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標題: 戰鬥機機砲發展 [打印本頁]

作者: AA82276761    時間: 2014-11-8 09:09     標題: 戰鬥機機砲發展

如果按照工作原理來劃分將同屬於伸管武器的​​槍械/火砲視作一類武器的話,機砲一定算得上戰鬥機歷史最悠久的機載武器。從一戰到二戰,揭開人類首次空戰序幕的手槍被替換成機載機槍,又變成了機砲,槍砲始終是戰鬥機的主要武器。直到今天它仍然裝備著絕大多數的現役戰鬥機——從最落後的的二代機米格-21一直到最先進的四代機F-22。


1911年墨西哥革命戰爭,革命軍的寇蒂斯飛機與政府軍偵察機在空中用手槍互相射擊,成為人類歷史上最早的空戰

不管在哪個年代,空戰的本質都是力求先於敵方將對手納入自己機載武器(機砲、航空火箭、空對空飛彈)的有效射程範圍,先於敵方構成發射條件,先於敵方開火,先於敵方命中,從而達到消滅敵人保存自己的目的;而在這個過程中包含了飛行性能、火力控制系統、機載武器系統三者間的相互支持與相互限制。事實上飛行性能的設計取向,最終就是為了讓戰鬥機這個平台,能夠更有效的使火控與機載武器系統充分發揮能力;那麼60年代的火力控制系統和機載武器究竟是什麼水平,它對空戰樣式的限制是怎麼樣的,對飛行性能有著怎樣的要求,對後來的第三代戰鬥機研發起到了怎麼樣的影響?


被活動光環鎖定的目標,右邊圖比較模糊,注意光斑亮點組成的圓環

一:二代機的機砲使用

在上世紀60年代,戰鬥機與機砲配合使用的瞄準具還處於在活動光環瞄準階段。它依靠照明燈的光線通過聚光筒,透過遮光片與環板組漏光刻線的重合處,形成棱形光點、環心組成的光環;再透過反射鏡,經陀螺鏡、反射鏡反射到接物鏡上進行放大後投射到瞄準鏡上,飛行員通過瞄準看到瞄準光環與距離數字。

讓我們看看使用活動光環瞄準是多麼的繁瑣,它的大致使用步驟如下:首先瞄準具需要數分鐘的加溫時間,以中國大陸殲-6戰鬥機裝備的射瞄-7型瞄準具為例,它的加溫時間在3-10分鐘左右。飛行員根據敵情通報或者目視接觸判斷出敵方機型,轉動翼展旋鈕,選定翼展刻度(以敵方翼展為基准進行測距);扳動選環桿到活動光環位置;按下穩環按鈕(增大提前角線圈電流,加快陀螺進動)使光環緊跟本機的運動狀態;轉動測距把手,放大光環(便於縮小光環包住目標,同時增大提前角線圈電流);估算抬高角、提前角,將光環置於目標前上方,鬆開穩環按鈕,縮小光環(提前角線圈電流減弱,抬高角線圈電流增強),光環向後下方運動,中心光點徐徐落在目標上......


米格-19的機砲瞄準具

開火了?恭喜你!不出意外的話沒有一顆砲彈能夠命中目標!因為接下來才是具有決定性意義的精確瞄準步驟:“跟好”、“包好”、“穩好”。跟好和包好其實是同時完成的動作,飛行員必須將中心光點基本對正並壓在目標的中心或者要害位置上,牢牢跟住目標,測量出目標的線角速度;同時,轉動測距把手縮小光環,讓組成光環的棱形光點內尖包圍目標,根據敵機的投影比掌握包圍的鬆緊,測出目標距離構成綜合修正角。

此後要做的,就是保持這種狀態穩定跟踪目標一定時間;如果飛行員此前步驟的完成質量好,那麼瞄準具調整綜合修正角的速度就比較快,經過0.5~1.5秒的穩定跟踪就可以開火。如果有雷達與瞄準具交聯的話,選定翼展刻度、用光環包好目標這兩個測距步驟就可以不做;但當時為了防止雷達測距失效需要迅速轉入光學測距的情況,一般還是要求飛行員提前選定翼展刻度。


測量目標線角速度構成提前角的過程

由於攻擊方與目標都是高速運動的戰鬥機(戰鬥機亞聲速下飛行速度200~300米每秒,機砲的砲彈初速800~900米每秒),而且交戰中往往雙方都在進行激烈的戰術機動,戰鬥機處於強烈的震動狀態中;這種動對動條件下機砲的射擊命中效果非常的悲劇,甚至僅僅是對付轟炸機這樣尺寸巨大、飛行緩慢、缺乏機動性的目標也極少出現1000米以外的命中記錄。因此對於機砲,絕大多數情況下的使用方法只能是從目標後半部方向一定範圍內沿攻擊曲線,將距離逼近到300-500米範圍,牢牢的咬死目標後開火。

事實上在早期以機砲射擊為主的空戰中,攻擊方最常見的開火距離往往是200米到300米之間,而且往往會在開火過程中越打越近,到擊毀目標時只剩一百多米甚至幾十米(一般要求在進行後半部攻擊時的最小退出距離,對戰鬥機目標是200米),反而被目標碎片擊傷自己的情況在戰史記錄中屢見不鮮。在韓戰中,就有一位美軍飛行員被中國大陸戰鬥機擊落,被俘後反複表示,連續追擊開火至不足50米,這樣的對手著實凶狠。


韓戰中一架F-86正在接近射擊一架米格機

傳統的光環瞄準方式,從原理上說屬於前置跟踪瞄準,依據目標參數及本機運動狀態計算出射擊綜合修正角,並在瞄準視場中顯示對應的瞄準光環。它有兩個不可彌補的缺點:第一,既然是前置跟踪瞄準,瞄準具就必然要對目​​標的活動規律做出某種假設,例如假設目標繼續作等速直線飛行,根據這種假設的運動規律構成綜合修正角;第二,光環瞄準具在跟踪過程中必須要進行穩環,而且越是激烈的交戰,概略瞄準以及跟踪目標這兩個動作完成的質量也必定越差,穩環階段對綜合修正角進行調整的時間也就越長。可以想見這樣的瞄準方式,實戰中命中率是高不到哪裡去的。


AIM-4獵鷹,早期失敗飛彈的典型

而當時的空對空飛彈也非常不成熟。這一階段投入使用的空對空飛彈,原本都是針對可攜帶核彈實施洲際轟炸的轟炸機這一類低機動大型目標而設計的,因此對高機動狀態目標的攻擊能力很差。

由於不具備離軸發射和全向攻擊能力,飛行員想要用空對空飛彈攻擊敵機的話,同樣必須駕駛飛機切入敵機的後半部內一定範圍,保持純跟踪方式飛行進行定軸瞄準、發射;在瞄準光環套住目標後,根據耳機中的音響信號,調整與目標的距離,使目標處於飛彈的最大射程與最小射程之間,滿足發射條件後持續按壓射擊按鈕將飛彈發射出去。從使用上說,這時候的飛彈更像是有效射程被大大擴展了的機砲。

而且這些早期的飛彈比起機砲還有一個額外的劣勢,就是常常對發射時戰鬥機的過載有很大的限制;機砲可以不在乎發射時戰鬥機處於幾個G值的過載,但G值較大的時候這些老爺貨飛彈可就不一定還能使用了。尤其是越南熱帶潮濕條件下,當時飛彈的故障率高到讓人無法接受,更是讓其實戰應用表現雪上加霜,使空戰的戰術選擇更加依賴於機砲的運用。

從上世紀50年代末飛彈出現以後,東西方的軍官和飛機設計師們曾經一度認為機砲​​已經毫無用處,以至於在60年代戰鬥機裝備機砲的比率從100%降低到50%。但越南戰爭充分的暴露了當時航空電子和飛彈系統的不成熟、不可靠;一些機型例如F4由於沒有機砲,在空戰中極為被動甚至因此被擊落。這些教訓如此沉重,以至於在機砲已經真正無用的今天卻沒有人敢將之放棄。正如一個英國飛行員所說:“不管用不用得上,我永遠不想沒有機砲。


能量機動理論的提出者博伊德

二:二代機火控水平對三代機發展的影響

總的來說,越戰時戰鬥機的進攻手段操作複雜,武器發射條件嚴苛,攻擊效率低下;即使一方在短時間內態勢佔優也往往難以進行有效攻擊,空戰中在中低空亞聲速下近距離內進行反複的追逐、纏鬥、咬尾成為最普遍的交戰方式。正是這樣的局面催生了約翰·伯伊德跨時代的能量機動理論,第一次以數學形式量化了飛行性能在空戰中的作用,引入了系統工程的數據圖表優化分析,使得設計前就掌握飛機的空戰性能成為現實。

在當時的技術條件下,由於火力控制系統和機載武器的限制,不論是機砲、航空火箭還是當時的空對空飛彈,在構成發射條件的過程中都需要對目標進行較長時間的穩定跟踪,甚至於往往需要逼近到目標後方較近的距離。因此早期階段的能量機動理論主要強調攻擊方切入敵方的後半球位置,並且要能夠穩定跟上敵方的動作而不被甩開;能量機動中最核心的SEP指標正是這樣一個反映戰鬥機持續穩定機動能力的概念。

在最早的能量機動理論中,博伊德認為,如果一架戰鬥機可以在飛行包線中任意一點的位置都擁有高於對手的SEP特性,並且具有迅速更改自身SEP狀態的能力,可以消耗比對手更多的SEP將能量優勢轉化為將對手納入己方武器包線範圍內的空間位置優勢,那麼這架戰鬥機就將佔據空戰中的優勢地位。國內很多自詡能力機動理論秉持者的原教旨主義者完全曲解了能量機動理論的本意,將迅速消耗能量轉換為空間位置優勢的負能量戰術這一能量機動理論的核心組成部分與能量機動理論自身完全對立起來,不知道博伊德泉下有知,將對這些名義上的徒子徒孫作何感想。

單位重量剩餘功率SEP=(推力-阻力)X速度/重量,它反映了戰鬥機的加速和爬升能力。但在戰鬥機設計中,這個性能與盤旋能力會發生取捨上的衝突;更高的盤旋能力需要更高的升力係數與更低的翼載荷,而翼載荷與戰鬥機重量成正比,與機翼面積成反比。

在發動機(推力)確定、基本氣動外形設計(升力係數)確定的情況下,提升盤旋能力只能依靠增大機翼面積實現;而機翼面積加大直接帶來更大的阻力與結構重量,在降低最大速度指標的同時會嚴重的對SEP造成負面影響。此外隨著機翼面積的加大,戰鬥機在大迎角下的迎風面積也會相應加大,引起阻力的急劇增加;因此增大機翼面積對於瞬間盤旋性能來說總是一件好事,但對於設計更偏重持續機動能力的戰鬥機來說,如果推力不能克服急劇增加的阻力,最終得到的未必是設計師想要的結果。

最終早期的第三代戰鬥機空戰特性的設計就主要在SEP性能與穩定盤旋性能之間進行折中,力求獲得亞聲速下優良的持續穩定機動能力;後來的F15、F16、蘇27、米格29戰鬥機都是遵循這一初級階段的能量機動理論所指導設計出來的產物。


圖中的曲線就是代表砲彈落點軌蹟的“熱線”

三:熱線瞄準對機砲性能的再次提升

對於機砲這種原理成熟,構造簡單的機械武器,它本身的性能改進沒有太多餘地也沒有太大價值;彈丸的殺傷能力提升的空間有限,散佈也不可能有本質性的改善,而有效射程受限於初速和散佈更不可能增加多遠。但雷達、平顯儀、電子計算機的綜合應用,使它的瞄準方式實現了革命性的突破。

1969年,對活動光環瞄準具忍無可忍的美國空軍人員根據越戰經驗,向美國國內提出了開發新型原理機砲瞄準方式的要求。應用全新技術的瞄準具,依托電子計算機、平顯儀、雷達為基礎,在70年代初獲得原理性的突破,並逐漸被廣泛應用。這種新型瞄準方式被稱為熱線瞄準,又叫做示跡瞄准或者連續命中瞄準;但最能反映它本質的名字,還是快速射擊瞄準。


雷達熱線

熱線瞄準以電子計算機為核心,將戰鬥機在各狀態下(高度、速度、迎角、側滑角、俯仰度、坡度、彈頭初速、彈道係數等等條件)發射出的每一顆砲彈(不管此時機砲是否已經真的開火)相對於本機位置的彈著點都計算出來,並連接成一條動態的曲線,顯示在平顯儀上;熱線的起點是一個十字,代表砲口,而最遠的一點則對應瞄準具設計中的最大射程。

在熱線上有一個活動的瞄準圓,處於圓心的特徵點也就是俗稱的熱點,它代表的彈著點與砲口的距離正好等於該機與目標的距離。通常情況下熱線瞄準的測距由雷達完成,無需人工干預,但必要的情況下仍然可以使用光學測距;方法和活動光環瞄準類似,首先裝定目標的翼展數值,轉動測距把手,使目標翼展視角等於瞄準圓環的直徑。

在新的機砲瞄準方式中,由飛行員替代瞄準具判斷目標的運動規律,當預計目標的運動軌跡即將與熱點重合的時候,提前一個砲彈飛行到目標距離所需的時間開火;當機砲處於持續開火狀態下,平顯儀上顯示目標與熱點重合時,目標即被砲彈命中。


陣風戰鬥機平顯儀的錄像截圖

由於不再需要跟踪-穩環過程,因此戰鬥機無需切入對方後半部進行穩定跟踪即可射擊;而瞄準時間的大大縮短,使得在空戰中的一方哪怕僅僅是佔據很短時間的優勢態勢,例​​如在機砲射程範圍內將機頭(準確的說是砲彈的彈道方向)準確的指向對手,也有相當大的可能完成一次成功的致命攻擊,將另一方擊落。

相對於戰鬥機的飛行速度與交戰空間,僅僅數百米的有效射程始終是機砲無法克服的致命缺陷。極大提升了機砲使用性能的熱線瞄準方式,雖然遠不足以對已經開始真正步入導彈時代的空戰模式造成根本性的影響,但它表現出了一個明顯的技術​​發展趨勢,就是火力控制系統的反應速度將越來越快,機載武器系統的使用限制將越來越寬。

這個趨勢很快以更加猛烈的勢頭在空對空飛彈上展現出來,並徹底推動了空戰理論的又一次轉變。在新時代的空戰中,中低空亞音速下近距離內進行反複的追逐、纏鬥、咬尾的現像已經成為歷史;誰更敏捷、更能先將自己的機頭指向對方誰就能獲得勝利。而這一階段的產物,也就是1980年以後開始研製,強調跨超聲速機動能力,普遍具備飛火交聯功能的後期三代戰鬥機以及第四代戰鬥機。

四:機砲的夕陽紅——飛火交聯

上世紀70年代以後,數字電路的應用使得戰鬥機的上的電子設備可以運行更加複雜的指令,實現更多的功能;對飛行控制系統如此,對火力控制系統也是如此。80年代以後的空戰實際上已經沒有機砲的發揮餘地了,但是戰鬥機的自動化、綜合化改進還是使機砲迎來了它在使用性能上的最後一次重大進步——這要歸功於飛火交聯功能的實現。不過與熱線瞄準的廣泛普及相比,具備這種新功能的戰鬥機數量其實還是相當少的——它必須以全權限數字電傳飛控和綜合化航電作為硬件基礎。

在全權限電傳時代來臨以後,戰鬥機的每一個操縱面,包括平尾、垂尾、副翼等在內,它操縱過程中的每一刻,操縱面偏轉行程中的每一個角度,都是由飛控計算機控制的。這個時候飛行員控制的已經不是戰鬥機的具體舵面偏轉,而是戰鬥機的整體姿態變化。數字化的電傳系統,又使戰鬥機可以實現更加複雜的控制規律,這就為一種大膽的設想提供了硬體基礎:以靠具有飛行、火力控制規律軟體的數字計算機作為核心,用火力控制系統來主動干預戰鬥機的飛行,輔助、甚至是超越飛行員的操縱,讓戰鬥機能夠按照最合理、最優化的飛行姿態、軌跡去對目標進行攻擊。

美國在上世紀70年代提出的綜合飛行/火力控制技術就是這種設想的實用化,它被俗稱為飛(控)火(控)交聯。它在通過雷達等設備獲取目標的運動信息以後,會結合戰鬥機自身的狀態精確預測目標的運動趨勢,並實時計算出武器投放點和到達該點前的飛行軌跡。這個飛行軌蹟的信號,一方面通過平顯儀為飛行員提供直觀的操縱、狀態顯示,可以由飛行員操縱飛機按照提示飛行,當飛機到達武器投放點時自動(或者飛行員手動)發射武器。另一方面這個飛行軌跡信號可以通過飛行/火力耦合器,向電傳飛控下達控制指令,操縱飛機跟踪目標進行自動攻擊。

這種技術不僅大大減輕了飛行員的操縱負擔,而且也大大降低了人為因素帶來的反應遲緩和計算判斷失誤,表現出來的攻擊能力是以往火力控制系統所不可比擬的。在實際試飛驗證中,它甚至在機砲的作戰性能上也實現了巨大的提升:依靠精確的飛行軌跡、姿態和開火控制,機砲的瞄準射擊速度獲得了進一步的大幅度提升,這使載機可以從任意方向對目標進行有效攻擊——包括在對頭交錯飛行中對目標進行迎頭攻擊,這個過程中目標穿越機砲有效射程範圍的時間僅有1秒鐘左右。依靠這種在以往完全不可想像的優勢,戰鬥機獲得首次射擊機會的時間縮短了一半,而射擊次數和射擊持續時間分別提高了3倍,命中率提高了2倍。

五:結語

戰鬥機發展到今天,機砲及其使用方式已經再也沒有獲得較大幅度性能提升的餘地了。事實上針對紅外飛彈的導引頭進行硬殺傷的機載激光武器已經陸續開始投入實驗性使用。只是因為技術水平的問題,它還未能將體積與功耗控製到足以移植進戰鬥機的地步,只能先搭載在一些較為大型的飛機平台上。

按照現在的趨勢看,也許在十幾二十年以後,我們就能目睹機載激光武器開始取代戰鬥機的機砲;這種不再受到伸管長度、指向、後坐力制約的武器,必然會形成與機砲完全不同的使用方式,並在相當程度上改變戰鬥機的近距空戰戰術。

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