断线的金属风筝:夭折的复仇者II攻击机

2021-04-20 星期二
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当上世纪80年代,美军同步开启了三大新型战术飞机项目,即陆军的LHX(Light Helicopter Experimental 实验轻型直升机)计划,空军ATF(Advanced Tactical Aircraft 先进战术战斗机)计划和海军的ATA(Advanced Tactical Aircraft 先进战术飞机)。
三个项目不约而同的将隐身作为了设计重点。由三个计划诞生的F-22战斗机、A-12攻击机和RAH-66直升机三个机型是典型的实用化隐身技术的代表作品。最终由ATF计划诞生的F-22和由LHX计划诞生的RAH-66都在一定程度上重新定义了隐身飞行器在大众眼中的形象。
由其F-22,凭借其技术先行性以及强大的公关攻势,一度成为了“隐身战斗机”的标准形象。
由其F-22,凭借其技术先行性以及强大的公关攻势,一度成为了“隐身战斗机”的标准形象。
而相比最终进入量产阶段的F-22,以及进入原型机试飞阶段的RAH-66,最终止步于模型阶段的ATA项目则一直处于重重迷雾之下。甚至1991年1月项目被取消后直至21世纪初的相当一段时间内,该项目成果A-12不但技术细节处于保密状态,甚至连外形都不为人所知。相比另外两个有大量公关亮相的计划成品,ATA的成果一度成为了雾霾中的“黑计划”。好在,在德克萨斯州福特沃斯航空遗产协会的不懈努力下,ATA项目的A-12实体模型最终得以在埃兰斯机场的“航空遗产博物馆”正式公开。A-12怪异的三角板外形最终为众人所知。
自隐身战斗机概念诞生以来,一直是盛产各种稀奇古怪外形飞行器的分类。由其早期计算机技术尚不能支持对机体表明进行更为精细的外形计算前,诸如F-117这样外形上透着各种古怪的隐身飞行器层出不穷。
F-117的多面体造型是因为技术限制妥协的结果。
F-117的多面体造型是因为技术限制妥协的结果。
而在这之中,由A-12仅从外观而言就仿佛最为格式化的“隐身飞行器”外形。整体呈现干净的三角板式外形的A-12凭借其怪异的外形为大众所铭记。而该机作为三个新型战术飞机项目中唯一没有进入实机制造阶段的项目,其背后有着更多的经验教训

复仇者II的诞生

ATA项目的起源可以追溯到1981年到1982年,通用公司自主开发的项目。该项目旨在开发一型隐身战斗轰炸机用于取代并不成功的F-111战斗轰炸机。
后者因为研发时美军海空两大军种之间矛盾不断且国防部又强压推行联合研发,最终F-111成了美海空军两大军种航空兵都大感不愉快的机型。舰载的F-111B更是因为超重而被取消。
“少校,基于你的研究经验,对这架飞机有什么建议?”“扯掉机翼,在炸弹舱装上椅子,全机漆上黄色,然后把它当做高速出租车来用。”
“少校,基于你的研究经验,对这架飞机有什么建议?”“扯掉机翼,在炸弹舱装上椅子,全机漆上黄色,然后把它当做高速出租车来用。”
该项目在之后得到了空军的财政支持。概念原型参与了ATF项目概念阶段的竞标。而海军同期也需要为F-14、A-6研发换代机种。最初一度考虑以一种通用机型来代替F-14/A-6的任务。然而简单论证就发现舰队航空和攻击能力这两项要求很难兼容,而且全新机型势必需要时间研发与成熟,因此势必难以赶上2000年前后的换装需求。
因此在1983年,海军的需求分解为了三个平行推进的计划。前两个计划分别对F-14和A-6进行进一步的现代化升级以满足2000年前后的作战需求,即F-14D和A-6F升级计划。另外研发一型中程的隐身攻击机以应对更高风险的作战环境,即之后的ATA(Advanced Tactical Aircraft 先进战术飞机)项目。
现役机型的现代化升级型号能满足2000年前后的作战需求。而ATA项目则面向更高难度的计划。
现役机型的现代化升级型号能满足2000年前后的作战需求。而ATA项目则面向更高难度的计划。
出于分摊研发经费,扩大采购批量以压低单价的考虑,ATA项目在1986年3月成了海空军的联合项目,预计海空军总计会采购1100架。
一个略显尴尬的情况是,此时大部分隐身飞机计划都由空军出资进行。这导致在该领域拥有经验的洛克希德、诺斯罗普、波音、通用动力以及洛克威尔等公司都不是传统的海军供应商。为了保证竞标团队能拥有基本的舰载机设计经验,海军为ATA项目的竞标团队进行分组:拥有丰富舰载机设计经验的格鲁曼与诺斯罗普、LTV组成第一方阵,而同样拥有舰载机设计经验的麦道则和通用动力组成第二方阵。
两个设计小组间的竞争很快就决出胜负。相比诺斯罗普小组毫无新意且进展缓慢的缩小版B-2方案,通用-麦道小组基于通用公司原有概念设计演进而来的设计显然更有吸引力,而且后者以破纪录的17个月完成了原型机的工程设计。最终通用-麦道小组概念入选可以说是必然结果。
通用动力为ATF 概念设计提出C构型、T构型以及W构型,分别对应传统、无尾三角翼以及飞翼三个布局。最后由T构型参与了ATF竞标。而W构型则演变为了通用-麦道小组参与ATA项目的原型设计。
通用动力为ATF 概念设计提出C构型、T构型以及W构型,分别对应传统、无尾三角翼以及飞翼三个布局。最后由T构型参与了ATF竞标。而W构型则演变为了通用-麦道小组参与ATA项目的原型设计。
1988年1月,麦道-通用小组获得了一份总价值47.8亿美元的ATA固定价格合同。项目命名为了A-12 复仇者II(Avenger II)。而这之前,为了全面确保ATA项目推进,海军已经在1987年砍掉了进展不顺的A-6F项目。

殊途同归的作战角色

作为又一个联合研发项目,海空军对于A-12的需求有所不同。空军只是希望能获得一种用于替代F-111的隐身机型。因此要求其作战半径与载弹量介于F-117与此时研发中的B-2A之间。
而海军的要求则明显更为复杂和详细:不但在海上可以执行反舰作战,以及对陆作战时具备传统攻击机攻击移动目标的战术作战能力;同时应具备打击严密防空保护的中远距离高价值目标的准战略级能力。从角色而言,是海军现役A-7和A-6两型舰载攻击机的混合。同时,要求该机能够执行一定程度自卫空战,且起飞重量不超过29.5吨(即满足航母升降机可同时搬运两架)。
从任务要求而言,海军对于A-12的要求就是A-7和A-6的混合。
从任务要求而言,海军对于A-12的要求就是A-7和A-6的混合。
当然,两个军种对于A-12项目也存在相同的要求,即强调该机具备低空进入,在目标上空实行目视识别与精确打击的能力。
究其原因,此时美空军以服役的F-117和研发中的B-2A都是以高空轰炸为主的机型,对目标的攻击效果依赖弹药的制导精度与事先的侦察保障。这导致其打击任务的灵活性和应变能力相当不足。而美海军则由于传统习惯与航母平台无法起降远程战略打击飞机影响,更为重视战术打击与前沿空中管制任务,也需要A-12来扮演好“攻击机”的角色。
无论B-2还是F-117都是以高空轰炸为主的机型。对目标打击依赖精确制导弹药与事先的侦察保障。
无论B-2还是F-117都是以高空轰炸为主的机型。对目标打击依赖精确制导弹药与事先的侦察保障。

唯一答案的气动布局

此时已经完成研发并投入使用的F-117与研发中的B-2A和A-12一样均是追求全向隐身能力,以对地打击能力为主的机型。然而具体的隐身设计方面则存在较大不同。
排除时代带来的技术发展差距,最主要的影响就是A-12的任务设计。F-117和B-2A都是以夜间高空入侵目标为主要作战样式的机型,其执行作战时的飞行高度往往超过了预警机的巡航升限。因此这两种机型重点考虑腹部方向的隐身效果,对整体RCS影响较为明显的进气口与喷口结构都位于机体上方,由平坦的下机身遮挡。
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而A-12的主要突防形式为低空突防。通过地形屏障和路线规划,A-12基本能够回避地面雷达系统的威胁。而随着主要对手预警机系统的发展,其面临的主要威胁将是来自预警机雷达的下视照射。因此除了需要和传统隐身系统一样需要重点强化针对预警机雷达的隐身效果。
而考虑A-12需要执行繁重的战术支援任务,势必需要成为炸弹卡车式的角色,F-117A那样仅能携带两枚2000磅炸弹的载弹量显然是无法满足要求的。考虑隐身需求,内部安排大型弹舱是肯定的。而A-12作为攻击机并不需要和ATF一样追求空战机动性。因此种种条件总结下来的话,飞翼布局几乎就是唯一答案。
A-12三角形的飞翼布局几乎就是各种条件限制下的唯一解。
A-12三角形的飞翼布局几乎就是各种条件限制下的唯一解。
A-12最终呈现极其干净的三角形飞翼布局。由于没有垂直尾翼结构,其侧向受到雷达照射时的反射信号大幅降低。干净的三角形布局使得雷达反射波束汇集与垂直三角形三边的三个方向。最大限度降低了反射信号被捕获的概率。即使敌方雷达偶尔捕获三个方向的反射信号,也会因为迅速丢失信号而无法形成跟踪。
雷达反射波束汇集与垂直三角形三边的三个方向
雷达反射波束汇集与垂直三角形三边的三个方向
根据空气动力学理论,飞翼布局是理论上升阻比最高且内部空间载荷最有优势的构型。而A-12通过飞翼布局设计,获得了大容量的武器舱,除了至少有3000KG至3500KG载弹量的主弹舱外,还有一个挂载量达到1000KG的自卫武器舱,其载弹量不但远超F-117A,采用非隐身挂载形式时更是有望追平A-6的8165KG载弹量的水平。
作为机体反射信号大户,进气道和喷口是隐身飞机设计的重中之重。如F-117的的进气口就设计了格栅结构,通过1.9-3.8CM的网眼,来阻挡频率高于S波段的雷达波入射。
相比之下,A-12的进气口单就外观而言似乎有弃疗的嫌疑。就外观而言,除了进气道口有三层导流板结构外并无更多屏蔽手段。不过内部设计采用了严密的低信号设计。整体呈90度的进气道能够有效避免雷达波直接照射发电机扇叶形成巨大的反射信号。而配合经过严格设计的进气道口,反射信号会和机翼整体的反射信号汇聚,符合隐身设计的原则。当然,该机下方RCS达到了0.5㎡,显然是针对实战需求有所取舍后的结果。
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当然,隐身除了外形设计外,还需要配合蒙皮吸波处理。之前F-117A采用的是在蒙皮上粘贴雷达吸波材料的做法,而此时研发中的B-2则是将吸波材料与复合材料蒙皮一体化。这两种方案虽然都能对雷达波产生良好的吸收效果,然而问题也非常明显,且不说日后服役的战略轰炸机B-2需要专用设备的机库进行细致维护,已经服役的F-117A也需要在任务前后对蒙皮的雷达吸波材料进行细致的维护。
这对于拥有固定基地的空军而言属于能够忍受的问题,然而对于海军舰载机而言,不但航母平台上有限的空间对于维护操作是相当挑战,海上高盐高湿环境也会迅速导致涂层腐蚀,修复工作将会十分惊人。这些因素将会严重影响该机的出动能力。
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考虑该机主要是以海军舰载机为主要目标进行研发的项目,海军为此提出相当激进的方案,即舍弃表面的雷达吸波材料处理,转而进一步加强雷达吸波结构。即在飞机结构件内部和蜂窝材料内填充雷达吸波材料。除此之外,座舱盖部位则预计覆盖高透明度的电磁波吸收材料(其他机型使用的是会影响部分透光率的黄金镀膜或铟-锡镀膜)。
通过一系列措施,A-12基本达成了能够满足作战任务需求的隐身效果。根据通用动力的相关资料,该机前向RCS为0.03㎡,略高于F-117A。重点强化的上方RCS则控制到了0.0015㎡水平,甚至优于B-2A的效果。唯一遗憾的是下方RCS高达0.5㎡。不过这显然是针对作战样式进行合理取舍后的结果。
下方RCS水平和之后研发的F-18E/F相当。不过F-18E/F仅仅在无挂载的情况下才有可能达到这一数字,这在实战中是完全不可能达到的。
下方RCS水平和之后研发的F-18E/F相当。不过F-18E/F仅仅在无挂载的情况下才有可能达到这一数字,这在实战中是完全不可能达到的。
和同期采用飞翼设计的B-2一样,A-12的俯仰控制同样通过数字飞控系统,以副翼和扰流板完成机体的俯仰、滚转控制。

航电设计与动力系统

A-12采用的雷达系统为无源相控阵天线设计的AN/APQ-183,可以工作在X/Ku波段,X波段用于引导空空导弹而Ku波段用于目标搜索跟踪。天线布置形式酷似B-2搭载的AN/APQ-181雷达,都是安装于驾驶舱两侧的机翼前缘内的准共形五面阵天线。相比简单的单面式相控阵天线,五面阵能够安装更多的接收单元。借助相控阵的电扫能力可以同时完成下视和上视扫描。
作为隐身战机,A-12同样在主动信号隐身方面付出了相当努力。A-12搭载的APQ-183雷达和APQ-181雷达一样,大量使用了低截获率技术。不但通过相位控制技术大幅降低了旁瓣,还采用了自适应信号控制技术。
自适应信号控制技术简而言之就是在搜索目标时先以大功率搜索目标,发现后会立即降低功率并缩小扫描扇区。如果与目标距离缩短,还会继续降低功率。而在攻击机常见的地形跟踪飞行时,APQ-183并不会和普通攻击机搭载的雷达一样不断用雷达测绘地图。而是通过和惯性制导系统的辅助,只需要以一定间隔时间发射一次短脉冲获得雷达地图便可完成航线的确定。这些技术的采用使得雷达在大部分情况下都处于静默状态。
机载雷达本身就是一个大功率的信号源。如果不对信号加以控制,会使其他方面的隐身设计努力付诸东流。
机载雷达本身就是一个大功率的信号源。如果不对信号加以控制,会使其他方面的隐身设计努力付诸东流。
作为对雷达系统的补充,西屋公司为A-12开发了先进的多窗口被动传感系统。这一系统统合了前视红外、夜视导航、导弹接近警告以及激光测距/指示。其中红外观测窗口以固定球面阵形式获得360°全向视场,因此无需机械扫描结构。如果根据西屋公司自己的介绍,该系统针对MIG-29级别目标拥有150km的探测距离与25km的识别距离。
红外扫描系统采用全向固定设计除了提升识别速度外,另一个优点则是允许两名驾驶员分享同一探测系统的视野。即前作驾驶员监视空中目标时后座武器官可用同一套系统的视野瞄准地面目标并完成武器投放。
A-12遍布全身的黑色窗口即是多窗口被动传感系统的传感器窗口。
A-12遍布全身的黑色窗口即是多窗口被动传感系统的传感器窗口。
A-12采用类似任务战机常见的双座设计。驾驶舱一度考虑采用一种特殊的整体弹射逃生设计。逃生舱弹出后会伸出一堆短翼以进行较长距离的滑翔飞行。不过最后因为进度原因而被放弃。
座舱采用了当时先进的玻璃哈座舱设计。除了总面积2000cm²的七块显示屏外,还采用了先进的头盔显示器技术,驾驶员能够通过自定义方式将各种信息显示到头盔显示器上以减少低头观察仪表的时间。
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背后支撑电子系统数据运算的计算机系统由IBM生产。计算机系统整体采用了并行结构设计,由5个1.2KG的计算模块组成,全系统总浮点运算速度为7.25亿次/秒。不过由于负责统合三军航电系统设计的联合整合航电工作小组(JIAWG)的工作无法赶上ATA项目的研发进度,A-12依旧采用了传统的航电结构。
A-12搭载的发动机由F-18搭载的F404发动机发展而来。由于A-12并不需要进行超音速飞行,因此采用了无加力设计的F412-GE-400涡扇发动机。相比F404,F412的涵道比增加至0.8,燃油经济性更为出色,而且得益于F404发动机优秀的设计基础,F412的推力达到6837kg,推重比达到6.5水平。
该发动机在1989年进行了9000小时的运行测试达到了装机标准,之后该发动机也用于F-117A的改进工作,用于替换F-117装备的F404-GE-F1D2。
F412基于F404发动机发展而来。
F412基于F404发动机发展而来。

欲速则不达

如按最初计划,A-12攻击机会在1994年进入全速量产阶段。而根据调整后的采购数量,除了海军计划采购的620架与海军陆战队采购的238架,空军也考虑购买400架,采购总数将达到1200架以上。而根据海军的估算,A-12的作战半径将比A-4E延长60%,而平均故障间隔时间提高4.3倍,维护时间缩短60%。整体作战效率将增加5倍以上。
然而最终的结果却事与愿违,整个项目在1991年1月因为项目延期和原型机超重而放弃开发。究其原因,很多端倪可能在项目开始就已经显现。
美军为大型武器系统规定了通用的研发流程。即从阶段0概念探索与定义(CE/D)到阶段1展示与确认(Dem/Val)再到阶段2全尺寸发展(FSD)直至阶段3、阶段4的生产部署、使用维护。从上一阶段进入下一阶段都需要国防部国防系统采购与评估委员会(DSARC)进行审核。
三军同步进行的三个新型战术飞机研发项目只有资源最丰富的空军ATF项目完全遵照了这套标准的开发程序。YF-22和YF-23在进行Dem/Val阶段的对比试飞。随后获胜的YF-22方案进入全尺寸原型机阶段,最终发展为F-22。而陆军的LHX项目则省去了Dem/Val阶段的原型机对比试飞。改为在后加的Dem/Val第二阶段由获胜团队进行原型机试飞“补课”以验证设计成熟性。
而海军ATA项目的阶段0进行的相当仓促,ATA设计方案竞标阶段,诺斯罗普小组“缩小型B-2”方案进展缓慢,而通用小组则因为有通用动力之前的方案研发基础,进展神速。急迫想要换装新机的海军因此匆忙之中就放弃了进展缓慢诺斯罗普小组方案,随后更是直接跳过了阶段1,没有制造任何Dem/Val阶段原型机就直接进入了全尺寸原型机发展阶段。
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开发程序的一切就简为日后严重超重、项目拖延之类的问题埋下了祸根。很多问题本来是可以在Dem/Val阶段原型机被更早发现的,而通用动力-麦道开发小组糟糕的项目管理体制则带来了雪上加霜的效果。
按照最初计划,组成开发小组的两家成员会各自承但50%的工程。所有部件分别在德克萨斯的福特沃尔和密苏里的圣路易斯分别制造,最后在俄克拉荷马的塔尔萨完成总装。这样的安排对于两家而言显然是最为平等的。但是A-12大量采用复合材料的蜂窝结构,而通用动力在此方面的短板却相当明显。因此两家的进度一直难以合拍。
A-12根据部件划分了负责的生产商。不过通用动力在复合材料蜂窝结构方面的短板导致两家的进度难以合拍
A-12根据部件划分了负责的生产商。不过通用动力在复合材料蜂窝结构方面的短板导致两家的进度难以合拍
最终在1990年10月,两家重新分配了工作量。将几乎所有涉及蒙皮、翼桁和翼肋的制造任务全部交给了麦道公司。麦道公司处于利益原因自然照单全收,但是很明显高估了自己的生产能力。在这种相当不合理的任务分配下,A-12项目出现了严重的项目延期,而且原型机自重已经超出设计指标达3630kg,其起飞重量已经逼近蒸汽弹射器的35吨上限。
对于舰载机而言,超重会严重影响其在航母上的调度乃至正常的起飞。
对于舰载机而言,超重会严重影响其在航母上的调度乃至正常的起飞。
当然,军用飞行器开发过程中,延期和超重属于常见现象,一般获得充足经费支持后都能获得解决。如JSF这样的项目便通过不间断的资金投入最后克服了超重问题在可接受的延期后得到了可用的产品。
然而ATA项目尴尬之处在于经费问题。原本ATA项目属于海空军的联合研发项目,空军除了计划在该机基础上发展类似EF-111这样的电子战飞机,甚至考虑为其更换和ATF相同的航电设备以及F100发动机以实现空军机队间的部件通用性。
空军原本希望用A-12替代F-111机队。因此也考虑以A-12为基础研发电子战飞机。
空军原本希望用A-12替代F-111机队。因此也考虑以A-12为基础研发电子战飞机。
然而同期空军正在推进更为重要的B-2战略轰炸机项目。于是,1990年,空军权衡B-2项目和A-12项目的经费后,决定将A-12的采购延后到1997财年,且具体采购数量不定。这等于将A-12项目后续的投资负担全部转移给了海军。
显然对于空军而言,B-2项目的重要性高得多。
显然对于空军而言,B-2项目的重要性高得多。
海军在权衡手头经费后,决定将采购数量从最初的的858架减到620架。虽说之后海军陆战队表示可能采购238架而空军也表达了采购400架该机陆基型的意愿,但是预计的年产量减少到了36架,且单机价格也直接突破一亿美元大关。而此时该项目技术和项目管理方面的问题也逐步显现。研发预算已经超支9亿美元且首飞和服役时间都需要推迟18个月。
而随着柏林墙倒塌开始的一系列世界局势剧变,冷战态势将不可避免走向终结。时任国防部长切尼(Richard Cheney)要求国防部在1990年4月以前完成一份《重要飞机评审(Major Aircraft Review MAR)》报告以全面评审进行中的ATF、ATA和LH等主要军用飞机开发计划在新国际形势下的经济可承受性和必要性。最后在1991年5月,五角大楼在长达6小时的各方联席会议后决定取消A-12项目。

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(当然,活得过初一不一定活得过十五)
尽管美国海军一直将其视作军种竞争的结果,认为A-12被葬送的原因主要是为了拯救B-2项目。然而即使是海军内部,在对隐身技术的狂热冷静下来后也意识到A-12并非必不可少。
虽说A-12按计划甚至能够挂载AIM-120。但是笨重的的亚音速攻击机即使携带空空导弹也很难在空战中应对同级别的战斗机目标。一个更为冷静的思路是发展兼顾攻击与空战能力F/A型的机型。因此也就不难理解为何ATA项目取消后上马的AX项目最后也无疾而终。
诸如F-117N之类的方案显然无法做到海军在AX项目中提出的多功能战斗机要求。
诸如F-117N之类的方案显然无法做到海军在AX项目中提出的多功能战斗机要求。

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