种两侧进气的双发轻型战.doc

再谈F5 F5是美国诺斯罗普公司研制的一种两侧进气的双发轻型战斗机。作为美国的“军援”战斗机，F5系列的飞机虽然曾装备过30多个国家或地区的军队，但并没有受到太多的重视。在许多航空或者军事爱好者眼里，这只是美国为了援助其盟友和开发第三世界战斗机市场而研制的一种“性能上接近米格21”的低档战斗机。不过，如果我们仔细地去考察和分析一下它，就会发现，即使是这样一种刻意降低档次的飞机，在它身上也能体现出美国强大航空技术的痕迹。F5系列的战斗机较好地实现了技术和战术，性能和价格的综合，在许多细节方面，体现了美国飞机设计制造的丰富经验。在美国研制的诸多型号的飞机中，F5不失为一款成功的作品。而且美国海军的TOP GUN中队也长期采用F5来作为假想敌模拟战斗机。能够做为假想敌来训练海军优秀飞行员，可见F5的性能必然有其长处。 发展历史 F5的历史最早可以追溯到20世纪50年代初期。1954年，美国诺斯罗普公司的一个小组考察了北约和东南亚一些国家的防务以后认为，应该研制一种轻型的超音速战斗机，这种飞机必须是廉价和易于维护的，而且具有短距起降的能力。1955年，这种设想中的飞机开始设计，并被赋予了一个公司编号N156。N156有多种方案，最终的方案为N156F。另外有一种是与其相类似的双座高级教练机，编号N156T。这两种方案被提交给美国军方以后，首先被美国海军所否决，美国空军最初也对这种轻型廉价的低档战斗机不感兴趣。但是后来美国空军打算用一种新的教练机去更换老的T33教练机，N156T方案被选中，并于1956年开始设计，军方编号T38。 N156F并未受到重视，但是诺斯罗普公司自己仍然决定继续这个项目。后来美国空军也开始意识到N156F的价值，打算把它作为一种低档战斗机，用来援助美国的盟友中那些国力相对较弱或者不愿承担高额空军费用的国家。1958年，N156F被赋予了一个很“政治化”的名称“自由战士”，并开始制造原形机。1959年7月30日，N156F的原形机首飞。1962年，经过和其他几种飞机的竞争，美国国防部宣布N156F被军援计划（MAP：Military Assistance Program）选中。1962年8月9日，N156F正式被赋予F5A的编号，绰号“自由战士（Freedom Fighter） ”，它的双座教练型机称为F5B。 N156F 1965年，在越南战争中，由于重型战斗机维护起来很麻烦，美国空军一度考虑过采用相对简单而且便宜的F5战斗机。为此，一批F5A经过改进以后进入越南进行实战测试，这项计划被命名为“Skoshi Tiger”。美国空军原来打算准备把自己装备的F5战斗机赋予编号F5C，及相应的双座型F5D。但是这项计划在测试结束后就取消了，F5C/D并没有成为现实。 美国空军宣布了一项国际战斗机计划（IFA）作为F5的后继者，要求其空战能力更强一些，主要对手就是前苏联设计的米格21战斗机。有8家公司参与了竞争，最后诺斯罗普公司用J85-GE-21发动机改装的F5A-21获得胜利。经过改进的飞机最后获得编号为F5E，绰号Tiger II（因为“Skoshi Tiger”计划而来）。1972年8月11日F5E首飞成功，1973年开始服役。F5F是F5E的双座教练型。 诺斯罗普公司共生产了1871架F5系列的战斗机，由加拿大、荷兰、西班牙、韩国、瑞士和台湾等国家或地区授权生产了776架。1987年F5E在美国停产，不过以后又用多余的散件装配了一些，最后一批在1989年交付。 气动设计和空战性能F5虽然号称是廉价低档的轻型战斗机，不过仔细考察一下它的机动性能，发现它相对同时代的战斗机来说，并无多少逊色。下面是F5A、F5E和米格21战斗机基本性能的对比。F5AF5E米格21米格21翼面积 （m2）14.3817.292323空重 （kg）3670435057006050正常起飞重量 (kg)6100701478208350空战重量 (kg)5210606069597650最大起飞重量93791120291009680最大机内油量 (kg)1851206122262366发动机推力 (kgf)(最大/全加力)1234/1815（两台）1590/2270（两台）3900/61754500/7200转场航程 (km)2597294715501900最大速度 (Ma)1.41.632.052.05实用升限（m）15400158001870017800最大爬升率 （m/s）154175155167起飞/着陆滑跑距离 (m)808/915610/762820/1000800/950最大允许过载（g）7.37.337.07.0瞬时盘旋率 (o/s)（海平面）14.3181916稳定盘旋率 (o/s) (5000米高度)10119. 77.7 不过要注意表中的数据在计算标准上有些差异。F5的空重是纯空机重量，米格21的空重是使用空重，包括了人员、不可用燃油、部分配重以及一些设备的重量。表中的F5的爬升率和盘旋角速度是在半油的状态下计算的，而米格21的性能是在机内满油的状态下计算的。如果按照满油的状态计算，F5的爬升和盘旋性能相应会有些下降。我们在分析飞机性能数据时，应该注意这些计算标准上的差异。 从表中可以看出，同时代的F5和米格21相比，F5的爬升率要略低于米格21，但是盘旋性能，尤其是稳定盘旋角速度要优于米格21。 飞机的爬升性能主要取决于推重比、翼载荷以及阻力系数。在其他条件相同的情况下，推力越大爬升率越高。但是，飞机做直线飞行时，不但要考虑推力，还要考虑阻力。在阻力方程中，飞机的阻力和机翼面积成正比，如果机翼面积越小（相应的，翼载荷就越大），阻力就越小。F5虽然推重比远低于米格21（在正常起飞状态下，F5A的推重比为0.6，F5E为0.64，而米格21为0.81，米格21为0.86），但是F5的爬升率与之相比差距并不大，其中一个原因就在于F5的机翼面积相对较小，翼载荷较大。 凡事有利必有弊。减小翼面积虽然能减小阻力，但是飞机的升力也是和机翼面积成正比的，在其他条件相同的情况下，减小翼面积必然降低飞机的最大升力，这样就会降低飞机可以达到的最大过载，也会降低飞机的盘旋性能。飞机做盘旋机动时，有两种基本情况：瞬间盘旋和稳定盘旋。做瞬间盘旋时不要求保持飞行速度和高度，飞机以最大升力侧飞，升力提供向心力。做稳定盘旋时要求保持高度和速度，则飞机必须以一定坡度侧飞，升力的垂直分量用以平衡重力，水平分量提供向心力。另外在速度轴向上发动机推力必须等于阻力。如下图所示：由此可见飞机的瞬间盘旋性能主要取决于飞机所能获得的最大升力，而稳定盘旋则要求在增大升力的同时尽量减小阻力，主要取决于亚音速时的升阻比。F5虽然翼面积较小，但是机翼后掠角小（前缘后掠角32度，米格21为57度），升力线斜率较大。尤其是采用了边条翼的布局，大大提高了飞机的升力系数，弥补了机翼面积小造成的升力损失。F5所采用的中等后掠角中等展弦比（展弦比3.82）的机翼非常适合高亚音速和跨音速区域的飞行，在这个区域里升阻比较大，F5E的亚音速升阻比的估计值约为10.7，而米格21约为8.4。亚音速升阻比高对稳定盘旋性能和巡航能力都有利，也有利于提高飞机的短距起降能力。从上表的数据可以看出，F5的起飞和降落滑跑距离明显低于米格21。 下图是F5E的盘旋性能图，从图中可以看出，飞机一般在马赫数0.7至0.9的飞行区域里盘旋角速度最大。如果飞行速度过低则升力不足，如果飞行速度过高则阻力太大且盘旋半径偏大，都不利于提高盘旋角速度。 飞机的机动动作是由最基本的爬升和盘旋组合起来的。从上面的对比可以看出，F5在设计上主要是考虑亚音速和跨音速区域的机动性能，而米格21则更适合超音速截击作战。下面是它们的飞行包线的对比，从飞行包线图上更清楚地反映了这一点。其中图中阴影部分是格斗空战最多发生的区域。飞机在这个区域里机动性能一般最好，在进入格斗空战时，飞行员一般都要增速或减速，以使飞机进入该区域，从而获得最佳的机动性能。 另外，衡量发动机推力的时候还必须考虑发动机的推力曲线和飞机的进气效率。发动机的性能，一般给出的只是地面测出的台架推力值，但在实际飞行当中发动机推力随速度和高度的不同而有较大的变化。飞机的进气系统的效率也会影响发动机的推力，如果进气道设计不当，导致进气道总压恢复系数降低或者进气量不足，都会使实际推力大大降低。F5的整个推进系统，包括发动机的推力曲线和进气道的形状，主要是为了适应高亚音速区域的飞行而设计的，而米格21不可避免地要照顾到超音速飞行的需要。因此，在实际飞行当中，F5的推进系统应该更适应机动作战区域的要求。F5为了获得较好的机动性能，还采取了一些在当时比较先进的气动手段。从N156F开始就采用了前缘襟翼，但是仅在起飞和着陆时使用。在F5E上改进为机动襟翼，该襟翼和后缘襟翼联动，在速度不超过Ma0.95的时候起作用。起降或低速机动时前后缘襟翼分别放下24度和20度；中速机动时前后缘分别放下18度和16度，或者12度和8度；在巡航时前缘襟翼收上，后缘放下8度；在超音速飞行时都收上去。在采用这样的变弯度设计，可以提高飞机的抖振边界和最大升力系数，在给定的升力系数范围内，可以取得较高的临界马赫数，改善亚音速巡航和机动性能。尤其是在低速情况下，最大升力系数增加较多，诱导阻力因子也相应下降。采用前缘襟翼还能改善飞机的失速性能。总之，采用变弯度机翼，可改善飞机在亚音速情况下的起降、机动和巡航性能，但是增加了超音速状态下的诱导阻力和波阻，降低了飞机的超音速性能。 F5A三视图 F5E三视图 从N156F开始，就在机翼上采用了边条翼的设计。最初的边条翼形状为三角形，面积仅相当于主翼面积的2.2%。由N156T发展而来的T38的主翼形状和F5A相同，但是由于F5A采用了边条翼的设计，最大升力系数比T38增加20%。F5E进一步改进了边条翼的设计，才用双折线的外型，面积增大为主翼面积的4.4%，最大升力系数比T38增大50%。同时这也降低了飞机的纵向和方向安定性。这在F5E上尚属于可接受的范围，但是由于F5F的机头比F5E长了约1米，细长的头部降低了飞机的方向安定性，因此在F5F上增加了一对翼刀。为了改善飞机的安定性，诺斯罗普公司对边条翼的形状进行了大量实验，最后决定在F5E的边条翼上增加一块小的三角形面积，这样的设计可以使最大升力系数的增量达到70%（相对于T38），而且还能改善飞机的安定性。以前的型号称为A标准，改进以后的称为B标准。 F5A和F5E均采用两门20mm M39航炮，在对空作战时可以携带AIM9导弹。其机头下垂，座舱视野开阔，下视视角11度，比米格21大3.3度。飞机外型尺寸较小，发动机尾烟清洁，使之在格斗中的目视目标非常小，不容易被对方飞行员发现。虽然F5的外型尺寸较小，但是座舱还是尽量做得比较宽大，使飞行员坐进去不感到局促。仪表布局也比较合理，使飞行员可以集中精力注意舱外的情况。这体现了美国武器对人机工程方面一贯的重视。而早期的苏式飞机在这方面相对就较差，米格21的座舱非常狭窄，容易使飞行员疲劳，从而降低了持续作战能力。这些不能进行量化比较的性能，反而往往是影响战斗力的重要因素。综上所述，F5主要设计点在高亚音速区域的格斗，用很低的推重比就实现了优良的起降、巡航和盘旋、爬升性能，尤其是稳定盘旋性能超过米格21。米格21与之格斗的时候不适合进入水平机动。但是米格21的推重比较大，水平加速性优于F5，升限和最大马赫数大大超过F5，因此米格21在作战上应该尽力保持主动，从高空高速进入截击，如果作战不利则直线加速摆脱对手，而不宜与F5进行缠斗。 作战半径和对地攻击能力 F5E有两个翼尖导弹发射滑轨和5个外挂点。一般可以在机腹下携带一个1041升的副油箱，还可以在机翼下各带一个。当它携带三个副油箱和两枚响尾蛇导弹时作战半径可以远达1084公里，带两枚MK82炸弹和3个副油箱时的高-低-高遮断半径为917公里，低-低-低半径为621公里，最大炸弹载荷时作战半径194公里，最大转场航程2947公里。对于这样的轻型战斗机来说，具有这么大的作战半径是十分难得的。相应的米格21战斗机带三个490升的副油箱时作战半径只有350到450公里，最大转场航程1900公里。F5E还可以增加空中加油装置。在机鼻右上方增加一个加油探头和受油嘴，可以由KC130和KC135加油机进行加油，加满内部油箱和三个副油箱的时间为7分钟。通过空中加油，可以增大F5E各种任务下的作战半径37%至69%。 F5的最大载弹量也比较大。F5E的最大外挂重量为4745KG，有效载弹量3324KG。相应的米格21的外挂重量只有1000到1300KG，即使米格23战斗机，最大外挂重量也只有3589KG，有效载弹量2075KG。可见F5的挂载能力是十分惊人的。 F5具有这样的挂载能力，首先与其设计任务有关。最初设计F5的时候，就是以对地攻击能力为主。它所采用的中等后掠角中等展弦比的机翼在亚音速区域升阻比较大，这样可以在小阻力的情况下获得较大的升力。边条翼和变弯度机翼进一步提高了升力，减小了诱导阻力，这些都有助于提高挂载能力和增大航程。F5的机体结构设计也较合理。它的尺寸和米格21相当，但是F5A的空重仅3670KG，F5E也不超过4500KG，远低于米格21，而F5E的最大起飞重量11202KG，超过了米格21，这显然能使之获得很大的挂载能力。 F5E可以携带多种对地攻击的武器，包括MK82/MK84无制导炸弹，CBU24集束炸弹、小斗犬空地导弹、小牛空地导弹以及激光制导炸弹和无控火箭等等。F5系列的战斗机有很好的低空飞行稳定性，投放无制导武器的时候精度较高。F5E加装可横滚稳定的AN/ASG-29瞄准具，进一步提高了投弹准确性。F5E进行俯冲轰炸时投弹的圆概率误差在16米到18米之间。F5E的设备舱空间较小，不能装备过多的电子设备，所以在现代空战条件下执行复杂对地攻击任务的能力非常有限，不过仍然不失为一种廉价而性能优良的近距支援战斗机。 发动机和机载设备 F5A采用的是J-85-GE-13。最大军用推力2720磅，加力推力4080磅。F5E采用改进的J-85-GE-21发动机，最大军用推力3500磅（1590KG），全加力推力5000磅（2270KG）。其基本性能如下： 重量330KG长度2858mm直径533mm压气机级数9增压比8.3空气流量24KG/S最大军用推力2270KG全加力推力1590KG军用状态耗油率1.0 KG/KGf/H全加力状态耗油率2.13 KG/KGf/H F5A的机载航空电子设备相对比较简单，包括一个普通光学瞄准仪、塔康导航系统、超高频电台、罗盘和敌我识别器，没有火控雷达和电子计算机。F5E改进了电子设备，增加了一台AN/APQ-153火控雷达（或者是AN/APQ157、AN/APQ159），采用可计算前置角的瞄准仪，CADC大气数据计算机及盲降系统等。其中AN/APQ153火控雷达的最大探测距离为33公里，在导弹状态测距范围150-18500米，锥型扫描，可以为红外格斗导弹提供目标位置数据。在机炮状态下为机炮射击测距和计算前置角。大气数据计算机可以计算飞机的高度、表速、马赫数、空速和攻角。 F5E的电子对抗设备包括雷达告警器、箔条/红外干扰分配器和外挂的保形干扰系统（CCS）。其中CCS系统采取保形外挂的方式安置在机身或者机翼下，可以接受雷达告警型号并产生雷达欺骗信号和噪声干扰信号。系统全重仅23公斤。 F5系列战斗机的电子设备总的来说追求轻便简单，但是要求可靠性高。但是相对于其对手米格21，它的电子设备还是齐全得多。尤其是采用了两侧进气的方式，机头的设备舱有较大的空间安装火控雷达等电子设备，而机头进气的米格21要做电子设备方面的改进则费尽周折。 可靠性和可维护性 F5作为一种“军援”战斗机，考虑到使用国的技术能力的限制，一个重要的设计要求就是简单可靠，易于维护。因为整个系统相对简单，F5的可靠性一直就比较好。这里有两个参考量，一个是可用度，以能够随时出勤的飞机的比例来衡量。七十年代和八十年代统计的数据表明F5E的可用度在0.6到0.8，而同时期F4只有0.5到0.6，F14也差不多。另一个数值是MTBF（平均故障间隔时间）。1982到1983年的统计显示，F5E的这个数据是3到4个小时，而同期F4是0.7到1.2个小时，F14是0.64到0.83小时。这些数字说明F5因为系统简单，可靠度还是比较高的。 另外F5在可维护性的设计上也有很多好的经验值得借鉴。譬如它的检修口盖设计成下面这样的形状，这样在回装的时候防止错位。又如，F5E在座舱底部设计了排水口，如果雨天座舱积水，可以自动排水。而歼6战斗机无此设计，如果露天停放需要用蒙步将座舱密封，否则一旦积水就会锈蚀里面的设备。另外，F5的设备舱布置较为合理，相同类型的设备集中在一起，不同类型的设备分开安装，这样，检修时不同小组的人员就可以同时工作而不会互相干扰。这些细节上的成功设计，体现了美国航空科技人员丰富的设计经验。这是从大量的型号设计和长期的使用维护中获得的。这也说明航空技术和其他许多领域的技术一样，需要在长期的实践中获得进步。如果