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战斗机

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中华民国空军经国号(F-CK1)战斗机
中华民国空军经国号(F-CK1)战斗机

战斗机(Fighter aircraft)系一种空对空战斗用的军用飞机,主要用以对抗敌方的航空器,攻击空中目标,夺取、维护战场上的制空权,故其设计着重于提升机动力与运动性能。战斗机通常也被视为一个国家最重要的空中战力,亦是历来最复杂和精密的单人用武器。

史上第一款名义上的的战斗机是1913年法国莫兰-索尼耶L单翼机。法国人率先实现了在螺旋桨上安装钢铁制子弹偏导片,使机枪子弹不会击中螺旋桨。这个系统让飞行员可专​​心驾驶飞机并进行射击,同时也无须额外配置机枪手,但会使机枪的射速变慢。

过往的战斗机根据用途又细分为歼击机与截击机(Interceptor)。歼击机即大众熟知的传统战斗机,用途是消灭敌方军用飞机、控制空域,掌握制空权可避免己方地面受到攻击,亦有利于己方攻击敌方地面。由于歼击机随时可能进行空中缠斗,对机动力、运动性能的要求远高于其他机种。截击机的用途则是在敌方轰炸机侦察机进入己方空域前,以其速度和爬升能力争取时间及高度优势并将其摧毁。由于截击机是针对飞行高度较高的轰炸机侦察机,在设计上以爬升率和飞行速度为优先。二次大战后,有鉴于原子弹的威胁,许多国家一度将截击机视为与歼击机同等重要的机种。不过由于导弹科技的成熟,以及超音速巡航的出现,截击机的功能已可通过歼击机配备导弹来满足,成为现今趋势之多用途战机,不再发展专门的截击机。

发展史

P-51与F-15战斗机
P-51F-15战斗机

初露锋芒

第一次世界大战中,军用飞机首次出现在战场上,主要负责侦察、运输、校正火炮等辅助任务。在战时,敌对双方的飞行员相遇时,往往利用五花八门的各种武器互相攻击,例如手枪、石头等,试图击落飞机或者是击毙飞行员,这就是空战(Combat)最早的起源。1915年4月1日,罗兰·加洛斯驾驶莫拉纳‧索尔尼爱L型飞机[注 1]击落了一架德国侦察机,取得了战斗机空战的第一次胜利。随后,德国的福克E3式(外号信天翁)由于装备了性能更好的射击断续器装置,以其优异的飞行性能和更猛烈的火力,成为第一次世界大战中性能最好,击落飞机数量最多的战斗机,被协约国方称为福克式的灾难。这个阶段的战斗机还处在萌芽期,结构多以木材加上布料蒙皮构成,机翼从单翼到三翼都很常见,主要的武器多半改自陆军使用的轻机枪为大宗。英国曾经使用火箭对付盘据在英国城市上空的德国飞船。在对付地面目标上,早期的炸弹是由手榴弹或者是小型炮弹稍加改良而来,由机上的成员以手掷的方式瞄准释放,投掷准确度不高,破坏力也低。

在这个时期影响未来空战颇大的一项发明就是射击断续器。这个由荷兰所发明的装置,让机枪的子弹能够在转动的螺旋桨间隙中射出,飞行员完全不用担心子弹会与螺旋桨撞击的危险,而机枪的设置位置能够接近飞行员的瞄准线,从而提高准确度,但射速慢则是缺点。

到一次世界大战结束时,战斗机的基本型态大致上已经有了雏型:以小型机为主,强调运动性,需要有向前射击的固定武装。

两次大战间的发展

英国格罗斯特格斗士战斗机,是英国在二次世界大战前最后一款双翼战斗机设计
英国格罗斯特格斗士战斗机,是英国在二次世界大战前最后一款双翼战斗机设计

虽然在第一次世界大战结束之后,各国积极裁减军备,同时减缓国防工业的投资。在这一段时间当中,民用航空的需求带动许多技术与理论的发展与成熟,奠定30年代后期军用航空发展的快速演进。

民用航空需求有两大主轴,一个是对速度方面的追求,也就是各种竞速机的比赛与奖励。另外一个是客运与货运市场的逐渐成长。在这两个主轴上虽然需求方向不同,却对同一种发展趋势有共同推演的效果,那就是对流线型设计的要求。流线型的设计在于减低阻力,当飞机的阻力减低之后,对竞速机来说,那就是速度可以增加,对运输机来说,那就是提升航程或者是运输量,换句话说就是增加营运的经济效益。

流线型飞机设计包含的项目非常的广,从机身外壳的平滑,减少机身外部突出的部分与张线,外型由方正改为圆滑曲线,不得不突出的部分则以曲线圆滑的外壳遮蔽以减少阻力,采用收放式起落架等等。

除了在流线型设计上下功夫之外,动力系统的开发和使用材料的研究都影响到往后飞机设计的概念与可以使用的资源。在动力系统方面除了输出马力更大的发动机的开发之后,汽油辛烷值对于发动机的操作影响也逐渐被了解,同时,螺旋桨的极限性能以及替代的动力输出也陆续在各国进行研究。新一代的输出动力研究当中以喷气发动机火箭发动机这两项影响后世最深。

到了30年代中期,各国最先进的战斗机设计多半具有这些特点:单翼,以金属为主的结构与外壳,后三点收放式起落架或者是有流线型外壳的固定式起落架,采用液冷式发动机的设计多于采用气冷,火力由采用步枪口径的轻机枪提升至12.7毫米(0.50英寸)以上口径的重机枪甚至是20毫米以及更大口径的机炮。

二次世界大战时期

第二次世界大战是继杜黑发表他最有名的空权论著作之后,空中武力印证空权对于战争与作战的重要性,第二次世界大战开始印证了这套空权理论。

轰炸机的发展肯定了理论部分的观点,但战斗机的发展可以说是大幅度的否定空权论当中的描述。战斗机不仅仅只是作为防卫国土与抵挡敌人轰炸机的力量,在摧毁敌人的空中武力与使用空中武力的能力上扮演非常重要的角色。

战斗机不仅仅担任阻止轰炸机的任务,也推翻轰炸机可以通过一切防卫的理论,大战开始前,许多国家对于战斗机的发展强调拦截对方的轰炸机,飞行速度的重要性放在优先地位,也因此早期美国陆军是以“驱逐机”称呼当时的战斗机,而苏联以“歼击机”称呼战斗机。

但是大战进行中,德国、日本运用战斗机夺取空优的方式、以及美国为轰炸德国发展护航战机、战斗攻击机等的运用经验,让战斗机的运用在二战后期起了微妙的变化。在被视为二战延伸的朝鲜战争中,美军以单一任务机种单纯夺取空优的概念已经全面成熟。而苏联在二战中突出了战斗机要能在恶劣环境下可靠作战,如较短的起飞降落距离和较低的进场速度,并且以较他国更强调加速性和上升率,中低空的飞行性能的,对于后来的空地一体作战中飞机 要求有较大的影响。

在大战结束前,战斗机的发展已经到达一个顶峰,并且开启另外一个世代的来临。短短几年之间,战斗机使用的发动机出力从数百匹直线上升到超过两千匹马力,速度直线上升到接近音速的区域,航程超过2000英里,最高升限到达4万英尺。

液冷与气冷之争

基于冷却的需要,液冷发动机的汽缸排列成挟长形,迎风截面积比气冷发动机要小,机身产生的阻力也相对较低,对于需要高速的战斗机来说相当重要,也是二次大战开始之际,许多有能力生产的国家首要选择。像是德国Bf 109英国飓风喷火战斗机美国P-40苏联Yak-9MiG-3战斗机等等。

气冷发动机的输出发展潜能比较高,同时必须要以较大的输出来克服阻力。可是提升输出的重要方向之一就是增加环状汽缸的圈数,造成额外的冷却问题需要解决。散热不良的第二排之后的汽缸会使得汽缸的外璧因持续高温而变红,导致汽缸损毁的状况。美国国家航空咨询委员会(NACA)率先设计出多种可以降低阻力的发动机外罩,其他国家相继采用或者是以此为基础发展,使得大出力气冷发动机的冷却和减低阻力的两大需求都获得适当的解决,广泛的被许多国家采用,譬如德国Fw 190战斗机美国F6FF4U以及壮硕无比的P-47战斗机苏联La-5战斗机等等。

气冷发动机比液冷发动机有设计与生产的优势,对于工业设计或者是生产能力较弱的国家来说是常见的选择,其中又以日本的情况最为明显。日本当时较为先进的战斗机中,仅有量产以德国DB 601液冷发动机为动力的三式战斗机飞燕。

到了大战中期,为了满足输出马力需求大幅上升的状况,液冷发动机从极为普遍的V型12汽缸提升为X或H型24汽缸,气冷发动机则由一排,两排提升到4排汽缸的庞大架构。虽然这些活塞发动机能够提供二战前无法想像的动力输出,可是替代动力的发展在二战结束前已经逐渐明朗化,活塞发动机与螺旋桨的搭配注定要走下战斗机动力的舞台。

空用枪械的变化

安装在P-51上的勃朗宁M2重机枪
安装在P-51上的勃朗宁M2重机枪

随着金属结构成为战斗机的设计主流之后,机上携带的各种机枪炮的威力也必须提升以维持破坏效果。1930年代中期战斗机的武装有几种不同的使用型态:

  1. 采用数量较多的步枪口径的机枪,大部分与当时各国陆军的使用的步枪或是轻机枪口径相同。譬如英国采用8挺0.30英寸机枪。
  2. 采用少数轻与重机枪的混合搭配,重机枪的口径也有陆军使用的相同。譬如美国以0.30和0.50英寸口径搭配。
  3. 采用机炮与步枪口径机枪混合搭配,机炮口径以20毫米居多。譬如德国和日本都是以20毫米机炮与轻机枪混合。
  4. 完全以机炮为武器,口径以20毫米为大宗。
  5. 其他比较少见的包括只有一至两挺轻或是重机枪的武装型态,由于威力低,大战开始之后很快的就不再列入考虑之列。

各国在使用机枪或者是机炮的搭配上的着眼点在于同样时间内弹药投射的重量,这也形成互有优劣的两派说法:

  • 采用数量较多的轻机枪,因为单挺机枪的理论循环射速较高,同样的射击时间内能够投射较多的弹头数量,总合重量不低。可是缺点是弹头本身的威力较低,面对一些保护设计甚至完全无法贯穿,比如苏联著名的重装甲攻击机IL-2和美国的重型轰炸机。
  • 采用少量的机炮,提升每一门的破坏力,但是当时机炮的循环射速比轻机枪慢很多,弹药携带的数量也较低,飞行员需要谨慎的使用才不至于过早用罄,同时,机炮的后座力,重量与体积也限制安装的位置与数量。譬如日本在设计Ki-60战斗机的阶段发生机翼结构强度不足而必须放弃使用机炮的问题。
  • 混合采用机枪和机炮虽然既能达到提升破坏力的目的也可以保持一定的火力持续性,但是由于通常机枪和机炮的弹道差别较大(机炮的炮管长度倍径受重量和空间限制通常比机枪小,因此弹道更加弯曲),造成瞄准困难。

远程护航的需求

P-38G战斗机的座舱与仪表
P-38G战斗机的座舱与仪表

利用轰炸机对敌人进行战略轰炸,以摧毁有形的生产运输以及无形的士气,企图结束战争的构想在二次世界大战前受到各主要航空发展国家的注意。虽然在规模上小很多,日本是首先付诸实行的国家。

因为作为舰载机和要在广大的太平洋各岛间空袭的需要,日本率先发展出二战前期航程最远的零战,并首先在机场数目较少的中国战区使用,深入护航轰炸远至重庆九六式陆上攻击机一式陆上攻击机

德国稍后在不列颠空战时与英国互相展开大规模的日间与夜间轰炸行动。

在这一场作战中,轰炸机无法如同杜黑所预测,能够自由进行轰炸而不受到战斗机的影响。德国与英国在双方获得的经验上采取不同的措施,其中利用战斗机担任护航与扫荡敌人战斗机威胁成为重要的项目。和零战不同德国的Bf109中前期型的号D/E航程明显不足的,做成对英苏作战失利。

美国在1942年开始自英国的基地出发对付位于欧洲大陆的德国占领区内的目标,即使英伦空战已经清楚的呈现出护航任务的迫切性,美国陆军航空队依旧认为依靠轰炸机的自卫火力加上适当的编队,就能够深入敌境达成任务。然而居高不下的损失让美国撤换第八航空军的指挥官的同时,积极寻求足以担任护航的战斗机种。

当时盟军使用的战斗机种当中,英国设计的机种作战半径仅能勉强来回于法国的部分目标,新服役的P-47因为阻力与发动机的关系,作战半径无法达到德国本土。双发动机的P-38则有数量、性能以及对欧洲高空低温适应不良等问题。

直到第八航空军开始接收P-51战斗机之后,护航的迫切需求才获得适切纾解,美国为此还将所有第八航空军的P-47与其他单位交换P-51,连英国订购的同一型机种也被暂借担任护航的工作。自从P-51携带副油箱伴随轰炸机进入欧洲大陆之后,不仅降低德国空军拦截的能力,同时扩大第八航空军能够有效轰炸的范围,最终压制德国的生产与运输系统。

在苏联方面,要击败前线的德军的重要性较高,加上远程轰炸机的数量不多,所以较少空袭德国本土。仅有本来在战前已经制造的少数重轰炸机(TB-3Pe-8轰炸机)在开战初期曾经空袭德国本土都市,所以苏联主力战斗机设计并未特别要求提高航程。但仍然有一种载弹量较少而航程较远的IL-4轰炸机,足以胜任对于德国境内重要交通设施作轰炸,为了保护这种远航程但自卫武装贫弱的轰炸机,在Yak-9型的基础上发展出了特长程的DD型。

除了短暂使用位于中国境内的机场,美国部署B-29轰炸机对日本轰炸时基于欧洲的作战经验,对于护航亦不敢掉以轻心,而以战斗机为轰炸机提供保护也成为日后许多新机种设计时需要考虑的性能项目。

多用途的演变

以战斗机携带炸弹或者是以机上的枪炮执行对地攻击任务,早在一次世界大战时期就已经存在,到了二次世界大战爆发之后,除了继续以战斗机执行类似任务以外,利用改装或者是较为落伍的机种专门执行其他任务的情况更为普遍,除了对地攻击以外,战术侦查是另外一类常见的任务型态。

以战斗机执行这些任务的方式大致上可以分类为:

  • 以简单的改装套件,让战斗机可以携带相关的装备或者是武器,以执行这些任务。譬如加装火箭或者是炸弹兼作对地攻击的任务。
  • 以现有的战斗机设计为基础,在工厂进行规模不等的改装,以执行其他任务为优先。譬如P-38战斗机侦察机衍生型是将武器全部拆除,仅有侦查需要的相关设备。
  • 利用退入第二线的战斗机执行其他任务,这种情况在许多国家都相当的普遍,企图以少许的经费达到多用途的效果。像是英国将飓风战斗机转为对地为主的机种。

战斗机多用途的变化除了在硬件方面发生影响之外,也对地面作战的战术起了重大转变,而这个转变就是地空联合作战的需求。虽然早在一次世界大战时期,以飞机支援地面部队作战早已经展开,然而想要与地面部队的作战需求可以相互配合,还需要双方在指挥,思想,训练以及装备上互相协调与改善,德国空军在二次世界大战展开之际是站在领先各国的地位上,而英国直到北非作战阶段才将地空联合作战的系统大致发展完全。尽管各国后来的发展稍有不同,但是配合地面单位的空中行动已经成为各国空军标准作战准则的一部分,战后还演变出以直升机作为支援工具的发展。

夜间战斗机的发展

美国P-61夜间战斗机
美国P-61夜间战斗机

第一次世界大战期间,欧洲地区已经出现在夜间利用飞船或者是轰炸机对敌人的城市目标进行轰炸,这个记忆延续到1930年代,成为各国思考夜间拦截可行性的重要来源。英国德国是最早在这方面投入的国家,稍后加入的还有美国,其他包括日本苏联或者是意大利,技术,或者是兵力规模都不如英德两国。

最早的夜间战斗机是以日间的单发动机战斗机直接改装之后执行任务,利用地面的探照灯、雷达、对空监视网与管制站的协助进行拦截,由于欠缺辅助器材和起降的难度,使得单人操作的夜间战斗机容易出现任务损伤,发现敌机的比例不高。因此在机场与飞机上加装相关的飞行辅助设备,加强夜间起降训练,并且改以多人多发动机的机种取代,这些机种包括轻型轰炸机或者是双发动机的重型战斗机等等。

英国首先在夜间战斗机上安装雷达,由专门的人员操作与指挥飞行员接近目标,接着在目视范围内加以攻击。尽管德国很快也在他们的夜间战斗机上安装雷达,英美两国借由共同合作,分担研发项目,在空载雷达的发展上一直领先各国。

二战期间服役的夜间战斗机除了美国生产的P-61战斗机以外,原始设计都不是针对夜间飞行,像是德国He 219战斗机(多用途飞机)和英国蚊式战斗机(高速无武装轰炸机),日本月光夜间战斗机(长程护航战斗机),苏联的Pe-3R(轻轰炸机)等。战争结束时累积的使用经验,让各国体认到雷达不仅仅是在夜间作战能够发挥功用,对于远距离或视野不佳的白昼环境也是非常适合的装备,因而促成雷达转变为战斗机不可或缺的作战设备。

舰载机的兴起

太平洋战争中日本海军的主力:零式舰上战斗机
太平洋战争中日本海军的主力:零式舰上战斗机

二次世界大战使舰载机发展有着爆炸性的增加,并且在海上作战扮演更重要的角色。除了类似一次世界大战期间担任火炮观测与修正之外,也用于执行巡逻、轰炸、攻击、争夺制空权等任务。在航母上操作的战斗机不仅有机会和敌对阵营的同类型飞机交战,也可能面岸基飞机,尤其是更为轻巧的战斗机。

为了在航空母舰上操作,舰载战斗机的结构需要加强,重量会比较重,性能上会比类似技术与工艺能力下生产的陆上战斗机稍差,这方面是舰载机先天不利的地方,为了不让性能差距过大,设计团队必须考虑周详才不至于让海军的战斗机处于下风。

二战时期大量使用舰载战斗机的只有日本,英国与美国。其中日本和美国在太平洋地区以航空母舰上的航空兵力进行大规模作战,也是美国海军进行两栖登陆作战时唯一的空优维系者。

进入喷气时代

苏联第一代的喷气战斗机:MiG-9
苏联第一代的喷气战斗机:MiG-9

1930年代螺旋桨性能的极限已经在试验环境下被了解,替代推力的研发在许多国家相继展开,其中又以德国英国的脚步较快,他们以各自的技术开发出第一代喷气发动机并且在二次世界大战结束前让喷气战斗机正式服役。美国主要发展活塞式战机,虽然国内已经有不少成品但是为了集中战时资源所以并没有投入量产。苏联则因为战争的关系而中断相关的研究。日本除了有少量本身的研究成果之外,也多是使用来自德国的资料与样品协助发展。

即使大战结束前已经有喷气战斗机服役,双方并没有机会与对手作战,直到1950年朝鲜战争爆发时,彻底转变战斗机与空战的型态。朝鲜战争之后,喷气战斗机迅速在各国取代螺旋桨,成为第一线装备,除了极少数的区域冲突,像是足球战争之外,喷气战斗机之间的战斗已经成为常态。

重要发展里程碑

进入喷气时代之后,除了动力系统的改变以外,尚有其他的系统的加入逐渐改变战斗机的功能,战术与性能。比较重要的包括:

雷达

俄罗斯展出的一款平板天线空用雷达
俄罗斯展出的一款平板天线空用雷达

雷达最初是使用在夜间拦截任务上,二战时期的使用经验延伸出两种发展路线。一种是利用小型雷达测距仪追踪目标的距离,协助飞行员找到最佳射击时机,提高一般飞行员的命中率。这条路线的发展很快就和第二种合并,也就是持续改进二战拦截用空载雷达系统,朝向功能更多,简单化,使用限制更少的方向发展。早期喷气战斗机常见的机鼻进气口设计,为了将空间腾出来安装更大的雷达而移动到机身其他的部位,自1970年代以后设计服役的战斗机,机鼻的空间都留给雷达使用。

二战时期大多数安装在战斗机上的雷达需要专门的操作人员负责,直到大战末期美国海军开始在F6FF4U战斗机上加装由飞行员操作的雷达之后,第一次开启单座战斗机配备雷达的纪录。随着电子相关技术的发展,雷达的功能愈来愈多,除了协助机炮瞄准敌机以外,还可以搜索与追踪视野以外的目标,制导导弹,侦测地面目标,计算炸弹撞击点到描绘前方的地形并且与自动飞行系统合作进行回避等等。然而多功能也代表雷达的操作愈来愈复杂,像是美国F-4战斗机需要后座雷达官在显示幕上判断目标的资讯。直到电脑成为雷达系统的一部分,将接收到的讯号加以处理,简化,分类之后以简单的符号和数字加以显示,譬如F-15战斗机的AN/APG-63雷达,才使得雷达提供的资讯能够更快速的被运用,以提高状态意识(Situation Awarness,SA)的掌握,再加上利用多普勒效应的滤波技术,灵敏度更高的天线,高、中与低脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency,PRF)的使用等,雷达得以摆脱过去遇到地面噪声就会瘫痪的窘境,也可以在地面噪声中找出敌机的位置。

2000年以后空载雷达的发展路线主要是在使用主动原件的电子扫描阵列雷达和低被截收率(Low Probability of Intercept,LPI)技术等方面。前者采用固定的雷达天线,天线上有许多小的讯号发射与接收单元,这些累积的讯号利用改变相位的方式,能够对前方空域进行比传统机械雷达快百倍以上的频率扫描,也能够同时对多目标追踪,或者是快速在不同波形,频率,PPF和模式之间切换。后者配合低可侦测性技术的运用,降低雷达使用时讯号被发现的几率。

导弹

日本AAM-4导弹
日本AAM-4导弹
美军F-14正发射AIM-54凤凰导弹
美军F-14正发射AIM-54凤凰导弹

在战斗机上携带导弹的构想于二次大战末期展开,德国首先引用空对空导弹的试验,美国则进行空对地导弹的验证。战斗机使用导弹对付其他飞行目标的最大动机是对付高飞的轰炸机,尤其是携带原子弹的战略轰炸机。这种威胁升高到几架轰炸机就足以重创一个大型城市,远高于二战时期需要数千架次以上,大量传统炸弹才足以相比的破坏效果。为了对抗此种极高毁灭威力的新武器,携带原子弹头的空射火箭也一度被当作应急的手段。

到了1950年代中期,最早的雷达与红外线制导空对空导弹开始量产,而第一次使用导弹的喷气机空战出现于中华民国空军F-86战斗机携带AIM-9响尾蛇导弹中国人民解放军空军MiG-17交战。理论上使用导弹可以提高对敌机的摧毁比例,尤其时雷达制导的导弹能够在夜间和视野较差的环境发挥作用,而飞行员不需要像过去一样靠着大量的运动才能够进入目标的后半部,以取得较高的命中率。因此许多国家出现以导弹全面取代机枪或者是机炮,甚至打算取代战斗机的主张。像是美国的F-4,苏联的MiG-21与英国的闪电都曾经以导弹作为空战的唯一武装。

越战时期,美国与北越空军交战的经验显示,当时的导弹可靠度太低,舍弃机炮是一个过于草率的决定。但是导弹的重要性已经受到实战的确认,成为无法抗拒的潮流。

加力燃烧室

加力燃烧室相当于装在喷气发动机后面的第二个燃烧室,在紧急的时候以大量的燃料提供非常大的推力。这种紧急动力的概念在二战时期已经很普遍运用在活塞发动机上面。像是德国使用的GM-1注入装置(也就是笑气)与美国在汽缸投注水冷却等。刚刚进入喷气时代,苏联与美国都曾经进行于涡轮段前方再度注入燃料点火的试验,然而这个手段对于涡轮叶片的耗损提高许多,类似的构想有在压缩段前面喷水,降低压缩气体的温度,提高燃烧前后的温度变化以取得更大的推力。等到加力燃烧室的发展逐渐成熟之后,成为战斗机不可或缺的装置。除了于战斗中使用以外,起飞或者是需要加快爬升的时候,都会使用加力燃烧室。即使如F-22或者是台风战斗机等机种宣称能够在不使用加力燃烧室的情况下维持超音速巡航,他们还是继续使用加力燃烧室作为必要时的紧急能量补充。

电传操纵

F-16是第一款先天不平衡设计的电传操纵战机
F-16是第一款先天不平衡设计的电传操纵战机
瑞典自力设计生产多款四代战斗机,这是JA37
瑞典自力设计生产多款四代战斗机,这是JA37

电传操纵系统的概念来自于早期的线导系统。线导系统就是单纯地将飞行员的控制命令透过电线与电子装置,转换为对控制面的驱动讯号与力量,舍弃传统使用的钢缆或液压传导方式,最早的简单线导系统的实际运用可以追溯到二战时期德国以单发动机战斗机(Fw 190Bf 109)与一架轰炸机(譬如Ju 88)结合的楔寄生(Mistel)有人制导炸弹。美国是二战之后最早对线导系统进行试验与运用的国家,最初的研究目的是要提升飞机的飞行安全,降低因为钢缆或者是滑轮等装置失效导致失去控制的问题,对大型飞机相隔距离很远的控制面也可以提高反应与效率,此外,还能够减少重量与这些装备使用的空间。

而今日所谓的电传操纵在单纯地以电路传导飞控命令为基础上开发,更重要的是可以有多部电脑介入飞控系统操作,飞行员只需下达动作指令,至于达成指令所需的机身、动力系统与气动面调整,则是由电脑掌握。过去飞机在空气动力设计上必须考虑稳定的问题以利飞行员控制稳定的飞行状态,但电传操纵的发展让先天不稳定的机体构型飞上天成为可能。因此电传操纵对于战斗机的重大影响在于将传统的静稳定推向静不稳定设计,提高总体可用升力和飞机的运动能力,此外利用电脑配合对飞行状态的监视,能够防止飞机失去控制,或者是让飞机在接近失去控制的状态下仍然足以保持能够稳定飞行。此外,电传操纵还可以整合不同控制面的使用型态,突破过去钢缆机械式的瓶颈,作出过去无法想像的动作,譬如飞机以朝上或者是朝下的姿态保持不改变高度的水平飞行。以电脑软件控制飞机的方式,在更新控制系统上也比过去的硬件要简单与快速。

第一架采用电传操纵是美国的F-16,是四重电传飞控系统。现在已经是第四代后期战斗机的标准配备,且多数为三重电传操纵系统。在追求更高的运动能力的趋势下,电传操纵成为不可或缺的重要系统,目前的发展方向是与动力系统结合,将过去两个分离的系统的控制整合使用。

低可侦测性

F-117是第一种针对降低可侦测性设计的作战飞机
F-117是第一种针对降低可侦测性设计的作战飞机

低可侦测性又被称为隐身隐身,这项技术是为了降低飞机被侦测到的几率、距离和避免被持续追踪的可能。自从雷达于二次世界大战初期开始运用于对空警戒以来,相关研究不断的进行,而广义的降低侦测的手段当中,除了电磁波以外,同时要考虑的还包含红外线声波可见光等。

二次大战时期的经验发现以非金属类材料为主要结构的飞机,能够降低雷达发现的距离,采用翼身融合,也就是飞翼设计的飞机也有类似的效果。1950年代的研究显示一些涂料对于特定波长的电磁波有明显的吸收效果,这种被称为雷达吸波收材料(RAM)曾经使用于U-2SR-71以及越战期间担任侦查任务的无人机上,然而效果并不如预期,同时成本效益不佳,甚至会导致飞机过热而失去控制的问题。

直到美国发现苏联的一篇有关电磁波研究的(公开)论文之后,透过改良和运用电脑运算,方才开透过计算,以外型设计降低电磁讯号反射强度的先河。

其他降低侦测的手段还包含在燃料中加上特殊成分、降低排气的温度、改变发动机喷管的形状以及与周围冷空气混合的效率、在飞机机身涂上特殊颜色的涂料、减少目视发现的距离、与周遭环境融合、减少反光或者是改变外型线条等。而在夜间进行任务则是利用天然条件作为妨碍侦测的另外一种手段。

当代战斗机世代划分

从喷气战斗机开始服役之后,出现对于各种战斗机在发展历史上的世代划分。常见的划分方式有很多种,划分的基本原则是以较为普遍的共通点作为世代划分的分野。历史上欧美和苏联对于战机的世代划分曾有明显不同(如苏联的第四代战机根据美国原先的标准划分为第三代战机),但现在划分标准已较为统一。[a]

第一代

苏联MiG-15是苏联第一种大量生产服役的喷气战斗机
苏联MiG-15是苏联第一种大量生产服役的喷气战斗机
美国佩刀式战机是美国第一款后掠翼设计的喷气战斗机
美国佩刀式战机是美国第一款后掠翼设计的喷气战斗机

第一代战斗机可以追溯到二战末期服役的机种开始,此一时期的喷气战机主要是争取速度上的优势。这些战斗机是最初使用喷气发动机为动力,摆脱螺旋桨在接近音速时的上限。这些飞机的外型设计仍然沿用过去的经验,像是德国的Me 262和美国的YP-59战斗机等,与二战时期的双发动机飞机设计相去不远,大多是使用前三点起落架

在性能上,第一代战斗机的平飞速度比螺旋桨飞机要高,航程则受到发动机的效率的影响而较差,水平运动性能也较弱,对油门改变的反应低,发动机的寿命受到材料与设计的影响,也不如当时最好的活塞发动机。平飞的最大飞行速度在音速以下,武装承袭自二战,以机枪或者是机炮为主,并且能够携带副油箱炸弹火箭弹等武器。

在结构和使用的材料上,已经无法在部分地方继续以非金属材料构成,而必须以全金属,尤其是高强度的铝合金作为主要的机体结构。造成这种改变的趋势除了飞行速度高以外,高速下的控制面变形导致运动能力迟缓或者是大幅降低是两个主要因素。此外,喷气发动机产生的高温也需要耐高温的材料维系操作和安全。

当第一代发展到后期阶段,部分1930年代的技术与科技研究成果陆续的被运用,包括后掠翼弹射椅、雷达测距仪等。同时外型设计也针对高速飞行进行改良,在战术上也随之改进。

这一段时期的机种如前苏联Yak-15战斗机、MiG-9战斗机MiG-15战斗机美国F-80战斗机、F-84战斗机、F-86战斗机、英国的格罗斯特流星战斗机吸血鬼战斗机,法国的神秘式战斗机等。

第二代

法国生产的幻影III战斗机是非常畅销的一款设计
法国生产的幻影III战斗机是非常畅销的一款设计

第二代战斗机的发展路线延续第一代强调速度,实用升限以及操作高度等方面,尤其是最大飞行速度从亚音速,经过超音速,一直到两马赫的范围,这让这个时期的战机陆续出现了极端设计,例如作为高速却短腿的截击机F-104、MiG-21(后来证明它更适合缠斗),甚至往后准备作为B-70护航机的XF-108,其发展的经验主要都来自此一时期。为了达到这些目的,加力燃烧室在这个阶段开始成为战斗机必要的装备,空气动力领域相关的研究成果也逐渐广泛采用。除了增加后掠翼的角度以外,三角翼与几何可变翼是另外两类新型态的高速飞行机翼设计。而另外一项关键性的突破是机身采用面积律的理论来设计。

第三代

1982年埃及演习MiG-21PFM、MiG-15UTI、A-10、F-16四架共飞,刚好横跨三个战机世代
1982年埃及演习MiG-21PFM、MiG-15UTI、A-10F-16四架共飞,刚好横跨三个战机世代

第三代战斗机出现于1960年代,这个阶段将先前累积的使用经验以及各种试验的结果加以整合。许多高速飞行时的现象和控制问题获得相当程度的解决,高后掠角度的机翼设计已经不受到青睐,三角翼和几何可变机翼与后掠角度小于45度的梯形翼成为设计的主流。发动机的输出透过耐高温特殊材料和冷却技术而更上一层楼。雷达与各类航电逐渐成熟与复杂化,机鼻进气口已经几乎完全被放弃,以配合大型雷达天线的安装需求,而这个需求使得飞机的大小和成本迅速高涨。

第四代

第四代战斗机于1970年代陆续服役,这些飞机吸收第三代战斗机设计与使用上的经验,加上诸多空中冲突与演习显示出来的问题和需求,融合之后成为冷战结束前后最主要的角色。

第四代半

4.5代战机主要是指延续第四代的发展成果,作为第五代战机全面服役前的过渡机种。虽说是性能相对较低的过渡机种,但价格上往往比第五代战机来得有优势。4.5代战机中多数是4代战机的改良升级版本,如俄罗斯基于苏27的数种升级版(苏30SM苏34苏35)、米格-35,美国的F-15EF-16VF/A-18E/F、日本的F-2等,另有一些初始即以4.5代规格开发的战机,如欧洲的台风战斗机、法国的阵风战斗机、瑞典的狮鹫战斗机等。

第五代

第五代的苏-57战斗机
第五代的苏-57战斗机

第五代战斗机在科技上与前一代最大的差异就是低可侦测性技术的运用。这一项科技研发在1970年代美国采用几十年积累下来的研究成果,配合电脑的高速计算能力,逐渐将降低雷达截面积(RCS)的估算成功的几率与飞机设计融合, 但为了满足低可被侦测性而不再使用外挂点,可携带的弹药因而大幅减少。

第一次世界大战

F.E.2b战斗机
F.E.2b战斗机

此时期的美国和帝俄所用的战斗机皆为仿制或直接购买外国的机种,本表亦省略其他交战国使用外国入口或仿制的战斗机。

英国

  • F.B.5
  • Scout D
  • F.E.2b
  • Sopwith Pup
  • F.2B
  • 骆驼战斗机
  • Sopwith三翼机
  • S.E.5a
  • Avro 504

法国

Spad XIII型战斗机
Spad XIII型战斗机

德国

德国空军的福克Dr.I战斗机,也是红男爵里希特霍芬使用的机种
德国空军的福克Dr.I战斗机,也是红男爵里希特霍芬使用的机种

意大利

奥匈帝国

两战之间

这时代尚有很多交战国使用或仿制外国战机,如当时的中国但为免重复而省略。

 美国

苏联

苏联I-15双翼战斗机,曾经在西班牙内战和中国战场出现
苏联I-15双翼战斗机,曾经在西班牙内战和中国战场出现

英国

德国

法国

  • M.S.225
  • D.500

 日本

意大利

波兰

  • PZL P.11
  • PZL P.24
  • PZL P.7

第二次世界大战

 美国

P-38战斗机
P-38战斗机

英国

英国皇家空军暴风雪战斗机,大多数的时候是以对地任务为主
英国皇家空军暴风雪战斗机,大多数的时候是以对地任务为主
  • 海军航空队
    • 海燕
    • 海火战斗机
    • 萤火虫

苏联

德国

Do 335是少见前后配置的双发动机战斗机
Do 335是少见前后配置的双发动机战斗机

日本

日本海军紫电改战斗机
日本海军紫电改战斗机

意大利

意大利G.50战斗机,照片拍摄于北非某机场
意大利G.50战斗机,照片拍摄于北非某机场

法国

D.520战斗机
D.520战斗机

波兰

  • PZL.50
  • PZL.54

罗马尼亚

  • IAR 80

喷气时代初期

这里特指二战到1970年左右间首飞的旧机种,不少仍然在现役但事实都停产的。

纳粹德国

两战末期首创喷气机而在当时的性能上压倒了同盟国的飞机,也因而战后德国被限制军备和禁止完全自行开发战斗机。

美国

  • 海军
    • FH-1
    • F9F
    • F11F
    • F2H
    • F3D
      F3D战斗机
      F3D战斗机
    • F3H
    • F4D
    • F7U
      美国海军F7U战斗机
      美国海军F7U战斗机
    • F-14
      F-14战斗机
      F-14战斗机
    • FJ-1
    • F-8
    • F-4

苏联/俄罗斯

MiG-23战斗机
MiG-23战斗机
Yak-28截击机
Yak-28截击机

法国

瑞典

JAS 35战斗机
JAS 35战斗机

英国

英国闪电战斗机
英国闪电战斗机

 中国

 日本

 以色列

多国合作

冷战晚期至今

上世纪七十年代首飞至今,为现役甚至仍然在生产中的机种。

 美国

 俄罗斯

 法国

 中国

 中华民国

 日本

 瑞典

 韩国

 伊朗

 巴基斯坦

 印度

 捷克

 欧洲

注释

  1. ^ 对于米格23F-111等飞机,苏联将其划分为第三代。不过欧美则认为这些型号只是第二代改进型,并将之后的苏-27F-16定义为第三代(苏联则认为它们已经是第四代),将F-22称为第四代(苏联则认为它们已经是第五代)。[1]2009年俄罗斯推出T-50后,宣称其为第五代战机,美国军方之后也开始称F22为第五代战斗机,[2]并将苏-27、F-16等改称为第四代,实际上已经接受了原先苏联的划分标准。[3]中文媒体大部分仍延续了原先美国的称呼方法,将F-16一级的称为第三代,而对于F-22则第四、第五代均有称呼。注意本文的划分方法按照统一后的俄美标准。

参考文献

引用

来源

  • (英文)Jarrett, Philip, Aircraft of the Second World War: The Development of the Warplane 1939-45, Conway Maritime Pr, ISBN 0-85177-875-5 
  • (英文)Franks, Norman, Aircraft Versus Aircraft, Barnes & Noble, ISBN 0-7607-1231-X 
  • (英文)Dean, Francis H., America's Hundred Thousand: U.S. Production Fighters of World War II, Schiffer Publishing, ISBN 0-7643-0072-5 
  • (英文)Jarrett, Philip, Biplane to Monoplane: Aircraft Development, 1919-39, Conway Maritime Press, ISBN 0-85177-874-7 
  • (英文)Spick, Mike, Modern Fighters : The Ultimate Guide to In-Flight Tactics, Technology, Weapons, and Equipment, Brasseys Inc, ISBN 1-57488-247-3 
  • (英文)Spick, Mike, Designed for the Kill, Airlife Publishing Ltd, ISBN 1852310121 请检查|isbn=值 (帮助) 
  • (英文)Bugos, Glenn E., Engineering the F-4 Phantom II: Parts into Systems, Naval Institute Press, ISBN 1-55750-089-4 
  • (英文)Shaw, Robert L., Fighter Combat : Taticts and Maneuvering, Naval Institute Press, ISBN 0-87021-059-9 
  • (英文)Wooldridge, E. T., Into the Jet Age, Naval Institute Press, ISBN 1-55750-932-8 
  • (英文)Thornborough, Anthony, Modern Fighter Aircraft Technology and Tactics, Patrick Stephens, ISBN 1-85260-426-3 
  • (英文)Belyakov, R. A.; Marmain, J., MiG: Fifty Years of Secret Aircraft Design, Naval Institute Press, ISBN 1-55750-566-7 
  • (英文)Hansen, James R., The Bird Is on the Wing: Aerodynamics and the Progress of the American Airplane, Texas A&M University Press, ISBN 1-58544-243-7 
  • (英文)Jarret, Philip, The Modern War Machine: Military Aviation Since 1945, Putnam, ISBN 0-85177-880-1 
  • (英文)Huenecke, Klaus, Modern Combat Aircraft Design, Naval Institute Press, ISBN 0-87021-426-8 
  • (英文)Cooling, Benjamin Franklin, Case studies in the achievement of air superiority, United States. Air Force. Center for Air Force History, 1991, ISBN 0-912799-63-3 

外部链接

参见


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战斗机
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