為您詳細解讀俄羅斯蘇-57戰鬥機之二——武器和航電系統長啥樣?

2020年05月18日10:48:03 軍事 1590

來源:溫哥華的魚

每次看讀者留言都是一種享受,能激發出很多非常棒的觀點和思維,對我很有啟發。比如有讀者問地面撅屁股,飛行昂起頭,這樣的意義何在?

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這個問題問得好,我還真沒想過。比較一下蘇-57在地面和空中的姿態,前機身下趴可以縮短前起落架支柱的高度,帶來節省結構重量、縮小前起落架艙尺寸、提高有效容積等一連串的好處。雖然地面姿勢難看了點,飛到空中抬頭以後發動機的噴流還是在水平面上的,不然推力有損失還難以控制飛行姿態,抬起的機頭也可以在前機身底部產生一定的升力。至於發動機八字型外傾布局帶來的推力損失,一來角度不大,二來很可能通過矢量噴管進行校正,只要發動機推力足夠並不是大問題。

昨天看了幾個蘇霍伊公司的蘇-57官方視頻,印象最深刻的是上篇里一筆帶過的全動垂尾的動作。記得很多年前看到F-16CCV隨控布局驗證機時覺得很不可思議,加了兩片全動垂直鴨翼就可以在不改變飛行姿態的情況下進行精確機動。

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而今天的蘇-57憑藉全動垂尾也完全可以做到這點,編隊飛行中主要依靠垂尾進行電傳操縱自主調整,平尾和副翼的偏轉幅度都非常小,在機頭指向不變的情況下就可以迅速改變姿態,飛起來像一片落葉一樣輕盈。

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> 視頻油管地址:https://www.youtube.com/watch?v=jsYczZC_gqs

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落葉飄、鎚頭機動甚至以機鼻為圓心盤旋都不在話下,和珠海航展上殲-10CTV驗證機將矢量噴管、鴨翼、副翼偏轉到極致(參見殲-10B與TVC(下))相比完成得更加遊刃有餘,顯示出與寬大的機體不相稱的驚人機動性。

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殲-20歡快地轉動著能差動的鴨翼和垂尾笑而不語:

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在網上找到一份《戰鬥機概念設計與隱身氣動特性的集成分析》的公開論文,由北航、海軍航空航天大學和海軍航空學院於2016年聯合撰寫,以蘇-57為原型展開三維數字模型模擬測試,下圖是模擬機的上下表面壓力分部:

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圖中越偏紅的區域氣動壓力越大,越偏藍色壓力越小。可以看出上表面只有機鼻的壓力較大,起到抑制上仰的作用,這可能就是上篇提到的雷達罩特殊形狀產生的效果。下表面進氣道前方的可動邊條及機身側面區域都是氣動壓力最大的部分,說明進氣道前方的預壓縮作用明顯,邊條前緣可以產生很大的升力。後機身和主翼、平尾的壓力分布很均勻,包括尾錐都貢獻了一定的升力,升力體機身設計得相當出色。

順便說一句,美國雖然比俄羅斯更不愛用鴨翼,但是對鴨翼和隨動布局的研究是相當深入的,除了F-15 ACTIVE、F-16 AFTI,連F-4都有一款鮮為人知的 F-4E CCV鴨翼電傳操縱驗證機。

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武器系統

蘇-57的另外一大爭議之處就是彈艙,有沒有側彈艙,到底能不能打開順利投放武器,深度大是否影響機體強度都在網上引起長期的爭議。甚至直到最近還有網友和我說在論壇上說到蘇-57的側彈艙而遭到群嘲。

我真不知道是什麼導致這麼多人如此看不起俄羅斯的飛機設計師,是因為消息過於閉塞嗎?早在2015年俄羅斯的半官方網站就已經放出了武器系統的布置圖,包括座艙右側的一門30毫米航炮、機腹縱置的兩個主彈艙、進氣道外側保型繭包內的側彈艙和6個外部掛點。

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機炮

GSh-30-1型30毫米航炮是蘇-27/米格-29系列的標準配置,也是世界現役同口徑航炮中重量最輕的一款,重量僅為46公斤,射速1500發/分,備彈150發。

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> 進行地面射擊試驗的GSh-30-1航炮,這只是一個前機身模型,所以顯得十分粗陋

因為GSh-30-1是單管,佔用空間很小,蘇-57的炮口裝置只是一個小巧的整流罩,前半部是金屬色半圓錐,翻轉後就露出炮口(形式和B-2機背上的那個翻轉加油口蓋差不多)。這個設計雖然比F-22和F-35的掀起式炮口蓋板要凸出機身表面,隱身性有所下降,但是開炮反應速度更快,開火時暴露程度反而更小,對氣動也幾乎沒有影響。

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F-22的M61A1「火神」加特林機炮口徑為20毫米,備彈480發,炮身重量112.5公斤,射速6000發/分。六管的炮口直徑很大,如果採用敞開式設計在阻力和隱身性方面都會造成很多損失,所以採用了非射擊時隱身性能更好的翻蓋炮口。

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> 測試飛行中開啟的F-22炮口蓋板

主彈艙

蘇-57在機腹兩個發動機短艙之間布置了幾乎等長的2個大型串列主彈艙,每個尺寸約4.6米 x 1米,深度未知(估計約0.7米);F-22的主彈艙尺寸是3.9米 x 2米,深度不足0.4米。

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對於主彈艙的有無現在已經不是問題了,但是質疑聲一直存在,主要集中在兩個方面:一是彈艙門開啟後彈艙正好處於隧道的負壓區,武器能否順利分離;二是這麼薄的機身彈艙深度能有多少,蘇-27對應的位置正好是主梁和油箱,挖了內置彈艙後機體強度是否受到影響。

老毛子研究蘇-27/米格-29這種氣動構型已經40多年了,雙發隧道處的氣動壓力和結構強度還有誰比他們自己更了解呢?從蘇-57的飛行視頻也可以看出飛各種高G機動如行雲流水毫無困難,機體結構強度真的不用替他們操心。

實際上前後兩個主彈艙之間是有相當一段間隔的,不可能打通為一個長條。這段間隔完全可以進行橫向的結構加強,縱向可利用的空間就更多了。蘇-57和蘇-27長得像並不等於它們的內部結構就要一摸一樣。設計戰鬥機和現代戰爭都是十分嚴謹的科學,不是看一眼照片就說你不行的開玩笑。

甚至包括航展上被拍到廣為指摘的能塞進手指的主彈艙門縫隙,換個角度和光線看也只是一條V字形的凹槽,作用可能和艙門結構強度、密封性或者開閉的空氣動力有關。

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口說無憑,下面來看看蘇霍伊的具體措施。在F-22和殲-20上,為了讓彈藥能在超音速狀態下順利穿越附面層脫離主彈艙,都專門設計了液壓彈射發射架。沒有金剛鑽,不攬瓷器活,俄羅斯著名的空空導彈研製單位 - 三角旗機械製造設計局在成立70周年時展示了專門為蘇-57配套的2種垂直彈射掛架:UVKU-50L用於掛載300公斤以內的武器,UVKU-50U的承載重量則達到700公斤以上。

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它們和下方蘇-27/米格-29系列標準的R-77掛架明顯不同,前後兩端都沒有整流結構,只適用於內置彈艙;掛架的結構非常緊湊,呈X型的摺疊機構由液壓動作筒推出。這說明俄羅斯為蘇-57認認真真地研製了隱身戰鬥機專用的新型發射架。

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> UVKU-50L掛架結構圖

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> F-22的LAU-142/A垂直彈射掛架V字形摺疊關節在兩端,結構完全不同

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一同展出的還有三枚三角旗設計局研製的空空導彈,除了下面的R-77和R-73,最頂上是一枚從未露面過的新型空空導彈,型號可能是Izdeliye-300,連保護罩的長度僅約2.35米,比R-73和響尾蛇格鬥彈還要短一截;彈徑卻和R-77相同,達到200毫米;同樣採用可摺疊的格柵舵,彈體中部還有R-77M上的微型脈衝固體火箭發動機,矢量精確調整飛行彈道;碩大的彈頭內部很可能也安裝了R-77M配用的相控陣雷達導引頭。

這頗有點像美國正在研發的「Peregrine - 游隼」中距空空導彈,彈長1.83米,重68公斤(AIM-120彈長3.7米,重152公斤),外型就像截短的「標準」導彈,可以令F-22和F-35的載彈量翻倍。

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> F-22的「游隼」導彈掛載方案想像圖

有外國軍迷製作了俄羅斯新導彈的掛載示意圖,蘇-57一個彈艙可掛8枚,總攜彈量達到16枚,比F-22掛12枚「游隼」還多,對付中近距離目標時火力十分強大。這也說明俄羅斯為蘇-57認認真真地研究了專用的新型導彈。

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> 俯視,左側是R-77M,只能掛1枚,右側是4枚新導彈

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> 側視,彈艙深度是否準確無法證實

側彈艙

對蘇-57側彈艙的爭論比主彈艙還要多,主要是它的位置太標新立異了,很多人接受不了 - 2個獨木舟型的保型莢艙,離開進氣道還有差不多半米距離,在戰鬥機設計中聞所未聞。

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從隱身角度看只要是突出於機體表面外的任何附屬結構都是不利的,但是仔細看一看蘇-57的下表面,這兩個莢艙至少有4個作用:

搭載格鬥導彈:這個位置遠離機身,流場比較乾淨,導彈發射時受到的氣流擾動較少。具體的艙門打開方式從未披露過,是兩扇艙門對開用伸出上圖那個UVKU-50L掛架彈射,還是外側艙門上翻露出滑軌尚待觀察。

安裝保型光電探測設備:雖然幾架原型機上沒有安裝,但是在展覽會上已經可以看到計劃在繭包前端安裝101KS-P前視紅外探測器,用於輔助低空/夜間飛行和著陸,這個位置視野開闊,對氣動也沒有影響。> 左側的101KS-P探測器和繭包頭部的形狀一致

整流+增升:2個長條的繭包可以看作兩片大型翼刀,將可動寬邊條下方和從進氣道溢出的絮流約束在邊條內側,給主翼創造乾淨的流場;同時它還起到垂直安定面的作用,令全動垂尾的面積進一步縮小;流線型的繭包本身也可以產生升力(上面那個三維模型中繭包過於狹長,形狀不準確)。

遮擋:蘇-57的發動機短艙乃至整個機體都已經非常扁平,在保證了上表面翼身融合的同時發動機短艙和鴨翼之間的過渡已經不能太圓滑,否則寬度過大造成阻力增加太多,所以發動機短艙的外壁是近乎垂直的,形成一個強烈的角反射器,再加上附面層隔道和吸排氣旁通系統的巨大縫隙,進氣道前部和側面的雷達反射是相當強烈的。長度超過5米的莢艙正好從側面遮擋了這一區域,和廣受指摘的殲-20腹鰭類似,起到了很好的遮擋作用,消除了相當面積的直角反射源。> 從這個角度可以清晰地看出莢艙的遮擋效果,左側掛載的是專門用於記錄武器分離試驗的攝像系統吊艙

鑒於蘇-57特殊的氣動布局,機身上已經再找不出一處地方能夠放置2個容積不小的側彈艙,蘇霍伊的這個神來之筆不但解決了攜帶格鬥彈的難題,還有相當的附帶益處,絕對不是一個敗筆。

外部掛點

蘇-57的翼下和發動機短艙底部共有6個掛點,可以在非隱身任務時掛載副油箱、主彈艙放不下的大型武器或者特種任務吊艙,這也是現在我們看到蘇-57攜帶彈藥的主要方式。

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武器配置

蘇-57的最大載彈量達到8噸,能夠攜帶的武器種類非常豐富,特別是大型彈藥,作戰彈性遠超F-22和F-35,下圖是2015年製作的機載武器效果圖:

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[ 空對空 ]

Izdeliye 810超遠程導彈 - 彈長4.2米,重量600公斤,射程400公里

K-77M中程導彈 - 彈長3.7米,重量190公斤,射程110公里

K-74M2格鬥導彈 - 彈長2.9米,重量105公斤,射程40公里

[ 空對地 ]

Kh-38M模塊化紅外熱像空地導彈 - 彈長4.2米,重量520公斤,射程40公里

Kh-35UE亞音速反艦導彈 - 彈長3.8米,重量520公斤,射程260公里

Kh-58UShKE高速反輻射導彈 - 彈長4.19米,重量650公斤,射程245公里

[ 制導炸彈 ]

KAB-250/500/1500 - 重量分別為250公斤/520公斤/1525公斤

[ 外掛武器 ]

布拉莫斯-NG超音速衝壓動力巡航導彈 - 彈長5米,重量1.5噸,射程290公里

Kh-31AD/PD超音速反艦導彈 - 彈長5.43米,重量715公斤,射程160公里

如今內置武器中還要加上已經在敘利亞戰場投入過實戰的Kh-59MK2亞音速隱身巡航導彈 - 彈長4.2米,重量770公斤,射程550公里。

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> 2018年5月5日,俄羅斯國防部長紹伊古公開了蘇-57投放KH-59MK2隱身巡航導彈試驗的錄像,紅色的試驗彈從機腹閃現出來,說明不是外掛的。

俄羅斯甚至有計劃為蘇-57配備Kh-47M2「匕首」高超音速空射彈道導彈。此前它由米格-31K和圖-22M3攜帶,由米格-31K發射的射程是2000公里,「逆火」發射能達到3000公里,飛行速度10-12馬赫,彈頭重量500公斤,核常兼備,是一款威力巨大的准戰略武器。

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> 這是電腦模擬的「匕首」掛載想像圖

看到這你可能有疑問,蘇-57掛載這麼多大型武器到底要做什麼用途?

21世紀初俄羅斯空軍曾提出未來航空兵五大計劃:PAK DA未來遠程航空系統 、PAK TA未來運輸航空系統、PAK DP未來截擊航空系統、「胡蜂EP」未來強擊航空系統和PAK FA未來前線戰鬥機系統。

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> PAK DA - 隱身戰略轟炸

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> PAK TA - 伊爾-106超音速戰略運輸機,計劃載重量達到200噸,能運輸4輛「阿瑪塔」坦克的超音速戰略運輸機!目前載重指標已經下調到120噸。

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> PAK DP - 米格-41隱身截擊機

但是隨著俄羅斯國力驟衰,最終只有PAK FA孵化出蘇-57,其它頗具科幻色彩的計劃要麼無疾而終,要麼延期到2030年後才可能實現。在這樣的情況下,原本用於替代蘇-27和米格-29、只擔負空優作戰任務的蘇-57成了俄羅斯空軍手中唯一的隱身有人機作戰平台,這根獨苗自然被賦予了更多的能力,以隱身構型攜帶儘可能大型的彈藥,在必要時可以執行遠程截擊、對地/反艦攻擊等不同任務。

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整個蘇-57的設計可以說都是圍繞這2個大型主彈艙展開的,長度要足夠掛載Kh-59MK2這個級別的巡航導彈,又繼承了蘇-27扁平升力體機身、寬間距發動機的布局(蘇霍伊最拿手的氣動傳統當然要發揚光大,重起爐灶的話就只有其它幾個PAK一樣的下場),像F-22那樣橫向布置的彈艙就無法實現,只能縱置在隧道里。即便是彈艙橫截面最小的縱置,蘇-57的隧道依然比蘇-27要寬,加上進氣量更大的發動機所需的寬大進氣道以及超音速機動性對升力的需要,最終成就了「拍扁的蘇-27」。

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不由得聯想到殲-20,它的彈艙其實和蘇-57的幾乎一樣長,寬度甚至更大(具體數值我就不量了),而且做到了並列布置,那它能掛載的彈藥種類和作戰能力也同樣具有很大的想像空間了。

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航電

蘇-57的航電不想多談了,話說殲-20 - [6] 航電系統 (下) 一文里已經提到過,而且到目前為止也沒太大的變化。唯一說得不對的是中國已經開發出了自己的側視雷達系統,據說殲-20和「梟龍」Block3都採用了。不過目前只見到過「梟龍」用的KLJ-7A模型,在側面確實加裝了兩塊面積不小的側視雷達陣面,而現役的殲-20在機頭兩側並沒有看到天線列陣的跡象。

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按照俄羅斯目前的電子工業水平,蘇-57的航電確實算不上先進,大部分設備和功能已經下放到蘇-35上,就是和陣風、颱風差不多的四代半水準,唯一的亮點還是那2台側視相控陣雷達。缺乏F-35、殲-20上的EODAS系統,尤其是強大的後台數據融合、處理能力,多2部側視雷達對蘇-57來說還是具有很大意義的,至少保證了前半球更完整的事態感知和多目標交戰能力。再加上尾錐內的小型後視雷達,用成熟的雷達系統替代要求高得多光電系統實現了全景覆蓋,研發的難度和採購的成本都大為下降,當然代價就不隱身,需要向外輻射電磁波。

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