F-16 "战隼" 发展史 Part 1
说明:原文作为>的部分刊载于2004年第11期>杂志,作者:韩亚梓.战隼之翼[ffwing.com]手工录入,整理充实文中注释并重新配图.原文版权归作者和杂志社所有,欲在网络上转载此文,请保留以上信息.
F-16"战隼"的大名在军事迷当中可谓无人不知,无人不晓.作为美国4种第三代战斗机中的一员,F-16不仅以其优良的机动性和多任务能力著称,还以 4000多架的产量而成为数量最多的一种第三代战斗机.它不但广泛服役于美军,而且大量装备其他国家.不过,F-16虽然鼎鼎大名,它背后的发展史却不是每个人都了解的.同"出身正统"的F-15不同,F-16缘起于几位被称为"战机黑手党"的军人和工程师的思想火花,在高低搭配的思想下因缘际会,终于由试验机种变成了堂堂正正的主力飞机.不过最初为空战格斗设计的F-16最终在美国空军的手上变成了专司对地攻击的战斗轰炸机,这与"战机黑手党"们的梦想相违.在美国第四代战斗机已经开始少量服役的今天,回顾一下F-16的发展史也是颇有参考意义的.
"战机黑手党"
从头说起,有4个人和F-16的诞生有着直接的关系.他们是空军少校约翰·伯伊德(John Boyd),武器系统分析家皮埃尔·斯普雷(Pierre Sprey),空军上校埃菲雷斯特·瑞奇奥尼(Everest Riccioni)和通用动力公司(GD,General Dynamics)的飞机设计师哈里·希尔雷克(Harry Hillaker).他们以远大的眼光和不懈的努力为F-16作出了各自独到的贡献.其中伯伊德,斯普雷和希尔雷克后来被称为"战机黑手党"的核心人物. 可以说,没有"战机黑手党"就没有F-16的出现.伯伊德少校是这群"战机黑手党"中的灵魂人物.伯伊德参加过朝鲜战争,当过空军战斗机武器学校 (USAF Fighter Weapons School,位于内华达州内利斯空军基地,相当与前海军战斗机武器学校TOPGUN)的教官,提出并完善了能量机动理论,又为F-X计划(即F-15计划)制定关键的技术规格.简言之,伯伊德是个传奇人物.他的能量机动理论在航空历史上首次以定量的方式研究空战战术和动作,进而制定出对理想战斗机的性能要求.
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美国空军少校约翰·伯伊德,"战机黑手党"的发起人,这张他在F86座舱里拍摄的照片流传很广.
"战机黑手党"定期在美国首都华盛顿特区附近举行秘密聚会以交流各自对空战和飞机设计的看法和体会.为了避开他人的注意,聚会往往是在周末找一些廉价的汽车旅馆之类地方举行.气氛热烈的聚会常常变成彻夜长谈.通宵长谈后各人又如常上班,住在达拉斯的希尔雷克还要赶早班飞机回去.即便如此"黑手党"们热情不减,哪怕要自己掏腰包支付差旅费也不在话下.就在这些聚会中,一代高性能轻型战斗机的构思逐渐形成.此主题相关图片如下：
F-16之父,飞机设计师哈里·希尔雷克.
重型超音速战斗机的罪恶
虽然伯伊德为F-15计划作出重要贡献,但他对F-15并不满意.他认为美国空军自二战后不断"贪大求全",造出的飞机越来越重,机载设备越来越复杂,价钱也跟着水涨船高,但基本的飞行性能却差强人意.从能量机动理论的分析来看,美国空军自以为性能优良的二代飞机的飞行性能实际上比同档次的苏联飞机要差. 更有甚者,像F-111这种原打算作为多用途的飞机在耗费无数资金和时间后却变成了一种硕大笨重的战斗轰炸机.此主题相关图片如下：
F-111"土豚"战斗轰炸机.
作为美国空军"看家宝"的F-X计划造出了当时世界上最好的空优战斗机F-15,当价格十分高昂."战机黑手党"认为F-15的设计思想是有问题的.一架满足美国空军空优要求的飞机至少要具备高推重比,低翼载和大航程三大指标.不幸的是,这三项指标之间有内在矛盾.例如,一昧追求推重比而采用高推力发动机, 则飞机燃料消耗率也升高,而为保证航程只好增加燃料容积,于是飞机重量跟着上涨.一昧追求低翼载而增加机翼面积,则飞机零升阻力和重量都有增加.这样一来势必成为"水多加面,面多加水"的局面,飞机重量,体积和成本节节上升.F-15正是这种设计思想下的尴尬产物.
"战机黑手党"则把优异的飞行性能等同于优异的战斗性能,认为在最常见的空战速度,高度条件下追求超音速性能只是徒增成本而已.根据希尔雷克的调查,美国空军B-58轰炸机中累计超音速飞行时间最长的不过7个飞行小时而已.整个B-58机队有超过100架飞机,总计超音速飞行时间不过200小时,平均不到 2小时,超音速飞行时间只占全部飞行小时的5%.B-58是专为高超音速突防设计的核轰炸机.它的超音速飞行记录尚且如此,那空优战斗机有什么必要为多余的超音速性能付出惨重代价呢?此主题相关图片如下：
B-58"盗贼"超音速轰炸机.
"一种又小又轻的高机动战斗机"
"战机黑手党"决心独辟蹊径.他们通过能量机动理论仔细权衡了飞机性能的要求,再以精细化的设计达成性能.例如,为提高推重比不是简单地增加推力,而是减轻重量.重量减轻以后用较小的机翼面积也能获得足够低的翼载.机翼面积变小,零升阻力也跟着下降,同样的燃料容积可以飞得更远.马赫数2.5的高速性能要求毫无意义,可以砍掉.各类硕大笨重的机载设备只要与飞行无关,也尽可能地砍掉.
减轻飞机重量还有另一个好处,就是飞机成本也随之下降.根据伯伊德和斯普雷的研究,美国空军的飞机成本自二次大战后就开始翻番地上涨.每一次新的技术革新都带来了更好的飞机,但每一代飞机都比上一代要贵上1到2 两倍!以单位重量计算的成本以同样的速率上涨,可见在技术水平相当的前提下,飞机越轻就越便宜.
"战机黑手党"设计的飞机起飞重量在 11.5吨以下,是一种跨音速范围内具备高机动性的飞机.别看这架战斗机又轻又小,却具备高机动性.它的主要武器是机炮和近程格斗导弹.因为没有复杂的航电,所以它主要被用于执行昼间空战任务.由于这种飞机比较便宜,空军将可以大量装备,从而形成相当的兵力规模.伯伊德和斯普雷把这种飞机概念称为F- XX,即F-X(F-15)的平方."战机黑手党"期望F-XX飞机能以较低的成本取得和F-15相当或者更好的飞行性能.
敌意的空军
当时美国空军高层认为,任何对F-15构成威胁的飞机计划都是敌人."战机黑手党"的F-XX概念无例外地遭到了空军高层的排斥和敌视.空军的心态决非偶然.多年的飞机发展经验使得大多数空军高层军官对F-15持有一种近乎偏执的保护心理.美国空军是在杜黑制空权理论指导下发展起来的,其独立军种的地位来源于空军可以独立打赢战争的信念.核时代下的空军必须拥有自己强大的核打击力量以维持军种地位,因此战略和战术核轰炸在美国空军中长期占有主要地位也不足为奇了.在20世纪五六十年代,几乎所有的空军新飞机都必须为美国的核轰炸和阻止苏联的核轰炸这个大前提服务.在核战的阴影和历年国会政要的经济省钱原则下,美国空军在很长一段时间内没有一种完全为争夺空优设计的战斗机.追求高速度和多任务能力成了飞机设计的主要目标.然而,越南战争的教训清楚地表明为核战争设计的高速飞机不能很好适应常规战争,理论上可以节省开支的多用途飞机实际上是"样样通样样松".70年代初,苏联发展出高空高速的米格-25飞机. 西方国家对米格-25的性能作了过高的估计,认为有必要为对抗米格-25发展一种专为争夺空优设计的飞机,因此F-15的存在是绝对必要的.再者F-15 确实性能优异.作为美国空军装备中"皇冠上的珍宝",F-15受到空军的珍视自然是理所当然的.
另一方面,美国空军的官僚体系也确实僵硬,保守.以往的飞机发展经验都表明,新飞机只会越来越大,越来越重,成本也是直线上升."战机黑手党"轻型廉价的飞机概念又是基于大多数军官不理解的能量机动理论,自然遭到了经验主义者们的本能排斥.再加上F-104这样单项性能突出但不实用的飞机为前车之鉴,使得能够以开放的心态认真研究全新概念的人寥寥无几.因此"战机黑手党"的行事方式颇遭人非议.在许多空军官僚看来,F-XX想法如果姑且不论,"战机黑手党 "一小撮人抛开官僚体系自行其是的做法就不能容忍.此主题相关图片如下：
F-104"星战士"战斗机.
瞒天过海
"战机黑手党"的轻型战斗机概念虽然遭到空军高层的压制,但还是得到一些有识之士的赞同.伯伊德的前任上司瑞奇奥尼上校就完全支持这种轻型战斗机的想法. 为了把设想变为现实,他哄骗上司说海军正在搞一种轻型战斗机作为F-14的备选方案.一旦空军的F-X计划失败,美国国会可能会强行把海军的轻型飞机塞给空军.对于空军来说,这种事情是不可接受的.在越战之前,空军已经被迫接受了为海军发展的F-4"鬼怪"战斗机,在越战中又因为经济原因被迫接受A-7" 海盗"战斗轰炸机作为攻击机.在政治压力下两军联合搞的F-111计划又因为海军的诸多要求而一再增重增大,最后海军却因为飞机太大太重"撂挑子"而去, 让空军独自接下这架"四不像".多年军种竞争的夙怨使得美国空军的将军们绝对不会在容忍海军的任何东西,让海军的次等飞机破坏空军视若珍宝的F-X计划简直不可想象.瑞奇奥尼的上司觉得,用空军自己的轻型战斗机方案来搪塞国会也许是不错的主意.有了上司含糊其词的首肯,"战机黑手党"迅速投入行动.
1971 年2月,空军批准总计250万美元的经费给一项"能量机动性的权衡设计研究"计划(Study to Validate Expanded Energy-Maneuverability Through Trade-Off Analysis).这个看起来纯粹学术性的项目实际上是轻型战斗机的概念研究.这些经费中,100万美元给诺思罗普(Northrop Grumman),150万给通用动力.研究涵盖三种不同的飞机构型:一种用一台普拉特·惠特尼(PW,PRATT &WHITNEY)的F100发动机(F-15的动力),另外两种分别用一台和两台通用电气(GE,General Electric)的YJ101发动机.通用动力的研究成果为后来YF-16飞机的发展奠定了基础.
生逢其时
轻型战斗机的想法其实决非伯伊德几个人所独有.早在1965年,美国空军内就有人提出了先进昼间战斗机(ADF,Advanced Day Fighter)的构想.ADF的设想碰巧也是一架重11.5吨的飞机,其推重比和翼载可以保证对米格-21有25%的优势,而且价格便宜,美国空军可以大量采购.可惜由于米格-25的出现,空军高层找到了充足的理由去发展重型先进飞机,ADF的构想无人理睬.20世纪60年代美国为其盟国搞出了F-5战斗机.这种轻型飞机性能良好,价格低廉,维护简单,又具备很高的可靠性.它作为美国军事援助的装备广受欢迎,总共出口到20多个国家,有些服役至今.虽然 F-5为轻型战斗机概念提供了很好的样板,但美国空军仍然不为所动,仅象征性地在越南战场装备了一个中队.总之轻型飞机的设想在空军高层中几无市场.
F-5"自由战士"战斗机,由其绰号也可以看出它是主要供出口的军援战斗机.
越战之后美国国力衰退,但新型飞机却价格高昂.在国防经费有限的前提下,新机装备数量大幅减少.美国国防部的高层人士认为新机虽然性能有所提高,但总体战力恐因数量不足而下降.尽管空军和海军要求尽可能地多装备F-15和F-14,国防部却坚持"高低搭配"的原则:在大量装备价格相对便宜但性能优良的轻型飞机的同时,搭配性能更全面但价格昂贵的重型飞机.在"高低搭配"的思路指导下,国防部的高层文官都对F-XX计划深感兴趣.先进轻型飞机的研发成为必然.
1969 年尼克松政府上台以后,新任的国防部长戴维·皮卡德对空军采办计划的进度拖拉,费用严重超支深感不满.由于C-5、F-111等新机在招标初期仅仅依靠一些纸面上的数据来决定得标厂商,致使新机研发过程中问题层出不穷,费用一加再加.皮卡德要求采用"飞了再买"即原型机试飞竞争的办法来进行采办招标.他拿出2亿美元经费,要求海、空军在1971年前提出一系列采用新招标办法的新机研发计划.空军方面提出了5项计划,包括A-X计划(后来发展出A- 10)、"海弗蓝"计划(后来发展出F-117)、一项先进运输机计划和两项原型机试验项目.其中最重要的一项称为轻型战斗机计划(LWF,Light Weight Fighter).
LWF计划寻求一种用作技术示范的轻型战斗机.该机在整个性能包线内都具备高机动性和良好的操纵性.该机空重9.1吨左右,在跨音速范围(马赫数 0.8～1.6)内具备优良性能和高过载下的机动性.该机在海平面上最大马赫数为1.2,高空最大速度为M1.6.它将配备高速机炮和低成本空空导弹,还有用于对地攻击所需的外挂点.由于该机只是一架验证机,故只配备最必须的航空电子设备.该机成本低廉,仅300万美元一架.明眼人一看就知道,这架LWF 的要求和F-XX的构想如出一辙.实际上,LWF的规格要求正是基于瑞奇奥尼的轻型战斗机研究计划的成果.
轻型战斗机(LWF)计划
1972 年1月,美国空军向工业界发出了LWF计划的招标书.到2月份,9家收到招标书的公司有5家拿出了设计方案、风洞模型和详细风洞数据.经过初步检验后,美国空军发现沃特(Vought)和洛克希德(Lockheed Martin)两家公司的风洞数据不足采信.剩下的三家公司是波音(Boeing)、通用动力和诺思罗普.他们的方案编号分别是方案908-909、 401 和P-600.经过进一步研究,空军认为通用动力和诺思罗普的方案比较可取,波音的方案则因为与通用动力的方案雷同而遭淘汰.随后,空军向通用动力和诺思罗普分别提交了价值为3790万美元和3980万美元的合同,要求他们各试制两架原型机进行试飞对比.通用动力的方案编号YF-16,诺思罗普的方案编号 YF-17.此主题相关图片如下：
比翼齐飞的YF-16和YF-17原型机.
通用动力公司在这场竞争中拥有相当大的优势.由于希尔雷克和伯伊德过从甚密,自1964年以来通用动力的设计人员在希尔雷克的领导下按照伯伊德的轻型战斗机设想进行研究设计工作.当美国空军提出LWF的招标书时,通用动力早已准备充分,可以根据LWF的要求"量体裁衣"制造新机.以今天的标准来看,希尔雷克和伯伊德的私下交往可算得上是非法"官商勾结"了.不过希尔雷克并未因为"关系"而有所懈怠.经过研究后,他断定以F100发动机为基础的单发战斗机较为可取.这样的单发飞机可以以7.8吨的起飞重量达成性能和作战半径之间的最佳平衡.相比之下,配YJ101发动机的双发飞机需要9.7吨的起飞重量来达到同样的性能,而单台 YJ101发动机根本无力获得类似的性能.希尔雷克后来的总结中说,他的设计原则正如梅塞施密特所说的那样,"把尽可能小的机身裹在尽可能大的发动机上 ".此主题相关图片如下：
在跨音速风洞中测试的YF-16模型.
比起通用动力的"内部关系"来,诺思罗普公司就只能靠自己在T-38和F-5上建立起来的经验了.他们的LWF标书中提出了单发和双发两种构型.最终空军选中了他们的双发构型来发展YF-17原型机.
F-16 "战隼" 发展史 Part 2
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重任在肩
正当YF-16和YF-17展开激烈试飞竞争的时候,西方国家在新型战机采办方面作出了一系列重大决定.突然之间,轻型战斗机计划的胜者将不再是一种研究机,而是装备多国空军的主力战斗机.
第一项重大决定来自于美国空军.1973年的赎罪日战争清楚地向世人表明了一场高强度局部战争可以在很短时间内消耗掉交战双方大量的装备.对比北约和华约当时在中欧冷战前线部署的兵力而言,阿以双方的力量不过是九牛一毛而已.可以想见,一旦冷战变成热战,欧洲战场上的大战将会更加残酷,武器装备也会以惊人的速度消耗掉.美国空军的F-15和海军的F-14尽管较其苏制对手性能更为优越,但很难保证不会被蝗虫般蜂拥而至的敌人所淹没.更糟糕的是,仅仅占据空优也不足以抵挡前苏联以"作战机动群"(OMG)战术为代表的大纵深装甲突击.如果北约空军没有强大的对地攻击能力的话,红色洪流仍将席卷欧洲.美国空军认为需要一种较轻、较便宜的战斗机来填补数量空白,并配合F-15和A-10承担对空和对地的任务.有了这样的认识,再加上国会许诺将大幅增加空军兵力,空军终于同意接受一种轻型战斗机.1974年4月,国防部宣布将为空军批量装备轻型战斗机计划竞争的获胜者.
第二项重大决定来自美国的四个欧洲盟国.比利时、丹麦、荷兰和挪威四国于1974年5月联合向美国寻求一种新型战机来替代已经老化的F-104.这些欧洲国家预计订购384架新型飞机,同时寻求合作生产和技术转让.显然美国对其盟国的采购计划是欢迎的—大家可以分担轻型战斗机计划的研发和工装费用,从而降低装备成本.不过四国要求美国于1974年9月就确定竞争的胜者,而这时两架原型机还在紧张地试飞.经过一番磋商之后,美国空军于1975年元旦宣布轻型战斗机计划的胜者.这个决定明显对姗姗来迟的诺思罗普不利,但木已成舟,无法改变.
第三项决定来自美国海军.鉴于当时F-14发展计划困难重重和节省开支的考虑,美国国会拨出一笔经费给海军,要求它考虑采用轻型战斗机计划的成果.通用动力公司和沃特公司合作发展了一系列海军型YF-16设计,但海军以单发飞机不适合海上使用为由予以拒绝.海军也不愿意直接使用由空军发展的YF-17,而是决定在YF-17基础上发展一种舰载轻型战斗/攻击机.此后麦道和诺思罗普合作发展除了F/A-18,但诺思罗普并未从F/A-18飞机的生产上得到任何收益.不过F-16跟海军的渊源并未结束.20世纪80年代海军为其假想敌中队订购了一批F-16N.具有讽刺意味的是,这些海军用的F-16去掉了一切多余的重量,其机动性反而强过空军的任何F-16型号.此主题相关图片如下：
美国海军陆战队假想敌中队使用的F-16N战斗机.
试飞竞争
参加LWF竞争的两家公司都全力以赴.通用动力的YF-16原型机率先于1973年12月出厂.次年1月20日试飞员驾驶YF-16进行高速地面滑行试验.当滑行速度达到130节时,试飞员尝试着将机头拉起,然后左右摆动操纵杆,但由于飞机主起落架还在地面上,飞机没有跟着摆动.当试飞员尝试着将机头拉起更多时,飞机左翼突然压向地面.试飞员下意识地回杆试图纠正,结果飞机又马上向右侧压去.由于飞控系统设定的操纵响应过大,飞机进入快速的飞行员诱发振荡.飞机翼尖挂载的导弹和右侧平尾拍到地面上,一侧主起落架悬空,机头偏离跑道向一边滑去.试飞员当即加大动力让飞机升空,绕场一周后平安降落.这次意外实际上成了YF-16的非正式首飞.在修复了损坏的右侧平尾以后,YF-16于两周后进行了正式首飞.此主题相关图片如下：
第一架YF-16原型机(右),机头绘有美国与其四个欧洲盟国(比利时、丹麦、荷兰和挪威)的国旗.表示该计划由多国共同参与.
首架YF-17原型机于1974年3月出厂,比YF-16整整晚了三个半月.由于诺思罗普行动缓慢,YF-17直到当年6月才进行了首飞.这时YF-16已经飞行多时了.两架飞机的试飞竞争一直持续到1975年初.在此期间,YF-16执行了330次试飞任务,总计试飞417小时.它在试飞中达到了马赫数2的最高速度、9g的最大过载和20千米的最大升限.YF-17由于首飞时间较晚,只进行了268次试飞.此主题相关图片如下：
试飞中的YF-17原型机.
大量的试飞不仅验证了两架飞机的基本性能,而且与其它机种的模拟空战中积累了大量数据.试飞和模拟空战结果表明,除了F-15以外,YF-16和YF-17比任何现役飞机的飞行性能都要好,尤其是其机动性能和操纵品质都是第一流的.YF-16和YF-17在模拟空战中可以轻易战胜对手,无论对手是F-4、T-38、A-37、F-106,还是苏联的MIG-17和MIG-21.有个小故事可以说明YF-16对第二代战斗机的性能优势.在一次与F-4的模拟空战中,YF-16连续取得了三次"胜利":第一次空战,YF-16首先获胜,随后F-4燃料耗尽必须降落;另一架F-4起飞继续与YF-16空战,YF-16再次取得胜利,这架F-4也耗尽了燃料而降落;这时第三架F-4起飞,又与YF-16进行了模拟空战,等这架F-4降落以后,YF-16仍然有足够飞行320千米的燃料.
不过耐人寻味的是,两种原型机相互间从未进行过这样的模拟空战,也没有和当时最新锐的F-15进行模拟空战.美国空军是否担心模拟结果会证明轻型飞机的格斗性能胜过F-15?不得而知.
胜利属于YF-16
两架原型机单从外表就可以看出显著的区别.YF-16是一架单垂尾、机腹进气的单发飞机,看起来比较"中规中矩".相比之下YF-17就比较特别,其V字形双垂尾十分独特,大边条下的机侧进气道也很有个性,体积也比YF-16大.尽管YF-17在次要部件上采用了许多复合材料,但由于发动机配置的关系,在重量上还是比YF-16重了整整1吨.
虽然两架飞机的性能都很出类拔萃,但终究还是要在它们当中决出一个胜利者.美国空军认为YF-16"具备更好的转弯、加速、减速性能,更大的航程,更好的视野,更大的过载能力以及更好的敏捷性.因此比YF-17更适于空战任务."简言之,YF-16几乎在所有项目上都比YF-17更为优胜.空军估计YF-16的单机成本将比YF-17低25万美元.由于YF-16采用为F15研制的F100发动机,因此研发风险较小,开发和采购成本较低.1975年1月13日美国空军宣布YF-16为最后的胜者,同时要求通用动力公司制造8架全尺寸发展型(FSD,Full-scale Development)飞机作为批量生产的前导机.
凭心而论,YF-17确实受到了一些不公平待遇,最重要的问题就是试飞时间不足.受政治因素的影响,LWF计划的试飞截止日期被大大提前了.这对于较晚首飞的YF-17十分不利.如果时间充裕的话,诺思罗普本来是可以解决YF-17面临的一系列问题的.例如YF-17在马赫树0.8以上的性能比较差,原因是原型机使用的YJ101发动机功率被厂家限制在较低的水平上.诺思罗普直到试飞结束前一两个月才发现这个问题.又如,YF-17在高亚音速下的滚转率较差,原因是垂尾操纵面较小、操纵机构功率不足.本来只要换装较大的操纵面就可以解决问题,但换装需要两三周时间.在紧张试飞中,诺思罗普没有时间进行换装.再如,YF-17在超音速阻力测试中表现不佳,美国空军用了一个简单的办法来检测飞机的超音速阻力:将飞机加速到超音速然后突然收回油门,看飞机的速度如何变化.YF-16在收回油门以后速度慢慢降低,而YF-17的巨大减速惯性几乎让飞行员冲到仪表面板上!看起来YF-17的阻力确实比较大,但实际上主要的问题是发动机油门控制上.YF-16用的F100发动机在收回油门后会把推力慢慢减下来,而YF-17用的YJ101会让推力迅速消失.结果YF-16靠着多余的推力有了更好的表现.
不过即使抛开上述因素,YF-16的性能也确实比YF-17更好一些.事隔多年之后,诺思罗普的YF-17计划经理也承认了这一点.总的来看,通用动力公司的工作更加扎实.由于设计人员多年的精心准备和大胆采用一系列先进技术,加上YF-16原型机多了数月的试飞时间,其性能得到充分展现也是理所当然.
YF-16的设计特点
从外形上看YF-16是一架很平常的飞机:单发、单座、单垂尾.飞机采用大后掠角的切尖三角翼,只有过于突出的气泡式座舱盖和在机腹下的进气道有一些不同寻常.实际上,YF-16采用了许多先进的气动技术.其设计思想和座舱设计也都具有相当的独到之处.
电传操纵系统是YF-16最具有革命性意义的一项新技术.在那个年代,电传操纵系统还是全新的科技,只在少数实验机上试装过.尽管电传操纵有着潜在的优势,但美国空军为保险起见并没有在F-15上使用.为了充分发挥电传操纵的潜力,设计师放宽了YF-16的稳定性要求.F-16亚音速时是静不稳定构型,只是在超音速时由于气动力焦点后移才变成静稳定的.过去静不稳定的飞机几乎是无法安全操纵的,但电传操纵系统将计算机引入飞机的控制回路,使得飞机可以随时根据情况调整气动舵面,使飞机不致失去控制.放宽稳定性使YF-16的配平阻力较小,且在大迎角下可用升力较多,再加上机体提供的部分升力,YF-16的翼载较常规静稳定飞机更低,因此具备了更好的机动性和敏捷性.计算机还可以随时监视和校正飞机的飞行状态.飞行员可以随意地操纵而不必担心飞机会突然变得不可控制.此主题相关图片如下：
F-16这种光滑连续的翼身融合体设计是一种升力体结构.它提高了飞机在大迎角下的升力,降低了在跨音速范围内的的阻力.
YF-16的机翼到机体之间并没有清晰的界线,而是在厚度上有着逐渐变化的过渡.这种光滑连续的翼身融合体设计实际上是一种升力体结构.它提高了飞机在大迎角下的升力,降低了在跨音速范围内的的阻力.除此之外,翼身融合体还提供了更多的载油空间,并节省了约257千克的结构重量.YF-16在其机翼的前后缘均采用了自动襟翼,可以随飞行状态的不同自动调整.这些自动襟翼使飞机获得了最优的升阻比,同时还加强了飞机的方向稳定性,减小了抖震.YF-16的机翼在前缘翼根处向机头伸展,形成边条.边条提高了升力和方向稳定性,减小了配平阻力,并使失速推迟发生.边条的引入也减小了机翼面积,从而降低了225千克的重量.
希尔雷克曾经考虑过四种YF-16的机翼方案—平直翼、后掠翼、变后掠翼和三角翼.三角翼的翼载较小,激波阻力也比较小,但诱阻较大,陪平阻力明显.平直翼和变后掠翼也都被排除.最后选择了经过优化的中等后掠角切尖三角翼以期获得在跨音速范围内的加速、转弯性能以及在较高高度上的升力特性.通用动力的设计团队曾为YF-16考虑过双垂尾和单垂尾的构型,但双垂尾的开发风险较高,于是以单垂尾加平尾下的两小片腹鳍代替.YF-16采用了固定式机腹进气道.虽然在高速下它比可调式进气道的效率低,但是大大简化结构,减低了成本、复杂性和重量.YF-16的进气道在飞行包线的中间处(即最常见的空战条件下)性能最优.后来希尔雷克还特别将进气道在大迎角下的进气性能作了改进.此主题相关图片如下：
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F-16的座椅前所未有的向后倾斜了30度.
YF-16的座舱是为执行空战任务而设计的.无缝的座舱盖高高地突出在机头上方,形成独特的气泡形状.这种独特的气泡座舱虽然增加了一些阻力,但飞行员坐的位置很高,座舱盖又完全没有遮挡,所以视野极佳.这种全方位的视野对于近距离格斗来说是十分有利的.为了提高飞行员承受过载的能力,YF-16的座椅向后倾斜30度.这样大的座椅倾斜度是前所未有的.尽管牺牲了一部分座舱仪表的空间,大倾斜度座椅将飞行员抗过载能力提高了1.5到2g.此主题相关图片如下：
F-16A的驾驶舱.
传统上飞机的操纵杆是放在飞行员两腿中间的,但YF-16却率先采用了布置在右手下的操纵杆.这种操纵杆通过检测飞行员在杆上使用的力量大小来决定操纵的幅度,所以飞行员只需稍微扳动操纵杆即可控制飞机的动作.侧杆设计曾遭到过许多非议,例如以色列人就批评说一旦飞行员右手受伤就无法操纵飞机.不过到目前为止的实战倒没有出现这种情况.YF-16在操纵杆和油门杆上装了大量的操纵按钮,使飞行员双手不必离开就可以完成很多操作."双手不离杆"(HOTAS,Hand On Throttle And Stick)的设计能有效减低飞行员的操作强度.这一点深受用户欢迎.尽管YF-16的航电设备被尽量简化,但它配备了平视显示器(HUD,Head Up Display),使得飞行员不必低头看仪表也可以获得各种基本飞行参数.此主题相关图片如下：
F-16的操纵杆.此主题相关图片如下：
F-16的油门杆.
从YF-16到F-16
美国空军于1975年授权通用动力将YF-16原型机修改为作战型号的F-16.从外形上看,F-16除了机头变大以外,跟YF-16差别很小.但是同"战机黑手党"的梦想相违背的是,F-16的主要任务是对地攻击而不是对空作战.空军为F-16配备了新型多功能雷达,加强了机体结构以适应对地攻击任务.此主题相关图片如下：
F-16战斗机配备的具备下视能力下射能力的APG-66型多功能雷达.
YF-16设计时打算装备一台F-5E"虎"上的APG-159搜索雷达,因此机头雷达罩的尺寸比较小.F-16确定为主力战斗机以后,美国空军决定为其配备具有下视下射能力的新型多功能雷达.经过一番竞争后,韦斯汀豪斯(Westinghouse)公司战胜休斯公司获得了APG-66新型雷达的研发合同.新雷达的发展并非一帆风顺:探测距离不足原定设计指标的一半,雷达测绘的地图一团糟,飞机作剧烈机动时无法跟踪目标以及雷达质量不稳定等一系列问题困扰这美国空军.1979年10月空军的结论是APG-66的性能勉强合格,但有部分指标未达到原定要求,这时第一批的F-16已经服役将近一年了.尽管APG-66有些不足,但仍比F-15雷达减少一半的零件,而可靠性提高一倍.APG-66的引入使得F-16的机头直径增大了100毫米,机体重量增加499千克.此主题相关图片如下：
YF-16(上)和F-16A(下)的侧视图.可以看出,两者机头的尺寸有一定的区别.
F-16的机体结构强度较原型机增强了25%,使飞机可以承受9g的过载.飞机座舱盖玻璃厚度增加了一半,以满足防鸟撞的要求.设计人员另外增加了约180千克燃料和九个翼下外挂点.为补偿增加的重量,飞机机翼面积由32平方米增加到34平方米.
(伯伊德本来要求机翼面积增加到36平方米以使F-16拥有YF-16的机动性,但空军拒绝了他的提议)飞机垂尾面积也由4.8平方米增加到了5.6平方米.所有这些结构改动付出的代价是F-16增重将近1吨.原本的灵巧战斗机由此开始变得笨重臃肿.
对于"战机黑手党"们来说,飞机增重无疑是空军为了消灭F-15的潜在竞争对手而使出的手段.对于空军而言,YF-16上简单的机载设备根本不能满足作战需要.它已经有了F-15来执行空优任务,不需要在F-16上重复投资.另一方面,空军又确实需要一种飞机来执行对地攻击任务.F-15太重太贵,不适合大量装备.A-10只适合超低空的近距支援和反装甲任务.F-16的航程和载弹量都很出色.在试飞中又有过精确的轰炸投弹表现,只要加上合适的航电就可以执行包括近距离支援、空中遮断和纵深打击等一系列对地攻击任务.因此对空军来说,把F-16变成对地攻击机是合情合理的.
通用动力公司还解决了F-16上其他一些小问题,如发动机喘震、因发动机推力过大而使滑行速度过快等.总的来说,F-16的工程发展是比较顺利的.
F-16 "战隼" 发展史 Part 3
说明:原文作为>的部分刊载于2005年第01期>杂志,作者:韩亚梓.战隼之翼[ffwing.com]手工录入,整理充实文中注释、修正错误并重新配图.原文版权归作者和杂志社所有,欲在网络上转载此文,请保留以上信息.
驾驶"电飞机"
总的来说,飞F-16并不难,也没有太大的风险性.不过在F-16装备的早期,大批已经习惯了机械操纵系统的飞行员对电传操纵的F-16感到十分别扭.由于电传操纵系统的独有特性,F-16在飞行员中得了个"电飞机"的雅号.
飞行员驾驶机械操纵的飞机时,气动操纵面的位移和飞行员扳动操纵杆时的位移成正比.在不同速度下同样的操纵杆位移会造成不同的操纵效果.F-16的操纵杆是力感应式的,也就是说飞机检测的是飞行员施加在操纵杆上的力量而非造成的位移.计算机控制使得无论飞机的速度如何,同样的力量产生的过载或滚转率都是一样的,因此F-16飞行员不需要记住不同速度下的操纵特性,但对于已经习惯了操纵随速度而变化的换装飞行员来说就会感到有些不适应.
F-16的飞行控制系统有迎角,过载和滚转限制.计算机会根据飞机的当前状况自行判断飞行员的操纵力量是否合适.因此,飞惯了其他机种的飞行员有时会认为F-16人为限制了飞机性能,但实际上这些限制对保证安全飞行是十分必要的.F-16的操纵响应非常灵敏,只要飞行员稍微一动操纵杆,飞机立刻就有反应,而其他飞机的飞行员经常会下意识地轻微摆动操纵杆,以确认飞机仍可操纵.
由于F-16的座舱盖没有第二代战斗机上都有的风挡加强框,飞行员经常回失去速度感.二代飞机在飞行过程中会因为气流冲击加强框而产生一定的噪音,而且噪音强度是随飞机速度变化的.对于飞行员来说,噪音可以作为飞机速度的参考.F-16的座舱噪音很小,几乎到了很难听见的程度,飞行员不看仪表就难以掌握飞机的速度.
F-16的座椅向后倾斜达30度之多.尽管飞行员的背脊可以尽量贴着座椅,但头却必须保持直立状态.相对于座椅不那么后倾的飞机,F-16飞行员要保持这种"低头"的姿势,脖子就要费力一些了.
平视显示器会使得飞行员在飞行F-16时更为轻松容易.平显的聚焦是设定在无穷远处,飞行员在观察外面的世界时也能看清平显上的读数.平显在飞行员进行比较精密的操作时尤其有用,因为他无须把视线收回到座舱仪表上,调整眼睛的聚焦来看清数字.不过早期F-16配备的平显视场有限,飞行员有时需要稍微调整一下观察角度才能看到所有的信息.
随着F-16普遍替代二代机和配备电传操纵教练机的大量出现,新培养的F-16飞行员也不再有不适应的感觉.相反,他们觉得F-16飞行非常舒适,而对其他机种较传统的操纵方式则感到难以接受.
服役的"战隼"家族
1975年6月美国空军和欧洲四国(比利时、丹麦、荷兰、挪威)联合宣布将购买348架F-16A/B型作为新一代的战斗轰炸机,新机将在美国和欧洲的3条总装线上同时生产.1978年8月在美国得克萨斯州沃斯堡制造的第一架生产型F-16首飞.同年12月欧洲生产的首架F-16试飞成功.1979年1月首批F-16交付驻犹他州希尔空军基地的第388战术战斗机联队.随后欧洲4国和以色列也开始接收F-16.美国国防部为F-16起的官方绰号是"战隼"(Fighting falcon),但在美国飞行员和航空专家中习惯将其称为"毒蛇"(Viper).
为了面对华约国家的军备竞赛和冷战后第三世界国家国防力量的发展,F-16在20多年的服役期内得到了不断的升级改进.美国空军在发动机、航电、雷达等方面的积极改进使得F-16具备强大的对地攻击能力,但也付出了机动性步步下降、重量节节上升的代价.除去原型机、全尺寸发展机和部分试验机种,美国空军先后装备了F-16A/B/C/D等4种主要改型,其中又有批次1~52等十几个小型号.虽然由于近年专心发展F-22和F-35,美国空军没有在新的F-16改型上投注精力,但在国外客户的投资下还是出口了直追三代半水平的批次60飞机.
F-16A/B是最早出现的型号,A型是单座机,B型是双座机,都装备普惠公司的F100发动机和韦斯汀豪斯公司的APG-66系列雷达.根据生产批次的不同,A/B型往下又细分为批次1、批次5、批次10、批次15等小型号.各个生产批次虽然大同小异,但多少有一些改进.批次1是最早的一批订货,供应美国及其四个欧洲盟国.批次1飞机的最大特征是十分醒目的黑色雷达罩.批次5将黑色雷达罩换成灰色,供应了一批给以色列.批次10本身和前两批飞机的差别不大,而批次1和批次5都在1982~1984年间升级为批次10的配置.这几批飞机都采用F100-PW-200发动机.
批次15是最后一种A/B型号,采用了推力增大的F100-PW-220和220E型发动机.为提高大迎角下的操纵稳定性,批次15飞机的垂直尾翼有所加大,这是其区别于早期型号的最大外部特征.批次15还配有具备简易边扫边跟能力(TWS,Track While Scan)的改进型APG-66雷达.20世纪80年代后期有一部分批次15飞机被改进成专用的空防战斗机(ADF,Air Dominance Fighter)以填补北美大陆空防力量的不足.这些空防是美国自用的F-16当中唯一具有发射"麻雀"半主动拦射导弹能力的,为适应80年代后期视距外作战的趋势,美国升级了另外一部分批次15飞机的雷达、火控和计算能力,称为批次15战力升级型(OCU,Operational Capability Upgrade).为使盟国的F-16A/B获得近似后期C/D型号的能力,美国又推出了"中期寿命改进"(MLU,Medium Life Update)计划.这项计划在延长飞机寿命的同时,还给用户许多升级选项,包括改装APG-66(V2A)雷达、新的任务计算机、广角平视显示器、新的敌我识别器(IFF,Identification Friend or Foe)等.
值得一提的是,美国卖给台湾空军的F-16A/B被赋予批次20的编号.实际上批次20是按批次15OCU标准装备的全新批次15机体.批次20与批次15OCU最大区别是敌我识别器和自卫电子干扰吊舱等部分电子战装备和北约内部标准有所不同.
F-16C/D型是80年代中期以后出现的,C型为单座机,D型为双座机.同A/B型类似,C/D型也有相当多的批次小型号.C/D型从外形上看与A/B型差别不大,但在发动机和航电装置方面都有较大的改进,机体结构也有所加强.为改变普惠公司在美国战斗机发动机上的一家独大局面,美国空军制定了"通用发动机舱"标准.新的规格要求各厂家的发动机应有相似的性能和尺寸,这样一来同样的飞机可以配备不同厂家的发动机.从批次30/32起.F-16C/D型只需要安装一些配件就可以换用普惠公司的F100和通用电气的F110两种发动机.不过在实践当中往往同一部队的飞机都采用同样的发动机.C/D型配备了新的APG-66雷达.该雷达在探测距离、功能模式、反电子干扰等方面都比APG-66早期型号有所增强.C/D型采用了新的"玻璃座舱",除升级平视显示器以外,还增添了多功能下视显示器.经过这些改进,F-16C/D型获得了更好的视距外(BVR,Beyond Viusal Range)作战能力和夜间/精确打击能力,当然飞机也变得更加臃肿笨重,不复见当年的轻巧灵敏.
批次25是第一批C/D型,与1984年投产,原本配备普惠F100-PW-200发动机,后改进为F100-PW-200E型.批次30/32是是随后的一批C/D型,其中批次30配备通用电气F110发动机,而批次32配备普惠F100发动机.F110的推力稍大,要求的进气量较大,相应的进气道口也比较大.两个批号的飞机在其他方面则完全相同.批次30/32的进气道还特别涂敷了雷达吸波材料(RAM,Radar Absorbing Material)以削减雷达反射截面积(RCS,Radar Cross Section).部分批次30/32飞机于1987年春开始还具备发射AIM-120先进中程空空导弹(AMRAAM)的能力.
批次40/42的区分同批次30/32一致,即使批次40装通用电气发动机,批次42装普惠发动机.此后的批次50/52也是类似的区分方法.批次40/42是首批拥有完整夜间攻击能力的F-16.兰丁(LANTIRN)吊舱、GPS/INS导航系统和APG-68V(5)雷达使得这批F-16几乎可以在任何天侯出动,依靠地形起伏的掩护精确打击敌方地面目标.美国空军原打算赋予批次40/42夜攻型F-16以CG/DG的编号,但最后遭国会反对而作罢.
批次50/52也称为CJ/DJ型,是目前正在生产的F-16批号,也是美国空军自己装备的最后一批F-16.这批飞机配备的F-100PW-229和F110-GE-129发动机,都有129千牛的推力.批次50/52的航电设备有了进一步的改进,除了配备APG-68V(5)雷达外还有新的快速导航定位系统、雷达告警接收机 、敌我识别器等.新的数字电子技术也使这批F-16具有更强大的数据运算和交换能力.目前,美国空军的批次50/52飞机都具备发射联合直接攻击弹药(JDAM,Joint Direct Attack Munition)、AIM-120和联合防区外投射武器(JSOW,Joint Standoff Weapon)等最新武器的能力.此外,大部分双座型的50D/52D具有发射高速反辐射导弹(HARM)的能力,可执行"野鼬鼠"任务.
批次60是目前最新的F-16型号,由阿联酋投资发展订货,因此被赋予F-16U的编号.批次60的最大外部特征是脊背上两个巨大的保型油箱,使飞机作战半径大大增加.虽然美国空军并不装备这批飞机,但批次60上仍装备了相当数量的先进设备,如最新的F110-GE-132发动机、APG-80主动相控阵天线(AESA,Active Electronically Steered Array)雷达和先进的电子战设备.可以说,欧洲三代半战斗机的航电设备也不过如此.
总的来说,除去少数专用的空防型号外,F-16在美国空军手中基本上是"运泥巴的"(Mud mover,即对地攻击机).与敌机空战的任务多半是由F-15承担,F-16只是偶尔有一些战绩.在第一次海湾战争中,美国空军高官为了阻止不必要的空战,甚至警告F-16的飞行员:"谁打下一架敌机,我就把他送回国去!".
不过墙内开花墙外香,其他国家装备的F-16却创下了骄人的战绩,不负当年"战机黑手党"的期望.贝卡谷地之战,以色列国防军空军用F-16击落了大批的叙利亚飞机.事后苏联空军教官在MIG-23的飞行手册上明确警告其飞行员不得于F-16进行格斗,因为F-16在很多时候的转弯和加速性能都超出MIG-23,与其格斗是十分不明智的.北约空军的F-16在科索沃上空击落南联盟的MIG-29,也说明经过MLU升级的F-16比未经升级的苏联三代战机有着一定的优势.
虽然更先进的三代半、四代战斗机开始浮出水面,但配备了先进航电设备和发动机的F-16仍然可以满足未来很长一段时间内战场的需要.较为廉价的二手F-16更是蠢蠢欲动,意图占领轻型机更新换代市场.可以预料,在将来一二十年内F-16仍然会在许多国家的空军中占据重要地位.
夭折的实验机
有一小部分F-16实用型号由于政治原因未能得到用户的青睐,成为夭折的机种.其中最出名的两种是F-16/79和F-16XL.
1977年时任美国总统的卡特宣布美国将不再出口与本国装备性能相当的飞机.从此降低性能的F-16/79应运而生.这种飞机用J79涡喷发动机换下了标准的F100涡扇发动机.尽管J79发动机是F-4时代的优秀发动机.但这一时代早已结束.换装了J79发动机的F-16缺少推力,性能根本无法同标准型F-16相提并论.更有甚者.在F-16/79上还装了重量将近1吨的发动机防热护罩.如此巨大的重量代价恐怕不仅仅是为了防热,而有人为降低飞机性能的嫌疑.尽管这种F-16价钱便宜又符合出口标准,但由于性能差劲而根本无人问津.1980年卡特总统,推翻了自己以前作出的的决定,允许标准型F-16出口.F-16/79计划因此偃旗息鼓.通用动力公司自掏腰包研发、制造和试飞F-16/79,到头来却一无所获.
F-16XL是通用动力公司于20世纪80年代初参加美国空军一项先进战术战斗机竞争的产物,也是利用超音速客机的发展成果而研制的一种"超级F-16".这种飞机采用巨大的箭形机翼,机翼面积比标准F-16大了一倍有余.同时,机身也加长了1.42米.F-16XL的编号正是由英文"eXtra Large"(意为超大号)得来的.XL型的性能较标准型更为优秀.箭形机翼使飞机具备更好的高速和低空性能、更灵敏的俯仰和滚转能力.飞机在机动中可以维持30度迎角,这在当时的飞机中是很罕见的.XL型的外挂能力也十分惊人.它在机翼和机身下有17个挂架、29个外挂点,可以携带两倍于标准型F-16的弹药起飞,而起飞长度仅为标准型的2/3.拜其箭形机翼所赐,F-16XL即使在满载下仍然有比较小的阻力.可以说,F-16XL是一架十分理想的对地攻击机,而且比它的竞争对手F-15E更出色、更便宜.令人遗憾的是,美国空军为了维持F-15的生产线,宁可选择较差的F-15E.F-16XL与胜利失之交臂,最后为美国航空航天局(NASA,National Aeronautics and Space Administration)承担试验任务.虽然在向阿联酋推销时箭形方案旧事重提,但最后并未成为现实.
由于F-16有着优良的性能和电传操纵系统,少数F-16被改造为新技术的试验平台.有的新技术纯粹是基础研究,有的则后来在服役型号的飞机上得到了应用.
随控布局飞机(CCV,Control Configured Vehicle)、先进战斗机技术集成(AFTI,Advanced Fighter Technology Integration)、空中变稳实验机/多轴矢量推力(VISTA/MATV)等试验机对一系列先进航空技术进行了研究.
CCV是用YF-16的第一架原型机改造的,只要变化是进气口下方增添了一对可以操纵的垂直小翼.CCV用于解耦飞行控制的研究.解耦费心技术使飞机刻任意改变某个轴向上的姿态而不会影响其他轴向.例如,CCV飞机可以在没有侧滑的情况下转弯.解耦飞行对于精密对地攻击尤其有用.它能使飞行员瞄准目标的难度大大降低.
AFTI则是CCV的继续,它也配备了一对垂直小翼—直接从CCV飞机上拆下来的.AFTI的试验项目较多,除了对地攻击的飞行控制研究以外,还试验了座舱语音控制和头盔瞄准具等新技术.不过受当时的软硬件条件限制,语音识别效果并不好,而且飞行员在大过载下也很难有力气发出语音命令.AFTI后期还进行了近地警告系统(GPWS,Ground Proximity Warning System )和撞地回避系统(GCAS,Ground Collision Avoidance System)的研究.这两项研究成果后来发展成自动化的防撞地系统,并在批量生产型F-16上得到了应用.
VISTA/MATV是在同一架飞机上进行不同的研究计划.两个计划有所交叉.VISTA是在飞机飞控系统中插入新的控制计算机,以不同的控制率来模拟其他飞机的飞行特性.印度就曾借用VISTA飞机验证了LCA的控制率.MATV计划是将飞机装上轴对称矢量喷管,以进行矢量推力的研究.经过MATV改装的F-16拥有一些独特的性能,可在机动中维持86度的迎角,甚至在短时间朝机尾方向飞行.
F-16/101是为试验F110发动机而改装的飞机.101是指F110的原形机编号F101X DFE.该机证明了F-16装备F110发动机是可行的.F-16C/D型号由此可以装备F100和F110两种型号发动机.
结语
F-16,这型由能量机动理论发展而来的轻型战斗机,以"战机黑手党"少数几个人的大胆设想和执著追求起源,又赶上了"高低搭配"思想和西方国家空军汰旧换新的机会,一举由无足轻重的试验机型变成了产量最高的第三代战斗机.F-16所采用的一系列新技术,今天不但成为第三代战斗机的事实标准,而且还在影响着新一代飞机的发展.尽管F-16在美国空军手上没有如"战机黑手党"所愿承担空战任务,但却以优秀的性能和在世界各地创下的出色战绩赢得了优秀战斗机的不朽声名.
博文
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