1.3 重要发展里程碑
进入喷气时代之后,不仅动力系统发生改变,其他系统的加入也在逐步完善战斗机功能、战术以及性能,比较重要的有以下几个。
1.3.1 雷达
雷达最初应用于夜间拦截任务,而通过在二战时期的使用延伸了两种发展路线。首先应用小型雷达测距仪追踪目标的距离,促使飞行员在最佳时机射击,提高普通飞行员的命中率。此种发展很快和第二种结合,不断改进二战拦截用空载雷达系统,具备更多功能、使用限制更少、操作更加简单。从20世纪70年代开始,为了腾出空间安装更大的雷达,早期喷气战斗机的常见机鼻进气口被转移到机身其他的部位。
俄罗斯展出的一款平板天线空用雷达
二战时期,雷达通常需要专门的操作人员安装在战斗机上;二战末期,美国海军开始在F6F和F4U战斗机上安装飞行员可操作的雷达,这是单座战斗机首次配备雷达。随着有关电子技术的发展,雷达的功能更加多样化,包括协助炮瞄准敌机、搜索与追踪视野以外的目标、制导导弹以及侦测地面目标,并与自动飞行系统合作回避等。雷达越来越多的功能也增加了其操作复杂程度,比如美国F-4战斗机需后座雷达官在显示幕上分析判断目标资讯。雷达系统加入电脑后,便能处理、简化接收到的信号并对其分类,显示出简单的符号和数字,比如F-15战斗机的AN/APG-63雷达,使得雷达提供的资讯可被快速应用,更好地掌握状态意识(Situation Awarness,SA),同时应用多普勒效应的滤波技术,天线灵敏度更高,也使用了中与低脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency,PRF)等,雷达得以解决了过去遇到地面噪声便瘫痪的问题,甚至在地面噪声中发现敌机位置。
2000年以后,空载雷达主要使用了主动原件的电子扫描阵列雷达和低被截收率(Low Probability of Intercept,LPI)技术等。前者应用固定雷达天线,而天线上有很多讯号发射与接收的小单元,这些累积讯号改变了相位,以比传统机械雷达快百倍以上的频率扫描前方空域,还能同时追踪多目标,或者是快速切换波形、频率、PPF以及模式。后者结合低可侦测性技术,提高了发现雷达使用讯号的难度。
F4U“海盗”式战斗机
1.3.2 导弹
日本AAM-4导弹
在战斗机上携带导弹的构想是从二战末期开始的,德国首先实施空对空导弹试验,美国则验证空对地导弹。战斗机使用导弹主要是对付高飞的轰炸机,特别是携带原子弹的战略轰炸机。此种轰炸机威胁很大,几架轰炸机就能重创一个大型城市,可是二战时期则需要数千架轰炸机和大量传统炸弹才能达到相同破坏效果。为了应对这种毁灭威力很高的新武器,携带原子弹头的空射火箭曾作应急之用。
“金牛座”导弹,德国空军所用
到了20世纪50年代中期,最早的雷达与红外线制导空对空导弹开始进入量产。从理论上来说,使用导弹可以更大程度地摧毁敌机,特别是雷达制导的导弹应用于夜间和视野较差的环境,促使飞行员以少量运动就能进入目标的后半部,并提高命中率。所以很多国家主张以导弹全面取代机枪、机炮,甚至战斗机。例如,美国的F-4、英国的“闪电”以及苏联的米格-21都曾只以导弹作为空战武装。
美国在越南战争时期通过空战认识到当时的导弹可靠度不高,舍弃机炮过于草率,也认识到导弹在实战中的重要性,并将成为一种发展趋势。
美军F-14正发射AIM-54“凤凰”导弹
1.3.3 加力燃烧室
加力燃烧室相当于装在喷气发动机后面的第二燃烧室,在紧急状况下用大量的燃料提供强大推力。此种紧急动力概念在二战时期已经广泛应用于活塞发动机,类似于德国使用的GM-1注入装置(也就是笑气N2O)与美国在汽缸投注水冷却等。苏联与美国在刚进入喷气时代时都曾经实施过在涡轮段前方再次注入燃料点火的试验,可是此种方法大大提高了对涡轮叶片的耗损,类似的想法还有在压缩段前面喷水、降低压缩气体温度、增大燃烧前后温度变化等,以此获得更大推力。加力燃烧室发展成熟后成为了战斗机的必备装置。加力燃烧室在战斗、起飞或加快爬升的时候都会被使用到。即使像F-22或者是“台风”战斗机这样的机种可不使用加力燃烧室维持超音速巡航,但仍可使用加力燃烧室紧急补充能量。
苏-33的加力燃烧室
1.3.4 电传操纵
电传操纵系统的概念来自于早期的线导系统。线导系统是将飞行员的控制命令通过电线与电子装置转换成对控制面的驱动讯号与力量,抛弃传统通过钢缆或液压传导的方式,最早实际运用简单线导系统的是二战时期德国结合单发动机战斗机(Fw190或Bf109)与一架轰炸机(譬如Ju一88)构成的“楔寄生”(Mistel)制导炸弹。美国在二战之后最早试验与运用线导系统,最初研究是为了提高飞机飞行的安全性,避免因由于钢缆或者滑轮等装置失效引起的失控,还可提高大型飞机相隔距离很远的控制面的反应与效率,还能降低重量和这些装备的使用空间。
F-16是第一款先天不平衡设计的电传操纵战机
当前的电传操纵不仅仅单纯地以电路传导飞控命令为基础开发,更重要的是能够由多部电脑介入飞控操作系统,飞行员只要下达动作指令,电脑就会掌握达成指令所需的机身、动力系统与气动面调整。传统飞机设计空气动力时必须考虑稳定的问题,促使飞行员能控制稳定的飞行状态,可是电传操纵的发展促使先天不稳的机体构型会飞上天成为可能。所以电传操纵对战斗机影响最大的是将传统的静稳定转变为静不稳定设计,提升整体的可用升力以及飞机的运动能力,并在电脑配合下监视飞行状态,避免飞机失控,或让飞机在接近失控状态时仍然能够保持稳定飞行。另外,电传操纵还能将不同控制面的使用型态整合到一起,打破过去钢缆机械式限制,做出以前想象不到的动作,例如飞机以朝上或者朝下姿态保持飞行高度不变。以电脑软件控制飞机的更新控制系统也比过去的硬件更加简捷。
美国的F-16是第一架采用电传操纵的战斗机,它应用的是四重电传飞控系统。现在电传操纵已经是第四代后期战斗机的标配,通常是三重电传操纵系统。随着人们追求更高的运动能力,电传操纵成为必备系统,并与动力系统结合,整合使用两个分离系统的控制。
FW 190
1.3.5 低可侦测性
B-2轰炸机
低可侦测性也被称作隐身,此种技术主要用于降低飞机被侦测到的概率和距离,同时尽量避免被持续追踪。雷达从二战初期开始应用到对空警戒之后,有关研究不断发展,促使降低侦测的手段包括电磁波、红外线、声波与可见光等。
二战时期人们发现,飞机的主要结构如果是非金属类材料,其被雷达发现的距离就越短;应用翼身融合,即飞翼设计的飞机也能达到类似的效果。20世纪50年代的研究显示一些涂料能有效吸收特定波长的电磁波,这种雷达吸波收材料(RAM)曾应用在U-2、SR-71以及越南战争期间担任侦察任务的无人机上,可并没有取得预期效果,也获得较差的成本效益,甚至会引起飞机过热,失去控制的问题。
美国在发现苏联的一篇有关电磁波研究的公开论文后,通过改良和电脑运算,首次尝试以外形设计降低电磁讯号反射强度。
其他降低侦测的手段有:添加特殊成分于燃料中、降低排气温度、改变发动机喷管的形状、改变其与周围冷空气的混合效率、涂抹特殊颜色的涂料于飞机机身、降低目视的发现距离、融入周遭环境、降低反光、外形线条的改变等。夜间执行任务时可利用天然条件阻碍侦测。
F-117是第一种针对降低可侦测性设计的作战飞机