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天空闪电-浅析F-35试飞出现的问题   

2013-03-09 12:01:52|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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天空闪电-浅析F-35试飞出现的问题 - 小飞猪 - 小飞猪的博客
F-35近日因为发动机叶片问题停飞
 

 前不久,美国F-35战斗机在进行例行维护的时候,发现发动机叶片裂纹,为了安全起见,美国国防部下达F-35三个机型全部停飞。

最新的消息指美国已经确定叶片出现裂纹的发动机是因为使用过度,而不是设计存在缺陷,所以已经批准F-35可以重新飞行。

对于F-35来说,这个结果应该是一个比较理想的结果,我们知道武器装备有故障澡盆曲线之说:一种武器装备它的故障高发率有两个阶段:刚服役时候,也就是所谓的磨合期,然后是进入寿命晚期的老化期,作战飞机作为技术含量密集的高科技武器,由成千上万个零件组成,因此在使用之初出现这样的问题实际上并不罕见,甚至可以说是十分正常的,如果我们仔细看一下F-35近期的新闻可以说是故障不断:包括2011年出现的作战软件、发电系统、机翼结构多个问题,其中2011年出现的作战软件问题就让F-35一度停飞2个星期。

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 F-22不能外销,所以F-35是目前国际市场唯一的第四代隐身战斗机

 

不过这次的故障有点特别,它涉及到了发动机 我们知道飞机发动机本身的复杂程度不亚于作战飞机本身,由于发动机需要在高温、高速和高压的环境下工作,所以它对于材料、工艺和维护等要求更高,寻找和解决问题的难度更大,最明显的例子就是美国F-15刚服役的时候,就曾经因为F100涡扇发动机的可靠性不足,得到了机库皇后的称号,而前苏联研制AL-31F发动机的时候,因为推力不足,采取提高涡轮前温度的办法解决,但是涡轮叶片出现裂纹,只好继续攻关,采取复杂的冷却系统和耐高温合金才解决问题。即使飞机服役以后,也会发生问题,如B-1B就是因为F101发动机的问题而停飞,从而没有参加过海浪战争。相比较之下,这次F-35的问题并不是出现在发动机的设计上面,而是使用不当造成的,所以这个结果还是比较理想的。否则的话对于F-35的影响就大了。

对于F-35来说,这次应该只是一个小问题,解决起来也非常容易,但是对于其他一些问题,如超重、超支等关键性问题,则一直困扰着这个项目,特别是在金融危机和欧债危机的背景下,已经让多个合作伙伴重新审视F-35战斗机,或者考虑调整采购的数量,甚至考虑替代机型,这些都对F-35的前景产生了较大的影响。

F-35是美国在上世纪90年代研制的一型隐身多用途战斗机,当时美国空军、海军和海军陆战队多型战斗机如F-16、F-18、AV-8B等陆续进入老化期,需要替代,但是随着技术的发展,现代作战飞机的研制成本也随之猛增,特别是第四代作战飞机引入隐身技术之后,仅它的研制费用可能就需要数百亿甚至上千亿美元,而美国对于下一代作战飞机的要求还有垂直起降技术,它的难度甚至高于隐身技术,相应的成本也就更高。

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F-35要求一机三型 

当时正值冷战结束,各国削减军费,美国也不例外,由于冷战中累积了大量的国债,所以它难以研制多种飞机来一一取代已显老化的第三代作战飞机,因此美国国防部在新一代联合打击飞机项目中提出了通用型的概念,就是研制一种基型飞机,通过改型来满足不同军兵种对于新型作战飞机的要求,JSF共有三种型号:空军常规布局型、海军舰载型和海军陆战队垂直/短距起降型。这三种飞机要求技术和结构上能够有70-80%的通用型,这样就可以形成较大的生产规模,控制飞机的成本,从而降低飞机的采购费用,根据原计划美国空军计划采购1700架F-35A,海军采购500架左右的F-35C,海军陆战队采购500架F-35B。总数接近3000架。

与此同时,为了负担研制费用,美国在JSF研制之中引进了伙伴国的概念,就是要求采购F-35的用户提供一定的研制费用,这样在以后的采购中享有一定的优先权,并且还可以提供一定的工业补偿协议,由于F-35是目前国际市场唯一的隐身飞机,所以吸引了许多国家参与和订购,象英国、土耳其、澳大利亚、加拿大等国的采购都在100架左右,这样大批量的订货有助于进一步增加规模,降低费用。

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 JSF项目的伙伴国

不过事情的发展往往不是根据人的意愿而发展的,F-35在发展之初还算顺利,在进入工程化研制之后,各种问题就暴露出来,特别是一些根本的设计问题,F-35对于通用性要求较高,而F-35当中内部结构最复杂的就是F-35B,它采用了推力矢量发动机加动升力风扇的垂直起飞方式,这样的好处就是升力风扇喷出的是普通空气,而不是发动机的高温燃气,就避免了以前垂直起降飞机存在的发动机吸入高温燃气,推力下降的问题,但是付出的代价就是内部结构复杂,特别是长长的传动轴,需要横贯整个机身,而隐身飞机为了提高飞机的隐身性能又要把弹药全部内装,因此需要在机身中设计弹舱,这样两者就出现了矛盾。

洛马采取的措施就是为F-35设计了左右两个弹舱,而不是F-22的中央大型弹舱,中间的空间用于容纳传动轴,虽然解决了问题,但是产生的问题却较大,首先增加了结构复杂程度,因为要设计两个弹舱,结构上肻定要比一个弹舱复杂,另外还降低了弹舱的空间,限制弹舱挂载较大的武器,还有就是增加了重量,因为每个弹舱都要有自己的机构执行机构,管线等,所以不可避免的增加了重量,同时结构复杂性还需要对相关部分进行加强,这些都要增加重量,前面说过由于有通用性的要求,F-35A/C都采用了这些结构,这样就无谓的付出了重量上的代价。

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F-35B的升力风扇

F-35B是垂直起降飞机,它对于重量是非常敏感,这主要来源于两方面,首先它配备有常规起降飞机所没有的风扇、传动轴及其他设备,空重本来就高于普通飞机,另外它的风扇直径是一定的,相应的风扇的转速、举升力也是一定的范围,这样风扇增升的潜力也受到限制,如果飞机重量增加,就会造成另重风扇的负担,也会降低飞机以后发展的潜力。

因此F-35系列中F-35B首先暴出重量超重的新闻就不令人奇怪了,F-35B在本世纪初超重接近2000公斤,这样的结果就是让F-35B的推重比降低,影响飞行性能,同时也影响飞机的垂直起降性能,比如在最大起飞重量下全副武装加满载燃料就不能垂直起降,特别是在航母和两栖攻击舰上起降的时候会加重对甲板的冲击,必须放油或者抛弃昂贵的制导武器,显然这些都是不能被接受的,由于这个问题的严重性,所以美国国防部一度考虑将F-35B的生产日期调后,而在此前的计划上,F-35B是优先生产的。

 

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F-35为了迁就升力风扇采用了左右弹舱 

为了解决F-3B的超重问题,洛马专门成产了减重小组来解决问题,考虑到项目的进度已经拖延,加上F-35B结构的复杂性,所以减重小组没有采取改变总体设计的办法来降低重量,而是在一些部件上着手,比如调整飞机的管线和设备等,还有就是降低飞机的载荷,洛马最终放弃了F-35B可以挂载2000磅空地武器的能力,目前F-35B只能挂载1000磅以下的空地武器,这样显然会降低它的对地攻击能力。但是问题的关键性在于,这些设备简化会不会对性能和可靠性有影响,另外飞机以后的升级潜力还有多少,都是个未和数。

F-35其他型号也面临着同样的根本性设计问题,最明显的就是F-35C的着舰钩问题,我们知道以前舰载飞机的着舰钩安装在机身尾部,暴露在外,但是对于隐身飞机来说,它需要保持机体表面的光滑,同时还要减少附着物,以降低飞机的RCS,这样飞机的着舰钩不能过长,但是这又会影响飞机的着舰,所以出现了F-35C居然8次未能钩住阻拦索的事情。

隐身的要求还对F-35的通信造成了影响,这是所有F-35甚至所有隐身飞机面临的一个共同的问题,我们知道飞机是一个三维空间运动的目标,为了避免飞机运动对于通信系统的影响,所以以前战斗机的通信系统采取的是全向天线,它的好处就是通信受飞机运动状态影响小,但是缺点就是容易被对方截获,对于三代作战飞机来说,这个不成为问题,但是对于四代隐身战斗机来说,就是一个必须要解决的问题,因为再先进的战斗机,它配备的机载雷达和电子战系统再先进,也无法覆盖面积广大的战区,也需要外部指挥引导系统的支持,双方的数据交换肯定要进行无线电通信进行。

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隐身飞机对于机身暴露件设计要求较高 

F-22的解决办法是配备LINK-16数据链与E-3A及其他外部指挥引导系统进行通信,用战机间数据链-IFDL进行编队之间的通信,IFDL工作在KU波段,波束指向性比较好,但是工作范围有限,需要配备多个天线才能实现全向的覆盖,这样就增加了飞机的重量和成本,另外也让F-22无法与其他飞机进行数据交换,成为一个信息的孤岛,因此美国空军一直致力于解决F-22等隐身飞机的数据链问题,先后配备了包括TTNT、MADL、BACN、R-DL等多种数据链,都没有最终解决问题,所以目前来看可能F-22需要配备多种数据链,那么这个问题在F-35身上同样存在。

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通信是隐身飞机共同的问题 

以上这些问题的解决,显然需要时间和经费,其中F-35B重量问题就花费了60亿美元和18个月的时间,这些都会导致F-35成本和价格的上涨,根据海外资料,如果F-35项目推迟一年,就会让成本增加5%左右,同时还要让F/A-18、F-16等战斗机继续使用,还要增加使用成本,这些都会增加国防预算,另外由于进度、通货膨胀等因素,F-35的研制费用已经超过2000亿美元,这些价格和成本的增加最终都会打入到F-35的单价之中,由采购者负担,最明显的例子就是日本,最初计划采购F-35的单价是100亿日元,目前已经增加到150亿日本,并且还不是最终的构型,它的价格肯定还会上涨,这样显然会影响采购者的决策和数量,采购数量降低又会进一步推高成本,这样就会形成恶性循环。当初F-35是定位是廉价的多功能战斗机,现在看来已经是理想很丰满,现实很骨感。

 

不过F-35存在的问题既有主观因素,比如强调三个军种的通用性,即忽视它们之间存在的差异,必然会导致一系列的问题,也有客观问题,比如隐身对于机身附件、数据链的要求等等,不过不容否认,F-35仍旧是一性能优良的战斗机,也是目前国际市场上唯一的第四代战斗机,它在超视距空战中面对第三代及三代半所享有的优势显然也是不用怀疑的,另外在防空突防方面也要比后者好的多。

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我国应加快歼-31的发展
 

更重要的是它成功的在市场上击败了欧洲竞争者,英国参加JSF项目一个条件就是不能在对外合作中涉及到隐身技术,这样失去了罗罗公司的支持,欧盟国家很难研制一型可以在性能上与F-35对抗的隐身战斗机,俄罗斯虽然有这个实力,但是受限政治因素,无法打入北约国家的市场。因此F-35对于美国的意义并仅仅在于军事上,还有政治上、经济上的重大贡献。

对于我国来说,应该认真汲取F-35研制中出现的教训,他山之石,可以攻玉,这些教训对于我国正在研制的隐身战斗机来说是非常宝贵的经验,另外也要加快歼-31这样隐身战斗机的发展,力争在2018-2020年左右形成与F-35的竞争,从而让地缘政治向着有利于我国的方向发展。

 

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