斗机的概念有所不同,前者是一专多能,在简单的外场编程之后就可执行不同任务;后者是面面俱到,系统构成和能力不因为任务不同而改变,在理论上在空中不需要编程就可以自由切换,但实际上这样做的意义不大,因为每次出击是有具体任务的。F-111是最后一种多用途战斗机,以后的所谓“多用途”,其实都是swing role或multi role。于是,F-18和A-18合并为F/A-18,但一般还是简称为F-18。

1975年11月,海军发予通用电气研制F404涡扇发动机的合同,这是J101的进一步发展型。1976年1月22日,海军发予麦道包括9架单座和2架双座F-18的工程开发(Full Scale Development,FSD)合同。麦道和诺思罗普的工作量为60:40,麦道负责最后的总装,这也是那20%的差别所在。

在开发基本的海军型F-18的同时,诺思罗普还在开发陆基型F-18L,去除舰载机特有的设备,所以机动性和航程有所改善。如果有订货的话,F-18L的工作量为40:60,诺思罗普负责最后总装。但F-18L始终没有订单,以后被中止发展。1977年3月1日,海军正式命名F-18为大黄蜂。

麦道对YF-17作了大量的改进,主要工作集中在对基本尺度加大以容纳必要的设备和燃油,对机体和起落架加强以适合舰上起落的要求,安装新的雷达和机载电子设备。YF-17本来正常起飞重量约11,500公斤,麦道修改后,F-18的正常起飞重量达到16,500公斤。新的F404把“漏气涡喷”的概念进一步发展,其重量只有用于F-4的J79涡喷的一半,长度只有J79的3/4,但推力相当,反应迅捷,从怠速到全加力只要4秒钟。

F-18的机身蒙皮的40%采用石墨环氧材料,主要受力材料为铝,部分重点结构采用钛和不锈钢。F-18是第一个采用4余度数字电传操纵系统的量产战斗机,F-16的早期信号还是模拟式的。4余度电传保证系统的高度可靠性,如果一个系统故障,还有三个可以投票,少数服从多数;如果两个系统故障,剩下的两个系统只要还是保持一致,电传还是继续全功能工作;如果3个以上系统故障,需要切换到备份系统,这时还是电传,但损失了增稳(stability augmentation)的功能。

F-18是第一种采用“玻璃座舱”的战斗机,以数字显示为主,尽管那时还是用显像管(CRT)


F-18也是第一个采用“玻璃座舱”的量产战斗机,主要仪表采用CRT多功能显示器,大量取代表盘式仪表,既节约占地和重量,减少接线,又便于迅速转换工作状态,适应不同任务的需要。CRT多功能显示器的大量使用,将态势感知提高到空前的高度。此后,“玻璃座舱”成为衡量一架战斗机是否先进的一个重要标志。

F-18的航炮在机头上方,麦道将航炮变成一个模块,可以方便地更换为侦察模块。麦道在F-18的重新设计中特别注重可靠性和可维修性,扭转了性能越来越先进,可靠性越来越低,维修性越来越差的趋势。从此,可靠性、可维修性和全周期费用成为军用飞机设计的重要设计指标。

首架F-18与1978年9月13日完成,11月18日完成首飞,首飞进行了50分钟,达到300节速度,6500米高度。试飞员反映,飞行非常平稳,操控十分容易。年底之前已经达到超音速,一年后试飞航次超过100次。

诺思罗普是出于无奈才找上麦道的,两家在生意面前各怀鬼胎也就不奇怪了。麦道和诺思罗普从合作的一开始就不愉快。原先的约定是麦道负责美国海军的舰载型F-18A,诺思罗普负责外销的陆基型F-18L,但是诺思罗普指责麦道在外销机会面前总是把自己的舰载型推上前来,对诺思罗普的陆基型避而不提,滥用诺思罗普的技术转移。诺思罗普甚至在1979年10月把麦道告上法庭,官司一直打到1985年4月才协议解决。麦道向诺思罗普支付五千万美元,买断诺思罗普对F-18的知识产权。此后麦道独家拥有F-18的外销权。

麦道当然不大地道,喧宾夺主,夺人之爱,但诺思罗普的指控也不是那么站得住脚。F-18L外销不利的主要原因是外国空军对美国空海军自己不选用的“外销专用型”不信任,美军自己用的型号,全面试验、系统性能、器材供应、后续升级都有保证,外销专用型就要自己出资来保证这些东西了。这种谨慎是有道理的,印度空军选用推力转向的苏-30MKI的教训就是例证。诺思罗普想重复F-5外销2500多架的奇迹,但是忘记了F-5的外销大多数是美国军援的结果。诺思罗普在官司解决之前已经“拎清”这个问题了,F-18L计划已经中止,麦道的协议解决正好为这一不愉快的篇章划上了句号。


加拿大成为F-18的第一个外国用户,至今依然在使用


F-18外销的第一个用户是加拿大空军。加拿大空军寻找F-104(在加拿大叫CF-104)的替代有日子了。加拿大没有赶上F-16的头班车,但F-18实际上对加拿大更合适,加拿大广阔的北方人烟罕至,对于天空中孤零零的战斗机来说,下面与其说是陆地,倒和大海差不多。F-18的超视距空战能力对加拿大承担的北美空防司令部的职责也比F-16的短兵相接更有用。

F-16的技术成就十分扎眼,但F-18在技术上是内秀,其实不比F-16弱。F-18的大边条在机翼上方形成强烈的涡流,增加升力,极大地提高了大迎角下的稳定性和操控性能,米格-29和苏-27的大边条不能说没有受到F-18的启示。

F-18的大边条是影响至少同等于F-16翼身融合体的气动设计上的突破

外倾双垂尾可以兼做减速板使用,同时有压尾作用,帮助起飞


F-18首次在轻型战斗机上采用双垂尾,双垂尾前移以填补机翼后缘到平尾之间的气动间隙,大大减小了阻力。双垂尾外倾,得以避开大攻角飞行时机身对垂尾的遮挡,增加方向稳定性。外倾的双垂尾容许在起飞时两侧舵面同时向内翻转(toe in),依靠外倾的角度,形成额外的向下的压力分量,以主轮为支点,及早地使机头抬起来,缩短起飞距离;在着舰滑跑时,则两侧舵面同时向外翻转(flare out),充当减速板,并形成使机头向下的压力分量,加强刹车效果。不过实用中,一般起飞、着陆都是向内翻(toe in),这是因为舰载机着舰时,实际上是按起飞的动作,这是准备万一着舰失败,可以立刻复飞。这toe in或flare out是单垂尾不可能做到的。直立的双垂尾除了作减速板外,也不能做到外倾双垂尾的其他功能。说起来,toe in使机头及早抬头的功能可以通过压平尾来实现,但一压平尾,就等于产生负升力,机头是抬起来了,但总升力也损失了。用外倾的双垂尾实现这个功能,平尾可以用来产生额外的升力,对缩短起飞距离有好处。当然,外倾的双垂尾还对减小侧面的雷达截面积有好处,但在F-18设计时并无隐身的考虑。

F-18的大边条下的进气道的作用和F-16的机腹进气道作用类似,在大迎角下将进气理顺了再“喂给”进气道,对F-18出类拔萃的大攻角性能功不可没。YF-17的大边条的根部和机身的接合处原先有一条长长的开口,用于将大边条下机身表面的呆滞空气排放出去,不影响进气道的效率,尤其是在大迎角的情况下。另外,通过这个长条开口排放到机身上方的气流形成一个“气墙”,对大边条形成的涡流达成有效的控制,提高涡流的稳定性。

YF-17的大边条翼根有很长的开口,用于在上翼面根部形成“气墙”

但漏气造成的阻力太大,填没后又产生涡流敲击垂尾的问题,最后用小型扰流片解决


但是,F-18在早期的试飞中就发现了速度和航程不足的问题。麦道把这个开口填没了80%,只在进气口旁边留一个小开口,以泄放附面层,希望以此来减少原先的长条开口形成的阻力。然而,这样一来,长条开口的“气墙”作用没有了,大边条所形成的涡流的稳定性难以保证,尤其是在大迎角的时候,最需要涡流的稳定性。计算流体力学的仿真研究和NASA的飞行试验表明,涡流正好在垂尾前破裂,对垂尾形成强烈的不稳定冲刷,导致严重的垂尾颤振和疲劳问题。好几架早期的F-18的垂尾根部很早就发现裂纹,对飞行安全带来严重的威胁。当时的临时补救办法是在垂尾根部“打补丁”,但这不是解决问题的办法。后来一个麦道的工程师灵机一动,在大边条的上表面增加一个小小的扰流片,帮助对涡流的导向,解决了这个问题。



有意思的是,海军陆战队比海军还早把F-18投入作战中队。按照1974年的财政预算,海军陆战队本来是要接受190架F-14的,但是海军陆战队对只能空战、不能用作对地攻击的F-14一直提不起兴趣来,反而追加了138架F-4J的订货,作为过渡。F-18的计划开始后,海军陆战队决定其空中力量由AV-8和F-18组成,1983年接收第一批F-18,1985-86年就投入了地中海的战备巡逻。
F-18的舰队使用从一开始就很受欢迎。长期以来,战斗机性能越来越好,但可靠性越来越差,造成出动率急剧降低,维修工作量急剧增加。航母的机库里常常停满了被大卸八块的飞机,不是在维修,而是被拆东墙、补西墙,用以维持其他战斗机的正常飞行。可以飞行的战斗机就只有停在甲板上,使本来就拥挤不堪的航母甲板更为拥挤,使飞行员、维修人员和调度人员头疼不已。


F -18的性能令人满意,可靠性和维护性尤其受欢迎


F-18从一开始就以可靠性和维修性为主要设计指标,获得了很大的成功。比如F-18的雷达不管是在天上还是舰上,极少故障,除了正常的定期检修和更换部件外,不需要维修人员围着团团转。即使出了毛病,系统自检也迅速报告,并具有一定的自我隔离功能,保持其他功能继续工作,既方便了维修,也提高了战斗出动中的可用率。不出毛病的雷达对舰队来说是一个新鲜事。F-4J常常出动时雷达就不工作,返航时则雷达大多不工作。高度可靠性使F-18的再次出动时间大为缩短,因为不需要因为什么东西又坏了,需要临时抢修。F-18着陆后,加油、装弹,就可以出动。机库里没有不能上天的战斗机,所有舰上空间都可以装载可以出动的战斗机,相当于比过去装载更多的战斗机。舰队对此深为满意。F-18的总产量比不上F-16,但也达到1600多架。

飞机迷最喜欢的话题之一就是:F-16和F-18哪一个更好?

F-16和F-18再怎么说也是同门弟子,不可以自相残杀的。事实上,除了商场之外,F-16和F-18确实也没有在战场上较量过。在商场上,F-16在数量上的胜利是显而易见的,但F-18的客户“档子”比较高一点。北欧四国选用F-16有时机上的原因,不好算。以色列选用F-16的时候,F-18也还没有服役,也不好算。此后,美国最重要的盟国中,很多都选用了F-18,如加拿大、澳大利亚和西班牙。选用F-16的大多是“穷亲戚”或者“外戚”,如东欧国家、中东国家,或者特别原因,如韩国等。


相比起来,F-16的优点在于:


1、数量大,不算出口的,美国空军的基数就大,所以备件、升级套件什么的有保证。

2、价格便宜,这个从LWF对比试飞时的国防部拨款就可以看出来,双发的YF-17就是比单发的YF-16贵,那还是在没有F-18的豪华版电子系统的情况下。

3、推重比大,最大过载大,持续机动性好。

4、航程远,F-16的机内载油系数(载油量比正常起飞重量之比)达30%以上,比F-15的25%都高,不带副油箱的话,F-16的航程比F-15还远。

5、单发的燃油消耗、备件消耗都低,使用费用低。

6、作为美国盟国,使用F-16便于和美国空军协同作战。


F-18的优点在于:


1、可靠性和出动率高,对于需要独立作战的中小国家空军来说,F-18是以一当十的最好选择。其实这是航母战斗机的天然特性,航母上毕竟只能携载那么多的战斗机,还要考虑和优势的敌方陆基航空兵对抗,必须是个顶个的。

2、具有强大的防空、制空能力,F-18从一开始就具备超视距空战能力,但F-16除了空中国民警卫队特别改装的一批F-16 Block 15 ADF可以发射“麻雀”中程空空导弹以外,窄小的机头锥注定了雷达功能受限,无法制导中程空空导弹。这个问题一直到装备了主动雷达制导的AIM120后才得到解决。

3、空优和对地攻击能力比较均衡,具备完善的电子系统,通过软件升级可以达到全新的功能。事实上,美国海军对F-18C/D后期型号的电子系统十分满意,在推出F-18E/F的时候,只要求在机体和发动机上作改动,而雷达、火控系统大体照搬C/D,这是新飞机开发史上绝无仅有的。F-18E/F是到中期型号以后才换装主动电扫雷达的。

4、具有机内自卫电子战系统,可以不需要伴随的电子战支援飞机,自己为自己提供电子战支援。F-16可以挂载电子战吊舱,但那样要占用一个挂架。

5、瞬时机动性好,这是对F-18的数字电传作最优化的结果。根据Boyd的理论,在空战格斗中,绝对的持续机动性并不重要,重要的是迅速改变飞机飞行状态的能力。空战演习的结果表明,F-18的瞬时机动性对抢占有利阵位、先敌开火很重要。

6、低空过失速性能好,这是航母降落必须的,但也给稳定可控的非常规机动提供了必要条件。在F-22之前,F-18是唯一具有接近苏-27和米格-29的机动性的美国战斗机,在很长一段时间内,美国就是用F-18在空战研究和演习中模拟苏-27和米格-29的。


在F-16与F-18的竞争中,F-18有好几次受到外国军方的青睐,但最后因为价格或政治的原因,而被F-16取得了订单,以色列、日本和韩国都是这样的情况。Lavi计划中止后,以色列空军需要再买一批战斗机。从性能上讲,以色列空军中意F-18,但以色列已经有了F-15和F-16,此时再改换门庭换F-18,在后勤上讲不过去,最后还是买了F-16。韩国在90年代也选中F-18,但后来因为价格的关系,还扯进了贿赂的事情,计划被取消了。重开计划时,F-16入选。日本在研究F-X计划的初期,也考虑过以大黄蜂2000为基础,最后因为种种原因,还是以F-16 Block 40为开发的原型。看来,如果不是价钱的关系,F-18应该在外销中有不错的机会的。但是这个话怎么说呢?如果不是价钱的关系,没有人会买大众,人人都奔宝马去了。

然而,从一开始,F-18就有两个要命的毛病:一是航程不足,和F-16相比,F-18的航程是短得多了,甚至没有满足设计要求,这对航母从海到陆的远程攻击带来很大的问题。第二个问题是着陆重量的限制,这是使起落架不至于过重的结果,但这样一来,出击中携带的弹药必须在着陆前抛掉,燃油也要泄放掉一些,以减轻着陆重量。这个做法在过去一直是常规,“铁炸弹”没有几个钱,无所谓。但对于大量使用昂贵的导弹和制导炸弹的今天,再这样做连美国也吃不消了。

麦道在80年代F-18服役后不久,就建议采用加大机翼、尾翼、加长机身的大黄蜂2000方案,可以多载燃油,增加航程;可以加强机体,增加着陆重量。那时F-18A/B刚服役,美国海军不想费那个事。麦道向英国皇家空军和德国空军推销,作为“欧洲战斗机”的替代,也无果而终。向法国建议联合研制也吃了闭门羹。

要是没有NATF(上)和A-12(下)的相继下马,本来是没有F-18E的事的

但现在F-18E不仅是舰队防空的主力,还要与F-35C搭档几十年


但是第一次海湾战争结束后,美国开始大规模缩减军事规模,很多冷战期间的项目被砍掉。首当其冲的是严重超支、超重的A-12攻击机。这是一架人称“小B-2”的高度隐身的无尾飞翼,原本是用来取代A-6攻击机的。取消了A-12,A-6的后继型号就没了着落。在1991年,美国海军先后提出A-6F、F-14的多用途型等计划,都被否决,最后A-6的后继型和海军的先进技术战斗机(Naval Advanced Technology Fighter,NATF)合并,这就是海军的F-22。但是到1991年底时,NATF计划也被否决了。在此期间,大黄蜂2000被作为NATF出现之前的临时过渡,定名为F-18E/F。在NATF被取消后,临时工就变固定工,F-18E/F在无意之间,摇身一变,成为美国海军未来30年里的舰队防空主力,更新的F-35C都没有取代F-18E/F的位置。

美国海军的计划是保留F-18C/D的电子设备,但在机体和发动机上作大改,以提高航程和着陆重量。由于基本气动布局没有大变,通用电气的新发动机F414也是在成熟的F404基础上发展来的,机体和发动机的风险不大。由于保留了F-18C/D上90%的主要电子设备,在以后的升级中逐步实现新的功能,如全电扫相控阵雷达,这样一来,现代战斗机研制中投资和风险最大的部分突然没有了风险。所以海军将F-18E/F计划列为“低风险”。事实上,F-18E的研制完全按时间、按预算,和F-22、RAH-66、F-35比起来,确实是波澜不惊,按部就班,堪称楷模。海军是在1992年5月12日启动F-18E/F计划的,1995年11月29就首飞了。最初准备取代全部的F-18A/B/C/D,后来计划缩减,将和F-18C/D混编,直到F-35替代F-18C/D。


F-18E(上)和F-18C(下)貌合神离,实际上是两架不同的战斗机,只是相像而已


F-18E/F说是F-18C/D的放大型,其实是貌合神离,和YF-17进化到F-18一样,基本就是重新设计的。F-18E/F在气动设计上有一些新意。一个是进气道内的雷达屏障(Radar Blocker),其实就是涂覆吸波材料的整流片,使入射雷达波不能长驱直入到涡轮盘形成强反射,有效地抑制了正面的雷达截面积。这些整流片虽然产生一定的阻力,但同时“理顺”了气流,延缓了大迎角下发动机失速的产生。


F-18E/F的另一个气动设计上的新颖之处,是机翼折叠处(为舰上节约占地)采用多孔部件,把机翼下表面的高压气流引入上表面,形成“虚拟翼刀”。既避免了翼刀的阻力,又解决了轰动一时的“Wing Drop”问题。F-18E/F的大边条重新设计,比C/D的更大、更丰满,也取消了用于泄放附面层的出气口。矩形进气口和机身、机翼之间有一定的空隙,可以泄放边界层,不再需要在大边条的上表面开口。由于大边条是重新设计的,大边条形成的漩涡在双垂尾前方破裂的问题得到了根本解决,大边条上的小扰流片也取消了。

F-18E的大边条更饱满。也取消了翼根的开口和扰流片

机翼折叠处的多孔结构隐约可见


F-18A/B的过载设计为+7.5/-2.5g,这不是F-18的结构局限,而是海军的要求使然。但海军对空军拿那个+9/-3g在面前晃来晃去终于看够了,一怒之下,把C/D的过载要求提高到+9/-3g。但是在E/F上,又回到+7.5/-2.5g,原因是现代空空导弹使特别高的机动性失去意义,降低过载要求并不降低战斗效能,还能减轻重量和简化结构。同样道理,F-18E/F上也不打算用推力转向。

F-18E/F还是“适度隐身”的典范,把生存力和战斗效能的赌注放在电子系统上。这有点像海军舰艇的发展趋势,不再片面追求速度和转弯性能,而是强调武器平台的综合能力。可以看到,海军对未来战斗机的设想和空军的很不一样,或许别的国家在研制新型战斗机的时候,不要光看着美国空军的思路,对美国海军的思路也应该研究一下。

F-16XL的载弹量和航程比F-15E还大,但最终还是落选了

但要是找得到外国用户(如印度),F-16V或许能获得第二春


F-16本来也有一个“第二春”的机会。1980年,通用动力和NASA在“超音速巡航和机动研究”(Supersonic Cruise and Maneuverability Program,SCAMP)项目上合作,研究超音速飞机用的低阻机翼,为超音速客机作预研。1981年,美国空军宣布“增强战术战斗机计划”(Enhanced Tactical Fighter,ETF),寻找一个替代F-111的飞机。通用动力用F-16XL竟标,麦道用F-15E竟标,最后F-15E获胜。

F-16XL的机翼是箭形三角翼(cranked delta),翼面积比常规F-16要增加120%,取消了平尾和腹鳍,机身也加长了1.4米。F-16XL的静稳定性比常规的F-16要好,所以取消腹鳍对稳定性和操控没有太大的影响。F-16XL的超音速升阻比提高了25%,亚音速升阻比也提高11%,大大减小了巡航阻力,改善了低空高速飞行时的平稳性和抗阵风性能。这不是偶然的,无尾三角翼飞机大多具有良好的低空平稳性和抗阵风性能。

增大的机翼和加长的机身使燃油容量增加了82%,和常规F-16相比,F-16XL可以在载弹增加一倍的情况下,同时增加航程40%。和F-15E相比,F-16XL的成本较低,载弹更多,航程更远,可以作超音速巡航。但F-16XL也不是没有问题的,其翼下挂架的空间很拥挤,真正要按容许的重量挂载武器,实际上不可能,要同时挂载副油箱时,挂载武器更受限制。空军对无尾三角翼布局的飞机不信任,对单发战斗机担任远程攻击任务不放心,在政治上也想保持F-15的生产线,所以F-16XL的落选就不奇怪了。

美国空军在2005年就接收了2231架F-16中的最后一架,现有约900架C/D,预计将使用到2025年。后来的F-16都是为出口生产的。不过还在以F-16V的面目争取第二春。美国海军的F-18A/B/C/D则已经全部退出一线,只有蓝天使、预备役和海军陆战队还在用C/D。F-18E/F还在继续生产,预计要服役到2040年以后。从F-18F改型而来的EA-18G电子战飞机将继续使用更久。

F-16和F-18的故事是一个老故事,一个为人们所熟悉的故事,但或许其中还是有一些不为人们所注意但仍然重要的启示:

1、美国空军并不是“永远正确”的,在预测未来战场时,不时出差错。我们在“跟踪世界先进水平”的同时,既不能盲目否定,也不能照单全收,一定要头脑清醒,弄清楚为什么。当年谁要是跟踪最初的F-X,岂不冤枉?米格-23是所有米格中最肉的,就是跟踪F-111的结果。
2、即使在财大气粗的美国空军,一个优秀概念的实现,也要非凡的远见、毅力和时机,才能变为现实。如果不是尼克松时代因为财政拮据而实行的国防采购改革,F-16和F-18也许不会出现。
1、对外国战斗机进行针对性设计的时候,决不能只盯着纸面的几个孤立的技术参数,必须弄清楚其背后的设计思想,这样才能理解其真实性能。别人倒不一定是故意要糊弄你,但要“概括性”地描述飞机的性能,只能用几个数据。要以此为针对性设计的依据,这就真是管中窥豹了。
2、一个先进的设计,决不能仅仅在技术参数的“更”上做文章,一定要有先进的理念。F-15、F-16、F-18的设计理念是能量机动,F-22的设计理念是均衡的隐身和机动性。
3、理论结合实际永远不过时,Boyd的能量机动理论就是理论结合实际的最好的例子。我们需要自己的Boyd,既有作战经验,又有工程知识,只有这样,才能产生出真正有效的新理念。
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