飛機穿越音速時

Re: 飛機穿越音速時 2004-06-24 17:12

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轉載"戰鬥機的未來之路" 😲
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12月22日《戰鬥機的未來之路》陳一堅

央視國際 2003年12月23日 16:20

　　主講人簡介：

　　陳一堅，西北工業大學教授。中國工程院院士，1930年出生，“飛豹”殲擊轟炸機總設計師，曾獲得國家科技進步特等獎。

　　內容簡介：

　　飛行器隨著技術的發展、科技的發展，飛行器的性能是不斷地提高。提高的速度也是非常快，光從速度來看，現在都已經是超音速，都不在話下了。然後要突破熱脹，將來要搞高超音速飛行器。所謂高超音速的飛行器M數是5以上，就是高超音速飛行器。從速度這個例子來看呢，它發展非常快。一百年裏面跨越很大一個步伐，由於這樣一個武器裝備性能的提高，影響了軍事理論的發展。從第一次世界大戰開始，用手槍、用步槍、用機關槍、用手榴彈，作為進攻武器開始，就出現了新的軍事思想，就是立體戰爭、就是制空權的戰鬥。一直到今天，由於我們飛行器的本領大大提高，軍事理論也逐漸得到發展。

　　戰鬥機的未來之路也就是高科技的發展之路，是戰鬥能力更強、戰場生存能力更高的發展之路。以資訊化為基礎的飛行器就把飛機變為網路裏面一個接點，再一個趨勢就是飛行器本身的各個組成部分都智慧化、自動化、集成化，這是將來發展的一個趨勢。再一個就是飛行器的無人化、飛機設計的數據化、一體化，這是將來的大方向。再一個就是飛行器的製造全部數位化、精益化，精益化的效率非常高，像美國精益化的設計部件零件可以減少百分之二三十，它的成本降低50％，挺厲害的！精益化三分之二，這個效率非常高！所以高科技有非常高的黃金含量，道理就在這兒。

　　《戰鬥機的未來之路》（全文）

　　飛行器隨著技術的發展、科技的發展，飛行器的性能是不斷地提高。提高的速度也是非常快，光從速度來看，現在都已經是超音速，都不在話下了。然後要突破熱脹，將來要搞高超音速飛行器。所謂高超音速的飛行器M數是5以上，就是高超音速飛行器。從速度這個例子來看呢，它發展非常快。一百年裏面跨越很大一個步伐，由於這樣一個武器裝備性能的提高，影響了軍事理論的發展。從第一次世界大戰開始，用手槍、用步槍、用機關槍、用手榴彈，作為進攻武器開始，就出現了新的軍事思想，就是立體戰爭、就是制空權的戰鬥。一直到今天，由於我們飛行器的本領大大提高，軍事理論也逐漸得到發展。

　　而且現在的戰爭越來越是不對稱的、非接觸的，所謂非接觸就是看不見了。你在哪兒、我在哪兒你都不知道。過去肉搏的時候，是面對面的，槍對槍刀對刀。後來格鬥還看得見，或者說遠距離格鬥，看不見，我還用雷達來瞄準。現在的戰鬥越來越發展為非接觸的，另外就越來越是非對稱的。非對稱的概念很廣泛，實際上最簡單的概念就是技術上的差距太大了。所以說從這個角度來看呢，再加上現代資訊科學的發展，使過去單機與單機，編隊與編隊的制空權作戰，發展為空、天、地、海、電五維立體戰爭。從過去單機對單機，編隊對編隊，發展到今天體系對體系的戰爭。所以說航空器在軍事領域裏面的貢獻，那是非常重大的。這是什麼意思呢？大家都知道C4ISR，就是美國人開發的一個通訊聯絡系統，實際上它就是指揮、控制、通訊、計算、情報、監督、偵查還有對抗。這五六個功能在整個系統裏面都體現出來了，將來是怎麼樣一個局面呢？就是天上有衛星、空中有預警機、有加油機、有電子對抗機、還有我們的戰鬥機、攻擊機、轟炸機、運輸機、海面有軍艦、有潛艇、地面還有防空的雷達、雷達站、有指揮部、有陸軍指揮部、有空軍指揮部、有海軍指揮部、有總指揮部，就是這麼一個整個立體的系統。都要把它串起來，有了資訊以後，就有可能把它串起來。串起來透過什麼手段呢？實際上就是資訊裏面的一個組成部分，就是一個數據鏈，用數據鏈把資訊串起來。以資訊作為載體，數據鏈作為一個手段，把這麼多東西包括空間、地、海全部把它連在一起，那效率就非常高。就是說我飛機是一個載體，也是一個資訊載體，也是一個資訊的接點。它在天上看見敵人有一個目標，它可以把實時敵人的目標傳到指揮部去了。或者說看到敵人有一個軍艦編隊，就傳給我們的海軍的軍艦，就實時的把資訊都傳給它了。這樣子的話呢，就可以減少很多人為的環節，大大節省時間。加快了戰鬥的決策，加快決策的時間和它的力度。這樣子的話，就是打勝仗就有了保證。時間在戰爭的概念裏面比經濟的概念還要厲害，它是爭分奪秒的一個概念，你搶了一分鐘，你搶了一秒鐘，你就搶了主動權。所以今天的戰爭已經跟過去大不一樣，是一個五維的立體戰。因此我們要在整個飛機、或者攻擊機、或者轟炸機等等都作為立體裏面的一個組成部分。因此現在設計飛機，不能像過去那樣子，只考慮到自己飛機的性能就完了。它應該放到整個五維的立體裏面去考慮飛機性能應該是怎麼樣，應該是怎麼設計它。就是我數據鏈，上下行數據鏈我應該是怎麼設計？介面怎麼設計？和機體裏面的計算機怎麼匹配？這些問題是很大的一個題目，可能一個人搞一輩子也不一定能搞得好。

　　第二個飛行器和航空、航太過去好像分得比較開，為什麼？過去我們航空高度基本上是二十公里以下，作為我們的領域在那兒奮鬥。航太一般在四五十公里以上，接近地球軌道作為航太部門的一個領地，他們在那兒攻克它的難關。因此當中有一個斷檔，從高度上有一個斷檔，現在航空的發展呢，它往高發展。那就要佔領三十、四十公里高度的領域。這樣航空和航太由於資訊的基礎有了，因此我們高度再提高一點，透過資訊呀，就把航空跟航太的界限就模糊化了。這樣，航空和航太就融合了。你譬如空間飛機，實際上既是航空的也是航太的，這是由於有了資訊這個手段以後，你飛得高，就有這種可能。

　　第三個，就是機載設備全部資訊化，大家都知道機載設備很多，大概主要的是三個系統，一個雷達火控系統，再一個就是綜合電子系統，再一個就是電子戰的系統。戰鬥機或者戰鬥轟炸機還有很多系統，但是這三個系統是最突出的，跟資訊有聯繫的，可以建立立體戰的一個手段。這個也把資訊數據的技術都融化在許許多多的系統裏面去，大大改善了系統的性能。所以飛行器的設計，飛行器的使用對軍事作戰的影響，將會以五位的立體戰作為考慮，這是我要講的趨勢第一個問題。

　　第二個問題呢，就是飛機一體化的設計技術。我是搞飛機設計的，飛機設計應該說是隨著科學技術的發展，它在不斷地變化。我搞“飛豹”飛機的時候，最後句號劃在“飛豹”飛機上，搞“飛豹”飛機設計呢，那就是一個專業一個專業大家分頭去設計、分頭去優化。比如說我搞雷達的，我把雷達設計得最好、功能最多、最準確、最好操作、最好控制，每人都有每人專業，自己都把自己專業設計最好，這是每人必然的一個趨勢。讓你幹活你肯定想幹得最好，在這樣一個基礎上，由各級總師，最後由總設計師協調這裡面所有專業的誰應該服從誰，誰應該砍掉一點，做一個協調和取捨。這裡面呢，就比較多了，有一些主觀的臆斷在裏面。所以沒有一體化綜合設計的，這麼一個概念是不行的。大家都知道數學上面、優化理論裏面實際上已經說清楚了，就是很多局部的東西，局部的專業，所有專業都優化完了之後把它加起來，變成一個飛行器，它不一定是最佳。這飛行器不一定最佳，就是局部最佳的機械之和，不等於說總體最優。因此今天由於有了計算機技術，有了資訊技術，我們就可以把許多專業分開優化，變成一體化的優化。說簡單一點，就是綜合設計。

　　我舉幾個例子，過去設計飛機單搞飛機，設計發動機單搞發動機。現在設計的時候飛機和發動機就可以一起優化，發動機設計到什麼樣的油耗？什麼樣的推力？什麼樣的重量？能夠滿足我這個飛機的需要。還有你譬如說飛機發動機加上飛行控制系統，我這個總設計師要求這個飛機有多少個控制率，這個都定下來了。然後你飛機和控制系統就可以集體去優化它，因此在這地方大家就可以看，氣動佈局加上動力，再隱身。這些東西呢，就是飛機的幾個主要的總體佈置的幾個主要的一些需求，把它綜合到一起，搞一體化設計。正因為有了計算機、有了軟體，過去人不可能綜合，人用那個手搖計算機都解決不了，回答不了這個問題。那個方程式太大了，解不了，我舉這麼個例子。

　　後面當然還有很多了，大家看，結構、強度、工藝製造一體化，將來我這個設計院，設計出來的這個結構圖紙透過計算機網路就給了工廠，工廠接到這個數據流以後，它就變成它的工藝裝備的一個設計依據，這就連起來了。過去不是，過去是我們把圖紙發過去，它再消化圖紙。再把圖紙變成它的加工依據，那不但效率低，而且錯誤多。還有就是飛機的性能，飛行的控制系統，飛機的作戰方案，武器這五個一體化。那就是使我們的火控系統效率大大提高，發揮集體的優勢。再一個就是機載電子系統、電子戰、人機工程，顯示一體化。這幾個專業都給飛行員提供資訊的，過去我們也是分開幹，各幹各的，將來就是一體化了。

　　第三個就是超音速巡航，過去我們民用飛機除開“協和”號以外，基本上都是高亞音速的。軍用飛機我們現在能夠超音速，但是不能夠超音速巡航，就是我這個超音速時間有限制。過去的飛機，第三代以前的飛機它這個阻力特性，就是氣動效率還不足以長時間超音速飛行，再加上發動機性能不能夠支持超音速長時間的巡航，到了今天，氣動效率大大提高，大家都知道，過去我們聲阻比七、八，已經搞得很了不起了，現在聲阻比都是十幾啊，十二、十三，預測二十年左右，大概聲阻比就可以達到二十，氣動效率大大提高了，再加上發動機也很爭氣，它這個推重比也很大，因此就有可能提供超音速巡航的這種可能性，大家都知道，亞音速的阻力和超音速的阻力，基本上是一倍的關係，亞音速0.0021，超音速是0.004，這個阻力係數大概是這麼個量級，就是一倍的關係，所有的先進技術用上去以後，發動機不推加力，它就可以超音速飛行，而且是長時間。像美國的F22飛機，它就可以在馬赫數1.5的情況下長時間的飛行，這優越性大了。

　　第三，在相同的載油條件下，有超音速巡航能力的飛機，可以飛得更遠。第四，在空軍作戰裏面，有了超音速巡航能力，它的飛行半徑就可以擴大很大。如此等等，有很多的優勢。因此超音速巡航是第四代殲擊機和超音速戰略轟炸機一個追求的目標。再一個就是超機動能力，這個機動大家都知道，飛機作戰的時候，都是你追我打，對不對？敵人在前面我在後面，很多因素決定它機動的特性。我舉兩個例子，一個爬升率，“飛豹”飛機爬升率是每秒二百米，要是敵人飛機的爬升率每秒180米的話，我就比它多了二十米，那肯定我佔優勢。我早就佔領有利的地域來瞄準你，來發射導彈打你。第二個就是盤旋半徑，過去格鬥，近距離格鬥的話，還是你追我打，尾追攻擊為主。要是我的盤旋半徑很好，你的盤旋半徑很小，那我一下兜到你後面去，尾部攻擊馬上就成功。

　　再下面是高超音速飛行器，這剛剛已經說過了，飛機大概要突破幾個障礙，一個低亞音速，然後高亞音速，然後是透過音障，M數等於1，這些都已經解決了。後面就M數到了2.5的時候，就遇到了熱障。熱障什麼意思呢？是M數2.5以後呢，它氣動加熱很厲害，一般“鼻子間”和機前緣溫度都達到220度到250度這個範疇。在這個溫度底下鋁合金基本沒有多少強度了，所以說就出現了熱障。就是你材料要不過關，你超過M2.5不可能。因此就出現了熱障，現在熱障呢，問題也解決了。

　　美國人在七八年以前，就開始搞M15到20的叫做超音速洲際轟炸機，那就比音速大15倍到20倍的速度，這種武器那是非常可怕的。就是比那個洲際導彈還厲害，洲際導彈它還有一個過程。，它是可以高可以低可以有人操縱、可以無人操縱，帶了很多精確制導武器，那就是很有作用的。因此由於高超音速飛機，出現了像乘波飛機。什麼叫乘波飛機？大家都知道，激波是一個消耗能量，是一個壞事。激波對氣動力來說，本來是個壞東西，現在要把壞事變好事，把乘波的能量打到機翼上面，提高機翼的升力，壞事變好事。它呢還不增加阻力，所以聲阻比猛地又提高一個臺階。因此這個飛機美國人正在做，我們也有這種遠景的規劃。由於高超音速飛機，基本上最大的兩個問題，一個是動力，一個是材料。剛剛我已經說過了，馬赫數越高，溫度越高，這個問題就要解決。除非你不進大氣層，在外面那跟衛星一樣。你一進大氣層，就有氣動加熱的問題。因此材料的問題很重要。第二問題就是發動機很重要，我們將要發展超音速的超燃衝壓發動機，還發展超音速的燃氣噴流發動機。我們現在噴氣式發動機，它加熱以後，燃燒以後那個噴流一般都是亞音速的，在M數0.5、0.4。這個噴流要是能夠大於M數1的話，那推進效率就高得多。後面還發展脈衝爆震發動機，它是用的熱力學脈衝波的原理產生推力。它這個壓力，可以達到十到一百個大氣壓。燃燒溫度可以到2800度，爆震波的頻率大概是一百到一百二赫茲，M數可以飛到大於四大於五都可以。最大的優點就是它可以在速度零的時候，就可以啟動。火箭倒是可以速度零上去，但是火箭要帶助燃器，重量大一倍。這個衝壓發動機馬赫數不到四，它是點不了火的。因此它是在馬赫數三、四以後才能用衝壓發動機，而在爆震發動機M數等於零的時候，它就可以點火，就可以產生很大推力。高超音速飛行的時候，它這個推力越來越好。因此將來高超音速飛機的推力它的推重比可以達到二十以上，在五十公里以下M數可以從零飛到十，做洲際攻擊用。

　　再一個就是隱身技術，大家都很關心隱身，像F117和B2，這是第一代隱身。我剛才說了飛機有四代，俄羅斯五代，相當於美國的四代。實際上世界上公認的就是四代，隱身飛機又有兩代，F117、FB2，基本上是隱身飛機的第一代。然後F22和F35是隱身飛機的第二代。第一代是為了追求隱身，犧牲了氣動特性。F117帶棱帶角的，那阻力非常大，所以F117隻能亞音速飛行，它沒法超音速飛行。到了第二代F22，它把隱身和氣動力兼顧，因此它既能超音速巡航，也能高超音速飛行。隱身的手段有哪些呢？第一就是剛剛說的氣動佈局上面做了很多文章，使敵人的雷達波大量喪失掉了，回不到敵人的雷達站。因此敵人就看不見你，這就叫隱身。很簡單，但是技術很複雜，這是一種手段。第二種手段就是表面涂一個吸收雷達波的材料，基本上是氧化鐵之類的東西。它什麼機理呢？就是敵人的雷達波到了這個涂層以後，它就變成熱能了，把雷達波的能量都消耗掉了。因此它回去的雷達波很微弱，敵人也看不見我。實際上就是激活表面電荷，衰減雷達反射資訊的強度。簡單一點說定義就是這個定義，就是涂層的定義。第三個就是紅外隱身，剛才我說了，飛機超音速飛行有熱度，因此就有紅外。發動機射流兩千多度，這個溫度很高，那敵人紅外的儀器一下就抓到你了，紅外導彈一下抓到你了。因此我要想辦法在噴流裏面加入一些特殊的一些東西，使噴流溫度下降。還有就是把發動機背在背上，下面看到至少隔了一層飛機。對不對？它紅外的信號就衰弱了很多，還有就是用燃油冷卻的辦法，使噴流的溫度降低下來，然後燃油又回去點火。

　　再一個呢，就是等離子隱身，等離子就是把飛機，裏面搞這個等離子發生器，使飛機的周圍被等離子包圍了。大家知道等離子云對電波來說是一個非常大的吸收的東西。據說美國B2是用這個辦法，所以你看B2就是一個飛翼。光溜溜的一個飛翼，它沒有氣動力特殊的措施，但是它是用的等離子隱身的辦法。等離子體本身是能夠吸收電磁波的，這樣就能達到隱身的目的。

　　再一個呢，就是目光隱身。目光隱身大家都知道，陸軍穿迷彩服就是保護色，飛機也噴迷彩的涂層，也是為了使白天的時候人家看不見你。不是完全看不見你，而是看見你很慢、很晚。還有一種做法就是把隱身的一些材料搞一個導電，這個涂層導完不同電壓，它會變顏色，變成變色龍了。這樣子就可以起隱身的作用，所以隱身現在是非常寬的範圍，從雷達波一直到可見光，這個頻帶裏面都有隱身技術。當然也有防隱身技術，就是“魔高一尺，道高一丈”，也很多。我隨便舉個例子，我們空氣裏面基本上是充滿了電磁波的，要是說一個雷達我發現不了，我要是兩個雷達、三個雷達，定點雷達。這個飛機飛過電磁波的時候，就把電磁波加以擾動。擾動以後，三個雷達測出來的量是不一樣的，由這樣一個原理我就可以用三個雷達或者兩個雷達，就把敵機的位置給它定下來。首先要打它首先要定位，你既然看不見它，我用這個辦法定它的位。定它的位我就可以引導導彈去打它，隱身效果大概一般是這樣子。舉個例子，F22在雷達上面就相當於一個玻璃彈球，我小的時候也打過玻璃彈球。大家都知道，就這麼大。現在F22的RCS，就是隱身的指標，就跟玻璃彈球一樣大。

　　下一個就是微型飛行器，微型飛行器就是這些東西。它的定義多大，它的定義就是大小不超過十五釐米，巴掌大，手掌可以托起來的。我給它起了一個名字，叫做手掌型飛機。到了納米級的飛機呢，就變成昆蟲一樣、跟蒼蠅一樣大小，那就是昆蟲型的微型飛機。它最大的重量是一百克以下，有效的載重呢，大概是五十克。它的速度是二十米以下，每秒二十米以下，作戰半徑是十公里以下，價格單機價格就是一千美元。那你說F22是兩億美元，它一架微型飛行器就一千美元，那便宜得很。那就可以大量用，將來步兵，所有的士兵手上都可以拿這個東西。揣口袋裏，需要的時候拿出來。你譬如說你的敵人躲在墻根後面，我看不見你，那沒辦法了。那我把這個小型飛行器拿出來一飛，馬上就看見了。它上面有實時偵查，實時就報回來。士兵這個筆記本就看見墻後面的敵人是什麼個狀態，是吧！這是非常有用的，第二個呢，就是可以搞個資訊的中繼系統。那就是它飛到某個地方去，它可以拐彎了。可以把資訊透過它來給我中繼，還有一種呢，就是特殊情況下，你比如核環境，生化環境、化學戰的環境，這個人進不去，那只能派它。它沒有人就可以進去了，它可以把實時的情況都報回來。

　　更大一個就是情報，搞間諜活動。那將來就是跟蒼蠅似的，也沒有聲音。就落在你的窗臺上，你裏面開會的所有聲音它全部實時都傳回去了。間諜活動，過去大家都知道，間諜活動是因為我們這個房子可以搞電磁遮罩，可以搞很多。但是我講話，那個玻璃總要震動吧。對不對？過去的間諜就把鐳射束瞄準玻璃，然後把玻璃震動接收下來，然後轉換成聲波，這是過去的間諜活動。現在有了這麼個小傢夥，那我隨時都可以發出去，隨時都可以收到，很多。我們想得到其他手段得不到的東西，進不去！小傢夥可以進去。再一個就是說你這個小東西還能夠帶高爆炸的彈藥，現在有一種彈藥爆炸力非常大、非常輕，它可以帶五十克，一個微型飛行器帶五十克。我灑出去一千個，那威力就非常大了，敵人一片它就可以把你都炸平。這無非就是一千乘一千，一千美元一個。

　　無人機技術是現在發展的趨勢，大家都知道，無人機有幾個優點：它因為沒有人，對不對？那就是把這個空間和重量就可以裝很多測試設備。第二個優點就是它沒有人後可以過載。過去飛機有人，過載只能到八到九，這還得穿抗核服。飛機還要穿抗荷服才能飛，才能拉過載。不然的話一拉過載，血都從腦袋都到腳底下去了，馬上就暈，就失去知覺了，沒法操縱飛機。這就是人受不了那麼大的機動，搞了無人飛機，沒有人，所以它就可以過載。

　　材料的趨勢，一句話：鈦合金和複合材料含量大大提高，鋼和鋁逐漸降低，但是鋁合金裏面的鋁鋰合金比重提高。

　　多電飛機，那就是過去操縱飛機的時候搞液壓和空氣系統，以後全都用電。這個多電系統可以發幾兆瓦的電，將來我這個飛機上面要搞鐳射器，鐳射最耗能量了，沒有全電的新的發動機不行。有一種新的發電機，叫做磁阻開關稀土發電機。和飛機發動機軸連在一起，它的轉速一般都可以到每分鐘五六萬轉。這樣一個發電機就可以提供大量的能源，可以使我們飛機機載鐳射的系統得到實現。

　　最後總結一下，飛機發展的趨勢，大概有這麼幾條，第一從大小來看，往兩極發展。你看大的像安225飛機，550噸起飛重量，商載250噸，你看多厲害！第二個從高度來看我剛剛已經說過了，從低空到高空，和航太器接軌，模糊航空航太的界限，這是我們的方向趨勢。從速度來看，從低速每秒鐘二十米、十米的飛行速度，一直到高超音速M15，大於音速的二十倍，往兩頭髮展。以資訊化為基礎的飛行器就把飛機變為網路裏面一個接點，再一個趨勢就是飛行器本身的各個組成部分都智慧化、自動化、集成化，這是將來發展的一個趨勢。再一個就是飛行器的無人化、飛機設計的數據化、一體化，這是將來的大方向。再一個就是飛行器的製造全部數位化、精益化，精益化的效率非常高，像美國精益化的設計部件零件可以減少百分之二三十，它的成本降低50％，挺厲害的！精益化三分之二，這個效率非常高！所以高科技呀，有非常高的黃金含量，道理就在這兒。我今天給大家講了這麼一些東西，僅供大家參考。就是希望能夠對大家將來的學習和工作開一點眼界，航空工業的前途是絕對光明遠大，有待諸位的努力。我希望將來有不少的院士、有不少的總設計師出現在你們之中。

　　（來源：cctv-10《百家講壇》欄目）

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