航空史上的“流星”,F-22的“劲敌”,再议YF-23的成功与失败

为了能够在下一代战机的竞争中赢得先机,美国已开始研发第六代战机,这不禁让人想起美国研制第五代战机(当时仍叫四代机,还没有五代机的提法)时的情形。众所周知,美国是全球第一个研制出五代机的国家,它的首款五代机F-22至今仍是世界上最先进的战斗机之一。在美国空军招标五代机的时候,F-22并不是唯一的选择,它有一个强劲的对手,这就是YF-23战斗机。F-22的前身叫YF-22,它与YF-23一起展开了竞争。两者都推出了原型机,都进行了多次试飞,在经过全面对比后,美国空军最终选择了YF-22,YF-23黯然出局。这个结果引起了很大争议,因为很多人认为,单论性能的话,YF-22并不比YF-23先进,因此YF-23被不少人称为是“失败的王者”

YF-23被很多人称为是“失败的王者”

作为F-22的“劲敌”,YF-23战斗机的落选让不少人感到无法理解,因为美国空军给出的答案很笼统。即便是F-22战斗机投入生产并且服役后,支持YF-23战斗机的呼声仍然存在。甚至到现在,仍有人对YF-23感到惋惜,认为它的设计非常优秀,不应该被彻底放弃。不可否认,YF-23的机身非常漂亮,而且一点都不过时,就像B-2隐形轰炸机一样经典。然而结果是无法更改的,虽然YF-23的设计有很多成功之处,但依然不能改变它失败的事实。YF-23战斗机犹如一颗流星,虽然只是在航空史上一闪而过,但是却留下了耀眼的光芒。

一、起源:先进战术战斗机计划(ATF)

YF-23和F-22都是ATF计划的产物,该计划最早可追溯至1970年前后美国战术空军司令部(TAC)提出的TAC-85项目,该项目的主要任务是探索F-15之后下一代战机的初步概念。该研究的结果是1971年完成的TAC-85报告,在报告中美国空军提出了“先进战术战斗机计划”(Advanced Tactical Fighter)的概念,简称ATF计划。在当时的情况下,F-15战机都还没有服役,因此对于ATF的概念是非常模糊的,只进行了一些概念性的研究和分析。在这之后美国也进行了一些先进航空技术的研究,比如数字式电传飞控系统等,但并不是专门为ATF计划研制的。

F-15原型机

到了1975年,美国空军提出将在1977~1981年间建造两架ATF原型机,但是当时并没有资金来资助这样一个项目。在1978年,美国空军将ATF概念分成两个项目,一个是“增强型战术战斗机”(ETF),另一个是“先进战术攻击系统”(ATAS)。ETF是一个短期项目,是通过研究新技术改进现役战机;ATAS是一个长期项目,专注于新武器和其他先进技术的开发。期初这些计划强调地面攻击能力,因为美国空军认为F-15和F-16已经能够应付空中对手。然而随着苏联先进战机的出现,美国空军决定同时发展空对空和空对地战机。1980年4月,ETF项目被搁置,ATAS项目被重新命名为ATF。新的ATF计划将兼顾空对空和空对地任务,同时还将探索短距起降(STOL)的可能性。

1981年6月,美国空军发布了第一份关于ATF计划的需求信息(RFI),9家公司受邀参加讨论,分别是波音、费尔柴尔德、通用动力、格鲁曼、洛克希德、麦道、诺斯罗普、罗克韦尔和沃特。美国空军这样做的原因是它自己也不清楚未来战斗机将会是一个什么样子,因此让这些航空公司来进行论证,有7家公司做出了回应。1982年10月,综合RFI的反馈意见,美国空军认为ATF战斗机必须具备超级巡航能力,而且应该拥有比F-15战机更大的航程,另外短距起降能力也很重要。为了控制ATF成本和减少复杂性,美国空军限制了新战机的大小和重量,希望能够借助新技术来降低成本。

F-117A攻击机

在1980年代初期美国另一款先进战机也即将服役,这就是F-117A隐形战斗机,它的主要任务是对地攻击,所以被称为是F-117A攻击机。另外,F-15和F-16战斗机也被证明能够改造成为攻击机。根据这些改变,美国空军调整了ATF计划的初衷,重新将其定义为一款空中优势战斗机。根据前期的探索,美国空军初步确定了ATF计划的主要发展方向:ATF将主要用于在未来取代F-15战斗机,具备不加力即可进行超音速飞行的能力,拥有更大的航程,武器系统和F-15类似,将搭载具有推力矢量和反向喷嘴的发动机以支持短距起降。当时美国空军预计ATF战斗机将在1990年代后期准备好服役,到新世纪初期将成为美国空军的主力战斗机。

在确定了初步的发展方向后,美国空军在1982年10月召开了一次ATF项目讨论会。各大航空公司确定了新型战斗机的一些基础性能:具备超音速巡航能力,作战半径为600~800海里,能够在2000英尺的跑道上起降,在空对空任务中的正常起飞重量不超过60000磅,在打击任务中不超过80000磅。随后美国空军发布了ATF计划概念定义调查阶段(CDI)的一份建议书(RFP),1983年5月发布了CDI阶段的最后一份RFP,同时还发布了为ATF研制发动机的征求建议书(RFP)。

到了1984年底,ATF计划的内涵更加明确,对新型战斗机的性能要求如下:巡航速度为1.5马赫,起跑距离2000英尺,起飞时的总重量不超过5万磅,作战半径超过700海里,能够在3万英尺的高空以1马赫和1.5马赫的速度分别进行5g和6g的盘旋,在10000英尺的高度和0.9马赫的速度下将瞬时转向加速载荷提升至9g,能够在50000英尺高度、1.5马赫的速度下完成2g的盘旋,在海平面上能够在20秒内从0.6马赫加速到1.0马赫,在2万或3万英尺的高度能够在50秒内从0.8马赫加速到1.8马赫。在成本方面,以1985年的美元计算,ATF战斗机的单价将不超过4000万美元,后来减至3500万美元,生命周期成本不超过F-15战斗机。

7家公司针对ATF计划分别提出了不同的设计方案

1985年9月,美国空军为ATF计划发布了一份完整的招标提案,准备采购750架战斗机。方案提交截止日期为1986年1月,后来延长到4月份。参与前期论证的7家公司均提交了自己的方案。波音公司提出了一种V形尾翼、菱形机翼、下颌式进气道设计,搭载两台发动机。通用动力公司的方案是对F-16XL的改进,采用了三角翼、双侧进气道、大型单垂尾设计。洛克希德的方案借鉴了F-117的设计,拥有传统的梯形机翼、矢量推力、水平尾翼和内置弹舱。麦克唐纳道格拉斯的设计有一个单一的楔形下颌式进气道和大后掠三角翼。诺斯罗普的设计有一个钻石形状的机翼和一个内部武器舱,但没有推力矢量发动机。洛克威尔的设计有一个大面积、高度混合的三角翼。格鲁曼公司的设计从未被详细描述过,可能以一个前掠翼为特色。1986年10月31日,洛克希德和诺斯罗普获得了竞标,进入到下一轮的竞争中。

二、研制:诺斯罗普与麦道强强联合

其实在赢得竞标之前,洛克希德和诺斯罗普均寻找了合作伙伴。1986年6月,洛克希德公司宣布将与波音公司、通用动力公司组成一个联合团队共同研制ATF战机。与此同时,诺斯罗普也已经宣布将与麦克唐纳道格拉斯共同合作,以便更好地参加ATF计划的竞标。在1986年10月,美国空军分别授予两家联合团队ATF计划展示/验证阶段(Demonstration and Validation,缩写为Dem/Val)的合约。两家联合体将分别建造2架原型机,洛克希德团队的新战机代号为YF-22A,诺斯罗普团队将其命名为YF-23A,简称为YF-23。每架原型机将搭载两台普惠YF119发动机或一对通用电气YF120发动机。

由诺斯罗普与麦道组成的团队迅速开始了YF-23的研制工作。在Dem/Val阶段,ATF计划的主要任务有以下三个第一个是ATF系统规格发展(System Specification Development,缩写为SSD),第二个是航电地面原型与航电飞行试验,第三个是原型飞行载具(PAV)的生产与测试。在此之前,YF-23的发动机问题已经基本解决。在论证ATF计划的需求时,美国空军已经提出了联合先进战斗机发动机(JAFE)项目,在1983年5月发布了为ATF开发新型发动机的征求建议书。同年9月,普惠公司和通用电气公司获准为ATF设计发动机。普惠公司提交了PW5000发动机,被美国空军命名为为YF119发动机;通用电气研制了GE37发动机,后被命名为YF120发动机。两种发动机可以互换,YF-23的两架原型机分别使用了两种发动机。

首先来看一下ATF系统规格发展的主要内容。通俗点讲,这一点主要是确定ATF战斗机的各个系统及其性能,包括完善武器系统、制定作战需求等,另外还将通过一系列的测试来检验雷达截面积、材料性能、可靠性和可维护性等。这方面的主要难点包括确定性能需求、飞行成本与起飞重量之间的系统的平衡,实现超音速巡航能力以及低可观测性,弹射座椅的选择和可扩展性,以及是否安装机炮的问题。1982年美国空军启动了“先进机炮技术”计划,准备研制采用埋入式脱壳弹药的新型机炮和弹药,于1989年进行了初步试射。尽管新型机炮比M61机炮拥有更大的优势,但是成本也比较高,因此ATF战机决定采用升级版的M61A2型机炮。不过YF-23的原型机并没有安装机炮,F-22安装了一门。

其次介绍一下航电地面原型与航电飞行试验。这一点很容易理解,主要是确定并测试ATF战机的航空电子系统。在Dem/Val阶段,ATF战机的航电系统将进行多方面的技术验证,主要包括确认所有航电设备的先进行和适用性,通过软件与硬件的兼容测试,降低开发风险,验证使用Ada程序语言开发工具的使用与适应性,修订航电系统的需求文件,验证系统各组件的可靠性、可维护性与可支持性等。诺斯罗普-麦道团队将一架BAC 1-11客机进行了改造,作为航电系统的测试平台,于1988年开始了试验工作。到1990年时,YF-23的机载航电系统完成了将近100飞行小时的测试。进行测试的航电系统有TI/西屋主动电子扫描阵列雷达、全向导弹告警系统、IRST成像系统(红外搜索与跟踪)等。

最后再了解一下原型飞行载具(PAV)的生产与测试,也就是原型机的制造与试飞。YF-23原型机的生产是由诺斯罗普与麦克唐纳道格拉斯共同完成的,其中诺斯罗普负责全机系统的整合与最终组装,以及后机身、尾翼与飞控系统的整合,麦道公司负责前机身与中段机身、起落架、主翼、燃油与武器系统、座舱显示系统等方面。YF-23原型机的设计方案于1988年基本完成,随即开始了原型机的制造。1989年,第一架YF-23原型机PAV-1完成组装,搭载两台YF119发动机。1990年8月27日,PAV-1原型机进行了首次飞行。同年10月27日,第二架YF-23原型机PAV-2完成首飞,搭载的是两台YF120发动机。在整个试飞过程中,YF-23原型机总计进行了大约50架次飞行,累计飞行时间约65小时,达到的最大平飞速度为1.8马赫,最大机动过载为7g,总体表现良好但算不上惊艳。

三、性能:设计先进但优势并不均衡

很多人对YF-23战斗机念念不忘的原因是它有着优秀的设计和不俗的性能,那么真实情况是怎样的呢?和洛克希德的F-22相比,YF-23真的是“失败的王者”吗?下面就来重新认识一下YF-23战机。

YF-23的设计更加符合空气动力学,隐身性能更优秀。YF-23的机身结构和气动布局基本沿用了最初的设计,独特的前后对称菱形主翼,使整个机身酷似钻石。YF-23采用了广泛混合的平面成形,几乎所有飞行表面包括机头、翼前、翼后、舵前、舵后、发动机排气口等,都拥有相同的角度,前缘后掠角与后缘前掠角都是40度。这样的设计能够大幅降低飞行阻力,同时可以减少雷达截面积,从而具备优秀的超音速巡航能力和隐身性能。YF-23采用V形尾翼射击,集水平和垂直尾翼于一体,既是升降舵又是方向舵,可提供俯仰、偏航与滚转三轴的稳定与控制,而且俯视投影的前后缘角度与主翼相同都是40度。这样设计的好处是可以减少红外辐射和雷达截面积,缺点是无法使用推力矢量技术。

YF-23的武器系统较为复杂,而且原型机没有进行细致展示。YF-23和YF-22的武器系统完全不同,YF-22的弹舱设计较为简单,一个浅层的内置弹舱横跨机身底部,里面可以安装4枚AIM-120空空导弹,后来弹翼变小之后可以携带6枚。而YF-23的原型机只在机腹中心配置了一个大型武器舱,其深度可以容纳4枚标准型AIM-120导弹。为了提高载弹量,诺斯罗普曾提议将机身延长2.5英尺,在原来大型武器舱的前方再增加一个小型武器舱,以便装入2枚AIM-9空空导弹。有分析认为,YF-23的深弹舱更适合携带对地武器,不太方便携带和发射空空导弹。但是也有观点认为,YF-23可能会在弹舱中安装一种叠弹装置或者旋转发射装置,这样可以携带更多的导弹。但是YF-23原型机并没有展示弹舱内部的情况,所以无法判定其武器系统的优劣。

在动力系统上,第一架YF-23原型机搭载两台YF119发动机,第二架YF-23原型机搭载的是两台YF120发动机。普惠YF119发动机是一种双转子发动机,拥有3级低压压气机和6级高压压气机,以及一级高压涡轮和一级低压涡轮,最大净推力97.9千牛。通用电气YF120发动机也是一款双转子发动机,采用了同轴反转技术和变循环技术,安装了一种特殊的可变面积外涵道引射器,最大净推力高达125千牛。YF-23的进气口位于主翼下方,采用固定几何式的倒置梯形设计,两侧主翼上表面内侧各有一个辅助进气口。从进气口开始,YF-23的进气导管逐渐向内向上弯曲成S型进气道。YF-23的二维喷嘴设计类似B-2轰炸机,喷嘴并未设置在机尾最末端,而是在后机身上方。这两款发动机均能满足ATF战斗机的需求,YF-22原型机也分别进行了测试,量产之后的F-22搭载的是F119发动机。

YF-23原型机上面是一架B-2轰炸机

如果只是从原型机来进行比较的话,可以看出YF-23的主要优势在于更优秀的气动布局和机身设计,拥有更突出的隐身能力和超音速飞行能力。而YF-22的性能则较为均衡,可能在隐身以及空气动力学方面稍微不如YF-23,但是在武器系统以及机动性方面的能力更强一些。相比之下,YF-23的优势并不均衡,甚至可能会存在不确定的短板,比如说武器系统,YF-23没有亮出内置弹舱,所以无法知晓其载弹量和导弹发射方式的优劣。而且在试飞中,YF-23原型机的表演中规中矩,没有像YF-22原型机那样做出精彩的高难度动作。总之,在经过比较之后,美国空军最终选择了YF-22,YF-23落选了。

四、结局:不敌YF-22成为失败的王者

YF-23黯然出局之后,不少人感到惋惜,甚至不少人将其称为“失败的王者”,认为它才是最佳选择。但是如果进行深层次分析的话就不难发现,美国空军选择YF-22并不是没有理由的,YF-23是有着这样或那样的缺点的,最起码在原型机的性能和试飞中的表现上,YF-23是没有太多优势的。结合美国空军给出的理由以及飞行员的陈述和回忆等,可以将YF-23失败的原因归结如下:

第一,YF-22的性能较YF-23更为均衡,拥有更好的可维护性和开发潜力。上面已经提到,YF-23的优势和不确定的劣势都比较明显,虽然机身设计很优秀,隐身性能更突出,但是没有YF-22那么均衡。美国空军需要的是一款没有短板的战斗机,这也是美国武器装备的一贯特点,没有缺点就是最好的,哪怕优点不多或者不明显。YF-23的机身虽然有着良好的空气动力学,但是也存在一些不足之处。比如说它的V形尾翼,在高攻角下的效率较差,机动飞行时会产生较大的衍生阻力,所以YF-23原型机在试飞时没有进行这方面的测试,而YF-22则基本解决了这个问题,还特意展示了高攻角下的机动能力。

第二,YF-22的技术比YF-23更加成熟,这意味着更小的投入和更低的成本。从两款战机的原型机可以看出,YF-22的技术要比YF-23更加成熟,或者说YF-22原型机的总体进度明显要快很多,而YF-23原型机则还有很多需要突破的地方。当两款战机的原型机进行试飞比较时,YF-22的原型机加装了很多成熟的装备,而YF-23则恰恰相反。YF-23在制造原型机时显得更加的随意,起落架取自其他战机,座舱也是照搬F-15的设计,甚至没有安装大型多功能显示器。YF-23原型机的武器系统并没有仔细展示,航电系统也不完备。而YF-22原型机的座舱内安装了2台6英寸×6英寸主显示器,另外还有3台4英寸×6英寸辅显示器,还展示了内置弹舱和发射导弹,因此显得技术更加成熟。这意味着在后续的研究中,YF-23还需要大量投入,成本也会随着增加。

第三,YF-22的研制团队比YF-23的团队更加优秀,不确定因素较少。虽然洛克希德联合团队和诺斯罗普团队都拥有丰富的军用飞机研制经验,但是在ATF计划上,前者的表现要优于后者。美国空军也表示,之所以选择YF-22,一部分原因是基于对洛克希德团队和普惠公司以预期成本生产战机及其发动机能力的信心。其实从上面原型机的比较中就可以证明这一点,YF-22的进度明显要快于YF-23。另外在风洞试验上也可以看出洛克希德对ATF计划的重视。资料显示,在获得Dem/Val合约之前,洛克希德就对ATF机型进行了近7000小时的风洞试验,进入Dem/Val阶段后,又进行了18000小时的风洞试验。洛克希德共获得了超过73万个独立数据点的气动数据库,以及6个自由度的气动力数据,还有其他一系列数据。为了解决YF-22的发动机/进气道在高攻角下的适应性问题,获得YF-22的高攻角特性数据,洛克希德使用了9种风洞模型进行了大量测试,获得了全面细致的数据。

第四,YF-22原型机的试飞表现比YF-23原型机更加精彩,具有更大的说服力。这个说法主要来自试飞员保罗·梅茨,他既是YF-23原型机的试飞员,也是F-22A的试飞员。他认为YF-23并不比YF-22落后,除了美国空军对YF-22更有信心外,洛克希德公司的营销能力也更加突出。这主要体现在两款原型机的对比试飞中,YF-22原型机的试飞表现比YF-23原型机更加精彩,所以给人留下了更为深刻的印象。试飞员梅茨认为,洛克希德公司在YF-22飞行演示项目中注入了更多的营销和推销技巧,而诺斯罗普的团队主要是由工程师组成,所以他们不懂得如何展示YF-23的优势。其实这句话只看到了表面,而没有认识到深层次的原因。YF-22原型机在演示试飞中的表现确实很优秀,不仅展示了60度的高攻角和9g的过载,甚至还发射了AIM-120导弹。而YF-23原型机之所以没有进行这些表演,不是因为它不懂得展示,而是它暂时还不具备这些能力,或者是因为这些地方恰恰是它的劣势所在。

五、评价:如流星般闪过却留下耀眼的光芒

尽管YF-23输给了YF-22,没有能够赢得美国空军的订单,丧失了成为全世界第一款五代机的机会,但不能否认的是,它确实是一款优秀的战斗机,有着超前的设计和经久不衰的魅力YF-23的失败或许并不是因为它的设计不够优秀、性能不够先进,而是因为其研发团队的执行能力不够,没有将这些设计如期地完成,并且应用到YF-23上。另外一个原因是,完全实现这些设计可能需要更长的时间以及更大的投入。时至今日,仍有不少新型战机在研发时会从YF-23的设计中寻找灵感。YF-23就像一颗流星闪过,却留下了耀眼的光芒,至今仍没有完全消失。

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