猜测美国下一代战斗机NGAD

晨枫

据报道，美国空军已经为“下一代空中优势”（Next Generation Air Dominance，简称NGAD）战斗机在加利福尼亚的爱德华兹空军基地组建试飞单位，负责NGAD及相关系统的飞行测试。将首先用F-22为NGAD的相关概念和系统进行验证和试验，以及更广泛的“一系列作战系统”中的不同元素，如“协同作战飞机”（Collaborative Combat Aircraft，简称CCA）、新型发动机、相关武器、电子战设备、传感器、网络化作战系统及作战管理能力相关软硬件的测试。NGAD将不再是单打独斗的作战平台，而是依托整个杀伤链控制天空。
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/ V, n/ i3 H2 \- a$ g; {测试将融合研发测试（Developmental Test，简称DT）和作战测试（Operational Test，简称OT）于一体，这是新颖的。一般首先进行DT，验证战斗机和设备的性能，然后再进行OT，在更加贴近实战的环境里，检验和开发战斗机的任务能力。
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DT和OT合二为一引起人们对F-35研发时“平行研发”的联想，但这是不同的。F-35的问题在于对计算机模型过于托大，把DT当作性能验证，结果DT尚未完成就投产的大批早期飞机被迫返工，修补DT中发现的问题。
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* R: J8 ]9 y5 V: k3 N9 qNGAD把DT和OT平行进行，但不是DT未完成就投产。早早开始OT有不能在一开始就发挥极限飞行性能和测试所有任务模式的问题，但很多任务模式并不需要极限性能，只要基本适飞性达到要求就可以，可以先测试起来。DT和OT平行进行有助于缩短总的研发进度，高度软件化和开放架构使得未来设计变更和升级能以“滚动方式”无缝整合进已经下线的NGAD上。

据说NGAD已经存在三架技术演示飞机，美国空军将在2024年做出最终决定。结合美国空军成立试飞单位的消息，这应该意味着即将开始对比试飞，并在2024年作出选型决定。三架演示飞机应该来自洛克希德、波音、诺斯罗普。

按照美国空军部长肯达尔的说法，NGAD可能需要200架，每架耗资几亿美元，另外还需要至少1000架CCA“忠诚僚机”。NGAD的试飞应该包括与CCA的协同作战。NGAD和CCA需要在2030年代初期投入使用。

NGAD还处在严格保密状态，公开消息语焉不详，但还是可以解读出很多有意思的信息，尤其是洛克希德在臭鼬工厂80周年纪念活动上透露的轮廓图。
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洛克希德臭鼬工厂80周年纪念活动透露的神秘战斗机轮廓图

波音和诺斯罗普也具有很强的技术实力，但洛克希德是过去30年美国战斗机研发中无可置疑的最强团队，也具有最丰富的隐身和超巡经验。作为未解密飞机，洛克希德当然不可能明确说这就是NGAD，但应该包含了足够精确的NGAD外廓信息。

7 {* Q  r# k- o0 b8 _; P* t5 s0 T这是一架无尾三角翼飞机。这是最适合高速飞行的构型，所以成为欧洲和中国在动力不足又要求高速的情况下的首选，鸭翼只是进一步改进。从轮廓图看不出是否有垂尾，但应该是双发带尾锥的。双发是重型战斗机的必须，尾锥则是宽间距双发的后体减阻必须。
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很大的前缘后掠意味着较高的飞行速度，估计具有至少不亚于F-22的超巡能力和更高的最大速度。很大的后缘前掠则不仅有利于隐身和翼面积，也揭示了大大放宽的静不稳定性和优异的机动性。机头两侧有宽大的前缘边条，应该是基于F-22的经验与菱形截面前机身高度整合的，可能更加突出，作用更加强烈。

1 m' M, D# f2 `- |( U5 f洛克希德或许可算世界上首创使用大型前缘边条的，SR-71就有非常明显的大型边条。那是用于高速飞行时气动配平的。气流在机翼上表面加速，形成上下表面的流速差，造成气动升力。随着飞行速度的增加，上表面气流加速时间延长，速度分布从前高后低转向中高后低，使得气动升力中心后移。与此同时，飞机的重心基本不变，造成随速度增加而增加的低头力矩。
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常规飞机上用平尾的配平作用压尾，恢复飞机姿态的水平。鸭翼飞机用鸭翼升力达到同样的目的。在SR-71上，大型边条也是干这个用的，而且在低速飞行的时候由于超大的后掠角而基本不起作用，不影响低速飞行，只在高速飞行时起配平作用。

NGAD机头边条的作用当然不止配平，也是大迎角飞行时涡升力产生的装置。通过F-22，气动设计技术已经解决。
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  J4 v: z7 c' c; BNGAD未必能达到SR-71那样的速度，但从极大后掠角的机翼推断，对速度的要求高于夭折的XF-108以来所有美国战斗机。

3 A% k6 i% q4 x& Z速度早就不是万能的，但没有速度万万不能了。美国空军的一大堆F-35深刻提醒了这一点。机动性也一样，没有速度的机动性是没有意义的，只有速度而缺乏机动性也是不够的。
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二战后舰艇速度有所下降，从“用舰艇作战”改为“用导弹作战”，是因为舰艇与导弹的巨大速度和机动性差异使得舰艇速度无关紧要。这样的“海军思维”可能是F-35速度要求降低到M1.6的重要依据。

但舰艇和战斗机有一个关键差别：导弹对舰艇的速度和机动性优势是好几个数量级，导弹对战斗机的速度和机动性优势并没有那么大，而且在可预见的将来无法显著拉大。因此，不管从抢占发射阵位来说，还是从躲避来袭导弹来说，战斗机的速度和机动性依然是重要的。
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F-15开始的能量机动趋势反映了“只有速度而缺乏机动性是不够的”，在不在追求更高的最大速度的同时，用高推重比涡扇的高加速性和中等后掠角机翼在速度和机动性之间的最优折衷将战斗机推入能量机动空战时代。F-15没有牺牲速度来换取机动性，F-15的最大速度高达M2.5，比F-4还高，也因此被指责为“不彻底的能量机动战斗机”。这一点不妨碍美国空军以F-15为主力空战战斗机。

F-22利用发动机和气动技术的发展，速度和机动性双优，还做到了隐身，把战斗机推入隐身和超巡时代。F-22的最大速度“只有”M2.25，比F-15的M2.5低。但F-15只有在无外挂的干净外形下才能达到M2.5，F-22在战斗负荷的情况下依然达到M2.25，所以F-22的实用最大速度更高。
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NGAD的技术要求没有公布过，在F-35之后也不乏质疑速度和机动性之必要性的声音，但看来，美国空军没有被自己带歪，NGAD的速度要求看来比F-22更高，机动性要求估计也至少不低于F-22。

6 q8 P" B! c- t7 ^( A如果NGAD没有在速度和机动性方面提出比F-22还高的要求，而主要是在隐身、系统作战能力方面下功夫，试飞单位用F-35更合适。F-35的系统构架更先进，更加便于测试新质系统能力。
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F-35降低飞行性能要求，有成本控制的原因，也有“系统作战”思维的原因。苏-57还不足以使得美国空军重新思考速度和机动性的重要性，歼-20则迫使美国空军面对现实。美国航空技术则提供了必要的技术基础。

, M8 Y% {; r8 y& nF100是美国第二代战斗机涡扇发动机。第一代是F-111、F-14使用的TF30，尽管跌跌撞撞用了快40年，还是留有很多遗憾。在解决了初始问题后，F100（还有同时代的F110）成为经典级战斗机发动机，至今广泛应用。第三代F119极大提高军推，是F-22超巡的基础，也与F-35的F135共享核心发动机，坚实的核心发动机技术通过增加涵道比和提高热工参数，成为历史上最强有力的战斗机发动机。

美国正在紧锣密鼓地进行三涵道发动机的研制，增加的第三涵道在巡航时提供额外的冷却能力，解决F-35顽固的机载系统热管理难题；在起飞、加速时则通过额外涵道流量提供额外推力，涡扇的内外涵道推力比就等于内外涵道的流量比。
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战斗机涡扇的传统难题是在小涵道比的优秀高速性能和大涵道比的低油耗、低速段高加速性之间的平衡。三涵道实现了“变涵道比”，达到了随飞行条件的自动适应。美国空军对三涵道发动机到底是用于F-35的改进还是NGAD一直语焉不详，看来不需要纠结，都用，但解决不同的问题。F-35有热管理问题需要解决，NGAD不仅有热管理问题要解决，更有超巡问题要解决。并非巧合的是，新型发动机正是NGAD试飞单位的重点任务之一。
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从机尾的轮廓线推断，NGAD还是采用了二维推力转向，不仅提高过失速机动性，也对超音速机动性很关键。宽间距则增加了通过推力转向实现的横滚控制能力。

在机动性方面，F-22回归传统，用四翼面尾翼加二维推力转向确保从过失速到超音速的全谱机动性。YF-22的非常规布局被认为太偏激，但那是30年前了。

现在，推力转向技术高度发展了，通过F-22的使用经验，可靠性和敏捷性得到保证。无尾飞机的飞控也高度发展了，不仅有B-2的30年使用经验，还有X-47B等新一代无尾飞机的大量经验。
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) }# {& e2 S5 n很多第六代战斗机想象图都是无垂尾，这是波音方案


8 L& T  h9 ^8 V( @: h8 i3 v臭鼬工厂那里也有人发现这样的无尾物体，用于雷达测试

- m7 x) p% l& T5 C& y$ ~但NGAD是否会像各种想象图中无垂尾，现在还不能确定。无尾的难点不在于高机动性，急转弯本来就是通过横滚加拉起实现的，垂尾的作用只是航向安定性和小幅度航向修正。这与导弹是完全不同的。

* \; c4 J* [2 T4 _  X# b2 t很多战术导弹采用十字形或者X形对称翼面，不需横滚就能直接转向。但导弹的升力机制不一样，弹体是重要的升力产生部件。导弹重量与尺度相比较小，冲压升力就够用了。战斗机的重量大得多，升力主要来自机翼。战斗机即使用垂尾扭转机头指向，也无法产生足够的侧向力，完成转弯。垂尾面积严重不足，与平尾可比，但与机翼不可比。战斗机机翼也像导弹那样十字形或者X形是不可能的，重量和阻力太大了。

* B3 l' [# O7 b. W& n! @现代导弹很多也开始采用边条一类的结构，有的则用冲压式发动机进气道起类似作用，增加升力，在增加导弹重量、射程、威力的同时，提高产生升力的效率，降低对冲压升力的要求。

0 Q/ X6 f: r# S用垂尾“硬拧”，有可能把战斗机横拧过来，但依然缺乏侧向力，只能使得战斗机歪着机身向前侧滑，而不能真正实现急转弯。在极端情况下，真把战斗机在瞬时强拧90度，但在横向的速度分量为零，战斗机要重新加速起来，需要的时间反而长，且不说机翼失速危险。水平强转造成的侧向加速度也对飞行员生理结构高度不友好，抗荷服都没法补偿。

垂尾的作用是航向安定性和小幅度的航向修正。后者容易理解，前者是像风向标一样，用气流对重心前后的气动侧面积分别产生风压，自然纠正航向的扰动。重心后的侧面积要大于重心前的侧面积，才能自然稳定。

6 N" X' a) V0 V. o. C4 p) \现代战斗机的发动机后置，使得重心较后，垂尾面积需要相应增大。双垂尾与其说是为了机动性，不如说是为了航向安定性。这就是F-22、F-15、苏-27等双垂尾战斗机都采用很大的固定面，只有相对较小的活动面的道理。
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+ [( f* I& i' I0 H3 L$ n2 K苏-57、歼-20采用全动垂尾，主动补偿以实现航向安定性，所以垂尾小得多，但也需要在飞行中不断动作，对可靠性和敏捷性要求较高。
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' k6 `8 J  Z4 r& Y* I早期法国NGF想象图

, W: C! G- n% @3 b$ P6 |( fB-2、X-47B等没有垂尾，用开裂式副翼形成偏航力，代替全动垂尾的作用。代价是巡航时需要保持打开，永远具有适当的控制作用和敏捷性（翼面从水平开始的最初几度偏转没有什么气动控制效果）。法国NGF早期方案有把二维推力转向竖起来的，不像F-22一样在上下方向偏转，而是在水平方向偏转，估计有用推力转向补偿偏航的用意，但在后来的方案中改为更加传统的上下偏转了。
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三维推力转向在理论上可以用于偏航补偿，但现有三维推力转向技术基于喷口羽片束的扭转。羽片为了密封，需要紧密层叠，摩擦阻力较大，偏转不可能敏捷，常年用于频繁动作的偏航补偿也有磨损和可靠性问题，可能只是“看起来很美”。
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( n, g7 g1 F# X0 N* \3 W用推力转向补偿偏航还有可靠性问题。要是发动机故障，偏航也随之失控，那就连基本的飞行安全都难以做到了。

! Q) U& B8 p+ ]; ^/ z( p9 ]很有可能各种想象图中的全无尾第六代战斗机只是想象图而已，还是会有某种大外倾双垂尾，类似法国NGF的“最后方案”。洛克希德有一版“第六代战斗机”也是这样的。


! N' B. I$ i7 p) t4 [. p- c曾经流传的洛克希德第六代战斗机想象图

这显然与新近流传的轮廓图不一样，受YF-23的影响更大。但换一个思路，新的轮廓图也可以看成机翼后缘高度前掠的结果，只是高度外倾的V形尾翼本身也起到一定的升力面作用，高度外倾后V形尾翼翼面过于接近机翼上表面，气动耦合较大，未必有利。
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0 I$ b- k/ O2 @* f但反过来，高度内倾的话，就避免了这个问题。在F-117公开之前，曾经流传“F-19”战斗机的想象图，就是内倾双垂尾的。

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6 _* o" Z* L; g- U: P想象中的F-19隐身战斗机

高度内倾不仅保持了侧向隐身，还对发动机喷口形成有效遮挡，改善俯视方向上的雷达和红外隐身。谁都说不上来NGAD是否会采用内倾双垂尾，甚至顶端搭接的倒V形尾，但这不失为一种可能性。

* f: k. ?" R$ k9 J7 g除了垂尾，很关键的进气口处理也看不出来。轮廓图就是轮廓图，本来就只想让公众管中窥豹的。

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从2021年起，F-22就在测试镜面涂料
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除了最令人感兴趣的气动布局和发动机，NGAD还将采用一系列跨代的新技术。F-22曾经测试的“镜面涂料”可能解释NGAD对反激光武器有所考虑。最重要的跨代技术当然是“忠诚僚机”，现在用CCA的名义。
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忠诚僚机到底什么样，现在有很多想法，但没有定论。可以确定的是：真正忠诚的僚机不可能低成本，不可能可消耗。只有在基本飞行性能和态势感知方面与有人长机足够接近，才有可能紧密伴飞，成为真正的忠诚僚机。如果NGAD单价高达几亿美元（这还是早期估价，按照美国惯例，最后的实价肯定要大大加码），忠诚僚机也低不了多少。实际上，很可能是有人-无人双模式化的结果，而不一定是单独研发的无人战斗机，以降低研发成本和尽可能利用规模经济效应。

. b* S& W4 }  W  i$ r: a另一个极端是鸟笼概念。不再以紧贴伴飞为目标，而是“撒出去”形成外围的“流动哨”，具有一定的态势感知和自主作战能力，以迫使隐身对手暴露目标为主，并在有人长机受到威胁的时候从四面八方驰援。
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忠诚僚机形成的笼子不需要在速度、机动性、态势感知方面达到有人长机的要求。靠前部署降低态势感知的要求，流动哨降低速度和机动性的要求。有人长机在笼内可以更高的速度和机动性夺取战术优势，但除了在笼子整体转移到新战场的情况，忠诚僚机的速度和机动性要求并没有那么高，而战场转移是可以通过适当任务规划和统筹解决的。

5 h* b  f4 X( g9 I, [“哨兵僚机“的隐身要求反而更高。流动哨是暗哨，早早被对方看破不仅容易被破解，也早早暴露有人长机就在附近。这就是说，无尾飞翼或许是CCA的理想构型。
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实际上，忠诚僚机或许不是非此即彼的，可能需要贴身僚机和哨兵僚机的某种组合。
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在未来一段时间里，NGAD是非常值得关注的。美国依然是世界上航空技术最发达的国家，也有世界上最丰富的隐身和超巡战斗机的运作经验。歼-20是中国航空了不起的成就，但后发也意味着歼-20在概念上就“蛙跳”越过了F-22。NGAD未必意味着歼-20即将落后，需要马上全新研制下一代战斗机。
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) E9 L: P' A" _6 f! R5 h4 G在某种意义上，双座并配二维推力转向涡扇15的歼-20可能可以达到NGAD的很大一部分功能，早期歼-20进行有人-无人双模式化改装，成为贴身僚机，以攻击-11为基础或者全新研制的更大、更高性能的哨兵僚机相配合，就构成很有战斗力的全新体系了。
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! w8 W1 ~; ], x& k0 o* h, |这是由于歼-20对超巡已经高度气动优化的优势，也是双座的信息战和网络中心战的优势，还是歼-20的数量优势。其实，眯起眼睛看看，NGAD是不是像去掉鸭翼的歼-20？
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