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战斗机弹舱武器配置

时间:2022-12-12 15:05:09 来源:网友投稿

zoޛ)j馑vuoӠiv駲ۿ駭5计划装备PL-5时,为避免导弹发射影响飞机操作,开发过弹射式发射装置,但效果不理想,没成为标准化装备。

F-22采用弹舱装载AIM-120C导弹,必须采用抛放方式将导弹推离机身环流影响范围。但弹舱本身有固定的深度,使F-22抛放AIM-120C到点火位置的垂直距离,比外露半埋挂载的F-15C要大很多。抛放距离增加势必影响到导弹的姿态稳定。假设F-15C抛投AIM-120C的稳定距离是3米,F-22则要再加上弹舱深度。弹舱盖打开后还会在舱口形成强烈的气流冲击,为保证导弹脱离飞机时保持稳定姿态,F-22机身弹舱采用机械式折叠抛放挂架,通过挂架的垂直运动赋予导弹脱离机体的动能,使导弹稳定通过弹舱口和机体附面层气动干扰段。同时,靠弹架伸展高度弥补弹舱深度,使导弹从脱离弹架到点火的距离与外置抛放发射的战斗机接近,AIM-120就不需要针对机种进行指标调节。机械折叠挂架垂直伸缩度较大,还有利于在地面上的导弹挂载和系统检修。导弹挂架与导弹弹体接触的长度比较小,利于安装导弹时充分利用弹舱空间。

另一方面,机械折叠挂架的运动机构较多,机械和控制系统的关联也较复杂,存在发射后挂架无法收回的可能。按战术要求,隐身战斗机的弹舱必须保证外表完整。弹舱门的运动可靠性相对容易保证。为避免发射架故障影响飞机隐身,目前采用的方式是在结构尺寸上进行限制,保证发射架完成发射后一旦回收出现故障,全展开的发射架高度仍小于弹舱深度,不会影响弹舱门关闭。

F-22发射架的这种技术要求,必须在弹舱下留出足够空间。而F-15SE利用保形油箱开发的机身弹舱,采用架上发射与舱盖随动的AIM-120C,内载单枚AIM-120C的弹舱空间相当规整简洁,所占空间也比F-22小,但这也使F-15SE的弹舱难以容纳其它载荷(估计AIM-9X可以),缺乏任务灵活性。

弹舱与空空导弹翼面设计

限制空空导弹在弹舱内装载数量的关键是翼展和翼面。导弹的弹体尺寸越大对气动控制面的效能要求越高,气动面面积就越大。而弹翼的内侧弦长受导弹弹体内空间限制,不能太长,特形翼面的应用也受整体气动限制,结果就只能是增加空空导弹翼展以保证必须的翼面积,从而保证必须的过载性能。

空空导弹的过载要比目标飞机过载大3倍,才能在正常条件下抵消目标飞机摆脱机动的影响。空空导弹的有效作战距离是指导弹可保证不低于80%的理论命中率。早期机载中距弹以轰炸机为主要目标,兼顾在全天候条件下迎头拦截战术飞机,导弹过载值大都在20g左右,依靠较大威力战斗部保证毁伤效果,攻击机动目标的效果并不好。越战中米格机针对“麻雀”Ⅲ的“迎头反扣急拉杆”摆脱动作成功率很高。中距弹在中东战争中的作战效率也远不如格斗弹。装备三代机的新一代中距弹作战范围扩大,不但可拦截轰炸机,还是空战的主战武器,导弹本身的导引精度和引信灵敏度很高,机动过载指标提高到30g的较高标准,具备攻击战斗机的过载能力。通过对中距弹技术的改进(如AIM-7M从早期型的全程静安定状态改进成发射初期静安定状态),以AIM-7F/M为代表的新型中距弹,在海湾战争中的战果已超过格斗弹。除法国“米卡”采用矢量技术外,其它中距弹大都靠气动控制,最大过载值均在35-50g,过载值甚至比80年代初期的AIM-9L还高。

采用固体火箭发动机的中距弹的动力段时间并不长,往往在接近目标时已处于惯性段,消耗完燃料的弹体后段已是个空筒。中距弹固体火箭发动机的薄壁壳体强度并不高,因为增加发动机段弹体强度会导致结构重量加大,容纳火箭药柱的空间也会减少,从而影响导弹的射程和速度。由于导弹前段的引战系统是固定设备,后段的动力段燃料则在飞行中有明显消耗,所以导弹的控制面设置必须考虑到重心变化。从一般空空导弹的结构看,小弦长稳定翼面的位置应在发动机段的前端,由此也可以判断出一型中距弹的动力段长度,通过动力段比例也可以确定该弹的射程标准。AIM-7导弹采用独立的弹体中段控制翼面舱段,其后才是发动机燃料段,控制翼面位置限制了发动机长度和导弹的射程。AIM-120采用尾控制面布局,弹体中段小尺寸稳定翼面主要提供导弹升力,尾控制面驱动系统利用发动机喷管空间安装,主体结构与发动机段重叠,更好地利用了导弹内部的有限空间,并可利用控制面与弹体重心距离远的特点,用小翼面产生比中置的大控制翼面(如AIM-7的布局)更强的控制力矩,也比前置控制翼面布局(如R-27导弹)的舵效好。尾控制面布局的缺点是翼面积不大从而限制了与控制力矩的提高,而且控制面驱动系统的功率也受弹体尾段空间的限制。采用尾控制面布局的中距弹,弹体中部的稳定翼是保持弹体升力的主翼面,翼面越小升力性能越差,弹体为抵消重力所选择的飞行迎角越大,气动阻力和射程衰减就越大。AIM-120、SD-10尾控制面面积都大于稳定面,目的是保证实现高机动的必需舵效。有些战斗机挂载的与SD-10类似的中距弹,弹体中段的稳定面展长减少了,翼形不是SD-10的三角翼而是大后掠梯形翼,但尾控制面面积比SD-10更大,设计意图应该是提高导弹气动控制效率,提升最大过载,增强导弹在中/远距离攻击高机动目标的能力。不过这种弹尺寸尤其是弹径较大,影响到与翼面的比例,导弹惯性段的过载应该达不到AIM-120C的标准。

中距弹如果有打击高性能战斗机的需要,其过载指标应不低于40g。从网上有些图片看,有些战斗机弹舱中的中距弹的稳定面展长并没明显超过弹体,导弹之间还存在明显的间距,但其尾控制面的展长明显超过弹体,弹舱内两枚弹的尾控制面几乎已接触在一起,基本占满了弹体尾舵位置的横向空间。如果将弹体直径放大到R-27的标准,弹舱空间将无法满足其尾控制舵面的尺寸要求,即使采用蝶形翼面等特殊翼形,弹舱空间也很难满足。

战斗机采用内部弹舱,虽然可以减少外挂阻力,但增加的机身截面尺寸和结构重量相当大,扩大的机体截面和体积对性能影响非常明显。常规战斗机混合挂载中/近距对空弹,在进入迎头空战前会争取先把沉重的中距弹发射完,使战斗机只保留近距弹投入格斗空战。隐身战斗机相比投弹后可恢复“净”体的常规战斗机,弹舱内武器投放与否对飞行气动性能并无改善。隐身战斗机在进入格斗空战阶段后,相比拄载格斗弹的常规战斗机,隐身机内置导弹的低信号优势被削弱,只能依靠飞机本身的飞行性能发挥战斗力。考虑到隐身飞机不能避免近距空战,保证机动飞行性能就不可忽视,在满足基本战斗载荷的前提下,必须尽可能压缩弹舱的空间以改善飞行性能。因此,机体截面限制了可用于弹舱的空间,弹舱空间又限制了武器尺寸及数量。隐身战斗机装多少武器,怎么装,必须根据作战任务进行规划和平衡。

空空导弹载弹量的变化

战斗机挂载中距弹的数量,与飞机的设备条件和任务有直接关系。如法国“幻影”Ⅲ在挂载“超530”时,标准挂载只是机身下挂一枚弹,目标也仅仅是满足全天候拦射。美国在上世纪50-60年代开发的100系列拦截机,采用内部弹舱装载“猎鹰”导弹。F-102战斗机远程打击火力为1枚AIM-26,F-106则可装载4枚尺寸较小的AIM-4“猎鹰”。逐步成为西方中距弹标准的“麻雀”,在越战期间的表现远优于“猎鹰”,到越战后期,除弹舱设计难以容纳“麻雀”的F-102/106拦截机外,具备全天候迎头作战需要的美国(甚至是整个西方集团)战斗机,都已将“麻雀”或其仿制品作为基本的机载中距导弹。

根据第二代全天候战斗机的设计特征,挂载类似“麻雀”标准的中距弹,中型战斗机普遍挂2枚,“鬼怪”Ⅱ这类重型机可挂4枚。火力强度目标是:中型机可保证打击一个目标,重型机则可拦截2-3次,它们均可依靠近距弹应付1~2个攻击波次。导弹数量标准是综合考虑了战场环境和作战意图,将战斗机阻力、重量与战斗力综合后的论证结果。

西方和苏联在上世纪70年代研制的重型战斗机,大都延续了同样载荷标准。F-15A、“狂风”ADV和苏-27,标准空战方案的中距弹载荷都是4枚。F-15和“狂风”ADV采用机身下半埋方式。苏-27的R-27导弹虽然采用外挂方式,但机身中线2枚串挂也可降低阻力。机身挂载4枚弹也是为提高减阻效果,以适应在超音速状态下进行迎头拦射的战术意图。近距弹数量也存在类似考虑。F-15采用机翼挂架挂4枚AIM-9L,“狂风”ADV每侧内翼可挂1~2枚AIM-9,苏-27则翼下和翼尖各挂2枚R-73。中型战斗机则普遍挂载“2中2近”空空导弹,如“幻影”2000的“超530”和“魔术”组合,米格-29的R-27与R-73组合,F-16A的4-6枚AIM-9或F-16ADF的2枚AIM-7与2枚AIM-9均较典型。三代机的载荷余量很大,机身挂架设置的空间也比较宽松,控制导弹载荷的关键不是带不了,而是这样的载荷最能保证作战性能的发挥。三代机都是强调空战性能的高机动机型,虽然三代机采用外挂导弹,没有内部弹舱的空间限制,但降低总阻力和重量仍是不变的要求。战斗机必须保持火力和飞行性能的平衡,国外不同机型的外挂导弹数量设置,都是在任务需求范围内确定的最优方案。

作为四代机开端的ATF项目,因为规划阶段预估的整体战场环境并无变化,仍保持了与F-15相似的作战载荷,4枚中距弹保证了2-3次交战的火力需要,隐身设计的战术优势及避免占用过多机体空间的意图,将近距弹数量控制在可执行1-2次作战的2枚。YF-22样机公开展示时,挂载的武器就是4枚AIM-120A和2枚AIM-9M。正是因为三、四代战斗机的作战环境相似,因此,三代重型机的武器载荷数量,与隐身状态的四代机的武器载荷也基本相同。

中距弹数量与四代机战斗力

如果说二代机应用有效的战术,还具备对抗三代机的基本作战能力,那么三代机如果没有C3I系统提供的早期情报支持,基本无法与四代机对抗。美国用F-22A与三代机的模拟对抗中,宣称的对抗交换比超过了100,双机组能够对抗2-3倍数量的三代机。四代机靠隐身性能和远距精确打击确立空战优势,这种战术对编队配合的要求较低,也不需要电子战和反辐射压制飞机的近距配合,双机控制空域范围比三代机大十几倍,控制同样面积空域所需飞机也较少。四代机在总量受经济限制,规模远不如三代的情况下,考虑到飞行员在空战中快速消耗的精力,四代机设计过程中提高装备可靠性和完好率,要比增加单机武器载荷更有价值。从F-22弹舱图片可看出,为利用好机身空间,弹舱内部还设置有全机多个系统的大量缆线和导管,意图利用开放的弹舱空间改善维护效能。但这也使弹舱内部更加复杂。战斗机再出动准备过程中,武器的装填和维护工作量很大,弹舱内的管线涉及的维护门类也较多。内部弹舱武器装填的难度比外挂高,与其它系统维护人员的工作交叉程度大,之间可能产生冲突。在机载武器够用和保障环境相同的前提下,内部弹舱载荷量越少,装填和调试的工作量就越小,各系统维护交叉工作的难度和干涉性就越低,战斗机出动架次就越高。

F-22A得益于小尺寸的AIM-120C,在缩小翼展并在纵,横向采用阶梯式布置发射架的改进措施后,在每侧弹舱中增加了1枚AIM-120C,将空战武器总数恢复到与F-15C相当的8枚。AIM-120有较小的弹体和高效率的气动控制水平,拥有较好的小近距攻击盲区和过载性能,近战性能虽不如中/近通用的“德比”、“米卡”,但中/远程作战能力更好。AIM-120在实战中经常被作为近战武器,提供了很强的战术灵活性。F-22A挂载6枚AIM-120C和2枚AIM-9M,根据具体的战场环境,除4枚标准的中距AIM-120外,另2枚AIM-120可兼顾中距和近距作战,离轴角小和射程不足的AIM-9M专责自卫空战。AIM-120C最大过载虽不如弹翼更大的AIM-120A,但减小的翼面提高了导弹速度,阻力也有所降低,使最开始时专门为F-22改进设计的AIM-120C,现已成为各型可挂载AIM-120的战斗机的标准弹。

有些国家中距弹尺寸与上一代的AIM-7M相当,虽采用了与AIM-120同代的控制面布局,但导弹尺寸、重量和最大过载等不如AIM-120C。按人们的一般认识,增加射程就是增加燃料或采用冲压发动机延长发动机工作时间,所以存在导弹尺寸大了就必然是远程弹这样的观点。国外的宣传中也有类似依据,如俄罗斯宣称R-27射程比AIM-7远,R-77的射程也大于AIM-120,事实却是两代对比弹的有效射程基本相当,R-77的远射程性能甚至不如AIM-120。增大弹体有利于远射能力,却要降低对抗机动目标的能力,不符合争夺空中优势的目的。

中距弹远射能力对弹舱的影响

空空导弹的远射能力主要指打得远和打得准,打得准是打得远的基础。根据国外导弹发展趋势,想打得准又必须看得清和瞄得精。看得清是机载雷达可以为导弹提供远距离目标数据,最理想的是采用双向数据链,使导弹、载机都清楚目标和各自位置。瞄得精是导弹拥有高性能导引头,可抵御自然和目标施放的电子干扰,依靠弹载导引系统进行精确打击。首先保证导弹在远距离上能打中目标,然后才能考虑为导弹提供更大射程。导弹有效射程的增加,不但要求导弹能到达更远的目标,也要求导弹飞行速度能为控制系统提供足够的过载条件,以抵消目标规避机动的影响。中距空空导弹远射程的前沿技术是固体火箭冲压动力。以“流星”为代表的冲压动力远程导弹,能获得比固体火箭发动机更长的动力持续时间,有效射程可超过100千米,达到AIM-120C的1.5倍。另一种方法是采用AIM-120D的技术途径,保持火箭发动机的基本结构,通过采用抛物线的高空弹道,导弹巡航在十几千米以上的高空,依靠低气动阻力和更经济的燃料消耗增加有效射程,用高弹道俯冲的附加能量增强导弹的过载,结合导弹部件改进缩小体积争取到的发动机燃料空间,可将AIM-120D的飞行距离提高到100千米以上。同样的手段可以提高导弹的射程,也可以用来降低导弹的体积,使战斗机弹舱实现更大的载弹量和载荷灵活性。

如果通过对成品和动力系统的改进,能将后继中距弹的弹径降低到0.18米,弹长也相应缩小0.1米左右,维持正常过载的尾舵面积可降低约20%,将有条件采用类似F-22A挂载AIM-120C的方法,通过交错安装增加1枚导弹的载荷。如果精确导引和侧推技术有突破性发展,采用动能或小型定向战斗部,中距弹有可能降低到与“米卡”相似甚至更小的尺寸,弹舱内部的挂载方式会更灵活,武器载荷数量和持续战斗力也会更强。正如YF-22设计时每侧机身弹舱可载1枚227千克级JDAM,现在,同样空间可挂载4枚GBU-39。有些四代机的弹舱尺寸与F-22A基本相当,基本能达到当初为YF-22设定的载荷标准。随着武器小型化的发展,弹舱载荷数量还会变化,但如果强行要求挂载与F-22A相当的6枚中距弹,在可用中距弹尺寸较大,航空动力相对落后,结构重量控制还有所不足的现在,难以实现弹舱尺寸与飞行性能的平衡。

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