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百家讲坛: 战斗机的未来之路 -陈一坚
主讲人简介： 陈一坚，西北工业大学教授。中国工程院院士，1930年出生，“飞豹”歼击轰炸机总设计师，曾获得国家科技进步特等奖。 内容简介： 飞行器随着技术的发展、科技的发展，飞行器的性能是不断地提高。提高的速度也是非常快，光从速度来看，现在都已经是超音速，都不在话下了。然后要突破热胀，将来要搞高超音速飞行器。所谓高超音速的飞行器M数是5以上，就是高超音速飞行器。从速度这个例子来看呢，它发展非常快。一百年里面跨越很大一个步伐，由于这样一个武器装备性能的提高，影响了军事理论的发展。从第一次世界大战开始，用手枪、用步枪、用机关枪、用手榴弹，作为进攻武器开始，就出现了新的军事思想，就是立体战争、就是制空权的战斗。一直到今天，由于我们飞行器的本领大大提高，军事理论也逐渐得到发展。 战斗机的未来之路也就是高科技的发展之路，是战斗能力更强、战场生存能力更高的发展之路。以信息化为基础的飞行器就把飞机变为网络里面一个接点，再一个趋势就是飞行器本身的各个组成部分都智能化、自动化、集成化，这是将来发展的一个趋势。再一个就是飞行器的无人化、飞机设计的数据化、一体化，这是将来的大方向。再一个就是飞行器的制造全部数字化、精益化，精益化的效率非常高，像美国精益化的设计部件零件可以减少百分之二三十，它的成本降低50％，挺厉害的！精益化三分之二，这个效率非常高！所以高科技有非常高的黄金含量，道理就在这儿。 《战斗机的未来之路》 （全文） 飞行器随着技术的发展、科技的发展，飞行器的性能是不断地提高。提高的速度也是非常快，光从速度来看，现在都已经是超音速，都不在话下了。然后要突破热胀，将来要搞高超音速飞行器。所谓高超音速的飞行器M数是5以上，就是高超音速飞行器。从速度这个例子来看呢，它发展非常快。一百年里面跨越很大一个步伐，由于这样一个武器装备性能的提高，影响了军事理论的发展。从第一次世界大战开始，用手枪、用步枪、用机关枪、用手榴弹，作为进攻武器开始，就出现了新的军事思想，就是立体战争、就是制空权的战斗。一直到今天，由于我们飞行器的本领大大提高，军事理论也逐渐得到发展。 而且现在的战争越来越是不对称的、非接触的，所谓非接触就是看不见了。你在哪儿、我在哪儿你都不知道。过去肉搏的时候，是面对面的，枪对枪刀对刀。后来格斗还看得见，或者说远距离格斗，看不见，我还用雷达来瞄准。现在的战斗越来越发展为非接触的，另外就越来越是非对称的。非对称的概念很广泛，实际上最简单的概念就是技术上的差距太大了。所以说从这个角度来看呢，再加上现代信息科学的发展，使过去单机与单机，编队与编队的制空权作战，发展为空、天、地、海、电五维立体战争。从过去单机对单机，编队对编队，发展到今天体系对体系的战争。所以说航空器在军事领域里面的贡献，那是非常重大的。这是什么意思呢？大家都知道C4ISR，就是美国人开发的一个通讯联络系统，实际上它就是指挥、控制、通讯、计算、情报、监督、侦查还有对抗。这五六个功能在整个系统里面都体现出来了，将来是怎么样一个局面呢？就是天上有卫星、空中有预警机、有加油机、有电子对抗机、还有我们的战斗机、攻击机、轰炸机、运输机、海面有军舰、有潜艇、地面还有防空的雷达、雷达站、有指挥部、有陆军指挥部、有空军指挥部、有海军指挥部、有总指挥部，就是这么一个整个立体的系统。都要把它串起来，有了信息以后，就有可能把它串起来。串起来通过什么手段呢？实际上就是信息里面的一个组成部分，就是一个数据链，用数据链把信息串起来。以信息作为载体，数据链作为一个手段，把这么多东西包括空间、地、海全部把它连在一起，那效率就非常高。就是说我飞机是一个载体，也是一个信息载体，也是一个信息的接点。它在天上看见敌人有一个目标，它可以把实时敌人的目标传到指挥部去了。或者说看到敌人有一个军舰编队，就传给我们的海军的军舰，就实时的把信息都传给它了。这样子的话呢，就可以减少很多人为的环节，大大节省时间。加快了战斗的决策，加快决策的时间和它的力度。这样子的话，就是打胜仗就有了保证。时间在战争的概念里面比经济的概念还要厉害，它是争分夺秒的一个概念，你抢了一分钟，你抢了一秒钟，你就抢了主动权。所以今天的战争已经跟过去大不一样，是一个五维的立体战。因此我们要在整个飞机、或者攻击机、或者轰炸机等等都作为立体里面的一个组成部分。因此现在设计飞机，不能像过去那样子，只考虑到自己飞机的性能就完了。它应该放到整个五维的立体里面去考虑飞机性能应该是怎么样，应该是怎么设计它。就是我数据链，上下行数据链我应该是怎么设计？接口怎么设计？和机体里面的计算机怎么匹配？这些问题是很大的一个题目，可能一个人搞一辈子也不一定能搞得好。 第二个飞行器和航空、航天过去好像分得比较开，为什么？过去我们航空高度基本上是二十公里以下，作为我们的领域在那儿奋斗。航天一般在四五十公里以上，接近地球轨道作为航天部门的一个领地，他们在那儿攻克它的难关。因此当中有一个断档，从高度上有一个断档，现在航空的发展呢，它往高发展。那就要占领三十、四十公里高度的领域。这样航空和航天由于信息的基础有了，因此我们高度再提高一点，通过信息呀，就把航空跟航天的界限就模糊化了。这样，航空和航天就融合了。你譬如空间飞机，实际上既是航空的也是航天的，这是由于有了信息这个手段以后，你飞得高，就有这种可能。 第三个，就是机载设备全部信息化，大家都知道机载设备很多，大概主要的是三个系统，一个雷达火控系统，再一个就是综合电子系统，再一个就是电子战的系统。战斗机或者战斗轰炸机还有很多系统，但是这三个系统是最突出的，跟信息有联系的，可以建立立体战的一个手段。这个也把信息数据的技术都融化在许许多多的系统里面去，大大改善了系统的性能。所以飞行器的设计，飞行器的使用对军事作战的影响，将会以五位的立体战作为考虑，这是我要讲的趋势第一个问题。 第二个问题呢，就是飞机一体化的设计技术。我是搞飞机设计的，飞机设计应该说是随着科学技术的发展，它在不断地变化。我搞“飞豹”飞机的时候，最后句号划在“飞豹”飞机上，搞“飞豹”飞机设计呢，那就是一个专业一个专业大家分头去设计、分头去优化。比如说我搞雷达的，我把雷达设计得最好、功能最多、最准确、最好操作、最好控制，每人都有每人专业，自己都把自己专业设计最好，这是每人必然的一个趋势。让你干活你肯定想干得最好，在这样一个基础上，由各级总师，最后由总设计师协调这里面所有专业的谁应该服从谁，谁应该砍掉一点，做一个协调和取舍。这里面呢，就比较多了，有一些主观的臆断在里面。所以没有一体化综合设计的，这么一个概念是不行的。大家都知道数学上面、优化理论里面实际上已经说清楚了，就是很多局部的东西，局部的专业，所有专业都优化完了之后把它加起来，变成一个飞行器，它不一定是最佳。这飞行器不一定最佳，就是局部最佳的机械之和，不等于说总体最优。因此今天由于有了计算机技术，有了信息技术，我们就可以把许多专业分开优化，变成一体化的优化。说简单一点，就是综合设计。 我举几个例子，过去设计飞机单搞飞机，设计发动机单搞发动机。现在设计的时候飞机和发动机就可以一起优化，发动机设计到什么样的油耗？什么样的推力？什么样的重量？能够满足我这个飞机的需要。还有你譬如说飞机发动机加上飞行控制系统，我这个总设计师要求这个飞机有多少个控制率，这个都定下来了。然后你飞机和控制系统就可以集体去优化它，因此在这地方大家就可以看，气动布局加上动力，再隐身。这些东西呢，就是飞机的几个主要的总体布置的几个主要的一些需求，把它综合到一起，搞一体化设计。正因为有了计算机、有了软件，过去人不可能综合，人用那个手摇计算机都解决不了，回答不了这个问题。那个方程式太大了，解不了，我举这么个例子。 后面当然还有很多了，大家看，结构、强度、工艺制造一体化，将来我这个设计院，设计出来的这个结构图纸通过计算机网络就给了工厂，工厂接到这个数据流以后，它就变成它的工艺装备的一个设计依据，这就连起来了。过去不是，过去是我们把图纸发过去，它再消化图纸。再把图纸变成它的加工依据，那不但效率低，而且错误多。还有就是飞机的性能，飞行的控制系统，飞机的作战方案，武器这五个一体化。那就是使我们的火控系统效率大大提高，发挥集体的优势。再一个就是机载电子系统、电子战、人机工程，显示一体化。这几个专业都给飞行员提供信息的，过去我们也是分开干，各干各的，将来就是一体化了。 第三个就是超音速巡航，过去我们民用飞机除开“协和”号以外，基本上都是高亚音速的。军用飞机我们现在能够超音速，但是不能够超音速巡航，就是我这个超音速时间有限制。过去的飞机，第三代以前的飞机它这个阻力特性，就是气动效率还不足以长时间超音速飞行，再加上发动机性能不能够支持超音速长时间的巡航，到了今天，气动效率大大提高，大家都知道，过去我们声阻比七、八，已经搞得很了不起了，现在声阻比都是十几啊，十二、十三，预测二十年左右，大概声阻比就可以达到二十，气动效率大大提高了，再加上发动机也很争气，它这个推重比也很大，因此就有可能提供超音速巡航的这种可能性，大家都知道，亚音速的阻力和超音速的阻力，基本上是一倍的关系，亚音速0.0021，超音速是0.004，这个阻力系数大概是这么个量级，就是一倍的关系，所有的先进技术用上去以后，发动机不推加力，它就可以超音速飞行，而且是长时间。像美国的F22飞机，它就可以在马赫数1.5的情况下长时间的飞行，这优越性大了。 第三，在相同的载油条件下，有超音速巡航能力的飞机，可以飞得更远。第四，在空军作战里面，有了超音速巡航能力，它的飞行半径就可以扩大很大。如此等等，有很多的优势。因此超音速巡航是第四代歼击机和超音速战略轰炸机一个追求的目标。再一个就是超机动能力，这个机动大家都知道，飞机作战的时候，都是你追我打，对不对？敌人在前面我在后面，很多因素决定它机动的特性。我举两个例子，一个爬升率，“飞豹”飞机爬升率是每秒二百米，要是敌人飞机的爬升率每秒180米的话，我就比它多了二十米，那肯定我占优势。我早就占领有利的地域来瞄准你，来发射导弹打你。第二个就是盘旋半径，过去格斗，近距离格斗的话，还是你追我打，尾追攻击为主。要是我的盘旋半径很好，你的盘旋半径很小，那我一下兜到你后面去，尾部攻击马上就成功。 再下面是高超音速飞行器，这刚刚已经说过了，飞机大概要突破几个障碍，一个低亚音速，然后高亚音速，然后是通过音障，M数等于1，这些都已经解决了。后面就M数到了2.5的时候，就遇到了热障。热障什么意思呢？是M数2.5以后呢，它气动加热很厉害，一般“鼻子间”和机前缘温度都达到220度到250度这个范畴。在这个温度底下铝合金基本没有多少强度了，所以说就出现了热障。就是你材料要不过关，你超过M2.5不可能。因此就出现了热障，现在热障呢，问题也解决了。 美国人在七八年以前，就开始搞M15到20的叫做超音速洲际轰炸机，那就比音速大15倍到20倍的速度，这种武器那是非常可怕的。就是比那个洲际导弹还厉害，洲际导弹它还有一个过程。，它是可以高可以低可以有人操纵、可以无人操纵，带了很多精确制导武器，那就是很有作用的。因此由于高超音速飞机，出现了像乘波飞机。什么叫乘波飞机？大家都知道，激波是一个消耗能量，是一个坏事。激波对气动力来说，本来是个坏东西，现在要把坏事变好事，把乘波的能量打到机翼上面，提高机翼的升力，坏事变好事。它呢还不增加阻力，所以声阻比猛地又提高一个台阶。因此这个飞机美国人正在做，我们也有这种远景的规划。由于高超音速飞机，基本上最大的两个问题，一个是动力，一个是材料。刚刚我已经说过了，马赫数越高，温度越高，这个问题就要解决。除非你不进大气层，在外面那跟卫星一样。你一进大气层，就有气动加热的问题。因此材料的问题很重要。第二问题就是发动机很重要，我们将要发展超音速的超燃冲压发动机，还发展超音速的燃气喷流发动机。我们现在喷气式发动机，它加热以后，燃烧以后那个喷流一般都是亚音速的，在M数0.5、0.4。这个喷流要是能够大于M数1的话，那推进效率就高得多。后面还发展脉冲爆震发动机，它是用的热力学脉冲波的原理产生推力。它这个压力，可以达到十到一百个大气压。燃烧温度可以到2800度，爆震波的频率大概是一百到一百二赫兹，M数可以飞到大于四大于五都可以。最大的优点就是它可以在速度零的时候，就可以启动。火箭倒是可以速度零上去，但是火箭要带助燃器，重量大一倍。这个冲压发动机马赫数不到四，它是点不了火的。因此它是在马赫数三、四以后才能用冲压发动机，而在爆震发动机M数等于零的时候，它就可以点火，就可以产生很大推力。高超音速飞行的时候，它这个推力越来越好。因此将来高超音速飞机的推力它的推重比可以达到二十以上，在五十公里以下M数可以从零飞到十，做洲际攻击用。 再一个就是隐身技术，大家都很关心隐身，像F117和B2，这是第一代隐身。我刚才说了飞机有四代，俄罗斯五代，相当于美国的四代。实际上世界上公认的就是四代，隐身飞机又有两代，F117、FB2，基本上是隐身飞机的第一代。然后F22和F35是隐身飞机的第二代。第一代是为了追求隐身，牺牲了气动特性。F117带棱带角的，那阻力非常大，所以F117只能亚音速飞行，它没法超音速飞行。到了第二代F22，它把隐身和气动力兼顾，因此它既能超音速巡航，也能高超音速飞行。隐身的手段有哪些呢？第一就是刚刚说的气动布局上面做了很多文章，使敌人的雷达波大量丧失掉了，回不到敌人的雷达站。因此敌人就看不见你，这就叫隐身。很简单，但是技术很复杂，这是一种手段。第二种手段就是表面涂一个吸收雷达波的材料，基本上是氧化铁之类的东西。它什么机理呢？就是敌人的雷达波到了这个涂层以后，它就变成热能了，把雷达波的能量都消耗掉了。因此它回去的雷达波很微弱，敌人也看不见我。实际上就是激活表面电荷，衰减雷达反射信息的强度。简单一点说定义就是这个定义，就是涂层的定义。第三个就是红外隐身，刚才我说了，飞机超音速飞行有热度，因此就有红外。发动机射流两千多度，这个温度很高，那敌人红外的仪器一下就抓到你了，红外导弹一下抓到你了。因此我要想办法在喷流里面加入一些特殊的一些东西，使喷流温度下降。还有就是把发动机背在背上，下面看到至少隔了一层飞机。对不对？它红外的信号就衰弱了很多，还有就是用燃油冷却的办法，使喷流的温度降低下来，然后燃油又回去点火。 再一个呢，就是等离子隐身，等离子就是把飞机，里面搞这个等离子发生器，使飞机的周围被等离子包围了。大家知道等离子云对电波来说是一个非常大的吸收的东西。据说美国B2是用这个办法，所以你看B2就是一个飞翼。光溜溜的一个飞翼，它没有气动力特殊的措施，但是它是用的等离子隐身的办法。等离子体本身是能够吸收电磁波的，这样就能达到隐身的目的。 再一个呢，就是目光隐身。目光隐身大家都知道，陆军穿迷彩服就是保护色，飞机也喷迷彩的涂层，也是为了使白天的时候人家看不见你。不是完全看不见你，而是看见你很慢、很晚。还有一种做法就是把隐身的一些材料搞一个导电，这个涂层导完不同电压，它会变颜色，变成变色龙了。这样子就可以起隐身的作用，所以隐身现在是非常宽的范围，从雷达波一直到可见光，这个频带里面都有隐身技术。当然也有防隐身技术，就是“魔高一尺，道高一丈”，也很多。我随便举个例子，我们空气里面基本上是充满了电磁波的，要是说一个雷达我发现不了，我要是两个雷达、三个雷达，定点雷达。这个飞机飞过电磁波的时候，就把电磁波加以扰动。扰动以后，三个雷达测出来的量是不一样的，由这样一个原理我就可以用三个雷达或者两个雷达，就把敌机的位置给它定下来。首先要打它首先要定位，你既然看不见它，我用这个办法定它的位。定它的位我就可以引导导弹去打它，隐身效果大概一般是这样子。举个例子，F22在雷达上面就相当于一个玻璃弹球，我小的时候也打过玻璃弹球。大家都知道，就这么大。现在F22的RCS，就是隐身的指标，就跟玻璃弹球一样大。 下一个就是微型飞行器，微型飞行器就是这些东西。它的定义多大，它的定义就是大小不超过十五厘米，巴掌大，手掌可以托起来的。我给它起了一个名字，叫做手掌型飞机。到了纳米级的飞机呢，就变成昆虫一样、跟苍蝇一样大小，那就是昆虫型的微型飞机。它最大的重量是一百克以下，有效的载重呢，大概是五十克。它的速度是二十米以下，每秒二十米以下，作战半径是十公里以下，价格单机价格就是一千美元。那你说F22是两亿美元，它一架微型飞行器就一千美元，那便宜得很。那就可以大量用，将来步兵，所有的士兵手上都可以拿这个东西。揣口袋里，需要的时候拿出来。你譬如说你的敌人躲在墙根后面，我看不见你，那没办法了。那我把这个小型飞行器拿出来一飞，马上就看见了。它上面有实时侦查，实时就报回来。士兵这个笔记本就看见墙后面的敌人是什么个状态，是吧！这是非常有用的，第二个呢，就是可以搞个信息的中继系统。那就是它飞到某个地方去，它可以拐弯了。可以把信息通过它来给我中继，还有一种呢，就是特殊情况下，你比如核环境，生化环境、化学战的环境，这个人进不去，那只能派它。它没有人就可以进去了，它可以把实时的情况都报回来。 更大一个就是情报，搞间谍活动。那将来就是跟苍蝇似的，也没有声音。就落在你的窗台上，你里面开会的所有声音它全部实时都传回去了。间谍活动，过去大家都知道，间谍活动是因为我们这个房子可以搞电磁屏蔽，可以搞很多。但是我讲话，那个玻璃总要震动吧。对不对？过去的间谍就把激光束瞄准玻璃，然后把玻璃震动接收下来，然后转换成声波，这是过去的间谍活动。现在有了这么个小家伙，那我随时都可以发出去，随时都可以收到，很多。我们想得到其他手段得不到的东西，进不去！小家伙可以进去。再一个就是说你这个小东西还能够带高爆炸的弹药，现在有一种弹药爆炸力非常大、非常轻，它可以带五十克，一个微型飞行器带五十克。我洒出去一千个，那威力就非常大了，敌人一片它就可以把你都炸平。这无非就是一千乘一千，一千美元一个。 无人机技术是现在发展的趋势，大家都知道，无人机有几个优点：它因为没有人，对不对？那就是把这个空间和重量就可以装很多测试设备。第二个优点就是它没有人后可以过载。过去飞机有人，过载只能到八到九，这还得穿抗核服。飞机还要穿抗荷服才能飞，才能拉过载。不然的话一拉过载，血都从脑袋都到脚底下去了，马上就晕，就失去知觉了，没法操纵飞机。这就是人受不了那么大的机动，搞了无人飞机，没有人，所以它就可以过载。 材料的趋势，一句话：钛合金和复合材料含量大大提高，钢和铝逐渐降低，但是铝合金里面的铝锂合金比重提高。 多电飞机，那就是过去操纵飞机的时候搞液压和空气系统，以后全都用电。这个多电系统可以发几兆瓦的电，将来我这个飞机上面要搞激光器，激光最耗能量了，没有全电的新的发动机不行。有一种新的发电机，叫做磁阻开关稀土发电机。和飞机发动机轴连在一起，它的转速一般都可以到每分钟五六万转。这样一个发电机就可以提供大量的能源，可以使我们飞机机载激光的系统得到实现。 最后总结一下，飞机发展的趋势，大概有这么几条，第一从大小来看，往两极发展。你看大的像安225飞机，550吨起飞重量，商载250吨，你看多厉害！第二个从高度来看我刚刚已经说过了，从低空到高空，和航天器接轨，模糊航空航天的界限，这是我们的方向趋势。从速度来看，从低速每秒钟二十米、十米的飞行速度，一直到高超音速M15，大于音速的二十倍，往两头发展。以信息化为基础的飞行器就把飞机变为网络里面一个接点，再一个趋势就是飞行器本身的各个组成部分都智能化、自动化、集成化，这是将来发展的一个趋势。再一个就是飞行器的无人化、飞机设计的数据化、一体化，这是将来的大方向。再一个就是飞行器的制造全部数字化、精益化，精益化的效率非常高，像美国精益化的设计部件零件可以减少百分之二三十，它的成本降低50％，挺厉害的！精益化三分之二，这个效率非常高！所以高科技呀，有非常高的黄金含量，道理就在这儿。我今天给大家讲了这么一些东西，仅供大家参考。就是希望能够对大家将来的学习和工作开一点眼界，航空工业的前途是绝对光明远大，有待诸位的努力。我希望将来有不少的院士、有不少的总设计师出现在你们之中。 |
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