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戰鬥機利器——機砲

戰鬥機利器——機砲

自1920年代戰鬥機問世後,機砲就一直是戰鬥機不可或缺的左右手,二次大戰時期由於機砲是戰鬥機唯一具備作​​戰效益的武器,其重要性更到達極至。不過到了20世紀50年代中期飛彈問世後,卻有人忘了機砲的存在。當時一些戰鬥機的武器就只裝備飛彈,最著名的是F-4幽靈式(Phantom)。越戰(1964年8月2日~1973年1月7日)初期的幽靈式雖然可掛載8枚空對空飛彈彈,但當時飛彈的獵殺率(kill probability)奇差無比,AIM-9B/E響尾蛇飛彈平均為16%,AIM-7E1/E2改進型麻雀飛彈約10.6%,換言之機上8枚飛彈彈全數發射完畢後,敵機很有可能仍然毫髮無損。而越戰後期完成空戰性能提升的F-4E,其所配備的固定式機砲獵殺率則高達50%,可惜直到1969年才開始服役,否則一定改寫越戰的空戰歷史。


F-4E機鼻安裝的M61機砲

經過越戰的教訓後,美軍飛行員認定戰鬥機上一定要有機砲。因此在20世紀70年代的戰鬥機上,機砲的地位穩如泰山,讓人驚異的是在20世紀80年代開始研製的F-22,以及90年代研製的聯合打擊戰鬥機(Joint Strike Fighter)上,情況依舊如此。

有人懷疑一架超音速隱身戰鬥機有必要裝上機砲嗎?現今的空對空飛彈性能已非昔日吳下阿蒙,早期的飛彈要發射時,非追著敵機的尾巴不可,而最新的第五代空對空飛彈,如美國的AIM-9X、歐洲多國合作研製的IRST…,幾乎已無發射角度、距離的限制,若再搭配上頭盔顯示器(helmet-mounted display),飛彈發射區幾乎涵蓋了載機前方整個半球面,加上射程遠,機砲似乎已無用武之地。但事實上,在後來演變成為F-22的先進戰術戰鬥機(Advance Tactical Fighter)項目裡,機砲就一直牢牢地列在該項目的基本需求項目之下,這說明了即使在飛彈當道的今日,機砲仍然擁有其一席之地。

機砲的研製

現代意義上的戰鬥機機砲最早出現在20世紀30年代末到40年代初期的二戰期間。第一種可靠、高速發射、皮帶進彈的機槍於1930年服役,具有7.62毫米和12.7毫米兩種口徑;之後出現的是20至30毫米的中口徑機砲,可發射高爆彈頭,適合對付大型目標,但射速較慢,因此對付目標小且動作靈活的戰鬥機時命中率較差。

1942年德國空軍為了全世界第一架噴氣式戰鬥機Me 262,要求毛瑟(Mauser)公司研製一門射速每分鐘1,000發、砲口初速1,000米/秒的新型機砲。毛瑟公司根據左輪手槍的原理,在1943年推出了20毫米的MG213轉膛式加農炮,只有一根砲管,但有五個砲膛,因此同一時間內可完成進彈、擊發、退彈的動作,可以在小空間低重量的限制下提高砲彈的射速。二次大戰後許多國家的機砲,如:美國的M39、英國的阿登(Aden)、法國的DEFA、瑞士的206RK,都是MG213的仿製品。



五個砲膛同一時間內可完成進彈、擊發、退彈的動作

1946年美國通用電氣公司(General Electric)獲得國防部火神項目(Project Vulcan)的一紙合約,負責研製一種射速破紀錄的機砲,項目的成果就是根據南北戰爭期間加特林(Gatling )機槍原理所研製的20毫米六砲管M61機砲。M61首先裝備了1954年首飛的F-104星式戰鬥機(Starfighter), 射速每分鐘4,000發,砲口初速1,030米/秒。改進型M61A1機砲目前裝在F-15、F-16、F/A-18、F-22等戰鬥機上,射速提高到每分鐘6,000發。M61系列是全世界最多戰鬥機使用的機砲。


不帶供彈系統的M61機砲

 此後,機砲技術的研製就停滯不前,只有美國因為M61的進彈系統屢次發生問題,研製了較佳的無彈鏈進彈系統(linkless feed system),從此機砲的設計就沒有根本性的改變。美國曾於1984年開展先進機砲技術(Advanced Gun Technology)項目,曾試圖為F-22研製新型的加特林機砲,具備伸縮式砲膛、射速每分鐘6,000發、砲口初速1,500米/秒,但因為價格昂貴可靠性欠佳,很快就從F-22項目的需求項目中消失了。


早期型M61採用彈鏈供彈方式,在高射速下容易卡彈


最後改用線性無彈鏈砲彈輸送系統

機砲的得與失

機砲的效能多年來沒什麼長進,但空對空飛彈的性能則今非昔比,因此機砲在空戰中的表現日趨低調。1973年的以阿戰爭裡,以色列戰鬥機擊落的敵機中有70%是機砲的功勞;到了1982年以色列與敘利亞的貝卡谷地(Beka​​a valley)戰役中,飛彈則擊落了93%的敵機;而同年的英國與阿根廷的福克蘭群島戰役中,機砲未立寸功;1991年初的波斯灣戰爭中,機砲也沒有任何表現。

機砲較飛彈便宜,但機砲的間接使用成本高,也影響了部分國家的使用意願。英國接收的第一批歐洲戰鬥機(Eurofighter)上,機砲只是個配重,不會有任何相關的後勤支持或訓練,主要原因就是出於成本考慮:機砲在實彈射擊訓練時除了消耗靶機外還需要拖靶機的支持;測試空域會有環境污染的問題;機砲擊發時機體會承受複雜的應力,後座力會損及結構及電子裝備;機砲射擊產生的熱、重擊、震動,對隱身塗層及密封會造成潛在性的損傷;廢氣具有腐蝕性;砲彈也不輕,需要特殊的裝備來搬運…,這些都增加了飛機的操作成本。


機砲射擊需要動用拖靶,時常有誤擊拖靶機的新聞

但機砲也不是一無是處,直升機、運輸機、以及其它低速飛機都比較適合裝備機砲。1991年的波斯灣戰爭中,由於沙漠地面酷熱,紅外空對空飛彈對低飛的伊拉克飛機幾乎一籌莫展,若碰上超低空飛行且裝備紅外抑制裝備的伊拉克直升機,不論是紅外導引或雷達導引空對空飛彈都是一籌莫展。

另外機砲還有一個根本性的優點,就是砲彈不受電子干擾。現在的紅外導引飛彈雖可抗電子干擾,但新一代戰鬥機將會廣泛使用高能量的反制措施,屆時紅外導引飛導彈就無法囂張了。

機砲系統的改進

一般都認為機砲的技術已經相當成熟,但機砲的研製仍有相當的風險,最基本的安全顧慮就是砲彈在飛機內爆炸。狂風(Tornado)戰鬥機在研製27毫米毛瑟加農炮時(為歐洲戰鬥機和鷹獅(Gripen)戰鬥機的機砲系統打基礎)所花的時間就比預期來得久。M61的新一代PGU-28/B砲彈與老式20毫米M56砲彈相比改善了氣動特性、縮短飛行時間、彈道不易下墜、殺傷力更強,但​​曾發生幾次在砲管內提前引爆的事件,因此在2000年時被限定在戰爭緊急時才能使用。


PGU-28/B問題兒童

最失敗的案例是英國空軍在1982年採購鷂式(Harrier)GR.5戰鬥機後不久,選定安裝高砲口速度(初速1,050米/秒)、高射速(每分鐘1,850發)、單管連發式25毫米的阿登加農炮吊艙。原型機砲在1987年完成試射並在1988年正式服役,但因為機砲可靠性欠佳,砲彈擊發後拋投的彈殼會傷及戰機,因此服役後一直未能發揮戰鬥力,且持續改進的成效顯然不彰,導致英國國防部在1999年宣布鷂GR.7不安裝機砲吊艙。

機砲的瞄準系統則持續在改進中。F-16有個綜合了雷達、火控系統、慣性參考系統、抬頭顯示器的增強型包線機砲瞄準(Enhanced Envelope Gun Sight)軟體,在抬頭顯示器上提供更精確、更容易使用的瞄準圖像。此軟體會在平顯(Head-Up Display)上顯示代表砲彈彈道的十字交叉線以及圍成通道狀的兩條弧線,弧線的曲度隨著F-16的飛行動作而改變,當目標機落於兩弧線之內時,表示目標機與F-16在同一平面上,易於進行追擊;當目標機翼展佔滿弧線寬度時,表示已進入射程,此時若十字交叉線在目標機的上方,F-16飛行員只需保持飛機姿態穩定,扣下板機,砲彈流就會直奔目標。


增強型包線機砲瞄準也就是機砲漏斗

新一代機砲

基於種種理由,機砲仍是新型戰鬥機不可或缺的基本裝備。俄羅斯和歐洲空軍認為:瞄準系統讓機砲威力發揮得更淋漓盡致時也使機砲效能更佳,所以無需攜帶很多砲彈。米格-29、 蘇-27、以及歐洲戰鬥機都只攜帶150發砲彈,與美製戰鬥機少則五、六百發,多則上千發的容量相比真是無法同日而語。這樣做還帶來一個好處,就是降低了機砲射擊訓練的時數。

F-22的M61A2機砲系統非常複雜,機砲艙門能在數毫秒內開啟及閉合,露出砲管和排出廢氣的自動門,艙門下方有個不銹鋼片以防止砲彈誤擊機身結構。由通用動力公司武器系統(GD Armament System)部門研製的線性無彈鏈砲彈輸送系統(Linear Linkless Ammunition Handling System)有一個整體進彈單元,裝載480發的砲彈,大約可供F-22完成5次、每次持續1秒鐘的射擊。


射擊機炮中的F-22


F-22的輕量化M61A2機砲以及線性無彈鏈砲彈輸送系統


機砲艙門

通用動力公司還為F/A-18E/F超級大黃蜂(Super Hornet)研製M61A2改進型機砲,於2002年12月開始交付。新機砲的一些鋼質零件改用複合材料及鈦合金製造,減輕了重量、縮小了體積,內裝412發砲彈,整體可靠性較佳。


超級大黃蜂的M61A2機砲

通用動力公司也為南韓飛機公司(KAI)/洛馬(Lockheed-Martin,也就是F-16的製造廠家)合作的TA-50研製新的機砲系統。TA-50是T-50教練機的武裝型前導戰鬥機,安裝一門特別研製的三砲管、每分鐘射速3,000發的20毫米機砲。該砲採用M61A2機砲的砲管,部分部件則取自直升機用的三砲管M197機砲,配備一套線性無彈鏈閉合迴路式進彈系統,攜帶205發砲彈,重約134公斤。

法國的GIAT公司為陣風(Rafale)多用途戰鬥機特別研製了新型的30毫米機砲,命名為30M791。該炮是一門火藥氣體驅動的單管轉膛式加農炮,重120公斤、威力強大。30M791有七個砲膛, 射速高達每分鐘2,500發,是射速最高的單管機砲。砲口初速1,025米/秒,因此彈道非常平直,要擊中運動中的空中目標只需很小的射擊窗口(firing window),平直的彈道結合極高的射速,因此命中率極佳。此炮可摧毀空中目標,並可射擊地面及海面上的目標,其配備的穿甲燃燒彈和高爆砲彈會爆炸成大小適中的破片, 可確保摧毀典型的輕型戰鬥機。


30M791 30毫米機砲

30M791機砲正常擊發每次持續0.5秒,射出21發砲彈,不像F-22一次射擊就得消耗100發,因此機上125發砲彈可提供六次的射擊。較短的射擊時間可減少砲管的磨損,避免高速射擊所產生的一些問題。

GIAT公司宣稱30M791機砲在空對空的情況下有效射程為2,500米,幾乎是其它單管機砲的兩倍,當然目標的特性和接戰情況都會影響到這個數值。30M791機砲內有一排彈裝置,會在射擊發生時間延滯後,迅速自動排除啞彈,重新裝填新砲彈再次射擊,因而提高了機砲的整體可靠性。

歐洲戰鬥機上的毛瑟BK27機砲沿用自狂風戰鬥機,2002年3月完成地面測試。BK27機砲具有兩段式的射速(每分鐘1,000發或1,700發),分別對付地面及空中的目標。歐洲戰鬥機上的BK27首次使用了一套無彈鏈封閉式進彈系統,避免了排放的彈殼和彈鏈撞擊機身的風險,也使系統佔用空間減少了將近60%。


颱風戰鬥機的BK27機砲

BK27機砲在歐洲相當受歡迎,使用機種包括狂風戰鬥機、阿爾發噴氣(Alpha Jet)、歐洲戰鬥機、瑞典JAS-39鷹獅戰鬥機,另外美國F-35A最初也打算採用此機砲。現今BK27機砲的使用壽命已由最初的5,000發提升到10,000發,未來可望進一步提升到15,000發。目前所使用的砲彈至少有七種:空對空的兩種高爆砲彈、對地攻擊有三種(穿甲彈、穿甲高能量彈、穿甲高能量自爆引信彈)、以及兩種訓練彈。

俄羅斯蘇-27系列戰鬥機安裝的是該國於1993年研製的30毫米GSh-301單砲管機砲,機上裝載150砲彈,射速每分鐘1,600發,砲口初速860米/秒。它的砲彈重達390公克,為現役戰鬥機機砲中重量最重的,一旦被擊中,不死也重傷。


GSh-301單砲管機砲

波音和洛馬當初在競爭聯合打擊戰鬥機項目時,都選用毛瑟BK27機砲,這是自20世紀50年代以來,美國戰鬥機首次選用加特林系列以外的機砲。其中的原因有二:首先是重量的考慮,這對短場起飛、垂直降落的飛機尤其重要;其次是毛瑟機砲的擊殺率(致命性和準確性的綜合表現)在遠射程時也比加特林20毫米機砲好。

不過事情在2002年中有了變化,毛瑟BK27機砲的27毫米砲彈在設計射速下無法提供所需的擊殺率,因此必須研製新砲彈,這不但提高了機砲研製成本及研製風險,美國空軍後勤單位對此也大表不滿。美國空軍已經有三種不同的中口徑砲彈(M61系列的20毫米砲彈、A-10的30毫米GAU-8/A砲彈、AC-130的25毫米GAU-12/U砲彈),沒興趣和精力再去研製第四種。

因此聯合打擊戰鬥機項目在2002年9月重新選定通用動力公司來整合機砲系統,新機砲在AV-8B戰鬥機和AC-130U飛行砲艇(Gunship)裝備的25毫米GAU-12/U五管加特林機砲基礎上改進,儘管單發砲彈命中精確度不如27毫米砲彈,但射速則提升到每分鐘4,200發,同時間內可對目標投射較多的砲彈,以此來達到規定的擊殺率。毛瑟機砲的單管砲管壽命有限, 加特林機砲則沒有這種問題,因此全壽期成本(total cycle cost)比較便宜,而且25毫米砲彈有現貨供應,包括多用途彈藥在內的各式彈藥應有盡有。


F-35A內置一門GAU-22/A機砲

由於聯合打擊戰鬥機的全機重量已超出原設計規範,故機內空間使用和裝備重量有很嚴格的限制,機砲不但佔空間重量又不輕,自然引起很大的爭議,最後只能妥協:傳統起降型F-35A在左側機背上有一門內置式機砲;而短場起飛、垂直降落(STOVL)型F-35B則沒有內置機砲,而是另外研製一型“任務導向”保形吊艙機砲系統,吊艙內自備砲彈,內裡一應俱全,載機無需考慮砲彈供輸的問題。機砲吊艙可掛在F-35B/C的機腹中央掛架上。



F-35B/C的機砲吊艙

未來前景

機砲還有長期性的未來嗎?許多人以今日空對空飛彈性能來分析,認為未來的空戰大概都會發生在視距外,在雙方尚未看到對方前就已發動攻擊,甚至擊落敵機了,問題是在各國競相研製戰鬥機隱身技術下,有一天終將無法享有以飛彈先發製人的優勢,大家也許會回到從前目視接戰、以機砲和纏鬥技巧來決定生死的日子。

英國國防部在20世紀90年代末期開始研究導引砲彈的潛力,2001年美國陸軍提供經費進行低成本彈道改正(Low Cost Course Correction)項目,配合大多數現代戰鬥機上(F-22例外)已安裝的激光目標指示器(laser designator)研製激光導引砲彈,由小型推進器來控制飛行方向,砲彈可小至25毫米。另外還有一種原理與JDAM炸彈相仿的砲彈也正在研製之中,以軟體控制砲彈循著預訂的航向直奔目標,大機動動作下的戰鬥機只要被擊中一發,就足以致命。



美國已經成功測試了激光制導子彈

因此未來的每架戰鬥機可能只攜帶十發左右的砲彈,一次射擊一發。機砲不需複雜的進彈系統,砲管也不重,整體重量輕了許多,因此射擊時對機體造成的震動就比較小,後勤負擔也因而輕鬆許多。機砲的前途可能比許多人想像中的還更光明呢!

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