其实在W君看来军迷是最难被满足的,我们刚刚展出了歼-35,歼-20S,大家的话题就变成了我们什么时候装备六代机,
六代机这件事大家也喊了好多年了。
一个工作室的CG作品被说做是咱们的歼轰-26,冠以最大飞行速度马赫10、航程7000公里、最大起飞重量45吨,载弹量15吨。要是真有这个东西咱们要什么轰-20呢?别说这种不靠谱的歼轰-26了,其实在航展前W君就说根本不会有轰-20。很多军迷还是不信,到航展结束了,我们的轰-20是不是还没影子了呢?
道理很简单,一些人出于某种目的在宣传一些虚假不存在的装备,博流量也好吸眼球也罢,但是最基本的工程学和物理学原理咱们得遵守,否则拽一些看似时髦的军事术语或者技术术语,堆砌出一条条假新闻就不那么体面了。
今天咱们就集中聊聊,我们的六代机,我们现在究竟是摸到了六代机的哪一道门槛了呢?
要知道这个问题的答案,我们首先要知道什么是六代机,满足了哪些条件的战斗机可以称之为六代机。这个“六代机的标准”实际上是很多军事自媒体博主都难以回答的问题了,别看它们天天吹六代机,但是他们并不知道什么是真正的六代机。
其实也怨不得他们,甚至可以说目前世界上尚未有统一的六代机标准。
五代机的标准是4S,既隐身(Stealth)、超音速巡航(Supercruise)、超机动性(Supermaneuverability)、超感知(Situational Awareness),这个是美国的标准,到了俄罗斯又因地制宜的将超感知改成了超视距和超级信息化变成了5S标准。在咱们评价五代机的时候实际上用的是3S。不过这些事情都是属于“事后诸葛亮”。因为,世界上没有任何一架战斗机的研发计划是奔着满足“代次”的要求而设立项目目标的。
所以需要澄清的是,“战斗机代次”并不是一种自上而下的设计目标,而是后人在技术发展到一定阶段后,根据性能特点和时代需求总结出的标签。例如:
• 第一代战斗机(如米格-15、F-86)体现了喷气动力的初步应用;
• 第二代战斗机(如F-104、米格-21)则加入了超音速能力和早期的雷达;
• 第三代战斗机(如F-4、米格-23)强调多用途作战;
• 第四代战斗机(如F-15、苏-27)以高机动性、航电系统和多用途任务为主;
• 到了五代机(如F-22、歼-20),隐身和超感知能力成为技术的核心突破。
所以我们可以看到,每一代的标准并非一开始就被规划出来,而是随着技术积累与作战需求的变化逐渐总结形成。因此,未来六代机的标准也必然要等到相关技术成熟后才能成形。
几代机其实就是一个技术性的总结,很难有一个精准的预测。
现在普遍预测的六代机标准大致是“更好的隐身性能”、“更高的机动性”、“更快的速度”、“更高的战场感知能力”,其实就是4S+,这种技术标准本来就很模糊,并不具备真正的参考意义。与其说是一个“标准”不如认为它更像是一个理想的愿景,而非清晰的研发指引。
至于军迷们梦想的六代机标准,反而比现在各个大国发出的“愿景”更有参考性。虽然也是同样不靠谱,但是比那些“更好”“更快”“更好”要具体的多了。
总结了一下现在军迷眼中的六代机,大致要包括以下特性:极致的隐身能力、超高速与超机动性、智能化与无人化、强大的感知与网络能力、多功能与模块化、高能武器的全面应用、新一代的动力系统、极端环境生存能力……
咱们就一一展开来说说,我们摸到了这些特性的门槛了吗?
首先是极致的隐身能力。这里面军迷们的定义是“全频段隐身”和“主动隐身”。
在军迷们的概念里“全频段隐身”是指雷达、红外、声学、电磁信号完全隐蔽,彻底规避所有探测方式。就好像给战机穿上了隐身斗篷,不仅仅无视任何雷达波频段(L、S、C、UHF、X),甚至连红外信号和声学信号也要完全屏蔽掉。
战斗机除了气动外形之外,还需要用涂料进行涂布来完成雷达波的减反和吸收。涂料这个部分我国是有军用标准的。
这个标准从2011年8月开始实施,一直延续到现在。我军的声称能叫做隐身涂料的材料是必须经过这个标准的测试才可以应用的。
但是这个标准的测试范围所使用的电磁波频率是8-18GHz,这个频率实际上就是S波段的一部分、C、X波段和Ku波段雷达所发出雷达波的频率范围。至于大家常说的米波雷达(L)波段以及搜索雷达S波段都不指望着用隐身涂层的技术解决。并不是我们的军工标准躺平,而是在技术上很难依靠一层涂料来解决。涂层材料通常是通过半波移相的方式抵消掉一定频率范围内的电磁波的。
理想的情况下当入射波进入到隐身涂层表面的时候会被反射掉一部分,同时还有一部分能量进入涂层内部到达金属表面形成反射,但经过涂层反射出来的电磁波会偏转半个波长的相位,和隐身涂层表面的电磁波相位相差180度,因此就会在干涉的过程中相互抵消,达到“吸收”雷达波的目的。但是这种方式对波长有限制,太长和太短的雷达波都很难起作用。所以,我们的军标就把这种涂料设置为8-18GHz。
所以你看出来了吗?即便是军迷网友们想的再好,其实还是有基础的物理学限制。无线的全频段隐身是根本做不到的。
再说红外隐身。
有很多人觉得飞机的红外线特征来自于发动机喷管,毕竟在红外线图像中炽热的发动机喷管就是一个巨大的红外线发射源。因此,有很多的战斗机都会采取向发动机尾喷管导入冷空气的设计来削弱红外特征。
但要注意的是,飞机的发动机热源是一个要考虑的问题,但飞机的气动热也就是飞机外表面和空气摩擦所产生的热量其实也在红外线探测器的探测范围内。
在飞行员显示屏幕上的仅仅是IRST多种工作模式中的某一种,但是IRST往往会在能处理的范畴内并行的处理信号旋转的窗口。因此,无论是发动机热流还是机身的气动热都会在第一时间内被对方的红外传感器发现。——那为什么要减小战斗机的红外特征呢?这不是为了不容易被地方发现,而是越小的战斗机红外特征越难以被红外制导导弹锁定。
所以,红外隐身在飞机上是更难实现的,甚至是不可能实现的。这点是基础物理。
对于基于视觉的主动隐身技术,这里W君只能说这是科幻,以目前的方式是难以做到的。不仅我国没有神盾局,地球上都没有神盾局。
其次,是超高速与超机动性,这件事实际上是可以和发动机来放在一起讨论。毕竟航空发动机实质上推进了战斗机的代次发展,战斗机的设计者都会有很多想法要在战斗机上实现,但最朴实无华的道理叫做“力大飞砖”。只有发动机的推力水平上去了,战斗机才可以实现更高的速度和更高的机动性。
只不过,不仅仅是我们,世界各国都进入了一个战斗机用的小涵道比发动机的瓶颈期,或者是遇到了航空发动机发展的天花板。我们的发动机技术在最近10年来虽然进展迅速,但是依旧是和美国、英国、俄罗斯等传统的航空强国来比稍逊一筹。所以也就没有在发动机技术上真正领先于其他国家。
说例子,美国为F-22配置的F119发动机,已经达到了小涵道比发动机的巅峰,和前代F100发动机的对比是提高了核心机的体积和通量,这个提高有多大呢?
这是一个F100,大家注意核心机的大小,F100发动机本着经济实用的路子旁通比给做到了0.36:1,在巡航飞行的时候油量消耗极小。在军用推力的时候可以保持燃油消耗量为19.15g/(kN·s)。后期改进型号的燃油消耗量只有18.65g/(kN·s)
到了F110发动机,为了维持40寸的直径,又要获得更高的巡航速度就加大了核心机的大小,看结构图:
我们就会发现这款发动机的核心机显著变大,其涵道比也就降低到了0.3:1,这样带来的后果就是高速推力加大,但是油耗上去了军用推力油耗达到了25.1 g/(kN·s)
这就导致了F-15的载油量是6103千克,如果只依靠机内燃油的话,F-15可以飞行的距离是1860公里,而F-22的机内燃油装载量是8165千克看似比F-15要多了将近1/3,但是由于燃料消耗高于F-15的F100发动机,航程却只有1560公里。所以在很多的时候F-22被大家诟病为“小短腿”,但这毕竟是美国努力。
到了F135发动机,又为了维持推力和油耗之间的平衡,普惠就将发动机的涵道比做到了0.57:1这个相当极端的数值,到了这个级别就已经快不能叫做小涵道比发动机了。
这是一个均衡的操作,因此到了F135燃油消耗量显著降低,这么大的发动机推力消耗的燃油却只有22.18 g/(kN·s),其燃油效率比F-22的F119发动机还要高。
但是普惠来回修改旁通比的大小这种类似于“作弊”的方式就让我们看到的是——涡轮风扇式喷气发动机已经触及到了这种类型发动机性能的天花板。
所以,即便是我们的WS系列发动机再做更多的提升,差不多也就是F119或者F135的水平了,遥遥领先的超越美国的发动机是没有什么可能的。原因就是这个类型的涡轮喷气式发动机本身是有性能天花板的,到了这个天花板的位置无论是谁也不能在不改变物理理论的基础上再进一步了。
这时候就会有人提到,我们是不是弯道超车,搞一个变循环发动机或者搞一个旋转爆震冲压发动机?
高效、大推力、适应性强是这种发动机的优点。不过有一件事情我们不能忘记,这就是电力的提供。
在任何喷气式航空发动机上都有一个小型的子系统。
这个子系统叫做发电机(generator)
在飞机发动机运转的过程中,这个小型的发动机会随着飞机的发动机旋转从旁路被皮带或者齿轮带动跟着旋转起来,利用电磁感应原理为飞机的电力系统发电。
以F-22为例,其机内装备的AN/APG-77雷达开机的时候所需要的电量为20-30千瓦,机内的航电和传感器需要的电量是10-20千瓦。为了冗余配给,F-22的机内发电机在飞行的时候可以为F-22提供90千伏安的发电量。
到了F-35,虽然是轻型战斗机了,但是换装了更强的雷达和更多的航电设备,又加装了一系列的传感器,雷达消耗电力直接上升到了40千瓦、分布式孔径系统(DAS)耗电量达到了20千瓦、光电瞄准系统(EOTS)10千瓦、通信与电子战系统20-30千瓦……F-35上的发电机所发的电量已经达到了200千伏安,是F-22的两倍有余。
越先进的战斗机对电量的需求就越大,可以预计的是六代机的电量消耗要远大于F-35,那么问题来了旋转爆震冲压发动机可以提供推力,但其“旋转”的部分是不能发电的;可变循环发动机其实在冲压状态飞行的时候内部也是不发电的。
例如现在唯一成功飞行的可变循环发动机J58载前级压气机叶轮可以带动一个小发电机发电
一旦转入冲压发动机的工作模式,内部的压气机和涡轮会锁死,这个可变循环发动机也是不发电的。
但是要知道的是——SR-71是一架侦察机,当年侦查成像也并不需要数码照片,都是机械式的胶片机。
仅仅维持有限的机内设备运行和操控其实消耗的电量只需要不到20千瓦,这时候即便是SR-71在使用冲压发动机飞行,其电源供应依靠机内的电池就足够“撑”过去了。
但对电能越来越依赖的新一代战机 则很难依靠电池来保证内部的电力供应。
所以我们的问题是——不仅仅要研发解决新一代发动机为下一代战斗机提供强大的推力,还得解决下一代战斗机的供电问题。而下一代战斗机的电量需求可远远不是F-35这样的只依靠一个200千伏安的小发电机能解决的事情。
也只有解决了这个电力供应的问题,我们在六代机里面所希望的“智能化与无人化”、“强大的感知与网络能力”才不是一个空中楼阁,毕竟这些设备最基本最朴实无华的需求就是——用电。
最后有人会提电磁炮、激光炮的配备,这其实还是电的问题。
我们以一门可以击毁15千米外目标的激光炮来计算一下(这个东西咱们有),不过,15公里射程的激光炮通常需要功率在300千瓦以上,才能具备有效摧毁目标的能力。看到300千瓦的数值再对比咱们之前说的F-35多发电量,就会知道激光炮的耗电量多么恐怖了吧?这个是发射功率,并不完全代表输入功率是300千瓦,按照激光器的一般转化效率为35%-40%来计算,这意味着发射300千瓦激光所需的输入功率约为750千瓦。
目前我们的机载激光器方案是以超级电容来驱动的100千瓦激光器,虽然不是在发射的时候太吃电量,但是由于电容有充放电时间,因此我们开一炮之后要冷却充电十几分钟,如果能做到一击必杀还好,否则就成了等CD的魔兽玩家……
其实,六代机的研发方向在许多方面已经逐渐清晰,尤其是在隐身性能的拓展、新型动力系统的突破以及电力供应能力的提升上,我们都有比较明确的技术规划和实验积累。但不得不承认,距离军迷们理想中的“终极战机”这样的“六代机”,我们依然面临诸多挑战——从全频段隐身的理论极限,到电力需求与发动机设计的矛盾,再到高能武器的搭载问题,每一个领域都存在技术鸿沟。甚至可以说连门槛都没能摸到。
这种差距不仅仅体现在我们身上,即便是技术储备最雄厚的美丽国,也不可能在短时间内满足那些天马行空的期望。我们的歼-20、美国的F-22和F-35已经是当前航空科技的巅峰之作,但他们和军迷们的美好想象来比较都弱得像个玩具。更不要说科幻作品中那些全频段隐身、亚轨道飞行和激光武器的设想,即使投入巨资研发,真正实现这些技术还需要数十年的时间。
因此,六代机并不是简单的下一代战斗机,而是一次跨越时代的技术跃迁。它要求的不仅是科技的积累,更是对航空工业体系的全面升级。无论是我们,还是美丽国,都需要脚踏实地地逐步攻克难关,而不是被天马行空的想象牵着走。或许有一天,当这些技术逐步成熟,我们才能真正触碰到军迷心目中的那架“梦幻战机”。
等若干年后又一大批新型号的战机服役,大家或许会发现,我们所要求的“六代机标准”可以原封不动的去要求“七代机”。
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