01.22 "毒蛇"的旁支变种:那些不寻常的F-16们

从1974年1月20日那次计划外的首飞开始,美国通用动力公司(General Dynamics)

的F-16就以其产量和装备国家的数量,当之无愧地成为了20世纪设计最好的第四代喷气式战斗机之一。之前稀星天外也对它做过多次介绍,参见《 》和《 》。然而在天空中,还曾经出现过许多由它改装,以它为基础重新设计,或者参考它设计的飞机。稀星天外在今天的文章中将给大家介绍一下在过去四十多年中出现的那些F-16旁支改型,以及那些确定或疑似借用F-16基因的飞机设计。其中大多数仅用于特定试验或留在制图板上,从来没有大规模服役。

稀星天外注:这里的旁支定义为除了F-16A/B、F-16C/D、F-16E/F Block 60、以及F-16V Block 70/72以外的那些飞机。有一些型号像美国海军用于假想敌训练的F-16N,因为就是F-16C/D Block 30,也就不算旁支。另外,F-16IQ和F-16IN(或者叫F-21)都是基本款上的机载设备改动,也不算旁支。

舰载型F-16——沃特/通用动力的1600系列“海毒蛇”(1973年)

沃特/通用动力1600系列舰载型F-16的假想图

YF-16在上世纪70年代初战胜了诺斯洛普公司的YF-17赢得了美国空军轻型战斗机竞赛的胜利。同一时期,美国海军想要一款比F-14雄猫更小、更便宜的飞机来替代它的F-4和A-7。因此,从通用性和规模经济的角度出发,国会要求海军研究空军的轻型战斗机方案。通用动力公司决定向美国海军提供海军型F-16战斗机参加后者的“海军空战战斗机(Navy Air Combat Fighter,NACF)”计划。在没有舰载机设计建造经验的情况下,通用动力决定与沃特(Vought)公司合作,合资成立了LTV航空航天公司。沃特公司曾为美国海军成功设计了F-8“十字军”战斗机和A-7“海盗II”攻击机。如果最终获胜,沃特公司将生产F-16的舰载型号。

LTV总共推出了三个F-16舰载型的概念:

  • 1600型最主要的方案是基于F-16 Block 10的1600型。它的机体结构得到加强,安装了阻拦钩和更为坚固的起落架,以满足航空母舰上弹射起飞和阻拦降落的严苛要求。它采用了普惠公司(Pratt&Whitney)
    F401发动机,但也探索了另外两种动力装置选择。
  • 1601型和1600型的唯一不同是安装了普惠公司的改进型F100发动机。
  • 而1602型和1600型的差别除了使用通用电气公司(General Electric)的F101-100发动机外,还扩大了机身,更改了航电设备和机载武器

最后LTV递交的基于1602型的1602B型设计。该飞机将配备AIM-7“麻雀”中距空对空导弹,另外在进气口侧面安装了新的导轨用于发射AIM-9“响尾蛇”近距空对空导弹。

但是,除了其他原因外,美国海军明显更看重双引擎飞机在海上作战的可靠性。因此,它于1975年5月2日选择了诺斯洛普公司(Northrop)/麦克唐纳·道格拉斯公司(McDonnell Douglas)联合研发的基于YF-17的第267号方案,该方案最终成为了F/A-18“大黄蜂”战斗机。

稀星天外注:开发了YF-17的诺斯洛普公司也是因为没有舰载机的研发生产经验选择了和麦道公司联合竞标NACF项目。

“海毒蛇”1600和1601两个方案的改进,其实这两个方案唯一不同就是发动机

“海毒蛇”1602-1方案,除了发动机以外,该型的机体也有一定程度的改进

“金斯顿的不可自拔年轻人”——霍克·西德利公司的P.1200设计(1975年)

上世纪70年代中期,英国的霍克·西德利公司(Hawker Siddeley)受到了美国F-16战斗机的强烈影响,为皇家空军开发了一种中型战斗机概念。这一系列“P.1200”概念,绰号“

不可自拔的年轻人(Rudeboy)”,出自该公司的金士顿(Kingston)部门。尽管比F-16大很多,但大多数P.1200设计都具有和F-16相类似的进气口,座舱盖,机翼前缘根部的边条翼设计,以及机翼的大体形状和布局。

稀星天外注:Rudeboy是起源于1960年代牙买加金斯敦贫困地区的街头文化,泛指有暴力倾向、对现实不满的年轻人。在1970年代后期,英格兰的二重唱Ska(一种源于牙买加的音乐)复兴乐队用Rudeboy和Rudegirl等名词,来形容钟情于这种流派不可自拔的粉丝。这个词的使用一直延续到更现代的Ska朋克运动。

这张图应该是较后期的P.1202设计方案,在这个设计中,使用了类似F-18的倾斜式双垂尾,另外主翼后缘带后掠

奇怪的是,P.1202设计提供了两种动力配置:两台RB.199发动机或一台RB.431发动机。RB.199是为当时仍处于研发阶段的“狂风”战斗机设计的。但正如其在“狂风”ADV型号上的表现所展示的那样,它不是一款合适的战斗机引擎。它是为低空状态量身定制的,在空中优势战斗机作战的主要领域——中空和高空表现欠佳。RB.431基本上就是一台增加了加力燃烧,同时去除了推力矢量喷嘴的“飞马座”发动机。尽管推力强大,但是对于一架超音速战斗机来说,这似乎仍然是一个奇怪的选择。

稀星天外注:“飞马座”发动机就是用于“鹞”式垂直起降飞机的发动机。

装备了“狂风”战斗机的RB.199发动机并不是一款表现良好的空中优势战斗机引擎

最初的设计始于1975年11月,采用鸭式布局,并带有两侧安装的方型进气口,类似于后来的萨博“鹰狮”(Saab Gripen)战斗机的设计。进一步的设计利用了常规的尾翼和背部进气口。早期P.1200设计的内部武器是两门27毫米毛瑟机关炮。空对空导弹将是AIM-9“响尾蛇”近距导弹和“天空闪光(SkyFlash)”中距导弹。在次要的空对地任务下,它可以在机身下部低阻力的凹进处携带四枚炸弹。

从1977年开始,飞机的设计受F-16的影响更大。测试了单垂直尾翼和双垂直尾翼的配置。上图所示的双尾P.1202将具有比F-16更高的高攻角性能。如果配备合适发动机的话,它将成为一架强大的战斗机。但是该飞机最终没有装备服役。

“风挡毒蛇”——通用动力的前掠翼F-16验证机(1980年)

您可以在F-16进行任何改动:加上三角翼,您便拥有了一架远程攻击机(F-16XL),更换加固的起落架即可制造出海军型舰载战斗机(V-1600)。那么为什么不建造一架拥有前掠机翼的演示机呢?

和X-29竞争DARPA前掠翼研究项目的前掠翼F-16,为了安装更大的机翼,机身做了延长

1976年,美国国防先进研究项目管理局(Defense Advanced Research Project Agent,DARPA)选择了通用动力、罗克韦尔和格鲁曼公司来开发它的“前掠翼(Sweep Forward Wing,SFW)”项目。显然,通用动力公司的工程师建议将前掠翼安装到他们的当红产品F-16上。前掠翼F-16的机身被略微加长,以容纳更大、更先进的复合材料前掠机翼。

1981年,DARPA决定选择以格鲁曼公司的F-5/F-20战斗机为基础的X-29作为其“前掠翼”项目的测试机型。许多人说这个决定是因为F-16出现在实在太多的DARPA测试项目中所导致的。尽管前掠翼F-16没有被选中,但X-29上还是使用了一些F-16的技术和功能,特别是其改进的电传飞行控制系统和起落架。

F-16斯基——米高扬设计局的“项目33”(1981年)

米高扬设计局的“项目33”假想图

每种美国战斗机都会找到一种和它相似的苏联/俄罗斯战斗机一直是一个很有趣的话题,让稀星天外再次改变规则,花一点笔墨在另一架不是F-16的飞机上。在上世纪80年代,米高扬设计局打造了一款简单的单引擎战机,其概念类似于通用动力F-16轻型战斗机的原始版本。和F-16A一样,这种新的苏联飞机也将具有结构简单,可操纵性好且价格便宜的特点。

这一名字为“项目33”的设计,有些时候(会被错误地)称作米格-33或米格-35,具有单台克里莫夫(Klimov)RD-33/93带加力燃烧的涡扇引擎。机体更大,更复杂的米格-29使用两台同样的引擎做为动力来源。根据1988年《简氏防务周刊》的一份报告,项目33被“看作是更为强大的米格-29的一个补充。”米格-29拥有一些多用途和超视距作战能力,而项目33则会却是一种短程点防御战斗机。从某种意义上,可以将其看作是上世纪80年代的米格-21,专门为预算有限的友好国家量身度做的一款理想战斗机。

项目33的模型

另一个角度看“项目33”模型,主翼尾翼前缘的切角

可惜的是基于当时苏联的经济情况和空军更加青睐多用途战斗机,其领导人更愿意将有限的资源投入到更先进的诸如苏-27和米格-29这样的战斗机上。尽管“项目33”的设计进行了广泛的风洞测试,但苏联空军还是在1986年放弃了对该概念的支持,没有制造任何原型。有未经证实的传言说,我国在1998年向俄罗斯购买了“项目33”的设计和测试数据,用以帮助加速中巴联合研制的JF-17“雷电”战斗机的开发。

“超级毒蛇”——通用动力公司的F-16XL(1982年)

“协和”式超音速客机的机翼前缘在从机身向翼尖延伸的过程中,后掠角一直在减小。原因是像法国“幻影III”战斗机所装备的传统三角型机翼具有相当好的低速操纵性能。F-16XL诞生之初就是为了研究源自超音速客机的技术(如曲线三角翼)是否能提高军用飞机的性能。两架F-16XL中的第一架于1982年飞行,其结果令人震惊:改装后的F-16的超音速飞行最大升阻比提高了25%,而亚音速飞行的最大升阻比则提高了11%。与常规的F-16相比,F-16XL在高速时甚至令人惊讶地在某些低海拔情况下,飞行得更加平稳。基本型F-16已经是美国空军中最长腿的战斗机之一,但是现在机内燃料携带量可以增加82%。F-16XL可以携带的武器重量是F-16的两倍,射程增加40%。

F-16XL具有比较少见的曲线三角翼


F-16XL和常规F-16在一起,你可以比较一下气动外形上的差别

在XL首飞之前,美国空军已经启动了一个旨在取代F-111得“增强型战术战斗机(Enhanced Tactical Fighter)”计划。美国空军本质上是需要一种能够在没有战斗机或电子战飞机支持的情况下,进行纵深空中拦截任务的战斗轰炸机

。显然一架基于F-16XL的飞机会是一个有力的竞争者,因此通用动力公司加入了竞争,但是最终输给了F-15E“打击鹰”。F-16XL失败的主要原因是,不像F-15E那样,它与它所基于的常规F-16战斗机在结构和气动外形上变化很大,这可能会导致更高的开发成本。更大、动力更强大的双引擎飞机也被认为具有更强的生存能力和未来升级空间。

1990年代Sukhoi的这项研究至少在表面上具有与F-16XL相似的机翼形状。

F-16XL随后前往美国国家航空航天局,进行带孔层流机翼

的探索工作,目的是检验这些激光生成的小孔是否可以吸引机翼上的湍流气流,从而恢复层流。大约在这段时间,第二架F-16XL(两人座)换装了普惠公司推力更大的F100-PW-229发动机。使用这种新发动机,它意外地实现了1.1马赫超音速巡航(不依靠加力燃烧就能达到和长时间保持在超音速)。在NASA为支持超音速运输研究进行了各种测试工作(包括音爆特性和发动机噪音)之后,F-16XL于1999年停飞。

“三角腰带”——洛克希德的F-16U(1991)

F-16U“三角腰带(Delta Belter)”

在上世纪90年代初,阿拉伯联合酋长国期望获得一架能够向伊朗纵深发动攻击的大航程和大武器负荷战斗机。刚被洛克希德(Lockheed)公司收购的通用动力航空分部提出了一个很棒的概念——三角翼F-16U战斗机。如前所述,前缘弯曲的“箭头”式三角翼已经在F-16XL上得到了测试,并将机内燃油载量提高了82%。洛克希德的新型三角翼F-16U战斗机采用的则是为ATF,即后来的F-22,研发的裁剪机翼设计。阿联酋愿意为F-16U的开发投入资金,但前提是美国空军需要采购一个联队的F-16U战斗机。而这恰恰是美国空军无法同意的提议,因为美国空军当时不可动摇的首要项目是“联合打击战斗机(Joint Strike Fighter,JSF),即现在的F-35。当时,有种说法是“谁敢动JSF一分钱,就是和整个空军为敌!”而较低技术风险的F-16U可能会分流原本用于JSF的资金,并且最终威胁到整个JSF项目的安全性。

具有讽刺意味的是,F-16U的夭折着实让大西洋对岸的欧洲航空业长出了一口气。根据航空航天记者比尔·斯威特曼(Bill Sweetman)的说法,某个欧洲战斗机联盟的重要成员认为,这架飞机会“杀死”欧洲战斗机”台风“

。如果F-16U最终得以量产的话,可能会是一架功能强大的飞机,将严重削弱”台风”战斗机在全球市场的竞争力和销量。

“超机动远景”——F-16 VISTA/MATV(1992)

美国生产的可操纵性最强的飞机就是F-16可变稳定性飞行模拟器测试飞机(Variable stability In-flight Simulator Test Aircraft,VISTA)。该项目最初是着眼于研究未来战斗机技术,后来又包括了一项全新的控制技术。装备了被称为“轴对称矢量排气喷嘴(Axisymmetric Vectoring Exhaust Nozzle,AVEN)”的3D矢量推力喷嘴和一个能够处理过失速超级机动极端特性的飞行控制系统,F-16 VISTA能以看似不可能的方式进行飞行。多轴推力矢量(Multi-Axis Thrust Vectoring,MATV)发动机喷嘴可以在过失速状态下主动控制飞机,从而产生了非常显著的效果。

稀星天外注:美国人取名字的本事有时候,只是有时候,还是不错的比如说这个“可变稳定性飞行模拟器测试飞机”的缩写VISTA,就是英文里“远景”的意思,倒也是非常贴切。

这是有史以来三架机动性最出色的西方战斗机,从左到右分别是F-18 HARV,X-31和F-16 MATV

VISTA上进行的大部分工作主要是帮助检验其他飞机的飞行控制系统和控制面。它在完成MATV的测试后,又被转换回常规喷嘴,用于测试F-22和X-35的飞行控制软件。

F-16 VISTA的持续攻角可以达到86度,瞬态迎角为180度(这意味着飞机可以向后飞行)。尽管它可以进行戏剧性的、令人意想不到的“回马枪”似的导弹射击,推力矢量控制在战术上的适用程度仍然值得商榷。反对推力矢量控制在空战中使用的一方强调:失速后飞机会进入危险的低能量区;推力矢量喷嘴会增加飞机的重量和复杂性;以及现代战斗机已经可以利用头盔显示器或机载/机外传感器操作高离轴角的导弹。从本质上讲,如果通过头部转动或者是其他飞机上的传感器就能告诉导弹要攻击的目标,那为什么还要让整架飞机产生飞行姿态的变化而损失能量呢?因此,尽管俄罗斯的苏-30MKI,苏-35S和苏-57上都使用了3D推力矢量控制技术,但至今没有一架西方战斗机使用这种技术。

F-16 VISTA

F-16 VISTA还率先开发了飞行员语音控制(已经在英国的“实验飞机项目”上进行了某种程度的探索)和虚拟抬头显示器。这两种技术都将用于F-35“闪电II”战斗机。

三菱F-2“毒蛇”(1995)

值得注意的是,F-2是第一架搭载AESA雷达的战斗机。 注意水平尾翼后缘独特的剪裁形状。

如果日本希望维持其航空工业基础能力是一项昂贵而又虚荣的项目,那么F-2战斗机就是一个很好的例子。从战斗力的角度出发,它仅仅达到了F-16的平均水平,但每架飞机的成本却是后者的四倍左右!尽管如此,F-2凭借其令人炫目的涂装成为“毒蛇”家族中最具吸引力的成员。美国通过谈判达成了一项极为不平等的技术转让协议,即美国将获得日本在F-2开发中所采用的任何独家技术。F-2战斗机的机翼比F-16的机翼更大,结构上使用的复合材料更多,座舱盖通过采用支撑也更坚固。 机翼,乃至F-2本身,都基于“敏捷隼”设计。后者是美国空军对最终产生F-22“猛禽”的“先进战术战斗机(Advanced Tactic Fighter,ATF)”计划一个低成本的B计划。

日本之前生产的三菱F-1战斗机本质上是“美洲虎”攻击机的一个无照盗版复刻版本(日本空中自卫队曾详细评估过“美洲虎”攻击机),但三菱不敢对美国产品采用相同的方法。作为世界上最昂贵的飞机之一,F-2至少是一个真正的外表党。

当然,你也可以说F-2对于维持日本航空航天工业的技术基础非常关键,这对日本雄心勃勃的新型F-3战斗机至关重要。问题是F-3怎么看都像是一个勾引F-35的钓鱼项目。

日本F-2的涂装还是很不错的,特别是像这种机尾的雪花设计

洛克希德·马丁公司承担了F-2建造工作量的40%。与基线F-16C相比较,F-2具有更大的机头,更多的机内燃料,更大的翼展和机翼面积以及额外的两个翼下挂架。它是仅有的具有13个外挂架的F-16家族乘员,可以携带多达8枚空空导弹。同时,它似乎也拥有所有F-16变型版本中最大的雷达阵列面积,日本最近刚对其AESA进行了升级。

关于F-2更详细的介绍,可以参见我之前的文章《 》。

“撞车手”——DSI进气道验证机(1996)

当战斗机的速度达到音速的两倍时,喷气发动机无法处理进入进气道的超音速气流,变成了一个非常严重的问题。因此,需要让气流在进入发动机之前进行减速。有多种方法可以做到这一点,但绝大多数都需要复杂的机械结构,而且都很笨重,需要大量维护并且容易被敌方雷达探测到。而无附面层隔道超音速进气道(Diverterless Supersonic Inlet,DSI)却是一种优雅而巧妙的解决方案。

洛克希德验证DSI进气道的F-16测试机

DSI进气道通过一个非常简单的突起表面,减慢了气流的速度,同时也阻挡了敌方雷达对发动机压缩机叶片表面(高反射表面)的照射。目前,DSI进气道已经在F-35“闪电II”联合打击战斗机上使用,与传统解决方案相比,它不需要任何复杂的机械结构,而且重量减轻了30%。而洛克希德曾经改装F-16来验证DSI进气道的有效性,并确定相应的技术参数。

正面看一下使用DSI进气道的F-16验证机

如果说F-35开创了DSI进气道的实用化,那么一贯推崇“拿来主义”的中国飞机设计师绝对将它发扬光大,全面开花。你只要看看成飞的歼-10B/C、歼-20战斗机,沈飞的FC-31,贵州航空的教练-9教练机,和中巴联合研制的JF-17“雷电”战斗机就明白我在说什么了。

QF-16——发挥余热的无人靶机(2010)

为了取代之前装备的QF-4无人靶机,美国空军启动了QF-16“空中优势目标(Air Superiority Target,AST)”计划,将15架F-16A和25架F-16C Block 30战斗机转换为无人靶机。这些无人靶机会被用于武器系统评估项目,以评估现有空对空导弹的升级或替代产品,它们还可以在投入战斗前为飞行员提供使用空对空导弹的实弹射击机会。美国国防部于2010年3月8日向波音公司授予了近7000万美元的QF-16“全尺寸空中目标(Full Scale Air Target,FSAT)”合同,计划于2014年交付首架改装后的飞机。

无人驾驶的QF-16靶机

2010年4月22日,第一架准备改装为无人靶机的F-16飞机抵达位于佛罗里达州杰克逊维尔地区塞西尔机场的波音工厂。在开发阶段将改装六架F-16,进行工程测试和评估。美国空军拥有210架退役的F-16可供改装。它计划从中选取最多126架进行QF-16无人靶机的改装。QF-16原型机于2012年5月进行了首次飞行。

2013年9月19日,波音和美国空军在佛罗里达州巴拿马城的廷德尔空军基地对一架无人驾驶的F-16飞机进行了测试,由两名飞行员在地面控制飞机。在测试中,无人靶机达到了12200米的飞行高度和1.47马赫(1800公里/小时)的飞行速度。它还做了一系列的机动动作,包括滚桶和“分解S”动作——飞机做向下转弯掉头前先倒飞。这可以在空战中用于逃避导弹的锁定。飞机在测试中达到了7g的加速度,据说极限加速度可以到9g。

分解S的空中机动简图

波音公司于2013年10月10日获得了首批13架QF-16的低速率初始生产(LRIP)合同;2014年5月20日获得了第二批23架QF-16的改装合同;2015年3月27日,波音公司获得了2446万美元的合同,其中包括第三批25架QF-16及其配套专用设备的四年保修。2015年3月11日,首批量产型FSAT——序列号为86-0233的QF-16C(QF-007)正式交付给美国空军廷德尔空军基地(Tyndall AFB)。

2017年7月19日,在“战斗弓箭手武器系统评估项目(Combat Archer Weapons System Evaluation Program,WSEP)”的演习中,第一架QF-16无人靶机被击落。同年在美国空军名为“攻略II”的演习中,另一架QF-16被作为“忠诚僚机”项目中的无人战斗机,自主攻击了地面目标。

除了作为无人靶机,QF-16还可以被用于无人作战飞机战术战法的研究


作为一款优秀的第四代战斗机,F-16的旁支改型还有很多,如专门用于研究地形跟踪防撞系统的F-16 GCAS,研究发动机雷达和红外隐身的F-16 LOAN(低探测性非对称喷嘴)等等。限于篇幅和手头资料有限,稀星天外就不在这里一一列举了,谨以本文做个抛砖引玉。


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