還在空警600照抄E-2D?就知道你會説這個_風聞
晨枫-军事撰稿人-古今多少事,都付笑谈中2020-09-11 23:03

網傳的空警600圖片
最近網上開始流傳空警600試飛的圖片,據説這是與中國航母配套的艦載預警機。如果屬實,這是美國E-2系列,之後的世界上第二種艦載預警機,如果不算早期的半試驗性、半實用的預警機和蘇聯時代的夭折的設計的話。E-2A在1964年首飛,但E-2A和E-2B很短命,1971年首飛的E-2C才成為真正定型的艦載預警機,E-2D在2010年開始交付使用。除了E-2A到E-2B的外垂尾面積略有增加外,E-2系列的改進集中在電子設備和發動機,氣動外形和尺寸基本不變。
艦載預警機的重要性不言而喻,但艦載預警機在設計上充滿挑戰,在某種程度上,比艦載戰鬥機還要難設計。艦載預警機的起飛重量未必超過艦載戰鬥機。同樣採用彈射起飛,E-2D的最大起飛重量為26噸,F-18E則達29.9噸。艦載預警機的航程也未必超過艦載戰鬥機,E-2D的航渡航程為2700公里,F-18E則達3300公里。不過艦載預警機的留空時間倒是更長,E-2D可達6小時,F-18E只有3-4小時。長航時決定了艦載預警機的設計特徵。

E-2D的氣動設計已成經典,並不是説這氣動設計有多先進,而是因為圍繞上艦要求,這已經最優化了

雅克-44隨“烏里揚諾夫斯克”的夭折而下馬了,這比E-2D大一圈

安-71的設計很是科幻,但最終還是因為不適合上艦需要而落選了

同比例比較之下,E-2系列(這裏是E-2C)顯然小巧得多,小巧對於上艦很是重要

模型航母平台上的模型艦載預警機顯然與E-2系列很相似
長航時需要大展弦比的機翼,也就是像滑翔機那樣的細長機翼。但太大的翼展對於航母使用很不友好,即使在停機時可以摺疊,起飛、着艦的時候還是要展開的。E-2D的翼展為24.56米,雅克-44為25.7米,不是偶然的。翼展31米的U-2有過上艦記錄,但那是清空甲板後才做到的。安-71的翼展達到31.9米,落選與此不無關係。
同時,艦載預警機的長度也不宜太大,長度決定艦上的佔地,影響甲板上和機庫裏的停機數量。高度也受到限制,機庫高度是一定的。E-2D的長度為17.6米,雅克-44為20.4米,安-71為31.9米。高度方面更離譜,E-2D為5.6米,雅克-44為7米,安-71竟然高達9.2米。作為參照,“尼米茲”級航母的機庫高度為8米,俄羅斯夭折的“烏里揚諾夫斯克”號的機庫不比“尼米茲”級更高。這樣看來,安-71實在太大了,早早落選就不奇怪了。一直有説法,中國第一代艦載預警機將從運-7改裝,運-7的翼展為38米,長度為34米,高度為11.2米,直接上艦顯然是不行的,修改到E-2D的尺度的話,那就是徹底重新設計了。所以用運-7做陸基測試是可以的,從運-7改裝上艦是不現實的。

運-7改裝的JZY-01用作技術驗證機是可以的,但直接上艦是不行的,太大了

難説這是不是精確測繪,但從這裏也可以看到,JZY-01比空警600大一號
艦載預警機的尺度限制嚴重影響了氣動設計。由於長度受限,而雷達罩對垂尾的干擾太大,只能用四片垂尾增加方向穩定性,否則就要採用特殊手段,重建方向穩定性。當然,四垂尾相對於單垂尾和雙垂尾來説,阻力和重量增加了,但其他特殊手段同樣有代價,只是途徑不同而已。垂尾不是用來轉彎的。垂尾的作用與風向標相仿,用於在偏離風向(對飛機來説就是航向)的時候,由於不對稱風壓而自動重新對準風向。垂尾面積加上重心之後的機身側面積要大於重心之前的機身側面積,才能起到風向標的作用,戰鬥機有時用腹鰭,也是同樣的道理。


垂尾和風向標尾羽一樣,是用來穩定航向(在風中指向風向)的,不是用來轉彎的

如果尾翼不能足夠高大,也不能足夠遠離雷達罩的氣動干擾,那就只有增加垂尾片數,才能達到足夠的“尾羽”面積
由於機身較短,還要儘可能使得雷達罩避開垂尾,雷達罩的支架只有靠近機身中點。但這使得機翼無法向上摺疊,只能向後摺疊。這也對發動機的位置有所限制,現在流行的做法是發動機“懸吊”在機翼前方,位置越高越好,便於氣流吹佛機翼(尤其是上表面),增加升力。但沉重的雷達本身已經接近重心位置了,發動機過於前置就要造成重心問題,所以發動機的位置也不能太“前懸”。

E-2系列機翼是以這樣的奇怪方式摺疊的,向上摺疊要與雷達罩衝突,只能向後摺疊,結構上沒有向上摺疊那樣堅固
所以E-2系列的氣動外形和尺度是高度優化的結果,空警-600高度相似並不是照抄。兩點之間最近的距離是直線,再優化、再原創也是同一個結果。一切“21世紀中國艦載預警機還在照抄60年前的美國設計”的説法只能説是無知。

雅克-44的設計與E-2系列貌似近似,但實際上是不同的設計思路
對比之下,雅克-44與E-2系列貌合神離,實際上是不同的設計思路。由於蘇聯的“庫茲涅佐夫”級航母是滑躍起飛,雅克-44需要能像蘇-33一樣,靠自己的動力就能滑躍起飛,因此採用兩台“進步”D-27槳扇發動機,功率比E-2系列的艾利遜T-56要大1.5倍。
渦槳在低速的時候扭力更大,推進效率更高,適合短距起飛,油耗較低,所以低速飛機大多采用渦槳,艦載預警機也不例外。但渦槳説到底是通過槳葉產生推力的,而槳葉的轉速和直徑是受到限制的。渦槳的槳葉葉尖線速度不能超過音速,否則激發的激波會像無形的鋼刀一樣,在反覆掃過中對機體結構造成損壞。傳統上要增加發動機的出力,只有增大螺旋槳直徑,降低轉速,但這需要更大的減速器,不光重量大,減速器的機械損耗也增加。對於艦載預警機來説,還有螺旋槳直徑很難大幅度增加的大難題。增加槳葉數是另一個辦法,但槳葉數增加到一定程度後,阻力急劇增加。這不難理解,槳葉數增加到一定程度後,就相當於一個實心的盤子了,阻力肯定大。槳葉數增加後,槳葉之間的機械平衡也越來越難,平衡不好的螺旋槳震動嚴重,這是不行的。雙發變四發也是辦法,但翼展更大,對上艦更不友好。

槳扇發動機大多具有大彎度、後掠葉尖的槳葉,很多還是同軸反轉,但為了降低噪聲,前後槳葉數不同,避免噪聲特徵互相加強。這是D-27,前槳7葉,後槳葉

槳扇也有推進式和拉進式之分

安-70是唯一達到量產(但最後還是沒有投產)的槳扇飛機
槳扇是70年代才發展起來的新型渦輪發動機,在構型上與渦槳相似,但採用大彎度、帶後掠的槳葉,以便提高轉速,提高出力。螺旋槳的另一個問題是靠近圓心的地方幾乎不產生推力,但阻力還是少不了,螺旋槳越大,浪費也越大。採用大彎度槳葉可以有所補償,降低推力損失。後掠的葉尖則推遲激波的產生,容許螺旋槳有更高的轉速。有的槳扇不僅葉尖帶後掠,整個槳葉也採用更加複雜的彎刀形,可以進一步推遲激波的產生,但槳葉的設計和製造更加複雜。前後的同軸反轉雙槳可以“擰直”推進氣流,降低渦流損失,進一步提高出力。
採用全新的槳葉設計後,槳扇容許核心發動機的功率大大提高,槳葉轉速增加,但核心發動機的冷卻問題出來了。渦槳和槳扇都是靠槳葉做功的,只有最大限度地把噴流能量轉化為機械驅動功率,才能提現槳扇的效率。但這樣一來,核心發動機的出力大大提高,可流量小,温度高,冷卻不足,故障率高。在某種程度上,槳扇可以看作無窮高涵道比的渦扇,但渦扇的外涵道與內涵道的整合緊密,外涵道的氣流對內涵道壁是有效的冷卻,槳扇的槳葉氣流繞發動機殼體外流過,實際上對內涵道沒有多少冷卻作用。
D-27就是這樣的同軸反轉雙槳。安-70是首先採用D-27的,發動機可靠性一直是個問題,在2001年1月最後定型試飛的時候,四台發動機有兩台在起飛中停車,飛機硬着陸,機上33人中4人受重傷。此後安-70計劃再也沒有恢復元氣,俄烏交惡後,更是回生無望。

安-70功虧一簣,本來就在拼最後一口氣,搶在設計局資金和俄烏下馬令的倒計時到點前投產,但在最後關頭在試飛中失事,再也沒有恢復元氣
雅克-44要用D-27,可靠性這一關就難過。即使發動機可靠性最後解決了,大大超出巡航推力要求的發動機意味着重量和耗油率很不友好,影響留空時間。但不用D-27,則根本沒有能提供那麼大功率的渦槳發動機。圖-95的NK-12渦槳功率更大一點,但太重了,幾乎比D-27重一倍,沒法用,螺旋槳的尺寸也太大,根本沒法上艦。
雅克-44也為這樣超大推力的發動機付出了代價。最大起飛重量40噸,比E-2系列高50%。作為參考,採用4台D-27的安-70的最大起飛重量高達145噸,雅克-44的“過度推力”可想而知。另一個代價是沉重的發動機使得重心靠前,雷達罩必須靠後一點,才能平衡。但這使得垂尾進一步推後,要增加機身長度。好處是機翼可以直接向上摺疊,比E-2系列那樣向後摺疊更加簡單、可靠。

雅克-44的發動機不成比例地大。這是雷達罩降低的位置,對比前面圖中雷達升高的位置

還要換成更大更重的NK-12就根本不可能上艦了

由於起飛重量大,翼展又受到限制,只能用翼尖小翼增加等效翼展,而小翼又使得機翼的摺疊比較彆扭,要互相避讓,這裏能看到機身上方機翼摺疊的情況
雅克-44的辦法是用雷達罩的高大的單片支撐結構本身兼作大型垂尾,補嘗距離較近的雙垂尾。雷達罩也大大高於垂尾頂端,否則雷達罩對氣流的遮蔽作用使得垂尾效用進一步降低。這在氣動上是很巧妙的設計,雷達罩的位置較高也改善視界。不過這樣使得雷達罩太高,進出機庫不便,所以雷達罩的單片支撐結構是可升降的,帶來重量和可靠性問題。
安-71則是完全不同的思路。與雅克-44是全新設計的不同,安-71是從安-72運輸機改裝而來的,發動機噴流吹拂機翼上表面,產生引射增升作用,有助於降低起飛、降落距離。雷達罩也別出心裁地安裝在前傾的高大垂尾頂端,垂尾和雷達支撐結構共用,降低重量和阻力代價。不過這原來是作為前線航空兵的預警和指揮機設計的,上艦的話,短距起飛能力不足,翼展、長度和高度都太大,而最大起飛重量實際上只有32.1噸,比雅克-44還小1/3,意味着航程和留空時間大大弱於雅克-44。這對於前線航空兵不是太大的問題,但對於艦載預警機就要命了。

安-72是很有特色的設計,但發動機噴流對機翼上表面的燒蝕也厲害,需要特殊處理,殲噴口後塗黑的區域,那是防熱塗層

蘇聯解體後,安-72重新設計,發動機改到更加常規的翼下,成為安-148
要上艦的話,安-71需要完全重新設計,全面縮小,但保持大號的渦扇,以滿足短距起飛的要求。事實上,這正是安東諾夫提出的安-75方案,而且把發動機改到翼下,像C-17一樣採用噴氣襟翼。蘇聯解體後,安東諾夫把安-72改進為安-148,最主要的氣動變化就是發動機改到翼下。這是比上表面噴氣增升更加直接可靠的增升方法。但設計變動太大,需要投資太大,考慮到雅克-44的方案成熟度更高,安-75下馬了。
中國實際上是現在世界上量產預警機型號最多的國家,已有空警2000、空警200、空警500,現在加上空警600。這不是疊牀架屋、重複建設。



中國已有空警-2000、空警-200、空警-500三種空軍預警機
空警2000是中國第一種 量產的預警機,在伊爾-76的基礎上加裝機背碟形雷達罩。三面固定的主動電掃雷達具有很高的數據率、抗干擾性能和可靠性,這是很大的成就,但也因為成本高、伊爾-76平台數量太少而產量受到限制。
空警200採用運-8作為平台,雷達天線則為平衡木構型。這比空警2000的成本降低很多,條形的雷達罩對垂尾的影響也較小,只需要在平尾翼尖增加端板,就恢復了方向穩定性。但條形的天線陣只有兩側視界,需要另外的前向和後向雷達在至關重要的前後方向上補盲,這是令人遺憾的。
空警500採用運-9作為平台,雷達天線恢復到空警2000的碟形,恢復了全向預警和指揮能力。運-9是運-8的深度發展型,主動電掃雷達和數據處理能力也更進步了,使得空警500具有接近空警2000的性能,同時具有接近空警200的成本。但對上艦來説,這依然太大太重,短距起飛能力不足。所以還需要有空警600。考慮到中國電子技術的飛速進步和從空警2000、空警200到空警500的使用經驗,空警600的電子設備能力可能有更進一步的驚喜。

“遼寧”和“山東”現在還是依靠直-18預警機,希望空警-600能從長起飛點滑躍起飛,
中國缺乏D-27級別的發動機,從正常起飛位置出動,空警600可能難以實現安全的滑躍起飛,但可以從長滑跑位置起飛。這對甲板運作的干擾較大,但預警機不是高出動率機種,偶爾為之是可以接受的。據報道,美國海軍試驗過在165米滑跑距離(帶滑躍甲板)上無彈射起飛E-2C,在25節甲板風的情況下,可以達到2.5米/秒爬升率,滿足單發起飛標準,操控無明顯負擔。實際上,飛機在進入滑躍甲板時已經達到離地速度,12度斜角滑躍加強了飛機的升空趨勢。據不同估計,“遼寧”、“山東”的長滑跑點的滑跑距離(帶滑躍甲板)為195-210米,本艦航速都可達到30節以上,空警600的滑躍起飛是現實的。
更加徹底的解決辦法是為“遼寧”號和“山東”號加裝電磁彈射。電磁彈射與滑躍甲板並不衝突,這一點與蒸汽彈射不一樣。電磁彈射在原理上與磁懸浮相似,磁懸浮列車可以在彎曲軌道上運行,電磁彈射也可以在彎曲甲板上彈射。如果在設計和建造時預留空間,加裝是可行的。“遼寧”和“山東”加裝電磁彈射後,殲-15都能滿載起飛,意義重大。
另一方面,在預警機之後,可以用同一個飛行平台發展反潛機、加油機、運輸機等艦載特種飛機,打造完整的艦載空中力量。
在信息化、網絡化的未來戰場上,預警機的作用越來越大。殲-15是中國海基空中力量從無到有的標誌,空警-600則是中國海基空中力量從有到強的標誌。