在信息就是战斗力的现代海战场,预警机是航母战斗力的关键。预警机不光及早探测地球曲率背后的目标,还是组织和指挥海空战斗的核心。

另辟蹊径:中国的舰载预警机问题-神探007

海军航空兵的空警-500 图源:南部战区

“辽宁”号与第一艘国产航母(据说命名为“山东”号)都装备直-18预警直升机,这也是可预见的将来中国航母唯一可用的预警机。预警机需要长航时、高升限、大载重,最大的要求则是要能从航母起飞和着陆。直升机从航母起落没有问题,但很难达到长航时、高升限,载重也比较有限。由于主旋翼的位置,预警雷达的位置比较别扭,只能从机体下方收放,不仅雷达天线尺寸和重量受到限制,还带来额外的重量和机械可靠性问题。

据报道,直-18的最大速度336公里/小时,航程900公里,升限9000米,估计留空时间在3小时左右。相比之下,固定翼的E-2D的巡航速度474公里,升限10500米,航程2700公里,续航时间6小时。E-2D还将具有空中加油能力,进一步提高留空时间。两者之间,高下立分。直升机不是不可以空中加油,但高速旋转的主旋翼使得空中加油操作高度危险,即使对空中加油已经成为日常操作的美国空军和海军来说,直升机空中加油也只是越洋航渡或者远程特种作战(如战斗搜救、敌后渗入或撤离)时非用不可的最后措施。

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据说中国正在研制固定翼舰载预警机,但进度不明。如果网传图片可靠的话,这是与E-2D在气动理念上相似的常规布局。基本可以肯定的是,这不大可能用于“辽宁”号和“山东”号。一般认为,中国的第三艘航母将采用电弹,但“辽宁”号和“山东”号将继续使用至少30-40年,长期用预警直升机“将就”可能严重损害战斗力,研制能滑跃起飞的固定翼预警机很有必要。

航母起飞最大的问题是起飞跑道太短,没有足够的时间滑跑加速。安全离舰取决于离舰时的升力,升力则是迎角和速度的综合结果。滑跃起飞用离舰时的初始迎角获得足够的离舰升力,弹射起飞则用外力协助加速以在水平离舰时获得足够的离舰升力。问题是滑跃起飞的最后滑跃是用速度换迎角,没有足够的发动机推力可能有失速的危险。预警机简单地用超大推力发动机将严重增加重量和巡航油耗,这不是办法。必须从具有更有效的高升力气动布局入手。

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大大增加翼展是降低起飞速度的最常规的办法,但航母上受飞行甲板宽度限制,无法运作大翼展飞机。虽然有翼展达到32米、最大起飞重量达到18吨的U-2上舰的先例,但这是特殊情况,需要清空甲板,严重影响正常出动和回收,不能成为日常运作。

双翼机是另一个办法,可以在大大缩短翼展的同时做到短距起飞。但双翼机的飞行阻力太大,很难做到长航时。换一个思路,用串列翼可以得到近似双翼机的增升效果,但阻力没有那么大。双翼机的阻力不仅来自于上下两个机翼的迎风阻力,还来自于两个机翼之间在气动上互相干扰带来的额外阻力。

串列翼可以前低后高,这样迎风阻力与双翼机相当,但上下机翼之间的不利干扰大大降低,总阻力有所降低。另一个布置是前高后低,在一定条件下,前翼的下洗气流可冲刷后翼上表面,产生增升作用,后翼可以相应减小,降低重量和阻力。但产生增升的气动条件严苛,使用很受限制。

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串列翼也可以前后翼在同一水平面上,迎风阻力较小,但前后翼之间有一定的干扰,好在影响关系相对确定。前后翼都可配备大面积襟翼,便于实现直接升力控制,这是有利于舰上短距起飞和精确着陆的。前后翼内都可安排翼内油箱,大大增加机内油箱容积和航程,这也是有利的。发动机短舱把前后翼连接起来的话,有利于增加结构刚性,减轻重量。

在80年代,美国主持军事科技预研的国防先进研发规划局(简称DARPA) 委托Scaled Composites公司(字面意思是可扩展复材公司,由著名飞机设计师迪克·鲁坦主持)研发先进技术战术运输机(简称ATTT),重点是短距起落,采用的就是水平面串联翼。机翼上的涡桨发动机短舱向后延申,与双垂尾和高平尾形成球门架式尾翼。

Scaled Composites研制的是62%缩比飞机,较长较细的后翼翼展16.21米,翼面积16.67平方米,展弦比15.76;较短较宽的前翼翼展11.48米,翼面积10.97平方米,展弦比12.01;测试中达到的最大起飞重量5216公斤(设计最大起飞重量的80%),算入前后翼的翼载188.7公斤/平方米(按照100%的最大起飞重量将达235.9公斤/平方米)。飞机采用全复材,但并不必要,只是Scaled Composites公司因为自己的技术特长而图方便,反正只是技术验证机。

试验结果表明,推算到全尺寸的话,最大起飞重量10500公斤,巡航速度407公里/小时,航程4260公里。引人注意的是,滑跑起飞距离只有300米(80%重量轻载起飞时只需要210米)。显然,超低的翼载对短距起飞有很大的作用。据报道,苏-27的滑跑起飞距离为450-650米,这里的差别应该是轻载、重载和地面风力、风向的关系。歼-15与苏-27的推重比和翼载相似,尽管严格来说需要仔细计算,如果歼-15可以滑跃起飞,ATTT的表现至少说明串列翼是很有可能实现滑跃起飞的。

当然,即使全尺寸ATTT的最大起飞重量也不到E-2D的一半。E-2D的任务起飞重量为23075公斤,翼展24.56米,翼面积65平方米,翼载355公斤/平方米,两台艾利逊/罗尔斯-罗伊斯T56发动机各提供5100马力,功率重量比0.44马力/公斤。

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假定安装任务设备后的起飞重量以E-2D为参照,简单化地按重量比例直接放大翼面积的话,串列翼预警机的前翼面积要增加到38.82平方米,后翼59平方米。假定与ATTT同样的前后翼展弦比,这要求同等任务起飞重量的串列翼预警机的前翼翼展增加到39.26米,后翼增加到30.49米,翼展太大,不宜上舰。但迪克·鲁坦采用了特别大展弦比的细长机翼,以获得超高升阻比。上舰使用的话,可以适当降低展弦比,减小翼展。E-2D的展弦比为9.5,ATTT的后翼展弦比降低到9.5的话,翼展降低到为23.7米,略低于E-2D,适合航母上的运作。前翼的展弦比比后翼低约1/4,相应调整到7.23,翼展只有16.7米,更没有问题了。

降低的展弦比会导致机翼的升力性能损失,但可以通过增加的动力来补偿。ATTT用两台750马力的PT6A发动机,在100%重量时的功率重量比只有0.23马力/公斤,大大低于E-2D的0.44,因此有很大的增加空间,以恢复短距起飞性能。中国运-9使用的涡轴6C的功率与E-2D的T56相同,用于同等任务起飞重量的串列翼预警机的话,功率重量比也相同。航程和留空时间不大好按比例推算,但ATTT的前后翼都能容纳燃油,比同翼展的单翼要增加至少30%,扩大到与E-2D同等重量时,更多的燃油是有保证的,航程有望显著增加。

对于预警机来说,ATTT的便于尾门装卸的球门架式尾翼不必要,高平尾改为低平尾的话,还可在两端双垂尾之间安装额外的垂尾,以补偿预警机雷达天线带来的气动影响。

串列翼的高升力特性不仅有利于滑跃起飞,也可在有弹射起飞的时候增加起飞重量,多带燃油以增加留空时间,或者降低起飞功率要求,改善发动机磨损和油耗。在必要的时候,还可以在弹射准备的间隙,插空挡无弹射起飞,填补海空情报、侦察和监视间隙。同样的串列翼平台也可用于航母上其他特种飞机,如加油机、反潜机、运输机。不过对于运输机来说,为了便于大件货物装卸,垂尾改回高平尾的球门架式尾翼最好,不改也有办法克服。

另一个思路是飞翼。飞翼把整个飞行器都用于产生升力,没有筒形机体的死重,气动阻力也低,因此翼载较低,有助于缩短滑跑起飞距离和增加航程。以与E-2D重量相近的X-47B为例,最大起飞重量20215公斤,翼展只有18.92米,翼面积却高达88.59平方米,翼载只有228.19公斤/平方米,但展弦比只有4.04。低翼载和低展弦比是飞翼的典型特征,B-2的翼载也只有318.4公斤/平方米,展弦比5.74。

X-47B是为弹射起飞设计的,可能没有滑跃起飞的考虑,也没有公开的滑跑起飞距离的数据。但考虑到低翼载,滑跑起飞的距离应该不长。B-2就是这样的,与同等重量的常规飞机相比,起飞滑跑较短。如果从X-47B出发,为预警机适当优化,展弦比采用B-2的更加适合长航时的5.74,在与E-2D同等任务起飞重量时,翼面积增加到101.1平方米,翼展增加到24米,与E-2D相当,翼载保持为228公斤/平方米,与ATTT相似。同样,不经过精确的气动计算,难以确认这样的低翼载是否足够实现滑跃起飞,但大方向是正确的。

飞翼对于预警机还有特殊的好处。理想飞翼的整个结构都是机翼,载荷和自重均匀分布于整个翼展。实际飞翼的重量还是集中在中央部分。另一种做法是机翼和机体在外观上像飞翼一样高度融合,只是不容易区分机体在哪里结束,机翼从哪里开始,但在内部结构上保留扁平宽大但规整的中央升力体,这实际上已经偏离理想飞翼,而是翼身融合体(简称BWB)了。但这里面的差别对于本文并不重要,可以笼而统之统称为飞翼,只是BWB比理想飞翼更加便于设计和制造,中央升力体的宽大空间更是有助于容纳预警机的大型雷达天线。内置天线在气动上解决了预警机的大难题,也极大地降低了阻力。

X-47B那样的飞翼通常采用涡扇动力,但为了短距起飞和长航时而改用双涡桨动力没有不可克服的技术困难。螺旋桨吹拂机翼上表面有增升作用,腾出来的中央空间还有利于容纳大型雷达天线和其他任务设备。为了简化飞控和补偿单发故障情况,可以设置小型双垂尾。预警机没有特别高的隐身要求,即使作为舰载通用航空平台,也只有不超过中等的隐身要求,不必强求无尾翼。

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但飞翼的纵长较短,对于着舰挂钩不利。舰载机尾钩的钩子应该离主起落架较远,便于机轮滚过后拦阻索及时回弹到便于挂钩的高度。尾钩也应该“生根”在靠后的位置,便于以较垂直的角度“扫过”甲板,可靠挂钩,而不是以较浅的角度“拖过”甲板,发生弹跳。飞翼在这两个要求上都先天不利。但X-47B已经成功上舰,洛克希德也信心满满用无尾飞翼投标舰载空中加油系统(简称CBARS),或许说明这些问题都是可以解决的。

诚然,在可预见的将来,E-2D还是唯一的舰载预警机,采用常规得不能再常规的气动布局,美国海军没有考虑串列翼、飞翼等非常规气动布局的计划。串列翼的ATTT在完成试飞计划后偃旗息鼓,美国军方再也没有重开串列翼的计划。飞翼上舰也是进三步退两步,X-47B下马了,洛克希德的飞翼布局舰载加油机则没有入选CBARS竞标。苏联的滑跃起飞舰载预警机也是和E-2D类似的常规布局。这些都是有原因的。

E-2D的气动设计来自1960年就首飞的E-2A。这些年的使用经验表明,E-2系列的气动性能是适用的,必须弹射起飞而不能滑跃起飞也不是问题,美国海军本来就不打算用搭载STOVL战斗机的两栖攻击舰独当一面,即使能勉强搭载滑跃起飞的预警机,舰载战斗机数量也太少,难以形成拳头。

ATTT是DARPA的预研和技术储备,并无立刻投入使用的急迫性。小型短距起落运输机的需求后来被阿莱尼亚C-27J“斯巴达人”满足,尽管没有用多久又撤编了。陆基短距起落运输机的使用条件没有舰载预警机那么苛刻,其他国家则没有中国(还有俄罗斯)这样只有大甲板滑跃起飞航母的情况,没有切实需求,所以ATTT后继无人不奇怪。

在CBARS竞标中,美国海军为了控制技术风险,选用更加常规(但也不那么常规)的波音方案。但对于中国来说,常规方案难以实现滑跃起飞,而“辽宁”号和“山东”号长期只能依赖预警直升机是不妥的。由于更加紧迫的需求,必要的技术风险是值得的。

苏联的情况则不同,在1991年推出固定翼舰载预警机模型的时候,航空技术远没有现在的水平,串列翼、飞翼的技术风险过大,只有用蛮力实现滑跃起飞。雅克-44采用两个单台功率14000马力的进步D-27桨扇(介于涡桨和涡扇之间的新概念航发,外观上近似采用弯刀形桨叶的涡桨),各自一副驱动直径惊人的同轴反转双桨。雅克-44的翼展为25.7米,略大于E-2D,但最大起飞重量几乎两倍于E-2D,达到40000公斤,航程因此达到4000公里,功率重量比也远远高于E-2D而达到0.7。最大速度740公里/小时,升限13000米。

由于苏联解体和雅克-44项目下马,世人难以得知这样的简单粗暴是否能成功。人们只知道同样采用D-27的安-70问题成堆,大多与发动机有关。计划采用D-27的其他项目统统下马,而安-70本身也计划换用四台涡扇以安-188的名义重新推出。超大功率涡桨/桨扇的技术难度很高,空客A400M的罗尔斯-罗伊斯TP400涡桨(11000马力)也是问题重重。对于航发仍非强项的中国来说,简单粗暴不宜作为首选,歼-20的研发经历说明的是同样的问题。

另辟蹊径:中国的舰载预警机问题-神探007

一般认为,中国第三艘航母应该是电弹,这或许意味着不必强求预警机具有滑跃起飞能力。这是欠考虑的。现有的两艘滑跃航母还将运作30-40年,长期战斗力“瘸腿”是不行的,中国也没有富裕到两艘现有航母可以随意丢弃的程度。

另外,在一段时间里,未来的弹射航母可能依然有无弹射短距起飞需求。电弹的技术门槛很高,中国一步到位是技术上的大跃进,成长中的阵痛可以预期。这不可怕,但在解决问题、不断前进的过程中,舰载空中力量因为电弹性能或者可靠性暂时达不到全天候出动的要求而闲置,这是不妥的,滑跃甚至水平短滑跑起飞能力是必要的过渡。歼-15天然具有这个能力,预警机也需要如此。在有电弹的时候重载、全状态起飞,在电弹暂时不到位的时候减载、基本状态起飞,是保持战斗力不留空隙的关键。

串列翼和飞翼之间的优劣需要仔细研究才能确定,但常规布局难以实现滑跃起飞,串列翼和飞翼布局值得考虑。