
台湾军刊《空军学术月刊-591》
军事专栏作家 杨政卫(杨政卫先生,笔名杨可夫斯基为尖端科技专栏作家,空军学术月刊-591 刊出该文时,作者正于台湾陆军服役中。现已退役)
提要
1999年莫斯科航空展期间某日,一架造型怪异的苏恺27以未涂装姿态来到会场,落地后不久随即离去,这是苏霍伊设计局又一力作--Su-33UB--这架飞机名为“战斗教练机”实则为最先进的侧卫战机,航电性能、计算机性能、后勤需求等都达第五代战机水平,是苏霍设计局第五代航电试验平台之一(另一个是Su-30MKK)。Su-33UB拥有极高的技术水平,透过他我们能够了解苏霍设计局第五代战机的进度,以及未来侧卫战机的改良方向。
Su-33UB技术信息源自俄航天学报,2000年第6期。
MKK系为苏凯30战机外销中国大陆机型代称。
发展背景与发展史
苏联海军在发展Su-33的同时,考虑到当时仅有的Su-25UTG教练机之性能及特性与Su-33有天壤之别,无法保证用Su-25UTG训练出来的飞行员能妥善操作Su-33,因此苏联海军要一种飞行性能与Su-33相当的教练机,这就是1989年苏霍设计局开始研发的战斗教练机,Su-27KU。一开始采用纵列双座布局,但经过测试,发现纵列双坐的后座飞行员在降落时不易看到光学助降系统的指引信号,因此采用类似Su-27IB的并列双座布局。Su-27KU之后改称Su-27KUB,或Su-33UB。
Su-33UB除了用作俄国海军航舰教练机外,还必须有长程拦截、长程攻击、长时间滞空、对付高难度空/面目标、以及侦查、电战之能力。
首架飞机由Su-33二号原型机(T-10K-4)为基础修改而来(在首架原型机的未涂装照片中,可发现进气道、机背、尾锥及垂尾下方都保有T-10K-4的蓝绿色系迷彩)。在共青城制造组件并在位于莫斯科的苏霍伊实验工厂装配完成,1999年春进行第一次高速滑跑。1999年4月29日原型机由苏联国家英雄包加契夫及俄罗斯联邦英雄梅尼可夫(Melnikov)完成处女航,展示予俄罗斯海军司令等对军工发展有重要影响力的高级官员。年底莫斯科航展以未涂装姿态首次对外公开。二号机在初号机首飞不久的推出,为新造机,编号717,担任后续试飞任务,一号机不再试飞。
1999年8月底,Su-33UB开始在“银针”系统(Nitka)试验(银针系统:苏联用来训练航舰起降的系统,用来仿真滑跳甲板)。9月3日,包加契夫及罗曼'康卓切夫(Roman Kondratyev)在银针系统上完成捕捉勾着陆试验。包加契夫对这架飞机非常满意,表示Su-33UB具有较Su-33更低的着陆速度,使得降落更安全,也降低使用捕捉勾产生的冲力。9月6日,完成滑跳起飞试验。
紧接着银针系统试验完成的是舰上试验,1999年10月初,Su-33UB转往库兹涅佐夫号航母进行舰上操作试验。10月6日,包加契夫与康卓切夫完成舰上滑跳起飞及着舰,按照俄国海军的传统,这天被定为Su-33UB的第二个生日。
2000年12月,俄罗斯空军试飞员拉耶夫斯基(Aleksander Rayyevsky)、迪欧迪采(Nikolai Dioditsa)以及皮图沙(Vladimir Petrusha)加入试飞行列,与苏霍伊试飞员包加契夫、康卓切夫、波戈丹(Sergei Bogdan)共同进行新阶段的试验。第一阶段从2000年12月到2001年1月,在银针系统进行共27次试验,包括捕捉着陆、滑跳起飞、最大重量起降、夜间起降等。第二阶段开始加入雷达系统测试,如地形测绘等,亦于银针系统试验。
2002年春,试验告一段落,Su-33UB送回苏霍伊实验工厂修改,年底,已换装SOKOL相列天线(即成为Zhuk-MSFE雷达),并准备换装MMPP Salyut的新型发动机。
Su-33UB完成后其技术将被引入Su-33成为Su-33M/MK,成为21世纪初俄海军航空兵主力,此外Su-33UB也被计划取代Su-24等中程轰炸机。
性能剖析
Su-33UB当时是最先进的Su-27系列战机,俄罗斯“航天学报”上号称“Su-33UB的出现打破了美国F-22技术垄断的局面”,苏霍设计局对其信心可见一斑。就航电架构而言,Su-33UB是以Su-30MKK为基础发展的,但较先进;在结构、材料方面又自有一片天。
一、气动力布局、结构等
Su-33UB采用并列双座设计,是Su-27IB之后又一种使用并列双座布局的Su-27改型飞机,这使得教官与学员较容易沟通,减少训练困难及危险;并解决纵列双座机的后座飞官在航舰降落时较不易看清光学助降系统(Luna-3)之指示的缺陷;长时间作战时飞行员间较易沟通并形成默契,且部分仪表可共享。
与Su-32FN类似,飞行员系经由前起落架舱进入座舱,可见其座舱空间不小(因为至少要保留通道)这能提升长时间作战的舒适程度,例如飞行员可不必全程坐在椅子上,偶尔可以起来休息,无形中增加长时间飞行时的战力。光电球位在座舱正前方,因为是并列双座设计,因此这时光电球不会影响视野。
Su-33的气动力效率(升阻比)是Su-27家族中最好的,而Su-33UB又青出于蓝更胜于蓝。与Su-33相比,翼面积由67.84平方米增为71.38平方米;翼展由14.7m增至15.9m;展弦比增为3.54(其它侧卫战机皆为3.48,Su-33为3.18),减少诱导阻力;平尾、前翼、腹鳍、垂尾、控制面等皆增大。主翼前缘采用所谓“智能型自适应蒙皮”,可自行填补前缘空隙,完全阻止翼下经缝隙倒流回上面的气流,因而进一步减少诱导阻力,提高气动力效率,并可能减轻接缝处的雷达波绕射现象。自适应材料与调高展弦比的结果,使Su-33UB的气动力效率成为家族之冠,其最大升力系数高于Su-33的2.4(SU-27是1.83,Su-35在两者之间),最大升阻比(lift-drag-ratio)较Su-27S多了约10%,超过13,号称超过包括F-22在内的所有飞机(Su-27是11.8,同时代飞机大都在12以下)。气动力效率的提升使得与Su-33相比,在使用相同燃油的情况下,航程增加15%到20%且运动能力更好。Su-33UB仅靠内燃油的航程达3200km,与陆基双座型相当。
落地速度由Su-33的240km/hr降至220km/hr以下(这是升力系数提高的缘故),使降落更简单,冲击更小,减少飞行员体力负荷及延长机体寿命等。失速速度必然小于Su-27的200km/hr。
翼前缘用的智能型弹性蒙皮相当前卫,由于Su-33UB几年内将服役,且其它国家的同类技术仍仅见于实验机,因此Su-33UB将可能是第一种服役的“有智能结构飞机”,智能结构的应用是其升阻比提升超过10%的关键之一(另一大因素是展弦比提高)。所谓的自适应气动结构就是能随飞行状态改变气动力特性以尽量提升各种状态下的气动效率的结构设计。其作用方法有许多,例如以机翼内的空腔抽除机翼边界层(空中巴士的某型客机)、或是改变机翼表面弯曲度或厚度等。其中改变机翼弯曲度与厚度就可以应用柔性蒙皮,其使用方式简言之便是在骨架上装设与飞控系统连结的机械设施,上面再铺设柔性蒙皮,该机械根据飞控计算机命令运作,达到“控制”柔性蒙皮进而改变机翼表面弧度之作用。这些厚度、弧度的改变巨观而言非常微小,如厚度变化只在几mm、弯曲度变化只在几度范围。当把上述机械装置以微机械取代进而与柔性蒙皮结合,并加入微型传感器,就可称做“智能型材料”。自适应结构是21世纪初期飞机的趋势之一,特别是需要具备全空域全速度功能的防空型战机。由于每一种机翼形状、翼面曲度都会有其最适合的高度、速度,因此以往的飞机只能突出任务需求方面的性能,至于其它的就只能迁就。而有了智能型结构后,可以调整出适合各种情况的翼面,使得升阻比尽量最高,飞机的适用飞行条件更广。这些都由实验证实了可行性。这种智能型柔性蒙皮同样的被用在S-37前掠翼战机上,可以解决前掠翼在高速时产生的结构发散效应等。
Su-33UB使用两次折迭机翼(原型机不确定有没有),第一次折迭时翼展10.2m,第二次折迭后整片主翼几乎完全被收在机背上。这将使得Su-33UB折迭后宽度比Su-33的7.4m还要窄,停放面积更小(Su-33折迭后的停放面积就已经比F-14、F/A-18E/F、Rafale-M都小)。两次折迭机翼除了有更适合停放于航舰的好处外,在地面上,他使Su-33UB可以停放在俄国大量的MiG-21的机堡中,而不必新建机堡,就如狡兔有三窟,战时敌人更难瘫痪Su-33UB的战力。两段机翼的使用,使内燃油少了些,但由于气动力效率提高,因此航程反而增加(从Su-33的3000km增至3200km)。不过,设计师们不满于此,正为他设计新的结构油箱,目标是使其无外援航程达4000km。前两架原型机的平尾不像Su-33那样可对折,外型也不同,因此若非借用自别的飞机,就是整片可折收,再不然就是还要修改。
将来Su-33UB的主翼可能采用研制中的碳纤维机翼以减少重量、增加强度、及提升匿踪性能。其实碳纤维机翼已研制成功,盖原型机基于安全考虑不敢冒用之,仅采用成熟的金属机翼。由于在Su-47上已可见到大块预成型复材蒙皮(最长达8m),而KnAAPO已能对钛合金、复合材料预成型块材加工成型,可见俄国在量产便宜耐用的复材机翼方面不须等太久。
Su-33UB表面非常简洁(与其它Su-27系列相比),表面几乎都是由大块部件构成,这使得接缝处产生的阻力以及增加的RCS能尽可能减少。开口减少一方面也是因为Su-33UB的维修点更少,后勤更简单。
重要部位有陶瓷-金属多层复合装甲,比传统的钢或钛合金装甲强,可提升飞行员与飞机的生存性。
拜新结构、材料以及先进航电之赐(航电设备重量仅达过去的几分之一但性能更强悍),Su-33UB尺寸虽略大于Su-33且采用两段折迭翼等看似更复杂的结构,但空重与后者相当,外挂重由6500kg提升至7000kg。
二、匿踪
苏霍设计局号称于Su-33UB“实现一系列匿踪设计”。这至少说明他会使用匿踪涂料。另外表面开口少、前缘柔性复材等都多少有帮助。根据公开的Su-27系列的RCS(10到15平方米)以及多年前的匿踪涂料可保守估计,Su-33UB的RCS应在1至1.5平方米左右或更低(1至1.5平方米是只考虑涂料的使用,还不考虑其它设计)。
三、航电系统
1.航电总介绍及超级计算机
Su-33UB与Su-30MKK等新世代侧卫战机一样采用“技术复合体”(Techmocomplex)于1998年为Su-30MKK发展的航电架构:以一个强大的计算机为核心构成综合信息系统。但许多方面又比Su-30MKK更优异。
她拥有俄国自制的每秒运算100亿次级的中央计算机(不确定是否为Su-27SM上的Baget-54),近6万倍于Su-27S的Ts-100计算机的17万次。这种运算能力与EF-2000及早期的F-22同级,这就表示她能使用更复杂的程序、能同时处理更多事情等等,故在其它设备与Su-35相同的前提下,其航电性能可大幅增加,更甭论其它设备都超越Su-35的情况了。
超级运算能力除了得以处理复杂的程序来整合各系统的数据外,还能介入各系统的工作。例如协助探测系统(例如雷达)计算机以提供极高的分辨率与抗干扰能力等等(因为可以用更复杂的程序),因而可以简化次系统计算机,甚至取而代之。Su-33UB的计算机性能达到早期F-22的水平,那么就硬件而言,其的确有可能做到F-22般“只靠中央计算机处理事情”的,即“共点式”信息综合。就功能论共点式与网状式综合不见得有差别,但共点式在维修、升级、生存性等方面都远优于网状式。这是因为所有的信息都交给一部计算机处理,因此维修时也只要维修这部计算机,而且不必担心次系统计算机故障导致局部性能瘫痪,妥善率、生存性都大为提高;且由于只有一个计算机系统,因此只要对这个系统进行软件升级或硬件升级,就能提升全机的航电水平,升级更容易。另一方面,为了增加生存性,这类飞机通常使用数台相同的计算机,每一台都可以达成性能需求,这样就不至于因一台计算机故障导致全机瘫痪,而且甚至可以藉由软件连结这几台计算机,使得平时数台计算机能分摊运算量,或是增强功能。
然而共点式信息综合并不容易,即便是美国F-22,到2003年为止,信息综合系统仍未完善,导致性能无法完全发挥。但这只是一时的瓶颈,不足以成为永远的威胁。
俄国在共点式信息综合方面并非新手,其发展与MFI同步,历史与F-22相当。位于圣彼得堡的“仪表”航电公司(NPO Preebor,Preebor是俄文的“仪器”)与其它同业为此研制了超级计算机以及Gamma-1106数据纪录器等等,两者共同组成综合处理系统的核心。Gamma-1106很早就已经在MiG-29A上试验成功。新的Su-27系列飞机“窃取”MFI的部分航电技术也不无可能。除了硬件,俄国从Su-35就开始用上信息综合的观念,有一定的经验。
2.座舱、人机界面
Su-33UB的数据显示由一个21吋以及4个15吋液晶显示器负责,原型机上在左侧设有抬头显示器(HUD),俄国正在发展头盔显示器(HMD)以取代抬头显示器,其头盔显示器是显示在面罩或单眼镜上的。座舱接口强调人性化,让飞行员可以像操作傻瓜相机一样操作飞机,许多情况下专注于任务执行而不需思考如何驾驶飞机。座舱设计秉持“黑暗”的原则,除非机上有系统故障,否则系统不会发光或发出声响,只会保持“黑暗”,这样可以减低飞行员的精神负担,且一旦真有要事,飞行员对于系统发出之警告较为敏感。
Su-33UB装备了机上氧、氮气提炼装置,能从外界空气中提炼氮与氧,经适当混合后提供飞行员使用。与过去的氧气瓶相比,这种系统无供氧限制,滞空时间可以更长,重量较轻,简化后勤需求(因为不需要换氧气)。这是当前新世代战机使用的供氧设备,在俄国战机中是首次使用。这种装置加上并列双座的宽广空间,使得飞行员不但可以留空更久,也可以减轻疲劳,有助提升飞行员长程奔袭后的战力,加上重要部位有复合装甲保护、筹载量大、航电功能周全,具有很好的对面攻击条件,成为取代Su-24战斗轰炸机的备选机种。
3.多路消息源使飞行员能接收各方面的战场环境,提升飞行员的环境意识(SA)
所谓“多路讯息取得”顾名思义,即用许多渠道,包括雷达、红外线探测器(包括前视探测及环场探测)、各种频道无线电(接收指挥中心、友机资料)、甚至我军船舰、卫星等取得战场数据,再加以整合,得出最适合的信息给飞行员。如用红外线探测系统取得比雷达还要精确的方位数据,加上雷达或雷射测得的距离,作为校正后的目标数据。
Su-33UB的前视红外线探测仪使用先进的热影像探测系统以增强探测匿踪目标的能力(这是Su-33UB装备热影像系统最主要的原因),超越Su-35的52Sh。至于性能如何?虽然没有公布,不过可以推测之。EF-2000之热影像红外线探测仪在天候良好时可在高达148km以上辨识微小温差,接近雷达之探测距离,英国号称其热影像装置能为流星飞弹提供超视距敌我识别。除了热影像仪,Su-33UB还装有微光电视摄影机,也是以探测隐形飞机为目标。
机首及尾刺内都有雷达,此外法佐特龙(NIIR)公司与提赫米诺夫(NIIP)公司几年前推出了侧置雷达天线,使飞机能360度发射雷达波,新的几款飞机不确定是否装备;雷达与雷达预警系统都能被动探测有威胁的电磁波,在红外线探测器操作范围之外,以这笔方位数据作校正,也可提供反辐射数据。
前视雷达是Zhuk-MS(NO-10M)系统,原型机一开始装备机械式天线(沿用早年Zhuk-27的机械天线),即现今的Zhuk-MSE,2002年底已换装“隼”式(SOKOL)相位数组天线,成为Zhuk-MSFE,对RCS为3平方米的空中目标探测距离170到180km,追踪距离60到80km,追30打6,对驱逐舰300km,对快艇180km,铁路桥梁150km,移动坦克25km,X波段,视野上下左右各70度(如果需要,可像印度的NO-11M一样装有机械装置以扩大视野至+-90度)。尾刺内则装有“警|察”(FARAON)相控阵雷达,关于SOKOL与FARAON之详细数据见附表。除了这些现有的雷达外,主动相列雷达也在发展中。
数据链连结其它Su-33UB或有类似系统的战机,使网络内的飞机能进行无线电缄默作战。估计应该与Su-30MKK、Su-27SM一样采用TKS-2系列通讯系统以取得共通性,如此一来数据链连结数量将有16架,并能与Su-27SM等协同作战。Su-33UB除能指挥僚机、与僚机共享讯息、让僚机进行无线电缄默攻击之外,还能与船舰、预警机、卫星通信,能担任舰队侦察机,亦可受舰队指挥作战。
4.单一无线电发射平台?
航空系统研究院(NIIAS)的“航天学报”对Su-33UB有一句吊诡的报导:“一些新技术的应用使得无线电设备较Su-33减轻数倍”。与F-22对照可推测,或许Su-33UB也用了类似F-22的“单一无线电发射平台”,也就是以同一个系统仿真出各种波形,取代过去一种波就要一个系统的做法。如此不但减重上百甚至数百公斤,也简化后勤 。
5.“傻瓜战机”
Su-33UB的设计目标之一就是“傻瓜化”,飞行员可专心执行任务而不必花太多心力去操纵飞机。绝大多数常规飞行都可由计算机代打,飞行员只需“做决定”即可,甚至可以自动空战。以下举例说明何谓“不用操纵飞机”。
首先是自动防撞。雷达、雷射测高数据会传给飞控系统,飞控系统会自动校正飞行,只要不关限制,飞行员不管怎么飞都不会撞地,因此进行低空任务时,飞行员大可不必在意高度,专心执行作战任务即可。除了提升低空飞安外,可减轻飞行员之疲劳,增强对面攻击战力。这种能力EF-2000有,Rafale前两批还没有。
接着是极其复杂的空战飞行。拦截作战时,探测系统将目标坐标输入导航系统,成为导航点,当飞行员选定某个目标时,飞机会根据设定好的程序而以最佳的方式飞达适当的空域,以提升飞机的拦截效率。这种事过去得靠飞行员自己判断,他必须知道怎么飞比较不费能量、怎么飞比较快到达、在什么状态下发射飞弹比较有利......等,可说既是技术又是艺术,飞行员除了要操作航电系统,还得花很多精力去操纵飞机,然而在这种傻瓜式系统中,这些程序已经由空战专家与工程师合作写进程序里了。对于空战天才来说,这帮助或许不大,但对大多数的飞行员以及新手来说,这将提升作战效率,也减少训练成本。这种交由计算机管理飞行的构想是航空大国当今主流课题之一。
尤有甚者,据俄国航空系统研究院(NIIAS)发行的航天学报,Su-33UB使用机炮模式时,飞行员只要选定目标并扣下板机后,飞机就会自己进行机炮缠斗,这种功能在西方国家目前只有JAS-39的后续改型计划采用。
四、动力系统
原型机使用AL-31K(就是Salyut工厂的AL-31F-3),单具最大推力13300kg。2002年春季的测试结束后,第二架原型机进场改装,包括换装SOKOL相列天线以及“礼炮”公司(MMPP Salut) 的新型大推力发动机。
量产型所用的发动机可能有MMPP Salyut的AL-31F-M系列以及留里卡-土星自己的AL-41F-1系列。依时程看,Su-33UB可能会与Su-37、Su-32同时服役,因此选用AL-41F-1系列可能性很高。
五、武器
Su-33UB与Su-33MK皆可配备各种对空、对面武器,对空武器方面较重要的在于能发射R-77射后不理飞弹,这是过去Su-33所不具备的。R-77的红外线导引型R-77T配备改良自MK-80(R-73、R-27T等所用者)的MK-80M,探测距离15到20km,与雷达导引型相当,应较适合用来对付匿踪飞机。由于空战武装大同小异,在此不多介绍。
Su-33UB/33MK是舰载飞机,反舰能力相当重要,以下将简介几种他们可能装备的对面飞弹。
1.Kh-31A/P
A型为反舰飞弹,射程70km,其改型Kh-31M射程已达110km。P型为反辐射飞弹,射程110km。采冲压推进,极速超过3马赫。弹重仅600kg小于次音速的鱼叉飞弹,Su-33UB/MK可挂载6枚这种飞弹。
2.“宝石”
空射型宝石发射重量约2500kg,采机首进气冲压推进,极速超过2.5马赫,射程约300km,可说是当今全球火力最足的空射反舰飞弹,Su-33UB/33MK可带3枚这种飞弹。
3.Kh-59MK长程次音速反舰飞弹
她是专为中国大陆研发的,采用推力更大的涡喷发动机以及雷达导引头,射程达285km,亦属300km级飞弹。
4.“阿尔法”超音速飞弹
俄国最新的超音速冲压反舰飞弹,采用弹腹进气,曾挂于Su-32FN下公开展示,据说也是300km级飞弹。
可见Su-33缺乏精确攻击能力以及长程反舰能力的缺陷在未来Su-33MK与Su-33UB搭配后不但将完全消除,而且还是全球火力最强的反舰平台。
Su-33UB生产计划以及Su-33MK改良案
KnAAPO已经开始准备生产Su-33UB以及进行Su-33MK改进计划。Su-33UB首先将加入北方舰队作Su-33的教练机;接着将加入俄罗斯海军陆基空兵;甚至计划取代空军的Su-24战轰机。
近年俄罗斯经济状况好转,旧飞机翻修、升级、以及新飞机的生产都如火如荼的进行。2000年起,KnAAPO翻修了服役中的Su-33战机,并于2002年起提升其性能。此外也开始生产新的Su-33以扩充舰载航空兵的规模。
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