铁爪钢喙:F-22“猛禽”研制发展始末

铁爪钢喙:F-22“猛禽”研制发展始末

F-22的发展始于1981年,1988年原型机投入生产,1994年正式量产,进度其实是比较快的。

起源

在洛克希德马丁工程大楼里,一个不起眼的储物箱里藏了各种各样的设计研究模型,这些模型可以追溯到先进战术战斗机(ATF)的早期阶段。这些模型最终发展成为了今天的F-22猛禽战机。

美国航空系统部(ASD)在1981年提出了先进打击战机计划:Advanced Tactical Fighter (ATF),主要是用于替换现役的F-15战机。其实最开始ASD是在1972年就提出了ATF计划,并意图交给通用和麦道公司来开发这款战机,最初的设计指标是可以在中高空以2.5马赫飞行,并使用防区外打击武器攻击敌方的坦克集群。但这种飞机并未实现,反而是一开始被设计成空优战机的F-16,走了后门,改装具备了对地能力,填补了这一空白。因此下一代的ATF计划,一等就是10年。

在1981年的ATF计划中,共有2个组合参与了竞标,分别是洛克希德马丁搭配波音的组合,以及诺斯罗普搭配麦克唐纳道格拉斯的组合。这时候因为苏联的Su-27和Mig-29已经出现,对ATF的指标就更为苛刻了,要求使用轻质合金和复合材料减重,使用更先进的雷达航电,同时拥有更大推力的发动机以及更好的隐身能力。洛克希德马丁在70年代预研隐身对地攻击机的技术储备终于派上了用场。

洛克希德·马丁 70年代开发的“超级卫星”隐身对地攻击机

研制过程

在YF-22的研制中,洛克希德马丁承担了前机身,起落架,雷达航电集成,座舱,显示器和控制以及所有和雷达隐身相关的设计工作。波音则承担了机身尾部和机翼,消防系统,生命支持系统,辅助动力系统,制动装置,雷达,红外搜索和跟踪系统,任务软件,飞行航空电子实验室,以及培训系统研发设计。通用动力公司获得了机身中部,主起落架,水平和垂直尾翼,飞行控制软件,通信导航识别系统,电子战系统,惯性参考系统,仓储管理系统,红外线部分低可探测设计。在原型机阶段,洛马研究了多种机身构型,以便在气动性能和隐身方面获得最优解;到1987年8月中旬,构型选择已经缩小到5个,分别是595-7(基线有梯形机翼,四个尾翼和八个导弹); 612(六枚导弹); 613(梯形机翼和2个尾翼); 614(菱形机翼和4个尾翼);615(菱形机翼,2个尾翼和双侧进气口)。到了8月底,菱形机翼+4尾翼的配置614构型胜出。

YF-22最后胜出的构型就是614构型

YF-22原型机的设计演变,洛马做的功夫很足很到位,从这一点说,能中标完全凭实力

由于ATF仅仅是一个大框架,并没有非常细化具体设计指标,在2个团队设计过程,受到与美国空军代表的定期联系以及更正式的美国空军舆论的影响。比如美国空军提出要求主弹仓内携带8枚导弹,但设计团队认为这根本无法实现,顶住了这样的压力。再比如又提出了消除反推装置的要求,因为他们认为在这上面花的成本和收益不成正比,等等。这样的需求更改每年都会收到很多,给设计团队带来了很大压力。

不过优秀的设计师们还是排除千难万阻,成功实现了设计。比如YF-22的进气道设计,在空气动力学,结构,低可观测性和可生产性要求在很大程度上相互冲突。YF-22团队大约三年的时间进行了大量的分析和风洞测试,然后才实现了完全可接受的入口设计。最后这个采用嘉莱特进气道+大S弯管的设计非常的出色,在进气效率和低雷达反射上找到了不错的平衡。

F-22倾斜隔板进气道设计,兼具隐身功能

在YF-22的设计过程中,先进的计算机辅助设计工具是必不可少的。YF-22团队使用的是ACAD和CATIA联动的研发模式。ACAD是一款3D设计软件,而CATIA则是法国达索公司开发的一款高保真的三维设计软件,经CATIA输出的数据可以直接送到机械加工设备上进行加工,十分方便(题外话:80年代成飞果断引入了CATIA软件和达索的战斗机研发流程)。YF-22设计人员将在ACAD上建立初始的战机3D模型数据库,以便快速迭代。然后,这些文件将被转换为主CATIA数据库,方便机械加工。

第一批YF-22的图纸于1988年4月1日正式发布,并用于原型机的生产,首批次2架。该团队在74个飞行实验中累计飞行了90多个小时,成功将YF-22飞行包线拓展到2马赫以上,7g过载和60°的迎角,飞行试验计划也包括了AIM-9M响尾蛇和AIM-120 AMRAAM导弹的实弹射击。普惠的YF-119发动机成功实现了不开启加力的情况下维持超音速巡航。这仅仅用掉了3个月时间。高效率的飞行实验成为了YF-22中标的一大原因之一。

中标

在这次竞标中,洛马和波音提出的YF-22方案与诺斯罗普和麦道提出的是YF-23方案展开直接竞争,一个使用普惠发动机YF-119,一个使用通用发动机YF-120。两者拥有共同的一些特征,如菱形机头、内置弹舱、倾斜双垂尾、超音速面积律修型的设计。但二者在技术上各自有所偏重,比如YF-22装上了二元推力矢量喷管,机动性和狗斗性能更强;而身形修长的YF-23没有装备推力矢量喷管,但YF-120推力更大;而且YF-23更重隐身和极速性能。

YF-23和YF-22

在实际的测试对比中,YF-22使用更小的飞行小时数,完成了更多的实验测试项目,且对结构重量的控制达到了军方的要求;而YF-23的进度让军方很不满意;比如YF-23没有侧弹仓,诺斯罗普声称YF-23量产后会增加一个弹仓,以实现和YF-22相比拟的载弹量,这显然有种拿着半成品把人当猴耍的嫌疑;此外,在实验过程中,YF-23存在机体结构问题导致红外格斗单射不出去的问题。再就是之前的一些项目中,军方对洛克希德马丁和诺斯罗普的项目执行能力的印象有着很大差别。洛克希德马丁的F117研发进度和管理能力让军方相当满意,而诺斯罗普在B-2项目上进度延后,预算超支的表现让军方很不满。这些因素综合下来, 最终军方选择了更让他们省心的洛克希德马丁,在1990年12月公布的最终竞标结果中,YF-22胜出。

正式定型

1991年,ASD正式宣布了ATF计划YF-22中标。最初的合同包括了9架单座原型机和2架双座原型机,以及批量750架空军正式服役的机型。从YF-22到F-22仍然还有一些改动,包括机翼后掠角从48°减小到42°,以及垂直尾翼的面积减少了20%。还有包括机翼后缘靠近翼尖的地方,又做了一个切角。此外机头形状也有细微差别。为了提高飞行员的能见度,驾驶舱盖向前移动了18cm,发动机进气道向后移动了36cm。而在更改过程中增加的重量,使F-22的航程比YF-22略有下降。

F-22和YF-22对比

F-22从1994年开始正式量产,其零件和技术来自46个州的1,000多个分包商和供应商,创造了95,000个工作岗位,几乎以2架/月的速度进行量产。美军最初宣布的订货是750架。然而在国会老爷们的锉刀下,订单量被一砍再砍,最终这个数字定格在了。。。183架。这导致F-22的研发花费了324亿美元,而采购和军事建设(MILCON)仅花费349亿美元。真不知道洛克希德马丁要是早知道了订单是这样的话,还会不会投入这么大精力去做这款梦幻战机了。

F-22也分为多个Block,这是美国战机研发的惯例。正式用于作战中队的机型包括37架Block 20训练机和149座Block 30/35作战飞机。F-22装备的是AN/APG-77 AESA雷达,而在原计划中,是要在Block30上为AN/APG-77雷达进行升级,将其升级成带有侧视天线阵列的雷达,这样可以提高态势感知能力,不过由于种种原因,这一升级计划最终搁浅,第一款侧视雷达的战机落到了俄罗斯的Su-57名头上。