X-2技術驗證機

X-2技術驗證機,原名ATD-X,由日本防衛省技術研發部(TRDI)第三研究所領導,三菱重工負責機體製作和全機集成,富士重工、川崎重工、石川島播磨重工分別負責驗證機的機翼、座艙、發動機,在驗證機完成時共投入394億日元。

日本從2000年開始研究先進戰鬥機的技術發展和演示驗證,「先進技術演示驗證機」-X,簡稱「ATD-X」項目也正式啟動,2005年,日本在法國國防部武器裝備總署的實驗室,利用全尺寸隱身測試模型對ATD-X的雷達截面積指標、材料吸波性能、紅外隱身性能進行測試,結果雖能達到預期,但有提升空間。後來因美國禁止出口F-22戰鬥機后,日本決定獨立發展先進戰鬥機技術,2007年8月,日本加速了「ATD-X」項目的發展,並在2008年增加了技術與資金的投入,2012年3月,ATD-X進入製作階段,直到2014年5月8日,ATD-X正式出廠。

X-2技術驗證機

2016年1月28日,日本防衛省防衛裝備廳首次全面展示ATD-X驗證機,並將機體編號改為X-2,該機採用雙發雙垂尾、正常式氣動布局,機長14.2米,翼展9.1米,機高4.5米,空重9.7噸。配裝兩台XF5-1渦扇發動機,單台最大加力推力約5千千克力,推重比約7.7。本次主要展示了X-2技術驗證機的隱身、飛控、航電方面。

發展沿革

早期發展

從明治維新時代開始,日本就立志要成為世界一流的工業強國。在第二次世界大戰中,日本的「零」式戰鬥機以其出色的速度和機動性,曾在一時間橫掃太平洋無敵手,打得美英等強國一籌莫展。戰後日本重建,復興航空工業是一個重要內容。由於種種原因,日本的航空工業成為強大的現代日本工業體系中一個引人注目的缺門,但這不等於日本就此放棄了努力。

戰後復興

戰後第一代日本戰鬥機 F-1 是在 20 世紀 60 年代從 T-2 超音速教練機發展而來的,在外觀上結合英法合作的「美洲豹」攻擊機和美國的F-4「鬼怪」式戰鬥機的一些特點,在氣動設計上中規中矩,沒有太大的突出。F-1 和 T-2 在外觀上最大的區別在於後座被金屬蒙皮所覆蓋,所以外觀上有點駝背的樣子,騰出的空間用於裝載電子設備和額外的燃油。

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由於出生於教練機帶來的天然局限,日本從一開始就是把 F-1 作為具有一定空戰能力的攻擊機來設計的。F-1 作為對地對海攻擊機不錯,可以掛載各種美製和日制的常規和精確制導彈藥,但作為制空戰鬥機有點勉強。好在日本航空自衛隊有F-104和 F-4 戰鬥機撐大梁,F-1 的平平的空戰性能不是一個問題。

20 世紀 80 年代時,日本經濟如日中天,政治和軍事野心也開始膨脹,F-1 要考慮後繼問題了。日本航空自衛隊向各國發出招標,代號為 FS-X。美國的F-16、F-18和歐洲的「狂風」參加競標。出人意料的是,日本宣布,所有外國競標者都不符合要求,只有日本自行研製才能符合要求。

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日本的 FS-X 方案顯然是為很強的空戰能力而設計的。不同階段的模型和想象圖有所不同,但大體上,單座、雙發、雙垂尾的 FS-X 沒有採用在美國流行的正常布局,而是採用在歐洲流行的鴨式加無尾三角翼的布局,但在細節上綜合了 F-15、F-16 和 F-18 的一些特點。這種博採眾長一方面體現了日本工業界兼收並蓄的特點,另一方面也體現了日本在戰鬥機設計上缺乏獨創精神和技術積累的事實。

日本希望通過借 FS-X 的研製來凝聚和形成獨立的航空工業,但日本的夢想在美國的強大壓力下破滅了。FS-X 的競標剛結束,美國和歐洲就表示強烈抗議,認為日本人為操縱競標規則,有意使所有競標的外國戰鬥機都落選,而只有日本自己的 FS-X 可以入選。20 世紀 90 年代初正好是美日、歐日貿易嚴重不平衡的時候。在政治上,蘇聯在蘇東波的衝擊下轟然瓦解,美國挾第一次伊拉克戰爭輝煌勝利的餘威,正在「拔劍四顧兩茫茫」,具有世界第二大經濟的日本意外地發現自己成為美國的「頭號潛在敵人」,「敲打日本」成為美國朝野的熱門話題。今天已經難以想象,但以《追蹤紅十月》出名的暢銷書作家湯姆克蘭西還在 20 世紀 90 年代寫過一部小說,描繪假想的美日戰爭。

在這樣的國際政治經濟環境下,日本拒絕採用美國戰鬥機就成為一個政治問題。所謂美國擔心日本在國際市場上和美國戰鬥機競爭實在是一個借口,日本憲法規定日本是不得出口軍火的。在美國的強大壓力下,日本被迫放棄自己的 FS-X,而以美國現有戰鬥機為基礎開始設計。

據說日本最初是看中 F-18 的。這不奇怪,雙發的 F-18 是艦載戰鬥機,天然適合海洋環境。艦載戰鬥機強調獨立作戰,單機的空空、空地能力比較強大、均衡。F-18 的推出晚於 F-16,發展潛力也更大,缺點是成本較高。美國出口戰鬥機中,雖然 F-16 占數量上的絕對優勢,但有錢的盟國選擇 F-18 的較多,包括加拿大、澳大利亞、瑞士、西班牙、芬蘭、科威特等。但是出於種種原因,日本最後選擇 F-16 作為 FS-X 的基礎,這就是F-2戰鬥機的開始。

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放棄自主的 FS-X 的結果就是放棄了自主的航空工業,日本還是沒有在實踐中把整個戰鬥機研製過程走一遍。進入 21 世紀,日本航空自衛隊的 F-15 已經老舊,再次面臨戰鬥機更新的問題。然而,出於種種原因,美國拒絕向日本出售 F-22 戰鬥機,F-35 的性能達不到日本的期望,於是,日本再次試圖自行研製新一代戰鬥機,這就是曇花一現的 ATD-X 概念機的背景。

戰後 60 年來,日本航空自衛隊沒有任何實戰經驗,也沒有長期組織大規模對抗性實戰演習的經驗,日本航空工業也沒有日積月累的獨立設計和製造經驗,先進的設計理念就成了無本之木、無源之水。隱身、超音速巡航和超機動被認為是第四代戰鬥機的特徵,但落實到具體技術要求,這不是拍拍腦袋或者照著公開資料照貓畫虎就可以正確定位的,更不是像 ATD-X 這樣以項目帶動科研就可以回答的。

ATD-X 的設計不可避免地需要大量的風洞數據,日本沒有系統的風洞群,戰鬥機設計需要到別的國家去吹風,如美國和法國。美國和法國都是盟國,日本去做一般的研究性吹風沒有問題,但涉及國家機密的具體設計也依靠外國的風洞就成問題了。首先,日本不會希望外國太清楚日本最新戰鬥機的能力和關鍵設計技術;其次,外國也不希望共用風洞導致本國機密技術的「交叉污染」和不受控制的技術轉移,所以使用外國風洞必定對雙方有很多限制,這還不算外國自己也有自己的研究項目需要吹風,到時候誰等誰不是一個很難猜想的問題。

另外一個大問題是發動機。日本正在研製 XF7 發動機,這是一台 50 千牛級的高涵道比(涵道比為 8)渦扇發動機,是為 P-X 反潛機和 C-X 運輸機用的,不過這不排除其核心發動機和 ATD-X 共用的可能。但是 50 千牛級的發動機作為高性能戰鬥機的發動機太小了,假定能升級到 100 千牛級,那飛機的起飛重量依然受到極大的限制,將不超過米格-29的水平,如果要求超音速巡航,起飛重量還要進一步受到限制,將不能超過 F-16 的水平。F-16 的起飛重量不算差,但隱身戰鬥機要求採用機內武器艙,大大增加飛機的體積和重量,所以 F-22 比 F-15 大上一號。F-35 採用機內和外掛混合的武器裝載方式,隱身效果下降,但起飛重量也和蘇-27 差不多了。中型戰鬥機上採用雙發將進一步限制可以裝載武器和燃油的機內有效容積,米格-29 就是吃了這個苦頭,以至於非常優秀的機動性被短得令人難為情的航程拖了後腿。ATD-X 如果解決不了發動機的問題,將逃脫不了同樣的命運。

日本當然可以用引進的發動機,但現有的美國 F404/414、法國的 M88、英國的 EJ200 都達不到超音速巡航需要的 10:1 的推重比,美國 F119 又太大了。

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偃旗息鼓

日本的雄心很大,推出 ATD-X 的動作也做得很大,但日本是在項莊舞劍,意在沛公。如果日本真的想通過 ATD-X 來帶動航空工業,應該大力興建航空基礎研究設施,建立風洞群、高空試驗台、電磁波測試室等,就像中國在過去幾十年裡一樣。但是日本對這些基礎設施的建設按兵不動,反而早早公開這些應該是保密也來不及的研究,只能是在釣魚,而不是真心振興航空工業。在 FS-X 時代,美國願意出售 F-16 和 F-18,但日本想自己干,被美國的一桶冷水澆滅了火花。這一次,情況顛倒了過來,日本想買 F-22,但美國不賣,於是日本假惺惺地自己研製 ATD-X,希望像台灣的 IDF 一樣,誘使美國最後准許向日本出售F-22,而不僅僅是 F-35。但當購買 F-22 的希望最後破滅之後,日本只得無奈地決定購買F-35。

問題是 F-35(不管日本最終選用 A、B 還是 C 型)作為戰鬥轟炸機或許很出色,但作為制空戰鬥機則至少在飛行性能上很難壓倒亞太已經大面積裝備的蘇-27、F-15 等第三代重型戰鬥機。作為防空戰鬥機,隱身不是特別重要。如果電子系統和導彈就能解決問題,那對 F-2 和 F-15J 升級是更簡便的途徑。日本的 F-35 能為日本買來心理安全感嗎?從日本幾番希望購買 F-22 不得而磨嘰到最後才無奈地改為 F-35 就不難猜到了。

自從 1955 年三菱重工組裝 F-86 以來,日本航空自衛隊一直使用日本組裝或者自製的戰鬥機。F-35 計劃從一開始就否定了外國組裝的可能性,日本採購的 F-35 將是全進口,這意味著日本的戰鬥機工業就此中斷。從「零」式戰鬥機走向輝煌的日本戰鬥機工業或許就此向零回歸。

死灰復燃

ATD-X項目始於2000年。在引進美國F-22戰鬥機無望后,日本決定自行研製第五代戰鬥機。ATD-X試驗機高機動性的研究工作由日本防衛廳技術研究本部第三技術開發室完成,按計劃將於2008年末結束;而隱身性方面的研究則由主要合同單位三菱重工承擔。

2005年11月,在東京的一個研究會上,人們首次看到了1:32的ATD-X模型。第二年春天,一個1: 5的 ATD-X模型初次進行了飛行試驗。

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儘管歐美對下一代戰機的標準已有定義,即具備4S性能((隱形、超音速、超機動性和綜合化航電),日本人還是為ATD-X別出心裁地提出了一個3F功能。據日本《朝日新聞》報道,所謂3F就是「首先發現」、「首先攻擊」和「首先摧毀」。

2006年5月,日本防衛廳公開了ATD-X全尺寸RCS(雷達反射截面)測試模型的照片,隨後宣布將於2010年以此為基礎研製先進技術驗證機「心神」。 2007年9月至11月,該模型機進行了40次飛行試驗,以確認高機動性條件下的飛控系統性能。試驗結束后,防衛省要求將此前分散進行的各項先進技術研究統一在驗證機項目下,於2010年開始實機研製,最早於2011年實現首飛。此外,發動機和操縱系統的研製預計於2009年開始。

2007年8月,日方一家媒體獨家公開了擁有機體、發動機、推力偏向裝置的ATD-X縮比模型。這個機體總共製造了4架,該媒體的記者親眼目睹了試驗的過程。試驗在北海道大樹町多目的航空公園進行,幾個月內共試驗了40多次,其中包含了遠距離遙控、自律飛行等多項研究。

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2007年8月10日,日本防衛廳提出從2008年開始后5年左右達到首飛的計劃書,並向國會要求157億日元的開發預算。同年12月5日開發計劃通過,開發時間從2008年開始,包含飛行試驗預訂6年,6年預算總額466億日圓,並預計在2011年首次飛行。到2011年,又完成了「智能蒙皮機體構造的研製」。預計到2015年,防衛省總共花在ATD-X項目上的研究費用將達394億日元(約合人民幣24億元)。

2012年3月27日,日本三菱重工開始在愛知縣飛島工廠組裝ATD-X全尺寸試驗機。日本三菱重工業公司負責機體的製造和整架戰鬥機的組裝,富士重工業公司負責機翼的生產,川崎重工業公司負責駕駛艙的製造。

2014年4月15日,日本防衛大臣小野寺五典重申,該國計劃2014年實現「先進技術驗證機-X」(ATD-X)的首飛。這是一款將取代日本航空自衛隊三菱F-2戰鬥機的未來戰機的樣機。日本官員們表示,鑒於中俄兩國將分別部署成都飛機工業有限責任公司生產的殲-20戰機和蘇霍伊飛機軍事工業集團生產的T-50五代機,日本研發一款高速隱形戰機對該國的防空能力至關重要。

2014年7月,日本媒體罕見公開了ATD-X的最新進展。從公布的畫面中看,一架編號001的新型戰鬥機正在駛 出廠房,該機採用具備隱身特徵的外形設計,刷塗了與日本國旗一樣顏色的紅白塗裝。不過,畫面中該新型戰機的某些「關鍵部位」被打上了馬賽克(模糊處理),或許是出於防止泄密的需要。

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2014年8月,日媒宣稱ATD-X試飛推至2015年,三菱重工基本確定2015年1月試飛日本自主研發的首款隱身戰鬥機。

除了ATD-X項目,日本還在忙著定義所謂的第六代戰機。2012年3月,日本《軍事研究》雜誌文章稱,日本已推出了以「i3」即「信息化、智能化、快速反應」為代表的第六代戰機概念。其實,日本當初為ATD-X立項時,也是瞄上了第六代戰機的,只是在研發過程中才一點點回到了「現實」。

技術特點

ATD-X全長14米,翼展9米,起飛重量8噸,小於同是單發飛機的F-35。機體形狀為了降低雷達反射截面積而使用了不平整的表面以及帶有圓角的設計。

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「心神」機體表面將採用三菱重工正在研發中的「靈巧蒙皮」技術。是一種用于飛行器主動流動控制的微系統及相關MEMS器件技術,可使傳統蒙皮具有感測、致動和控制等功能,實現飛行器對外部環境的實時感知和控制,改善和提高飛行器氣動性能和機動性能。

隱形性

日本防衛省技術研究本部宣稱,作為一款超音速飛機,ATD-X將同時具備隱形和高機動性。通常情況下,戰機的隱形性和機動性對戰機外形的設計要求是截然相反的。ATD-X的研發正是為了解決這一矛盾:能夠既像蘇-35等戰機那樣進行高機動性飛行,又具備F-22戰機的隱形性。其隱身性能測試結果為在雷達畫面上約在中型鳥類以下,飛蟲以上。

電子系統

日本防衛省官員透露,為了實現高機動性控制,ATD-X的飛行控制系統採用了光纖式線傳飛控,即用光導纖 維、電子線路等與機上電腦連接,對飛行進行控制,此技術在川崎重工的P-X反潛機上也有使用。在航電系統方面,最大亮點是採用了整合高性能主動相控陣雷達、電子戰系統以及多功能射頻感測器,且利用了智能蒙皮技術——在機身上附著「瓦片式相控陣雷達天線」,極大提高了雷達的探測範圍和探測距離。

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發動機

雖然日本車用發動機研製能力很強,但在航空發動機領域的水平卻沒有想象的高。據專家分析,日本具有較強的航空發動機的加工能力,但設計經驗欠缺。正因為此,日本加大了對發動機的研發力度。據日本媒體報道,ATD-X裝備的兩台日本國產XF5-1渦輪風扇發動機,總推力能夠達到10噸。ATD-X起飛重量預定約為8噸。

性能數據

尚未公開。以下是國內外專業人士的分析。

型號必將放大

對於日本的戰鬥機研發來說,它的作戰環境和假想目標是都非常明確,就是在東海、日本海上空與俄羅斯、中國的戰鬥機交戰,並具備打擊上海等中國東部沿海地區、俄羅斯遠東邊界地區的能力。這種背景要求日本新一代戰鬥機在執行對地攻擊任務時具備至少要達到800公里以上的作戰半徑。

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從心神來看,日本新一代戰鬥機採用了常規布局設計。由於多出一對平尾和飛機長度要更大等因素,其重量比無尾三角翼布局要高不少。即使是考慮日本領先我國的材料工藝優勢,可以通過高比例的先進複合材料大幅度減輕結構重量;其空重至少也要接近12噸才能滿足要求。但是根據現有信息,心神樣機的起飛重量也不過8噸左右,空重甚至不到6噸,顯然與此標準相差極大。筆者認為,心神樣機尺寸特別大、明顯屬於雙座設計的座艙蓋,是解釋這一矛盾的關鍵所在。

和單座飛機相比,雙座飛機會在性能上出現很明顯的損失;飛機不僅需要付出很大的重量代價來安裝多出的彈射座椅、儀錶台、更大面積的座艙蓋等設備,還損失了相當可觀的原本用於裝載燃油的機內空間。事實上隨著航電系統的高度綜合化自動化,飛行員一人就足以駕駛飛機執行複雜的作戰任務,這也是美國、中國、俄羅斯現有四代機均無雙座設計的根本原因。

心神樣機採用雙座設計,噸位尺寸又特別小,這就只有一種解釋:現階段的心神既是承擔氣動外形/飛行控制系統試飛任務的驗證機,同時也是日本新一代教練機的原型機。這實際上是一種很聰明的策略,進可攻退可守;無論將來政治局勢對心神項目如何影響,日本都不會徹底荒廢掉這一項目的投資和技術成果。

在順利的情況下,心神樣機試飛完成以後,會進一步投入全尺寸戰鬥機型的研製。事實上這就是照抄F-35戰鬥機的發展經驗——最早的X-35驗證機噸位和尺寸都比今天的F-35小很多,而且同樣沒有內置彈倉。如果我們僅以現在的樣機來評斷日本心神戰鬥機的未來水平,那麼就和用X-35來評斷F-35的作戰性能沒有兩樣了。即使是項目發展不順,日本也會將現有的心神樣機稍加修改——比如去除矢量推力結構以後,投入批量生產,作為新一代高級教練機使用。

氣動布局合理

放大后潛力不容小視。日本在心神上採用常規布局設計和F-2戰鬥機有很直接的關係。F-2戰鬥機是三菱公司與洛克希德馬丁公司合作研製的產品,實際上就是在美國提供F-16設計技術的支持下,日本半仿半研而成的F-16放大改進型號。在F-2的研製過程中,三菱公司掌握了常規布局三代機的關鍵設計技術,比如邊條翼的渦流增升設計、電傳控制技術,為今天的心神驗證機奠定了基礎。

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心神飛機在氣動布局的總體設計上比較像F-22,但是在機翼與尾翼的核心設計上卻截然不同。F-22採用棱型平面機翼設計,機翼的后緣帶有很大的前掠角度;這不僅使機翼獲得了更好的強度和剛度特性,而且機翼與機身的連接長度大大增加了,機翼受力能夠更多更均勻的分擔給機身。在機翼大幅加長以後,為了避免平尾向後超過噴管太多,引起重量的大幅度增加,F-22的設計人員將機翼的襟翼內側切除了一個缺口,使平尾的前端正好切入進來。

切入式平尾設計使F-22不僅避免了嚴重超重的窘境,而且外形的緊湊在側向隱身和整體阻力減低上也帶來了非常優越的性能改善。但這一設計也存在嚴重的弊端:經過前機身和機翼的氣流對平尾的干擾特別嚴重,這使F-22在俯仰控制時的非線性問題特別嚴重,並引起了一連串的問題——包括墜機。後來F-22電傳飛控軟體經歷過反覆多次更新,與此關係極大。

俄羅斯T-50在機翼、平尾的設計上很大程度參照了F-22,其優缺點都大體類似。所不同處,由於在氣動研究和飛行控制領域上差距較大,俄羅斯人需要額外在進氣道前沿設置可動邊條對飛機的渦流升力進行主動控制,這才能有效削弱飛機俯仰控制的非線性問題,保證飛行安全。

心神選擇梯形機翼,縮短了機翼根部的長度;這樣可以在飛機長度不增加的情況下,保證平尾與機翼之間不直接干涉。雖然這種設計是典型的三代機水平,而且對於機翼的結構特性和整機壽命沒有什麼貢獻,但是大幅度減小了飛行控制上的風險,應該說是一種比較務實的做法。

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此外在進氣道設計上,日本此次公布的視頻中採用了模糊處理。以前心神全尺寸模型上採用的是加萊特進氣道已經公開過,並無保密必要,因此本次樣機採用了DSI無附面層隔道設計的可能性很大(殲20已經在使用)。不過在進氣道下沿與機身相接的部分上,存在著一個奇怪的轉折,這看上去又更像是帶有傳統附面層隔道的進氣道設計的特徵。

DSI進氣道從1980年代開始已經得到了廣泛使用,除了重量優勢特別明顯外,在隱身上也優於F-22和F-18E/F的加萊特進氣道;雖然進氣道上下邊沿與機身側面的夾角會形成反射特徵點,但這與加萊特那種附面層隔道形成的深腔效應反射相比簡直不值一提。

在氣動布局的其它方面,心神做的較差,整體不如殲31。不僅在機身各平面的過渡上有很多處理不良的地方,帶有強反射特徵的導流板發動機隱身性能明顯不如不像殲-31的發動機。

從整體上來評價的話,心神現階段的氣動布局設計是比較合理的;雖無驚才絕艷的亮點,卻勝在沒有什麼錯誤。如果心神在放大以後還能保持這種水平的話,它將具備較大的性能潛力;只要設計方優化到位,在RCS、阻力、升力性能上都能做出不錯的表現。

飛控系統平庸

從日本公布的採訪視頻來看,心神的項目論證過程中始終將超機動能力放在一個很重要的位置,這無疑會對其飛行控制系統提出很高的要求。

對於飛行控制系統的動力部分來說,飛機的大部分活動部件,比如水平尾翼、襟副翼、方向舵這些都需要液壓系統來進行驅動;液壓系統的功率越大,舵面偏轉的速度也就越快,飛機反應便越敏捷,越適合超機動飛行。比如F-22的液壓系統總功率達到560KW,是F-15的兩倍;而根據我國2008-2009年航空科學技術學科發展報告中公開的研究進展和性能指標進行推測,殲-20的液壓系統總功率應該在600千瓦左右。

在功率指標越來越高的情況下,為了減小液壓系統的體積和重量,對於第四代戰鬥機來說,液壓系統的工作壓力從每平方厘米210公斤提升到280公斤已經是通行的設計標準。F-22、殲-20、T-50的液壓系統都是採用這個標準作為恆定工作壓力。日本雖然是傳統的液壓強國,在泵、閥、密封件等關鍵環節上一向技術先進,但由於嚴重缺乏戰機設計經驗,要做到這點存在相當大的難度。

實際上因為設計時間的差異,四代機的技術並不一定就全面比所有的三代機先進。比如F-18E/F液壓系統採用的就是每平方厘米210~350公斤的可變壓力工作體制,一般飛行情況下使用低壓,而進行高機動飛行時自動轉換到最大壓力。心神將來的液壓系統是和四代機一樣採用28兆帕恆壓工作體制,還是採用35兆帕的智能變壓工作體制,還要等將來日方披露信息后才能知曉。

而對於負責信號傳輸處理的電傳部分來說,心神很有可能採用3-4餘度數字電傳系統,無模擬電傳備份。這基於兩個原因:首先是現代數字電傳系統的可靠性已經非常高,保留額外的備份系統沒有必要。其次採用先進氣動設計的現代戰鬥機本身控制律就較為複雜,而且研製過程中反覆修改調參更是無法避免的現象;要在軟、硬體修改無法分離的模擬電路中完成這些工作,技術難度非常高,無謂花費的人力、時間、財力代價都太大。

心神樣機從一開始就具備矢量推力系統,日本官方宣傳視頻中也刻意強調了超機動飛行能力;通過這兩點分析,心神的電傳功能肯定會包括建立在飛行控制系統、發動機控制系統交聯基礎上的過失速區域控制能力。考慮到日本至今仍受限於發動機問題,心神戰機的發動機推力只有不到5噸,不足國產ws10的一半,日本甚至有可能在很多關鍵技術上比我國更晚開始試飛探索。

在F-22和JAS-39的時代,由於設計手段和飛機設計人員的思維習慣、技能傳統所限,飛機控制律編寫都是在傳統的單迴路設計方法上展開的;設計難度大,而且效果越來越不能滿足先進氣動設計飛機進行複雜機動飛行的需要。日本在數學和自動控制理論領域一向有非常高的水平,心神在控制律設計中應用新的多變數控制理論,對飛控進行系統化的多變數、多迴路綜合處理將會是必然選擇。

但是電傳飛控的特殊之處在於,控制律軟體其實本質上就是設計單位將飛機氣動設計以數學形式展現出來,即所謂的飛控氣動一體。但是現階段人類氣動水平仍然非常有限,對於過於複雜的流場(比如過失速下機翼氣流分離后的狀態)無法進行模擬計算,這一方面只能依靠風洞試驗和實際試飛經驗的反覆經驗積累來指導氣動、飛控的設計修改。

因此就算在先進設計方法、工具上日本並不欠缺,甚至在個別性能比殲-20等新型先進戰鬥機所應用的還要好一些;最終控制律的設計水平高低,依然極大的取決於研製單位的經驗積累程度。在這一方面,日本的三菱公司要遠遠落後於我國的611研究所。

總的來說,X-2飛行控制系統的硬體系統和指導理論、設計工具都將會是相當先進完善的;但具體的性能,仍然要以實際試飛為準。而且對於日本來說,要將心神的飛行控制發展到他們預期的完善程度,這將是一個非常漫長而艱巨的任務。

X-2技術驗證機

設計製造劣勢

日本在現代戰鬥機結構製造上,一直有著高不成低不就的水平。比如在重型三代機的生產能力突破上,日本生產F-15J/DJ雖然遠遠早於我國的殲11系列,但卻始終做不到國產化,從導彈到雷達全部需要進口美國。

作為冷戰時期,美軍在越戰遭受巨大損失后不惜血本搞出來的主力制空機型,F-15在結構設計上很少考慮成本問題。F-15機體材料中,鈦合金比例達到26.5%,而且這些關鍵的承力部件往往製造難度非常大。

比如F-15機身承力隔框就是用6AL-4V鈦合金在3萬5千噸鍛壓機上鍛造的,寬度達到3.05米。在其中心腹板的厚度只有1.5毫米的情況下,腹板兩側筋條厚度1.3~2毫米,高度卻達到64毫米。腹板兩面的凹槽共計42個。然而形狀如此複雜的承力構件,精加工余量卻只有2.3毫米,加工難度之大遠非蘇-27可比。

然而F-15J/DJ畢竟只是美國授權給日本生產的產品,對於提升日本的自主設計能力幫助不大,這種局面在F-2戰鬥機研製時得到了改觀。在二戰以後,日本航空並未像德國一樣一蹶不振,而是迅速復甦並自行研製了多款戰術飛機。有了這些設計經驗作為基礎,日本在F-2研製過程中很快就吃透了F-16的相關設計規範,不僅掌握了傳統金屬材料結構的損傷容限設計等三代機結構技術,而且他們還利用自身全球領先的化纖水平優勢,為F-2更換了複合材料機翼。

雖然此後日本一直沒有開發過新的戰術飛機,但是在飛機複合材料結構設計製造上,日本積累經驗、探索先進設計理論的腳步卻從未停止過。雖然日本擁有世界上最頂級的高性能纖維和基體材料提供商,但卻始終沒有製造出與此地位相匹配的發動機。

這些能力現階段並未直觀的體現在心神驗證機上,根據日本公布的視頻來看,這架驗證機為了降低成本,幾乎沒有使用複合材料結構,絕大部分結構都是鋁合金材料。但可以肯定的是,如果心神能繼續發展去下,它在結構設計製造方面不會遇見大的難題。

X-2技術驗證機

X-2驗證機為了降低成本,幾乎沒有使用複合材料結構,絕大部分結構都是鋁合金材料。

動力系統存疑

X-2技術驗證機

X-2在發動機上最為引人矚目的外形特徵,就是它採用折流板結構的矢量推力控制系統。這種系統由於結構簡單可靠,易於實現,以往也常用在驗證機上,比如著名的X-31驗證機。但對於裝備型號來說,折流板對於發動機的推力損失太大,自身形成的超聲速干擾阻力又太高,極不適合於超聲速飛行,因此從未實用過。

基於正常的技術規律來說,筆者可以肯定在未來的完全體心神上,其矢量推力結構必然要更換為類似蘇30MKI的軸對稱偏轉噴管,或者類似F-22的二元噴管設計。然而問題的關鍵也在這裡,心神在發動機上究竟有多大的選擇餘地?

X-2技術驗證機

心神現階段使用的發動機是重量644公斤的小型渦扇發動機。根據日本公布的結構示意圖,以及日本發動機引進歷史來看,它的基本設計應該是源於英法聯合研製的阿杜爾發動機。通過改善結構,比如增加風扇和壓氣機的級數;使用先進的材料減重,並達到極高的1900K渦輪前溫度,心神的發動機推力從不到3.5噸增加到了5噸。可以肯定的是,這台小發動機受基本結構和尺寸所限,不可能再有大幅度的推力增加。

然而5 x 2的10噸推力絕不可能承擔起一款真正四代機的動力要求。對於心神的未來發展來說,看起來有一定可行性的唯一途徑,是換成兩條在F-2戰鬥機所採用的通用電氣F110-GE-129發動機基礎上進行仿製改進的新型發動機,增加矢量推力結構。這款發動機日本不僅使用維護經驗豐富,而且本身就具有一定的生產組裝能力。

如果這一假設成真,在具體的矢量推力結構選擇上,雖不能確定日本人的觀點如何,但至少他們製造具備實用水平的兩元噴管應該不成問題。根據俄羅斯中央空氣動力流體研究院撰寫的《超聲速飛機空氣動力學和飛行力學》所述,蘇聯早年在矢量推力的選擇上更傾向於兩元噴管,因為噴管和后機身一體化設計帶來的高速減阻效果十分優越。但是在關鍵的耐熱陶瓷材料上蘇聯始終無法突破,體積太大、重量超重數百公斤以至於毫無使用價值。

X-2技術驗證機

然而當心神達到這種高度時,必然會對美國F-35形成非常嚴重的衝擊。即使日本不對外銷售心神,僅僅是F-35對日銷量的萎縮,也會對美國造成嚴重的經濟損失和干預能力下降。

已有的事實證明,美國在這方面是非常敏感的,比如挪威在F-35與JAS-39改進型號中猶豫的過程中,美國就通過停止向瑞典提供相關雷達部件的措施來破壞瑞典和挪威的交易。也難怪很多人認為,心神在很大程度上是一款政治型號,只是向外宣示日本軍事發展決心和實力,而且又能在美日軍貿中為自己添加重量的一個砝碼。

X-2技術驗證機

服役時間

尚未服役。

X-2試驗機的研發被稱為「先進技術驗證機」項目。「先進技術驗證機」是為了驗證一些高端的先進技術,而在性能上有所取捨,在設計上盡量簡化的飛行器。因為飛機設計是一項高度複雜的系統工程,如果採用新技術太多,很難確保研製能順利完成。即便是實力雄厚的美國,也會大量研製驗證機,例如其X系列驗證機。大多數這類驗證機雖然研製成功,甚至進行了測試、收集了數據,但並未全部裝備部隊。

從這個角度來看,X-2可能不會原封不動地裝備部隊,而是在其基礎上擴大發展第五代戰鬥機。從目前來看,日本公開了更為先進的F-3戰鬥機的設計草圖。從外觀上看,它和X-2有很大的不同,被視為日本版的YF-23戰機,且其在隱形性能和機動性能方面可能大幅度超過X-2。

總體評價

X-2的研發被國際社會認為是針對中國的,尤其是在中國的殲-20和殲-31隱形戰機首飛之後。

近幾十年間,日本航空自衛隊的裝備一直比中國的好。特別是在上世紀80年代,日本就開始裝備F-15戰鬥機和響尾蛇-9L空空導彈,進一步拉大了與中國空中力量的差距。但自本世紀初起,中國空軍開始大量裝備第四代戰機,這些飛機使用了較為先進的航電設備,中日雙方空中力量對比逐步出現了一些變化。在2013年的ATD-X組裝儀式上,三菱重工發言人表示,該機將在今後10年逐步取代其生產的F-2和F-15戰鬥機,作為從美國訂購的F-35戰鬥機的補充。

除了謀求在裝備性能上逐漸擺脫劣勢外,日本研製第五代戰機的另一個因素是提防美國。按照傳統,日本原本可以向美國求購類似性能的戰鬥機。從F-4到F-15,日本主力戰機均是美國人設計的,日本也確認了購買F-35的計劃。但日本顯然並不想「在一棵樹上弔死」。一旦美國試圖拿F-35要挾日本,日本也可用ATD-X作為反制手段。

X-2技術驗證機

當心神從驗證樣機發展成完全體的中型甚至重型四代機時,它的性能將會超達到怎樣的程度?美國會支持日本發展到哪一步,最後能否容忍完全體的心神戰鬥機出現,衝擊F-35的對日銷售?心神飛機目前披露出來的信息仍然太少,我們只能在保持警惕的同時,靜觀後續發展。