AA82276761 2014-10-30 09:00
日本心神四代機
導語：
最近日本高調公開了其最新一代戰鬥機“心神”的照片和視頻資料，其中不乏一些頗有價值的內容。雖然現在的心神距離真正的四代機仍然很遙遠，但作為驗證機，它所揭示的發展潛力仍然值得我們密切關注。（注：本文成稿較早，當時日方視頻上進氣道被模糊處理；新視頻中已確認並非採用DSI進氣道）
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一．現有心神為驗證/教練原型機，正式型號必將放大
尺寸和噸位一直是影響戰鬥機造價的關鍵因素之一。按照一般規律來說，戰鬥機越小，它的結構製造費用也越低；而更輕的重量可以讓戰鬥機選用推力更小、價格更低的發動機，而且耗油率上的經濟優勢會在批量裝備以後的使用中體現的極為明顯。這也是第二、三代戰鬥機中都不乏空重控制在6~7噸內的輕型飛機的原因所在。
但是過小的尺寸噸位也會對飛機作戰性能帶來很大的負面影響：飛機沒有足夠的機身內部空間裝載燃油和電子設備，掛載的武器重量和數量也被嚴重限制了。尤其是對於第四代戰鬥機來說，“輕型四代”這一概念實際上不可能存在，因為在工程技術上已經無法做到了。
無論是隱身性能的雷達反射特徵控制要求，還是強化超音速飛行持續能力的低阻力要求，都迫使四代機必須採用彈艙內置武器設計。如果飛機沒有足夠大的尺寸和噸位，根本無法在機身內安排出足以容納多枚空空導彈、精確制導炸彈的空間用於設計彈倉。
以大陸對於新一代戰鬥機的探索研究過程中為例，某單位曾經對低成本型四代機的噸位尺寸控製做過較為深入的研究。方案迭代的結果顯示，10噸空重已經是四代機的下限；這個數字是在飛機採用重量最小的無尾三角翼佈局，放棄超機動能力和損失一部分短距起降能力後才得到的結果
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無尾三角佈局擁有最低的阻力和重量
對於日本的戰鬥機研發來說，它的作戰環境和假想目標是都非常明確，就是在東海、日本海上空與俄羅斯、大陸的戰鬥機交戰，並具備打擊上海等中國東部沿海地區、俄羅斯遠東邊界地區的能力。這種背景要求日本新一代戰鬥機在執行對地攻擊任務時具備至少要達到800公里以上的作戰半徑。
從心神來看，日本新一代戰鬥機採用了常規佈局設計。由於多出一對平尾和飛機長度要更大等因素，其重量比無尾三角翼佈局要高不少。可以通過高比例的先進複合材料大幅度減輕結構重量；其空重至少也要接近12噸才能滿足要求。但是根據現有信息，心神樣機的起飛重量也不過8噸左右，空重甚至不到6噸，顯然與此標準相差極大。筆者認為，心神樣機尺寸特別大、明顯屬於雙座設計的座艙蓋，是解釋這一矛盾的關鍵所在。
和單座飛機相比，雙座飛機會在性能上出現很明顯的損失；飛機不僅需要付出很大的重量代價來安裝多出的彈射座椅、儀表台、更大面積的座艙蓋等設備，還損失了相當可觀的原本用於裝載燃油的機內空間。事實上隨著航電系統的高度綜合化自動化，飛行員一人就足以駕駛飛機執行複雜的作戰任務，這也是美國、大陸、俄羅斯現有四代機均無雙座設計的根本原因。
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心神樣機採用雙座設計
心神樣機採用雙座設計，噸位尺寸又特別小，這就只有一種解釋：現階段的心神既是承擔氣動外形/飛行控制系統試飛任務的驗證機，同時也是日本新一代教練機的原型機。這實際上是一種很聰明的策略，進可攻退可守；無論將來政治局勢對心神項目如何影響，日本都不會徹底荒廢掉這一項目的投資和技術成果。
在順利的情況下，心神樣機試飛完成以後，會進一步投入全尺寸戰鬥機型的研製。事實上這就是照抄F-35戰鬥機的發展經驗——最早的X-35驗證機噸位和尺寸都比今天的F-35小很多，而且同樣沒有內置彈艙。如果我們僅以現在的樣機來評斷日本心神戰鬥機的未來水平，那麼就和用X-35來評斷F-35的作戰性能沒有兩樣了。即使是項目發展不順，日本也會將現有的心神樣機稍加修改——比如去除矢量推力結構以後，投入批量生產，作為新一代高級教練機使用。
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心神結構圖
二．心神氣動佈局較為合理，放大後潛力不容小視
日本在心神上採用常規佈局設計和F-2戰鬥機有很直接的關係。F-2戰鬥機是三菱公司與洛克希德馬丁公司合作研製的產品，實際上就是在美國提供F-16設計技術的支持下，日本半仿半研而成的F-16放大改進型號。在F-2的研製過程中，三菱公司掌握了常規佈局三代機的關鍵設計技術，比如邊條翼的渦流增升設計、電傳控制技術，為今天的心神驗證機奠定了基礎
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F-22的棱型機翼和切入式平尾
心神飛機在氣動佈局的總體設計上比較像F-22，但是在機翼與尾翼的核心設計上卻截然不同。F-22採用棱型平面機翼設計，機翼的後緣帶有很大的前掠角度；這不僅使機翼獲得了更好的強度和剛度特性，而且機翼與機身的連接長度大大增加了，機翼受力能夠更多更均勻的分擔給機身。在機翼大幅加長以後，為了避免平尾向後超過噴管太多，引起重量的大幅度增加，F-22的設計人員將機翼的襟翼內側切除了一個缺口，使平尾的前端正好切入進來。
切入式平尾設計使F-22不僅避免了嚴重超重的窘境，而且外形的緊湊在側向隱身和整體阻力減低上也帶來了非常優越的性能改善。但這一設計也存在嚴重的弊端：經過前機身和機翼的氣流對平尾的干擾特別嚴重，這使F-22在俯仰控制時的非線性問題特別嚴重，並引起了一連串的問題——包括墜機。後來F-22電傳飛控軟體經歷過反覆多次更新，與此關係極大。
俄羅斯T-50在機翼、平尾的設計上很大程度參照了F-22，其優缺點都大體類似。所不同處，由於在氣動研究和飛行控制領域上差距較大，俄羅斯人需要額外在進氣道前沿設置可動邊條對飛機的渦流升力進行主動控制，這才能有效削弱飛機俯仰控制的非線性問題，保證飛行安全
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心神的梯形機翼
心神選擇梯形機翼，縮短了機翼根部的長度；這樣可以在飛機長度不增加的情況下，保證平尾與機翼之間不直接干涉。雖然這種設計是典型的三代機水平，而且對於機翼的結構特性和整機壽命沒有什麼貢獻，但是大幅度減小了飛行控制上的風險，應該說是一種比較務實的做法。
此外在進氣道設計上，日本此次公佈的視頻中採用了模糊處理。以前心神全尺寸模型上採用的是加萊特進氣道已經公開過，並無保密必要，因此本次樣機採用了DSI無附面層隔道設計的可能性很大。不過在進氣道下沿與機身相接的部分上，存在著一個奇怪的轉折，這看上去又更像是帶有傳統附面層隔道的進氣道設計的特徵。
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本文成稿較早，當時日方視頻上進氣道被模糊處理；新圖片已確認並非採用DSI進氣道，仍然是加萊特進氣道
DSI進氣道現在已經得到了廣泛使用，除了重量優勢特別明顯外，在隱形上也優於F-22和F-18E/F的加萊特進氣道；雖然進氣道上下邊沿與機身側面的夾角會形成反射特徵點，但這與加萊特那種附面層隔道形成的深腔效應反射相比簡直不值一提。不過日本現階段對DSI進氣道的優化能力到底如何，目前只能存疑。
在氣動佈局的其它方面，心神做的較好；整體流線相當的簡潔、流暢自然。不僅在機身各平面的過渡上找不到處理不良的地方，不像殲-31的尾撐在機翼下方形成帶有強反射特徵的直角棱邊凸起；而且在後機身的面積分佈和收縮過渡上處理的也不錯，不像殲-31不僅後機身面積過大，還需要設置尾椎來減弱尾噴管之間的干擾阻力。
從整體上來評價的話，心神現階段的氣動佈局設計是比較合理的；雖無驚才絕豔的亮點，卻勝在沒有什麼錯誤。如果心神在放大以後還能保持這種水平的話，它將具備較大的性能潛力；只要設計方優化到位，在RCS、阻力、升力性能上都能做出不錯的表現。
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心神和現役隱身戰鬥機間的大小對比
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以心神為基礎的未來日本隱身戰鬥機
從日本公佈的採訪視頻來看，心神的項目論證過程中始終將超機動能力放在一個很重要的位置，這無疑會對其飛行控制系統提出很高的要求。
對於飛行控制系統的動力部分來說，飛機的大部分活動部件，比如水平尾翼、襟副翼、方向舵這些都需要液壓系統來進行驅動；液壓系統的功率越大，舵面偏轉的速度也就越快，飛機反應便越敏捷，越適合超機動飛行。比如F-22的液壓系統總功率達到560KW，是F-15的兩倍；而根據大陸2008-2009年航空科學技術學科發展報告中公開的研究進展和性能指標進行推測，殲-20的液壓系統總功率應該在600千瓦左右。
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F-18E/F的液壓系統比四代機更先進
在功率指標越來越高的情況下，為了減小液壓系統的體積和重量，對於第四代戰鬥機來說，液壓系統的工作壓力從每平方厘米210公斤提升到280公斤已經是通行的設計標準。F-22、殲-20、T-50的液壓系統都是採用這個標準作為恆定工作壓力。日本作為傳統的液壓強國，泵、閥、密封件等關鍵環節上一向技術先進，要做到這點不存在任何難度。
實際上因為設計時間的差異，四代機的技術並不一定就全面比所有的三代機先進。比如F-18E/F液壓系統採用的就是每平方厘米210~350公斤的可變壓力工作體制，一般飛行情況下使用低壓，而進行高機動飛行時自動轉換到最大壓力。心神將來的液壓系統是和目前四代機一樣採用28兆帕恆壓工作體制，還是採用35兆帕的智能變壓工作體制，還要等將來日方披露信息後才能知曉。
而對於負責信號傳輸處理的電傳部分來說，心神很有可能採用3-4餘度數字電傳系統，無模擬電傳備份。這基於兩個原因：首先是現代數字電傳系統的可靠性已經非常高，保留額外的備份系統沒有必要。其次採用先進氣動設計的現代戰鬥機本身控制律就較為複雜，而且研製過程中反復修改調參更是無法避免的現象；要在軟、硬件修改無法分離的模擬電路中完成這些工作，技術難度非常高，無謂花費的人力、時間、財力代價都太大。
心神樣機從一開始就具備矢量推力系統，日本官方宣傳視頻中也刻意強調了超機動飛行能力；通過這兩點分析，心神的電傳功能肯定會包括建立在飛行控制系統、發動機控制系統交聯基礎上的過失速區域控制能力。大陸殲-20尚未使用矢量推力發動機，日本甚至有可能在一些關鍵技術上比大陸更早開始試飛探索。
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高機動下的氣動分析計算至今是人類難題
在F-22和JAS-39的時代，由於設計手段和飛機設計人員的思維習慣、技能傳統所限，飛機控制律編寫都是在傳統的單迴路設計方法上展開的；設計難度大，而且效果越來越不能滿足先進氣動設計飛機進行複雜機動飛行的需要。日本在數學和自動控制理論領域一向有非常高的水平，心神在控制律設計中應用新的多變量控制理論，對飛控進行系統化的多變量、多迴路綜合處理將會是必然選擇。
但是電傳飛控的特殊之處在於，控制律軟體其實本質上就是設計單位將飛機氣動設計以數學形式展現出來，即所謂的飛控氣動一體。但是現階段人類氣動水平仍然非常有限，對於過於複雜的流場（比如過失速下機翼氣流分離後的狀態）無法進行模擬計算，這一方面只能依靠風洞試驗和實際試飛經驗的反復經驗積累來指導氣動、飛控的設計修改。
因此就算在先進設計方法、工具上日本並不欠缺，甚至在具體性能比殲-20等新型先進戰鬥機所應用的還要好一些；最終控制律的設計水平高低，依然極大的取決於研製單位的經驗積累程度。
總的來說，心神飛行控制系統的硬件系統和指導理論、設計工具都將會是相當先進完善的；但具體的性能，仍然要以實際試飛為準。而且對於日本來說，要將心神的飛行控制發展到他們預期的完善程度，這將是一個非常漫長而艱鉅的任務。
四．四代機結構設計製造日本有優勢
日本在現代戰鬥機結構製造上，一直擁有著非常高的水平。比如在重型三代機的生產能力突破上，日本生產F-15J/DJ就要遠遠早於大陸的殲11系列；在這個過程中，日本掌握了非常強的鈦合金加工能力
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F-15結構不惜工本，製造難度非常高
作為冷戰時期，美軍在越戰遭受巨大損失後不惜血本搞出來的主力制空機型，F-15在結構設計上很少考慮成本問題。F-15機體材料中，鈦合金比例達到26.5%，而且這些關鍵的承力部件往往製造難度非常大。
比如F-15機身承力隔框就是用6AL-4V鈦合金在3萬5千噸鍛壓機上鍛造的，寬度達到3.05米。在其中心腹板的厚度只有1.5毫米的情況下，腹板兩側筋條厚度1.3~2毫米，高度卻達到64毫米。腹板兩面的凹槽共計42個。然而形狀如此復雜的承力構件，精加工餘量卻只有2.3毫米，加工難度之大遠非蘇-27可比。
然而F-15J/DJ畢竟只是美國授權給日本生產的產品，對於提升日本的自主設計能力幫助不大，這種局面在F-2戰鬥機研製時得到了改觀。在二戰以後，日本航空並未像德國一樣一蹶不振，而是迅速復甦並自行研製了多款戰術飛機。有了這些設計經驗作為基礎，日本在F-2研製過程中很快就吃透了F-16的相關設計規範，不僅掌握了傳統金屬材料結構的損傷容限設計等三代機結構技術，而且他們還利用自身全球領先的化纖水平優勢，為F-2更換了複合材料機翼。
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複合材料的纖維和基體，日本一直是世界最高水平
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F-2的複合材料機翼
雖然此後日本一直沒有開發過新的戰術飛機，但是在飛機複合材料結構設計製造上，日本積累經驗、探索先進設計理論的腳步卻從未停止過。日本擁有世界上最頂級的高性能纖維和基體材料提供商，他們在與各大航空企業合作的過程中既是原料提供者，又是複合材料結構的代工製造者，也是相關設計研發的參與者，同時更是複合材料結構出現失效後的反饋信息接受者。在飛機的複合材料結構設計製造領域，日本有著極強的技術能力。
這些能力現階段並未直觀的體現在心神驗證機上，根據日本公佈的視頻來看，這架驗證機為了降低成本，幾乎沒有使用複合材料結構，絕大部分結構都是鋁合金材料。但可以肯定的是，如果心神能繼續發展去下，它在結構設計製造方面不會遇見大的難題。
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心神驗證機為了降低成本，幾乎沒有使用複合材料結構，絕大部分結構都是鋁合金材料
五．未來的發動機選擇令人疑惑，是最大懸念
心神在發動機上最為引人矚目的外形特徵，就是它採用折流板結構的矢量推力控制系統。這種系統由於結構簡單可靠，易於實現，以往也常用在驗證機上，比如著名的X-31驗證機。但對於裝備型號來說，折流闆對於發動機的推力損失太大，自身形成的超聲速乾擾阻力又太高，極不適合於超聲速飛行，因此從未實用過。
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XF5-1發動機的偏流板結構
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基於正常的技術規律來說，筆者可以肯定在未來的完全體心神上，其矢量推力結構必然要更換為類似蘇30MKI的軸對稱偏轉噴管，或者類似F-22的二元噴管設計。然而問題的關鍵也在這裡，心神在發動機上究竟有多大的選擇餘地？
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日本公佈的發動機結構示意圖
心神現階段使用的發動機是重量644公斤的小型渦扇發動機。根據日本公佈的結構示意圖，以及日本發動機引進歷史來看，它的基本設計應該是源於英法聯合研製的阿杜爾發動機。通過改善結構，比如增加風扇和壓氣機的級數；使用先進的材料減重，並達到極高的1900K渦輪前溫度，心神的發動機推力從不到3.5噸增加到了5噸。可以肯定的是，這台小發動機受基本結構和尺寸所限，不可能再有大幅度的推力增加。
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XF5-1樣機
然而5 x 2的10噸推力絕不可能承擔起一款真正四代機的動力要求。對於心神的未來發展來說，目前看起來有一定可行性的唯一途徑，是換成兩條在F-2戰鬥機所採用的通用電氣F110-GE-129發動機基礎上進行仿製改進的新型發動機，增加矢量推力結構。這款發動機日本不僅使用維護經驗豐富，而且本身就具有一定的生產組裝能力。
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F110發動機
如果這一假設成真，在具體的矢量推力結構選擇上，雖不能確定日本人的觀點如何，但至少他們製造具備實用水平的兩元噴管應該不成問題。根據俄羅斯中央空氣動力流體研究院撰寫的《超聲速飛機空氣動力學和飛行力學》所述，蘇聯早年在矢量推力的選擇上更傾向於兩元噴管，因為噴管和後機身一體化設計帶來的高速減阻效果十分優越。但是在關鍵的耐熱陶瓷材料上蘇聯始終無法突破，體積太大、重量超重數百公斤以至於毫無使用價值。
然而當心神達到這種高度時，必然會對美國F-35形成非常嚴重的衝擊。即使日本不對外銷售心神，僅僅是F-35對日銷量的萎縮，也會對美國造成嚴重的經濟損失和干預能力下降。
已有的事實證明，美國在這方面是非常敏感的，比如挪威在F-35與JAS-39改進型號中猶豫的過程中，美國就通過停止向瑞典提供相關雷達部件的措施來破壞瑞典和挪威的交易。也難怪很多人認為，心神在很大程度上是一款政治型號，只是向外宣示日本軍事發展決心和實力，而且又能在美日軍貿中為自己添加重量的一個砝碼。
結語：
當心神從現在的驗證樣機發展成完全體的中型甚至重型四代機時，它的性能將會超達到怎樣的程度？美國會支持日本發展到哪一步，最後能否容忍完全體的心神戰鬥機出現，衝擊F-35的對日銷售？心神飛機目前披露出來的信息仍然太少，我們只能在保持警惕的同時，靜觀後續發展。
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如果這一假設成真，在具體的矢量推力結構選擇上，雖不能確定日本人的觀點如何，但至少他們製造具備實用水平的兩元噴管應該不成問題。根據俄羅斯中央空氣動力流體研究院撰寫的《超聲速飛機空氣動力學和飛行力學》所述，蘇聯早年在矢量推力的選擇上更傾向於兩元噴管，因為噴管和後機身一體化設計帶來的高速減阻效果十分優越。但是在關鍵的耐熱陶瓷材料上蘇聯始終無法突破，體積太大、重量超重數百公斤以至於毫無使用價值。
然而當心神達到這種高度時，必然會對美國F-35形成非常嚴重的衝擊。即使日本不對外銷售心神，僅僅是F-35對日銷量的萎縮，也會對美國造成嚴重的經濟損失和乾預能力下降。
已有的事實證明，美國在這方面是非常敏感的，比如挪威在F-35與JAS-39改進型號中猶豫的過程中，美國就通過停止向瑞典提供相關雷達部件的措施來破壞瑞典和挪威的交易。也難怪很多人認為，心神在很大程度上是一款政治型號，只是向外宣示日本軍事發展決心和實力，而且又能在美日軍貿中為自己添加重量的一個砝碼。
結語：
當心神從現在的驗證樣機發展成完全體的中型甚至重型四代機時，它的性能將會超達到怎樣的程度？美國會支持日本發展到哪一步，最後能否容忍完全體的心神戰鬥機出現，衝擊F-35的對日銷售？心神飛機目前披露出來的信息仍然太少，我們只能在保持警惕的同時，靜觀後續發展。
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