画饼充饥——土耳其五代机计划浅析

  今年5月9日在伊斯坦布尔举行的国际防务展(IDEF-2017)上,土耳其展出了其未来战斗机TF-X的最新概念模型。这是该计划提出近7年来其设计方案的最新变化。这个模型是对之前展出的双发常规布局的进一步优化,体现出了土耳其空军对其国产五代机的最新定位。土耳其希望依靠TF-X满足其空军的未来需要,也希望通过这个型号的研制来振兴其本土航空工业,但显然这是一个并不容易的计划。

  雄心推动

  在北约中,土耳其空军可能是规模最大、装备最先进的空军之一,但是与之并不匹配的是这个国家航空行业依然萧条。尽管20世纪80年代曾在本土装配F-16“战隼”战斗机,并且在20世纪90年代还设计国涡轮螺旋桨教练机,但是发展一种第五代战斗机并使之能够与F-35“闪电”Ⅱ并肩作战则是另一回事。迄今为止,土耳其空军的主力战机均为外购,其F-16机群甚至是美国以外的最大F-16机队。而土耳其政府打算用TF-X计划来改变现状,一方面用本国研制的飞机武装空军,另一方面振兴本土航空工业。

  按照设想,F-35A将取代土耳其空军的升级版F-4E2020“终结者”和一些早期的F-16,而在21世纪30年代服役的TF-X将会最终取代剩余的F-16。可能会有人问,在已采购F-35甚至生产部分F-35部件的情况下,土耳其为何还要自行研制五代机。其实,进入本世纪以来土耳其一直追求武器自主化和来源多样化。尽管土耳其空军规模在北约中能排进三甲,但是土耳其一直是北约的边缘国家。特别是在冷战结束后,土耳其在北约的地位进一步下降,土耳其自感在北约中没有靠得住的朋友,于是大力推动武器装备来源多样化和自主化,先后推动了一系列非美式武器引进项目,韩国、意大利、中国的武器多次中标,实际上这次TF-X计划土耳其也向中国企业伸出了橄榄枝。

  另外,土耳其政府渴望到2020年代中期成为世界上最大的防务出口国之一,而为第五代战斗机开发传感器、先进的材料和制造技术肯定会推动这个目标。这些技术的发展也有助于带动该国经济技术的全面发展。

  基于这种考虑,2010年12月15日,土耳其国防工业执行委员会(SSIK)决定开发本土的下一代制空战斗机,以取代土耳其现役的F-16战斗机并与F-35配合作战。初期土耳其计划向项目投资2000万美元用于土耳其航空航天工业(TAI)进行概念设计,并于2013年年底完成概念设计。土耳其政府希望到2023年看到本土战斗机的原型机试飞,届时该国将在首都安卡拉纪念土耳其共和国成立100周年。

  2011年8月,TF-X战斗机项目正式启动,当时启动的是一个为期两年的概念研究。但由于土耳其自身制造战斗机的经验甚少,以目前的技术来说不足以让土耳其产出新一代的战斗机,因此在土耳其总统阿卜杜拉·居尔于2013年3月访问瑞典期间,就TF-X项目寻求援助。2013年3月13日,双方签署了一项《技术援助协议》,萨博集团将为土耳其的TF-X项目提供技术援助,土耳其航空航天工业(TAI)公司将购买萨博集团的战斗机设计。

  萨博公司其实早就对五代机进行过概念研究和先期技术论证,并提出了正常布局、鸭式布局多个方案。不过一直苦于找不到金主,难以将图纸化为成果。而韩国和土耳其分别向萨博投来橄榄枝,萨博也分别将其方案草稿“一稿两投”推荐给韩国和土耳其,其外形几乎完全相同,看上去就是简单地将KF-X代号更换为TF-X。

  不过土耳其并没有完全接受萨博的方案。基于土耳其空军的要求,和对本国工业能力的总体水平,主承包商土耳其航空航天工业(TAI)公司和萨博公司最终形成三个单座设计方案。这三个方案首次在2013年在伊斯坦布尔举行的国际防务展(IDEF-2013)上展出。

  从外形上看,它们已经和萨博公司的方案存在很大不同了,很显然是按照土耳其军方的要求进行了优化。

  但是,概念研究阶段于2013年9月完成后,该计划似乎停滞不前。直到2015年早些时候,土耳其国防部长为该计划进入初步设计阶段开了绿灯。似乎是对前期萨博公司提供的服务不够满意,军方向空中客车防务与航天、意大利的阿莱尼亚·马基(现在的莱昂纳多飞机公司)、BAE系统公司、中航技进出口公司和萨博公司发出了需求征询书,进一步扩大竞争范围。

  2016年初,BAE系统公司被选为TF-X计划的外国合作伙伴。2017年1月下旬,英国首相府宣布,在英国首相特丽莎·梅访问安卡拉期间,BAE系统公司与TAI公司的CEO签署了共同开发TF-X项目的协议。协议签署后将签订更为具体的合同,据称土耳其将支付给BAE系统公司超过1亿英镑的费用。

  当然,英国与土耳其合作研制TF-X也有自己的打算。英国打算通过合作维持其设计和研发能力。实际上,英国在上世纪90年代曾有一个“未来进攻性航空系统”(FOAS)计划,并进行了全尺寸模型的RCS测试。从外形来看,至少其隐身性能是很好的。但是目前来看,其设计可能尚未融入TF-X计划中。

  方案的演进

  2017年5月,IDEF-2017防务展上,TAI展出了TF-X的改进方案。该方案是之前展出的双发常规布局方案的进一步优化,目前尚不清楚这种优化是否是BAE参与计划的结果。

  从萨博最初的C-100和C-200方案到2013年的展出三个概念方案,再到2017年的最新概念模型,TF-X经历不小的变化,也体现出土耳其空军及TAI公司对五代机理解的变化。

  萨博最早提出的C-100和C-200方案实际上与土耳其空军无关,那是萨博公司对五代机的理解。这两个方案都是双发方案,毕竟对于五代隐身机而言,要求有内置弹舱,起飞重量很难降下来,如果使用单发设计,就需要一台大推力发动机。C-100和C-200使用了几乎相同的机身设计,但是C-100为常规布局,而C-200为鸭式布局。从其设计草图来看,C-100和C-200主要考虑亚音速巡航和亚、跨音速机动,未对超音速巡航做过多考虑。

  而到了2013年,TAI展出的方案就发生了不少的变化。其中,单发常规布局方案为FX-6,单发鸭式布局方案代号FX-5,双发常规布局方案FX-1。两个单发概念设想的最大起飞重量在5万磅(22.68吨)和6万磅(27.22吨)之间,而双发方案最大起飞重量6万磅(27.22吨)到7万磅(31.75吨)。

  三个方案中,有两个单发设计,一个双发方案,其中一个单发方案还采用了鸭式布局。而萨博的两个方案都是双发布局,这说明土耳其军方最初是倾向于单发设计的。单发方案居然占据了展出方案的三分之二,一个重要原因在于经济因素,这样的话可能与F-35构成高低搭配。但是五代机使用单发,几乎不可能是F414这种中推发动机,必然是推力12吨以上的大推力发动机(即便如此其推重比也偏低),其可选范围极为有限。

  其中使用单台发动机常规布局的FX-6方案,与F-35有些相似。FX-6方案在翼型选择上与印度最早公布的先进中型战斗机(AMCA)3B-01方案非常相似,该方案采用了一个很大拱形边条,并且圆滑过度到机翼。略有不同但是,AMCA的3B-01方案中,机翼前缘再次圆滑过度到翼稍,看上去颇有些类似上世纪70年代美、苏一些被淘汰的三代机方案中的S形前缘的机翼。过大的边条以及圆弧形状的机翼前缘,很容易向四周均匀反射雷达波,这不太符合五代机设计中,力争将雷达波集中反射到很小的角度内的设计思想。

  另外,和萨博的方案相比,其后掠角看上去更大,机身似乎拉长,这都是有利于降低超音波阻的设计,表明土耳其军方或许对这种单发四代机提出了超音速巡航的需求,至少是对该机的加速能力要求较高。

  另外一个单发方案(FX-5)采用了鸭式布局,机翼为大型三角翼,飞机的敏捷性更高。这两个概念模型都包括了第五代战斗机匹配的设计元素,例如小的机身,以降低雷达反射截面积,内部武器舱以及超音速巡航能力和先进航电系统,包括有源相控阵雷达。

  除此之外,还有一个双发的FX-1方案,而这个方案最终演化为今年5月份展出的最新方案。

  最新的进展

  2017年,TAI展出的最新模型表明,其已经放弃了单发方案,从外观来看,新方案似乎是在原来的FX-1方案上优化而来,最大的变化在于水平尾翼似乎是移植了XF-6的平尾(类似F-22平尾的设计)。不排除未来TAI和BAE进一步对其优化的可能,但是这个方案很可能体现了计划于2023年左右首飞的那个原型机的主要特征。

  首先,相较于FX-5和FX-6,继承自FX-1的方案具有最好的隐身设计。该机前机身采用了多平面、非圆截面设计,前机身的每个平面都有空间倾角,这种设计能够将从正、侧面射来的雷达波反射到侧面40度以外的方向,大大降低主要威胁方向的雷达散射截面积(RCS)。另外,其边条也较小,呈直线设计,隐身方面优于FX-5的鸭翼和FX-6的边条。

  最新的TF-X设计严格遵循了各个面、线平行的隐身设计原则。机身的上侧面则与机翼融为一体,机翼采用了前缘后掠角约40度的中等展弦比和根梢比较大的机翼,大根梢比机翼的根弦较长,对机身侧面的遮蔽效果较好。平尾也与主翼布置在同一水平面上,并与主翼的后缘相连,对机身侧面起到遮蔽的作用。该机采用了的大量的平行面和线。其主翼、尾翼和的前缘平行,主翼和平尾的前后缘平行,进气道侧壁与垂尾平行,甚至座舱盖的侧面与前机身上侧面也基本平行。多面相互平行将让雷达波的散射集中指向有限的几个方向,且角度很小,其它方向的散射波束则非常弱。这样,尽管敌方雷达可以短时间捕捉到主方向的反射波束,但是随着飞机姿态的微小改变,这些波束会变得“飘忽不定”,进而让雷达无法稳定跟踪。此外,进气口上下唇口相互平行,且与机翼、边条前缘平行。

  发动机叶片是一个巨大的雷达反射源。该机采用了S型进气道,同时通过两种途径来遮挡发动机叶片,一个是内部武器舱,另一个就是将座舱布置在发动机正前方,也就是说采用了发动机小间距设计,确保发动机不会暴露于前方射来的雷达波中。

  内置武器舱也是隐身机的标配。F-35的武器舱可携带4枚AIM-120中距导弹,要知道,AIM-120在中距弹中的体型已经是比较小的了。而继承自FX-1方案的最新TF-X,很可能像前者一样拥有两个弹舱,这两个弹舱在隐身机中可谓独树一帜,可携带两枚近距格斗弹加4枚中距弹。其中,前武器舱位于进气道之间,装备两个小型近程空对空导弹,而第二个武器舱位于发动机前,将可以内置4枚尺寸与AIM-120相当的中距导弹。

  另外,新的概念可能舍弃了最初设想的超音速巡航能力。在FX-1方案上,其机翼后掠角较大,采用了相对厚度较小的翼型和碟形机翼,而且机身明显较长,上述设计可大幅降低波阻,有利于减小超音速巡航阻力。这是具有超音速巡航能力的五代机,例如F-22和T-50的共同特征。从空气动力学的观点来看,大后掠(如60到70度)小展弦比机翼的超音速气动效率最高,但这种机翼的亚音速效率低,影响飞机的亚、跨音速机动性。对于新一代战斗机,其机翼设计需要中和多方面相互矛盾的需求,这决定了五代机的机翼后掠角基本保持在40度到50度之间。FX-1方案采用的机翼,其后掠角明显大于F-35,更有利于超音速巡航。

  而在新方案中,机翼后掠角疑似变小,机身长细比似乎也减小,显示该机可能抛弃了超音速巡航的需求。对于一架成本较低,而且载油量有限的中型机来说要求超音速巡航有些苛刻。当然,对于中型五代机来说,过度追求超音速巡航造成的恶果是大幅降低航程和滞空时间。原本双发中型机的载油量就屡遭诟病,F/A-18A/B和米格-29都遇到了滞空时间不足的问题。而超音速巡航使用的薄机翼将会恶化燃油携带量。在五代机中,追求超音速巡航的F-22A采用相对厚度较薄的机翼,加之多出两个小弹舱导致其载油量还不如F-35多。如果进行超音速巡航,又会增大燃油消耗率而恶化航程。如果进行亚音速巡航,由于进行了超音速巡航优化,自然会降低亚音速的巡航效率。如何优化超音速巡航和航程,显然是中型隐身机的一大矛盾。

  未来走向

  今年TAI公司展示的TF-X模型显示该机似乎按计划有条不紊的推动。但实际上,该计划却暗流涌动,以至于有人担心2023年首飞的将不是原型机,而是“EAP风格的验证机”。土耳其军事电子工业企业Aselsan公司正在致力于先进航电概念,而土耳其空军借给TAI公司一架双座F-16战斗机测试这些技术。这些技术可能包括一个双屏的多功能显示器座舱,此外Aselsan还在发展有源相控阵雷达。

  曾经制约TF-X计划的最大问题是发动机,而2015年1月20日,Aselsan公司宣布已与欧洲涡轮喷气发动机公司签署合作备忘录,并表示欧洲涡轮喷气发动机公司的EJ200发动机衍生型将会用在TF-X上之后,这个问题似乎从很大程度上得到了解决。“台风”战斗机的动力EJ200是这个级别中最好的发动机之一,完全能够支持起飞重量刚刚超过30吨的TF-X。

  对于TF-X计划来说,最大的拦路虎可能还不是技术问题,而是该计划的组织者。国外合作伙伴在该项目中所扮演的角色没有得到充分理解或者确定。BAE系统公司到底是负责项目的监督评审工作还是作为一个积极的开发商全面参与设计和研发尚不清楚。少量BAE系统公司的人员已经进驻安卡拉开始工作。

  更严重的是,去年7月15日,一场针对土耳其政府的失败的政变导致对该国军事、司法和行政事务单位的广泛清洗,15万人丢掉自己的工作或者被拘留和监禁,其中就包括空军司令,当时他正在负责TF-X计划办公室。而且很多来自方案办公室的员工被解雇了。

  随着日复一日的延迟,2023年原型机飞过安卡拉天空的可能性越来越小。TAI官员表示,最终,类似BAE的EAP风格的验证机很可能会替代TF-X原型机进行首飞。

  文/张亦驰

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