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晨枫:四舍五入的“幻影”之子 法德“第六代战斗机”简析
送交者:  2019年06月25日06:20:26 于 [世界游戏论坛] 发送悄悄话


2019-06-25 08:07:17 字号:A-           A               A+ 来源:观察者网

关键字: 航展战斗机德国法国

               

【文/ 观察者网专栏作者 晨枫】

不管是尘埃初起,还是尘埃落定,法德合作(还有西班牙加入)的“第六代战斗机”(正式名称是“未来空中作战系统”,简称FCAS)在2019年巴黎航展上正式露面了:要求在2025年首飞,2040年前达到全状态作战能力,尽管现在只是全尺寸模型。

法德方面没有对FCAS的性能、起飞重量、任务系统和武器等多做说明,但宣称具有忠诚僚机、空战云、深度学习等功能。现在唯一能确定的是基本外形。虽说模型与实物可能有差距,但有法国总统保驾、两国国防部长签约的模型应该还是靠谱的。

这是一架单座、双发、浅V双垂尾的战斗机,具有大型机内武器舱,因此重量级应该超过“阵风”。与此前公开的达索“下一代战斗机(简称NGF)相比,FCAS在技术上实际更保守,尽管两者都只是模型。

FCAS放弃了NGF的无垂尾布局和水平方向的二维推力转向,而是采用大型浅V双垂尾,可以看作诺斯洛普YF-23的无血缘远亲,或者说与麦道JSF方案更加近似。YF-23和麦道JSF都属于第五代(在中国称为第四代)战斗机,FCAS在气动设计方面的理念和技术上并无显著突破,单靠先进任务系统就敢自称第六代令人难以信服,顶多五代半。

不过这样四舍五入算新一代是欧洲特色,“阵风”就是这样,相对于第四代的F-16、米格-29,“阵风”其实只先进半代,应该说是四代半,但法国自称属于第五代,尽管谁都不把“阵风”与第五代的F-22、F-35相提并论。

FCAS的法国影响无可置疑,在某种程度上可看作高度隐身化、单垂尾变浅V双垂尾的“幻影“战斗机,所以称为幻影之子也不为过。

巴黎航展上的FCAS模型

与YF-23和麦道JSF相比,FCAS采用更加先进的DSI进气口。YF-23的梯形翼下进气口采用上唇后方多孔内壁实现吸收式附面层分离,隐身好但效率不可靠;麦道JSF的加莱特相当于斜置的矩形进气口,只需要考虑相对简单的气流二维平面流动,附面层分离也可靠,但附面层分离隔道对入射雷达波形成反射凹腔,损害隐身。在隐身技术的早期,这些都算有效的方法,但兼顾进气效率和隐身的DSI出现后,再拘泥于老办法就说不过去了。

DSI是F-35首创的,但是被中国彻底白菜化。FCAS是第一架已知采用DSI的欧洲战斗机,NGF还是加莱特。

但FCAS在气动方面的进步也不宜彻底否定。FCAS的DSI的鼓包更大,前机身下侧壁更倾斜。更大的鼓包更加充分地利用DSI的气动特点。老实说,“枭龙”那样的小鼓包对DSI特点的利用是有限的,但那也是在基本气动设计已经确定后的锦上添花,还有技术风险和成本控制的考虑,与FCAS的全新设计不可相提并论。

更加倾斜的前机身下侧壁形成更加宽大、尖锐的前机身侧棱,导致更加强烈的前机身边条作用,有利于通过涡升力获得大迎角机动性,也提高侧向隐身。大侧棱对涡流控制是很大的挑战,前机身鼓包附近气流的三元流动也更加强烈,提高了分析和设计难度,但这与现有的F-22、歼-20相比,都是量变,不是质变。

FCAS是第一种实用DSI进气道的欧洲战斗机,看起来似乎在技术上有所进步,但这与F-22、歼-20相比都并没有根本性的提高

FCAS的浅V双垂尾也一样。V形双垂尾兼顾平尾和垂尾的作用,与常规的“四翼面尾翼”相比,重量减轻,隐身和减阻都更好,但飞控挑战更大。V形尾用作单纯的俯仰控制还好说,用于航向控制必须与副翼配合,抵消横滚倾向。事实上,由于大幅度转弯时需要顺向横滚配合,副翼的动作量还要加倍。

倒V形双垂尾倒是正好相得益彰,用于航向控制的时候顺便产生有利横滚,“捕食者“无人机上就是这样的,但在战斗机上没法用。

另一个办法是反其道而行之,把V形尾作为垂直安定面使用,像B-2一样用外翼段上下对称的扰流片组形成左右两侧的差动阻力,控制航向。

不管用什么办法,机动飞行时阻力代价稍大,飞控律则大大复杂化,全系统可靠性要求很高,而且问题随V形角度的增加而增加。F-18的V形双垂尾是出于边条涡流走向的考虑,角度接近垂直,比较好解决;F-22出于隐身的考虑加大了角度,但依然相对直立。两者都必须保留常规的平尾,缓解了飞控律的问题。

YF-23是主流战斗机设计中首先采用浅V双垂尾的,角度约45度。FCAS的角度更大,不超过30度,体现了对气动和飞控的信心。YF-23落选的原因之一是美国空军对其机动性不放心。近三十年后,FCAS重新拾起这一布局,或许当年过于超前的技术如今终于足够成熟了。但与DSI一样,这是量变,不是质变。

FCAS的机翼不再是简单的大后掠角三角形,而是后缘带有大型浅锯齿,接近麦道JSF的平面形状,但没有强调边缘对齐。后缘强调边缘对齐的话,气动影响太大,翼面积损失也太大。三角翼的气动优点已经为人们所熟知。三角翼需要至少中等后掠角的前缘,但后缘应该平直,顶多有浅前掠或者浅后掠,以尽可能保持三角翼的气动优点。浅锯齿的尖点附近气流情况复杂,但总体上还比较接近常规三角翼,这是在后向隐身和气动特性之间的最好折衷了。

FCAS的翼梢既不是三角翼的尖角,也不是后掠翼的平直截梢,而是突出的锯齿,比较特别。这既有隐身作用,也可能具有类似圆翼尖的作用,减少翼尖绕流,降低翼尖阻力。如果保留到生产型,将是独有的特征。

与去年范保罗航展上初夏年代NFG模型相比,今年巴黎展示的FCAS已经要保守了不少

与NFG惊艳的直立二维推力转向喷管不同,FCAS的尾喷管就是简单的带锯齿圆截面喷管,隐身不如大锯齿的二维喷管,但简单,推进损失小,不失为稳妥的选择。平直的二维喷管貌似简单,其实制造要求非常高。从模型上,难以确定是否具有推力转向能力,但推测应该有。

FCAS的发动机是另一个项目。在2019年巴黎航展上,法国与德国在签订FCAS研发协议之后,另外签订了发动机研发协议,由法国赛峰(前斯奈克玛)和德国MTU联合研制。坊间有提到FCAS具有超巡要求的。现在还不清楚这是否是正式要求,但浅V双垂尾是有利于减阻、有利于超巡的。

不过再减阻,推力要求还是大大高于亚巡。航展上没有公布新发动机的任何细节,包括推力级、推重比、尺寸和一般技术特点(如涡扇还是变循环),但估计不是斯奈克玛M88的简单放大。比照FCAS的机内武器舱,FCAS的重量级至少不低于F-35,需要超巡的话,发动机推力很难低于125千牛级,推重比可能需要达到10-11。考虑到增重和发展潜力,M88那样的中推简单放大到这一等级的大推的幅度太大,以全新研发为宜。

超巡战斗机的发动机推重比应该达到10-11,否则发动机重量在正常起飞重量里占比太大,压缩燃油、武器和电子系统的重量占比,影响战斗力。在技术上,法德没有已知在研的变循环发动机计划或者样机,要白纸起家,赶上2025年首飞可能来不及,估计还是深度优化的涡扇。

总体来看,FCAS是现有航空技术的深化和优化,与F-22、歼-20相比,顶多在第五代战斗机基础上进一步深化,并没有理念和关键技术上的突破,谈不上第六代。不过浅V双垂尾导致的扁平外形是除了无垂尾外最隐身、超巡阻力最小的,只是机动性还取决于法德的气动设计和数字飞控的功力。

早期的FCAS模型设想比现在更激进,在气动外形上体现了一些新设想,但进气道等设计显然并不是认真的

对于欧洲来说,不想抱紧美国的大腿的话,也只能自己开发了

在任务系统方面,法德没有过多说明,但常规的主动电扫雷达、内载电子战-被动探测系统、大屏显示、全向光电系统、数据链等应该是必不可少的。法德正在研发新一代智能化、小型化的机载武器,涵盖天空、地面和海洋,估计会成为FCAS的标配。但这些都不是只有第六代战斗机才可能具有的,F-18E Block III、F-15X、苏-35等四代半战斗机在不同程度上已经具备这些能力。

忠诚僚机和空战云也是一样,这不是第六代战斗机专有的。不过深度学习是有意思的挑战,这提出的问题比解决的问题更多。深度学习已经发展到“强化学习”(reinforcement learning),可以在“最大回报”方向上加强激励,在更短的时间内自动优化模型。

谷歌“阿尔法狗”还用3000盘人类最佳棋局作为训练的开始,第二代的“阿尔法狗-零”不用从任何人类棋局开始,很快达到和超过了第一代的能力,以至于谷歌宣布不再继续围棋人机大战方面的研究,电脑棋手战胜人类棋手已经不成挑战了,电脑的棋路在很多方面也超过了人类的理解。

但下棋是一回事,打仗是另一回事。不受控制、难以理解的人工智能不仅可能要了敌人的命,同样可能要了自己的命。深度学习是人工智能的一个分支,用人工智能辅助作战的最终目的是在有控制地情况下战胜敌人。惊喜是可以的,惊愕则是决不容许的。人类不能容许人工智能“自说自话”,做出可能失控的决策,不管是战略层面、战役层面还是战斗层面。

人工智能说到底是数学的一个分支,但在可预见的将来,人工智能的行为还无法在数学上严格分析,其结果无法在数学上可靠预测,这使得人工智能的决策不可信赖。仅仅靠保留“拔插头”机制是不够的,人工智能越强大,造成破坏的深度、广度、速度也越大。在可预见的将来,尤其在有人战斗机上,深度学习只可能在相对简单、明确的领域辅佐飞行员的决策,更像忠诚的哨兵,顶多是低级参谋。

这样的一种战斗机究竟“六代”在哪呢?


对于法国来说,这是“幻影”最后的血脉了



CF-105,Tsr.2也曾成为加拿大、英国航空工业的“最后希望”然而……

不管FCAS最终发展成什么样,这至少回答了一个问题:在“两风”之后,欧洲(不管是英国、法国还是德国)还会有下一代有人战斗机吗?看来是有的。欧洲曾经试图一步跨入无人作战飞机,但在靠谱的人工智能出现之前,自主作战的无人作战飞机是不可能的。与英国“暴风”只有“虚拟座舱”为最大亮点相比,FCAS至少更加有料一点。

德国加入法国阵营也可能决定性地改变未来欧洲战斗机世界的走向。在“阵风”之后,法国誓言再也不独立研制战斗机了,实在负担不起。英国也有同样问题。德国既是欧洲金主,又缺乏主导下一代战斗机研发的技术实力。德国的加盟既解决了下一代战斗机的投资问题,又不威胁合作伙伴国的技术主导地位,可能成为决定谁生谁死的关键。现在看来法国能活下来了。

英国或许还有美国大腿可抱。英国是F-35研发里唯一的“一级合作伙伴”,深度参与研发。或许英国也能通过参加美国第六代战斗机的研发保住香火,但这与“台风”时代的主导还是截然不同的。

FCAS的锣鼓已经敲响。尽管与波音737MAX的MCAS只差一个字母,两个CAS的人气和期望可是天差地远。希望FCAS的身世不要像MCAS那么坎坷。幻影世家需要子孙。


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