AA82276761 2014-11-29 09:45
瑞典薩博的四代機
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瑞典第四代戰鬥機FS2020
瑞典薩博的第四代戰鬥機方案並不是什麼新聞，先期研究很早就在進行，而且並不低調。薩博是一家極具能力的航空企業，薩博新一代飛機的研製過程並不輕鬆，難度很可能比研製JAS-39時要高的多。
一：薩博的輝煌與窘迫
從空氣動力學歷史來說，瑞典薩博的地位遠遠超出普通人的想像之外，他們是一個大時代的開創者。迄今為止鴨式佈局在人類航空發展中支撐了三次歷史性的突破，第一次是萊特兄弟的飛行者一號，它宣告人類的航空時代來臨；第三次是美國的X-31驗證機，它宣告人類掌握了在過失速區域這一死亡禁區實現可控飛行的能力。
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薩博在上世紀60年代通過Saab-37飛機實現的近距耦合能力，實現了對脫體漩渦的利用
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Saab-37鴨翼與F-16邊條產生脫體渦的對比，鴨翼脫體渦強度更大
而第二次突破，正是薩博在上世紀60年代通過Saab-37飛機實現的近距耦合能力，實現了對脫體漩渦的利用。這是人類航空史上的第二個使用流型，也是今天所有高性能戰鬥機的設計基礎；自F-16開始的所有高性能先進戰鬥機，無論其設計上採用的是邊條還是鴨翼又或者是其它類型的渦流發生器，概不例外。幾百上千年以後，或許再也沒有人去關注F-15與蘇-27究竟誰強誰弱，幻象2000擊落F-16是確實有著明顯性能優勢還是偶然個例，但薩博和Saab-37的光輝將依舊耀眼。
作為一個人口不超過1000萬的國家，瑞典沒有能力支撐完整全面的工業體系；它注定是一個選擇性發展的偏科生，航空工業領域也不例外。隨著戰鬥機越來越複雜，薩博家族型號在研製過程中對於他國的技術依賴也越來越嚴重。在早期，除了發動機需要引進技術以外瑞典可以獨立完成所有其它部分的研製工作；而到了JAS-39就必須進行多國聯合研製，而且交由國外研製的部分包括了大量的核心項目，例如全權限數字電傳飛控。
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JAS-39NG的各國研製分工
國家工業體系的不完整併不是禁錮JAS-39性能的唯一桎梏，瑞典對於戰鬥機的定位規劃失誤實際上更為致命。瑞典雖然一直保持著中立國的身份，但是在意識形態和地緣政治上一直站在蘇聯的敵對面——這使它要獲得美國和歐洲其它國家的技術支持十分容易，也很少有什麼限制。例如Saab-37使用的RM8發動機，就是瑞典在引進美國普拉特惠特尼公司JT8D發動機的基礎上，通過加裝加力燃燒室改進而成；除此之外，美國還提供了數字大氣數據計算機、慣性導航、戰術儀表著陸、自動飛行控制等大量分系統技術。在後來JAS-39的研製過程中，美歐諸國也並沒有改變這一充滿鐵桿兄弟色彩的歷史傳統——但恰恰是瑞典對項目的論證規劃，使JAS-39項目出現了嚴重的挫折並限制了它的成就。
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RM8發動機是使用民航發動機改戰鬥機發動機的經典例子
二：鷹獅的困境
在蘇聯解體以前，如何抵禦蘇聯的侵略一直是瑞典所有國防計劃的核心問題。由於兩國之間最近的距離僅有200公里左右，而且瑞典本國的國土並不大（45萬平方公里），因此瑞典對於戰鬥機的航程和作戰半徑並不過於看重；但對於戰鬥機的多功能化、短距起降能力要求非常高——前者是因為瑞典無力負擔多個機種，而後者可以保證戰鬥機在搶修的機場、公路上進行起降。
在研製Saab-37後繼機種的時候，這種只圖自保的思路對於項目定位形成了決定性的影響：JAS-39不是在繼承Saab-37的噸位尺寸（機翼面積46平米，空重10噸）基礎上，利用新技術進一步擴展作戰能力的中型戰鬥機；而是一款繼承Saab-37任務要求，利用新技術減小噸位尺寸（機翼面積25平米，空重6.6噸）的小型戰鬥機。這樣做的目的是為了減少戰鬥機的研製生產成本，更輕更小的機體不僅意味著製造成本的降低，也意味著可以採用更便宜、油耗更低的發動機，但形成的負面影響是決策者們所始料未及的。
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捷克空軍的JAS-39
瑞典在JAS-39項目規劃時對於新技術運用的效果過分樂觀，認為在先進的氣動佈局基礎上，通過數字電傳和靜不穩定技術的優化，以及複合材料應用對於結構的減重效應和更先進的高推力發動機，以及更輕更小的航電設備，可以使新飛機僅需要Saab-37一半的重量。一些較早的資料對於JAS-39的空重估計在不到5.1噸，也正是基於這一論斷；最終JAS-39超重1.5噸以上，這和印度LCA飛機上出現的情況驚人的一致。
如果說LCA超重來自於印度航空工業的嚴重落後，那麼JAS-39的重量失控就完全來自於過高的要求。JAS-39的編號字母意味它必須實現的三種功能：分別代表著攔截（JAKT）、攻擊（ATTACK）、偵察（SPANING）；最大起飛重量要達到空重的2倍；為了滿足短距降落要求，不僅所有的起落架都必須安裝剎車，而且必須能耐受每秒降低5米高度的衝擊——普通陸基戰鬥機最大指標只需要3米，而且前起落架並不需要剎車。
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JAS-39項目中的大量構型研究
戰鬥機的功能和性能都不可能憑空獲得，而是一定有實現它的硬體基礎；對於飛機設計來說，這就意味著重量和體積。JAS-39在小型戰鬥機平台裡硬塞進本應裝在一架中型甚至大型戰鬥機的全套機載設備，又對機體結構提出了過高的要求，飛機超重、機身內容積嚴重不足的結果也就無法避免了。最終的結果是JAS-39不少性能和功能並未達到預期水平，而推重比則低於除了幻象2000以外的任何一種三代機。
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為了保證機翼下有足夠的空間用於掛載武器彈藥，JAS-39不得不選擇了中單翼設計
苛刻的尺寸要求帶來的不僅是性能損失，還有巨大的風險。瑞典對於戰鬥機的短距和公路起降能力有著嚴格的要求，這使JAS-39必須特別注重地面操縱能力和防止進氣道吸入外來物體打壞發動機——而只有兩側進氣佈局能夠在小尺寸下提供最大的前後起落架間距和進氣道高度。而為了保證機翼下有足夠的空間用於掛載武器彈藥，JAS-39又不得不選擇了中單翼設計。兩側進氣設計使鴨翼必須安裝在進氣道外側，大大壓縮了鴨翼與機翼的前後間距；而中單翼設計則大大壓縮了鴨翼與機翼的高低間距。這種異常緊湊的安排對JAS-39的控制形成了極大的困擾。
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“颱風”戰鬥機早期構型的渦流研究
三代機上採用的鴨式佈局，都是使用全動鴨翼和靜不穩定技術對無尾三角翼佈局進行增強的產物。與常規戰鬥機的全動平尾不同，全動鴨翼同時充當了兩個角色：既是俯仰控制面，又是渦流發生器。
渦流增升的基本原理是在大迎角下依靠氣流從渦流發生器帶有較大後掠角度、“鋒利”（前緣半徑小）的氣動面前緣上分離出穩定的脫體漩渦並經過機翼；高速旋轉的脫體漩渦氣流控制住機翼的氣流分離趨勢，並極大提高了機翼上表面的負壓，從而產生巨大的渦流升力。脫體漩渦的強度會隨著渦流發生器的迎角增大減小而迅速變化，因此渦流升力會表現出強烈的非線性——直觀的說，渦流升力的強弱幅度與鴨翼偏轉（或是邊條的迎角變化）完全不成比例而且變化劇烈。
另一方面，在靜不穩定佈局中，飛機的氣動中心在重心之前，只要一個很輕的擾動就能使飛機進入持續上仰或者下俯的狀態。這正是採用靜不穩定佈局可以大幅度減輕飛機重量的一個重要原因：諸如平尾這樣的控制面可以做的更小，更靠近飛機重心。這個特性與渦流升力相結合以後，既帶來了極大的收益，也帶來了極大的風險；如何處理這種關係，一直是現代先進戰鬥機設計中最為核心的設計部分。
如果說在第三代常規佈局上，安安分分不會自己亂動的邊條產生的渦流升力較小、並且溫順易於控制的話；鴨式佈局飛機的鴨翼要如何偏轉，才能協調好俯仰控制力矩與渦流升力變化的匹配，使飛機在進行機動飛行時不至於出現劇烈的上仰、俯仰失控，就很像是在尖刀叢中跳舞了。
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注意氣流的分離
JAS-39的難度又是其中最為極端的型號。對於短距起降能力的額外重視使它選擇了較大的鴨翼面積以獲得更強的渦流升力，但鴨翼和機翼間極其有限的間距調整範圍，使它在高升力與力矩非線性的矛盾處理中無法從氣動設計上顧及後者，而只能在飛控設計中進行彌補。JAS-39飛控研製是現役鴨式三代機中最為坎坷的，後來多次因為飛控問題導致嚴重事故和墜機；從1989年初第一次嚴重事故起，直到1995年底才完成全部試飛。
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1989年因飛行員誘發震盪而墜毀的“鷹獅”原型機
最後從經濟角度來看，JAS-39的規劃並不見得划算。新型戰鬥機的研製過程中，電子設備的軟硬件系統研製成本佔全機比例非常高，單台發動機和機體結構製造成本差價的意義已經大大降低了。而風險失控引起的項目拖延（比如飛控問題）浪費的大量經費，其實都是可以避免的。尤其是因為噸位尺寸對作戰性能帶來的限制，JAS-39喪失了相當多的潛在市場份額，既不利於分攤研製成本，又損失了大量的盈利；作為一款比F-16更加先進的型號，它的外銷表現和F-16比起來根本不值一提。
三：FS2020的困境
從已公佈的資料來看，FS2020和JAS-39有著非常直接的演變關係。幸運的是，薩博這次並沒有試圖打造一款輕型四代機，很大程度上避免了JAS-39的窘境；但更為不幸的是，薩博這次恐怕很難再像JAS-39研製過程中那樣，能夠獲得大量的國外技術引進和援助。
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FS2020外形
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前後內置彈艙設計
隱形戰鬥機的一個主要特徵就是武器的內置化，這既是出於隱形的需要，同時也是出於減低阻力的需要，這就使飛機的尺寸和噸位受到了武器（飛彈、炸彈）尺寸的限制。從這個角度來說，一款隱形戰鬥機至少需要10噸級別的空重，才能有足夠的機身容積來安排內置彈艙和相關機構。實際上在國內某所的方案迭代過程中，10噸這個數字是在採用能將飛機重量和阻力控製到最小的無尾三角翼佈局以後才獲得的。
按照公開的資料FS2020的空重也正好是10噸，考慮到鴨式佈局和無尾三角翼佈局的相近，應該說還是有較大可能實現的——當然很可能要犧牲一部分彈艙容積等性能，但阻力又是另一個問題。毫無疑問的是，基於瑞典對於短距起降能力的一貫強調，FS2020項目絕無可能放棄鴨翼。畢竟即使是通過渦襟翼等措施進行增強以後，常規的無尾三角翼佈局飛機起降能力也只能說是過得去而已。
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FS2020的遙控動力模型
如果從設法減少鴨式佈局的氣動阻力這一方面來說，恐怕中國大陸殲-20上的成功經驗並不能為FS2020所效仿。在第三代戰鬥機中，鴨式佈局一直有兩個問題沒有得到解決，這使它在理論上的低超聲速阻力優勢並沒有完全發揮出來。第一個問題是出於保證飛行控制的需要，鴨翼的安裝位置要高於機翼，這使鴨式三代機都沒有能採用類似蘇-27、F-22那樣的升力體設計。第二個問題則是機動性能與阻力的取捨，鴨翼面積更大、距離機翼更近，渦流升力和耦合效應也越強，有利於提昇機動性——但是阻力也大，EF2000就是為了降低阻力而犧牲一部分機動性能的例子。
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除了鴨翼外，“颱風”的渦流發生器也能產生很強的渦流
除了鴨翼與機翼水平安裝，採用升力體機身外；通過鴨翼與邊條的組合，從兩個方面實現了高速下的阻力降低。除了鴨翼與機翼間距的加大以外，鴨翼和邊條的渦流耦合非常大程度的提高飛機的升力表現——這使殲-20可以在保證優異機動性能的情況下，削減15~20 %的機翼面積以降低重量和阻力。
觀察FS2020的方案並不難發現，薩博並不打算在氣動性能上做過於激進的突破；除了出於隱形設計的棱邊機頭會形成額外的渦流體系外，這個方案的氣動設計仍然保留了鴨式三代機的主要特徵——鴨翼與機翼的高度差也不可避免會在一定程度上破壞飛機的隱形性能。考慮到JAS-39研製過程中的研製分工和挫折，薩博這樣的保守設計也是相當合理的。
可能是薩博自己也對FS2020的阻力感到不樂觀，在方案的規劃中對於發動機推力指標給出了170kN（17.3噸）的驚人數據——F119發動機的推力最大也才15.9噸。對於一個強調高速性能，聲稱將具備超巡能力的項目來說，實在是想不到世界上哪裡還有設計上偏重超音速飛行的戰鬥機發動機能滿足薩博的要求。且不說俄羅斯和中國大陸的該級別發動機尚且在研，即使是研製成功，恐怕也滿足不了這樣的指標。
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F-35
按照一般的看法，這些問題對於FS2020來說都不算特別緻命；彈艙小一點，那就只掛空對空飛彈；發動機找不到那麼高標準的，那就放棄超巡能力。更要命的問題在於：這一次，恐怕美國人不會再幫助瑞典，不說F119這樣絕不可能出口的神器，就是F100和F110的大推力改型也會卡住不放；而其它的關鍵分系統上也是如此。原因並不複雜，就是為了避免對F-35形成衝擊。
事實上這並非沒有先例，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。在F-35價格居高不下，產能又無法滿足各國戰鬥機更新換代需求的情況下，FS2020一旦批產，對F-35的衝擊絕不是JAS-39的改進型號能比的。
一旦來自於外部的技術支援斷絕，薩博的研製工作恐怕就會自然而然的停止。一方面大量分系統、設備失去來源，另一方面很多的設計諮詢和外包都無法正常進行；瑞典要在國內重新開始相關技術的研發，把這些短處一一補齊，無論是時間還是經濟成本都完全無法承受。更何況對於瑞典這樣的國家，FS2020並不是一定非要搞出來不可，對於他們來說徹底得罪美國的代價要比獲得一款半吊子的中型四代機嚴重的多。
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FS2020的PPT節選
結語
從這些角度來看，很難對薩博的FS2020保持一個樂觀的態度。缺乏強有力的需求意志推動，自身的工業體系又不足以獨立支持該機研發，而之前最大的技術合作者美國又對這個項目抱有滿滿的敵意，或許FS2020這個項目最終都只能停留在那個驗證模型上了。