前言:在美国F-22战斗机装备以来,一直是综合诸多先进技术的五代机标杆,其隐身性、超音速巡航能力,超机动性和综合航电系统对第三代战斗机有压倒性优势,其中三项功能与其强大的F119发动机有关,歼-20战斗机刚现身时,各国航空人士都认为歼-20虽然具备第五代战斗机的隐身设计,但没有配备可超音速巡航的发动机,是无法与F-22战斗机匹敌的,随着涡扇-15发动机装备歼-20战斗机,它F-22战斗机和歼-20战斗机之间的空战有何影响呢?
一:F119发动机的隐身能力
美国空军认为F-22战斗机毫无疑问是世界最为优秀的战斗机,设计意图是利用隐形和超音速巡航能力穿透苏联防空体系,在华约集团的战役纵深猎*苏-27一类战斗机高性能,为对地打击飞机扫清障碍,F-22诞生之时,中国才刚刚吃透50年代米格-21战斗机技术,与F-4战斗机同代的歼-8II还没量产,可以F-22有压倒性技战术优势,美国空军的要求是将F-15C有等量的空战武器和保形油箱容纳于机身之内,这是相当高的要求,体积可观的弹舱和燃油容量造成巨大的体积,机翼面积也必须加大以降低的翼载,超音速高机动飞行时的巨大的气动负荷也必须加强结构。
F-22研发团队与美国空军反复讨价还价,才将起飞重量上限从22680千克提高到了24948千克,研发团队按照25000千克级设计的F-22机内密度太大,几乎没有任何剩余空间,研发过程中为了改善超音速飞行性能的修形,加上有源电打描阵列雷达产生的热量远远超过传统机械雷达,还要专用的液体冷却系统,一起压缩宝贵的的空间和重量余度,导致了燃油储备比美国空军的要求下降了20%,不断增加的重量和超音速波阻较大的外形完全靠强劲的F119发动机来弥补设计缺憾,作为第四代涡扇发动机的F119单台加力推力达18吨,远高于第三代涡扇发动机的12~13吨。
虽然F119的研制时间较早,但因为处于冷战末期,F119涡扇发动机完全不考虑成本,高温/阻燃钛合金、双性能涡轮盘和整体叶盘全都应用到设计中,F119的涵道比为0.3,空气流量约125千克/秒,起飞推力98千牛,军用推力为104.5千牛,燃料消耗为0.88-0.9,全加力推力为312千牛,燃料消耗为1.8-2.1,推力在62~63千牛就可推动F-22在万米高空以1.5马赫进行超音速巡航,这时升阻比为5,与加挂典型空战载荷后升阻比为3的第三代战斗机相比优势极其明显,F-119发动机采用整体式加力燃烧室、二元矢量喷管和冷却、隐身材料、雷达修形设计技术,是目前世界最高水平的发动机。
正常的涡扇发动机的结构是3级风扇,7级高压压气机,接着是燃烧室,1级高压涡轮和1级低压涡轮,最后是加力燃烧室和喷管,高压压气机和高压涡轮用一根轴连接,风扇和低压涡轮用另一根轴连接,气流经过进气道进到风扇,经过风扇和高压压气机增压后进入燃烧室燃烧,产生高温高压推动高压和低压涡轮高速旋转,再从尾部喷管喷出,但是这种设计给战斗机隐身带来很大麻烦,发动机内部是非常密集的空腔多叶片,进气道、进气帽罩、进气支板、进气机匣、风扇叶片、喷管,加力燃烧室、高低压涡轮会对射入的2~3厘米机载火控雷达电磁波产生类似于镜面反射的强烈高频散射。
传统战斗机的进气道也是一个强大的散射源,一个可产生10平米的雷达散射截面。所以隐身战斗机要对发动机的进气口和排气口进行隐身处理,F-22战斗机使用的S进气道,依靠大曲度的管道避免发动机叶片直接被前方射入的雷达波照射,进气道壁板的吸波材料吸收在弯曲的进气道中多次散射的雷达波,基本可以完美屏蔽前方射入的雷达波,但这种设计要付出进气道尺寸倍增、机体尺寸和重量增加的代价,而且进气道弯段处存在气体分离导致发动机有效推力减小问题,而且管道形状复杂,精度要求高,需要采用碳纤维复合材料编制技术和专用的进气道涂层喷涂机器人。
尾喷管也是一个强大的散射源,贡献了飞机尾部雷达散射截面的90%,为了不让雷达波直接照射到发动机加力燃烧室和涡轮,加力燃烧室的撑杆和喷油嘴要一体化设计并涂上耐高温吸波材料。发动机喷口的燃气热流温度高,气流流量大,红外辐射特别明显,很容易被红外探测器和红外制导武器发现,F-22战斗机除了降低涡扇发动机排气温度外,还使用的带推力矢量的二元喷口,可衰减90%喷口正后方的红外辐射,使红外探测距离减少45%,但是这种设计代价是结构复杂重量大,而且损失推力,2台F119开全加力尾喷管偏转15度时垂直方向推力只有80.7千牛,水平方向推力损失3.4%,偏转角20度时推力损失可达6%,按升阻比5计算会产生20牛的阻力,总推力损失达到9.8%。
二:涡扇-15发动机的隐身能力
歼-20战斗机设计比F-22晚了近20年,F-22A空重19.7吨,内部燃油8.2吨,飞行员与武器1.5吨,正常起飞重量29.3吨,歼-20战斗机体积宽裕,空重15吨,机内载油11.2吨,接近F-22A外挂2个副油箱的总燃油量,飞行员与武器1.5吨,使正常起飞重量能达到30吨以上,F-22结构紧凑,内部空间异常紧张,长度与横截面积比值不够超音速波阻较大,水平尾翼在超音速飞行时控制权限不足,要推力矢量实现俯仰控制,造成发动机推力的双重损失,歼-20战斗机没有重蹈覆辙,选择了加长机身提高内部容积和较低的超音速波阻,为鸭翼找到合适的安装位置,使得超音速俯仰控制权限异常优秀,处于干净流场中的鸭翼纵向受力分散机身抗弯强度低,从而降低结构重量。
鸭翼的俯仰和横滚控制权限均优于F-22A的矢量喷管,升力占总升力1/10,最大瞬时过载8g时可提供二十余吨升力,远高于F-22A的偏转至20度极限时10吨垂直推力,鸭翼与矢量喷管的纵向力臂长度相当,鸭翼在横滚操纵力臂占据压倒性优势,高升阻比和鸭翼使歼-20战斗机超音速敏捷性和瞬时转向率胜过F-22A战斗机,蚌式无隔道进气道适应范围远在F-22A的加莱特/双斜切乘波进气道之上,如果F-22A打开侧弹舱升阻比还会进一步下降,面对阻力微乎其微侧弹舱的歼-20战斗机毫无胜算,鸭翼在提供抬头控制力矩时也产生正升力,降低了发动机工作负荷,动力系统比重下降至0.11,1.6马赫时的升阻比5.5,能在发动机推力不足也与F-22A持平超音速巡航性能。
但早期的AL-31F发动机设计时只考虑短时间超音速冲刺,并不能长时间超巡,中期换装的涡扇-10发动机的核心机与美国F101发动机技术标准相似,涡扇-10涵道比0.7,基本型的空气流量120千克/秒,推力约120千牛,基本可满足歼-11战斗机的动力要求,采用整体叶盘风扇,宽弦钛合金叶片,整体钛合金压气机叶盘及双FADEC控制系统后,最大推力可以达到133千牛,能作为歼-20的过渡动力,换装涡扇-10后,歼-20重心分布有了变化,产生的扭转力矩只能靠鸭翼错偏转约14°来平衡,这样正面反射面积增加1.25倍,从而被雷达探测到的距离增加15%,F-22A的AN/APG-77雷达对1平米目标最大探测距离是240千米,可在100千米内探测到歼-20。
歼-20也采用S型进气道设计,和F-22一样大幅减少发动机风扇叶片镜面反射,从而前方雷达反射信号,但使用AL-31F发动机的尾喷管没有任何隐身设计,只能靠尾部下方两个接近发动机尾喷口的巨大的腹鳍遮挡尾喷管,涡扇-10A发动机,长方条形喷管分内外鳞片,鳞片之间是复杂的操纵杆系,雷达反射很高,涡扇-10B发动机内外鳞片合一,喷管变成锯齿形状,非常类似美国F-35隐身战斗机,F-35战斗机的F-135发动机大部分设计和F-119战斗机相同,最大的区别是F-35战斗机太重,支撑不起F-22战斗机那种结构重,推力损失大的矢量喷管,喷管还是采用常规战斗机的圆形喷管,只是喷管变成锯齿形状。
常规战斗机不开加力时喷口温度在670K~920K之间。开加力后燃油不能充分燃烧,喷出后会形成高达1800K~2200K的尾焰,所以是隐身战斗机的大忌,为抑制尾焰辐射,F-117战斗机和B-2隐身轰炸机取消加力燃烧室,涡扇-10B发动机安装锯齿形喷口后,消除了镜面反射问题和增加了冷热空气交换长度。射流核心区有/无锯齿温度基本相同,喷管出口环形边缘100毫米内附近的喷流温度普遍降低,当接近锯齿形裙边时温度降低28K,降低幅度接近10%,红外信号辐射强度降低25%,使远程红外预警搜索系统探测距离缩短24%,如果红外预警搜索系统探测距离50千米,采用锯齿形尾喷口后探测距离缩短到43千米,这意味着歼-20战能首先攻击一次。
不过涡扇-10B发动机尾部依靠可看是加力燃烧室支撑机构、角锥和低压涡轮,F-35战斗机在尾部使用屏蔽格栅挡住发动机内部零件,消除雷达反射信号,歼-20战斗机换装涡扇-15原配发动机后才会弥补上这个最后一块短板,高推重比的第四代涡扇-15发动机进展不太顺利,自2005启动研发至今用了18年,涡扇-10外廓尺寸比F119略大,涡扇-15机体规格和涡扇-10相当,采用和F119一样的3级风扇6级高压压气机,最大推力达到160千牛不存在技术难度,推重比可以达到10,外加1级高压涡轮和以及低压涡轮架构,基本版军推107.8千牛,加力323.4千牛,超音速巡航作战半径可以F-35A的亚音速巡航作战半径看齐。
三:全状态版的歼-20战斗机遇到F-22战斗机
全状态版的歼-20战斗机在防空作战时,先由预警探测体系发现目标,歼-20战斗机以最隐身的机头位置对准对方航线,以电子静默状态从对手前、侧、后拦截实施拦截,配备涡扇-15的超音速巡航速度可达1.8马赫,从起飞到到达480公里拦截阵位只用不到20分钟,高于F-22的25分钟,拦截范围达800海里,几乎是F-22的一倍,如果来袭的是三代战斗机,歼-20的有源相控阵雷达T/R组件达2000个,对1平米雷达反射面积目标正面探测距离为230千米,尾部探测距离为138千米,三代战斗机的雷达对1平米雷达反射面积目标探测距离在130千米左右,对雷达反射面积0.03平米以下的歼-20发现距离约为62千米,,即歼-20有168千米的安全位置从容发射导弹。
如果进攻作战时遇到F-22战术会明显不同,由于预警探测体系无法保障正常信息需求,如果打破电磁静默开启机载雷达扫描,就有可能被F-22机载电子侦察设备发现定位,如果在敌方电磁环境优势区要寻找F-22,就必须在短时间打开雷达扫描确认目标的大致位置后关闭雷达,接近到一定距离后再开雷达锁定攻击,如果双方都没有预警探测体系支撑,双方就必须开启雷达,最顶级的隐形战斗机也可以在十几海里外被AN/APG-77级别的有源电扫描阵列雷达烧穿,从正面攻击双方都有机会发现对方,不过歼-20战斗机有分布式多功能光电孔径成像传感器,搜索及跟踪距离达50至80公里,F-22没有,要想探测目标只能开启雷达四处照射,战场态势感知没有任何优势。
如果双方都不打开机载雷达时,歼-20可从侧面攻击F-22,F-22在对流顶层高度以1.6马赫最大持续转向过载是4.9g,配备涡扇-15的歼-20战斗机可达5.7g,追击F-22还是很容易的,但选择尾后攻击,由于F-22良好的尾部隐身设计,攻击难度要大的多,不但尾追的导弹动力射程减少,而且F-22的导弹防御主要针对尾部方向,再配合超机动性躲避逃逸,想击中难度较大,在以前,格斗导弹射程短,寻的头只能追踪发动机热排气流,三代战斗机强调以出色的持续转向能力夺取有利发射阵位,现在大离轴角格斗导弹颠覆了越战时期的格斗空战模式,如果双方进入格斗,极可能造成“互相摧毁”的局面,与F-22格斗对歼-20来说是愚蠢至极的举动。
所以歼-20最大优势在于远距离交战,制敌而不为敌所制,与交战风险极大的F-22交战,不如寻找更有油水的预警机、空中加油机及电子侦察情报飞机,这些大型飞机数量稀少,雷达反射截面高达上百平方米,速度不过0.9马赫,机动性不值一提,却是美军有效运作空中力量的支撑,击落一架都会造成数十名难以快速替换的专业技术军官死于非命,全状态版的歼-20战斗机在超巡航程、超音速持续转向能力和滞空时间方面压倒了F-22,可有效穿透或绕过F-22组成的防空线,直取背后的大型飞机。
美国E-3系列预警机和“宙斯盾”系统的雷达都工作于S波段,反隐形效能有限,具有全向隐形性能的歼-20战斗机可以不去理会预警机就绕过其巡逻区,待探测到歼-20时,歼-20已逼近到空空导弹射程之内的距离了,美军近期内唯一可行的对策是将高价值的大型飞机活动区向后收缩,远离歼-20战斗机作战范围,但F-22作战半径太短,如果没有加油机,根本飞不到西太平洋沿岸,长腿的F-15E面对歼-20战斗机时自保尚且不易,更别说掩护脆弱的大型支援飞机,F-35战斗机在机动性和空战能力方面皆无法与歼-20战斗机竞争,随着F-22和大型支援飞机退出了中国近邻海,美国航母编队更加不敢接近中国近邻海,中国的反介入作战目标就可以达成了。
四:结语
随着全状态版歼-20战斗机批量服役,中美海空对抗态势将逐渐向有利于中国的方向发展,最终彻底瓦解美军经营多年的第一岛链前沿部署作战体系,关于歼-20战斗机和F-22战斗机的性能优劣对比请看3月份发的《根本就不是一个等级的对手,当歼二十战斗机遇到F-22战斗机》一文,本号所写的歼-20战斗机和F-22战斗机系列文章长达20万字,遍及方方面面,需要连起一齐阅读才能全部了解这两型战斗机的优劣之处,下一篇文章写歼-20战斗机和F-22战斗机的战术对抗。
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