本文摘自《世界主要国家空军武器装备发展研究》| 专题研究报告
主要包括新一代战斗机、轰炸机、无人作战飞机、地空导弹武器、雷达等建设与发展。
美国、俄罗斯、法国、日本和印度等均提出发展第六代战斗机计划,但仅有美国对作战概念进行了深入研究,日本提出了初步的技术特征,俄罗斯公布了概念模型,印度和法国仅提出了发展构想。
美国从2007年开始开展第六代战斗机需求研究;2008年对概念进行了探索;2009年对其可能的技术特征和可行性进行了分析;2010年则对第六代战斗机的作战任务、作战能力、技术特征等进行了规划;2011年对第六代战斗机“部件、航电、武器”的基础技术进行研究和开发;2012年上半年,波音公司和洛•马公司分别再次公布了第六代战斗机概念模型,进一步明确了第六代战斗机发展方向和主要性能特征。2024年美《空天力量》指出,将在未来5年投入284.8亿美元,用于推动下一代空中优势战斗机项目和协同作战飞机计划,预计将在2030年取代F-22。
俄罗斯从2008年开始提出第六代战斗机的概念,2011年3月份展示了“电鳐”隐身无人作战飞机样机(见图2),并称之为“第六代战斗机”。2016年,俄罗斯副总理罗戈金宣布,俄罗斯已经开始研发第六代战斗机。目前,俄罗斯正在加紧研制具有优良传统的米格-41,在携带大量武器的同时,将具备太空作战能力。
日本在2010年确定发展具备信息灵通(informed)、智能(intelligence)和敏捷(instantaneous)特征的“I3”战斗机作为其第六代战斗机,日本防卫省在2011年发布了名为《未来战斗机研究与发展趋势展望》的文件,概要论述了日本第六代战斗机的研制需求,系统提出关键能力需求和主要技术特征。2012年3月份发布了《防卫省技术研究本部预言第六代战机》的文章,提出了云射击和群控制等新概念和新技术。2024年6月,日本通过了与英国、意大利三国共同管理开发下一代战机的条约草案,新机在2025年启动开发阶段,力争到2035年开始部署。
此外,印度和法国也提出了研发第六代战斗机构想,但是研究进展不祥。
图1 诺•格公司(左)以及波音和洛•马公司(右)联合提交的方案
国外对第六代战斗机的具体概念还未明确,取得初步共识的主要观点有以下几个方面:一是制空和对地打击仍是主要作战任务。二是基本排除了空天化和高超声速化方案,有人/无人驾驶还未明确,俄罗斯提出了无人驾驶方案,美国则同时提出了有人和无人驾驶方案。三是高度隐身化和信息化是第六代战斗机的主要技术特征。四是可能装备定向能武器。
以美国提出的第六代战斗机为例,其主要技术特征有:
一是作战活动空间有所拓展。升限突破传统的20千米高度,具备在30千米高度飞行能力;巡航高度18千米~20千米,巡航速度突破2马赫,在20千米高度最大飞行速度突破3马赫;作战半径可达1800千米~2300千米。
二是具备优越的全方向、宽/全频谱隐身特性。可能采用等离子体、负折射材料、纳米隐身等新隐身体制。前向RCS值较第五代战斗机降低一个数量级。
三是具备更高的信息化和智能化水平。可能拥有网络化作战能力、强大的机载感知能力、优越的飞行员辅助/自主决策能力等。
四是应用新概念武器。空基激光武器、空基能束武器等可能在第六代战斗机上加以利用,将彻底改变现有的空空交战规则。
美国的第六代战斗机可能的性能指标见表1。
性能 | 指标 | 性能 | 指标 |
飞行高度 | 大于30千米 | 作战半径 | 大于2000千米 |
巡航速度 | 2马赫~3马赫(20千米) 1马赫~1.5马赫(中低空) | 隐身性能 | 全向、宽/全频谱隐身前向RCS小于0.001 |
最大速度 | 大于3马赫 | 机载感知能力 | 全向探测300千米~500千米目标(RCS1) |
机动性 | 可能突破3g~9g(无人) | 机载武器 | 可能装备强激光、高功率微波等定向能武器 |
目前美俄等军事强国的第六代战斗机处于概念设计阶段,根据对美空海军和美第六代战斗机办公室发布的一系列报告分析,空军型将在2030年左右服役。日本将F-X战斗机项目与英国主导“暴风”战斗机项目结合,2035年开始部署。俄罗斯等国家还没出台详细的发展路线图。
美国和俄罗斯均已确定发展新型轰炸机替代现役老旧轰炸机,目前基本明确了初步作战概念和部分关键指标。
美国空军在1999制定“轰炸机路线图”(即“2037轰炸机”),提出发展下一代轰炸机,计划2037年装备。2004年调整为三阶段发展计划,即:现役轰炸机升级改进—过渡型轰炸机—2035下一代轰炸机三个阶段。2006年提出了“2018轰炸机”计划,又称“下一代轰炸机(NGB)”或“新型轰炸机”,2009年暂停该计划。2010年3月提出了“系统系列”(family of systems)新方案,同年6月份,美国空军将“下一代轰炸机”计划更名为“远程打击系统”(Long Rang Strike Family of Systems)发展计划,新型轰炸机是该系统的重点,因此外界普遍称该计划为“新型轰炸机计划”。2011年和2012年确定了2017年前的经费预算,进一步明确了核心能力需求、发展时间节点、采购单价和装备规模。2023年11月,美国已经完成B-21轰炸机首飞,美国防部副部长表示,新一代隐身战略轰炸机B-21“突袭者”的生产工作正在推进。
俄罗斯同样在1999年提出发展一款中型轰炸机取代现役轰炸机,由于经费和关键技术(主要是20吨级推力的发动机)问题,该计划一度停滞。2007年,俄罗斯开展了新一代轰炸机的战术技术指标需求论证。2008年,开始拨款进行新一代战略轰炸机的方案设计工作。2009年,完成概念设计,并开展了样机论证和设计工作。2010年,从47个初始方案中选出4种作进一步的分析(见表2)。2011年明确了作战概念和发展时间节点。2012年2月份正式启动了新型轰炸机的研发工作。2019年,俄空天军司令表示将在2040年建造完成无人驾驶模式的第六代战略轰炸机。
方案 | 设计局 | 气动布局形式 | 最大速度 (M数) | 最大作战航程 (千米) | 隐身性能 |
T-60S | 苏霍伊 | 变后掠 | 2.02(估计) | >6000 | 隐身 |
图-260 | 图波列夫 | 无尾三角翼 | 4 | 8000~10000 | 隐身 |
图-360 | 图波列夫 | 无尾三角翼 | 4~6 | M4巡航:15000 M6巡航:9000~10000 | 隐身 |
图-404(攻击型) | 图波列夫 | 有垂尾的飞翼 | 0.9 | >16000 | 高度隐身 |
美俄两国新型轰炸机主要技术特征有:一是低可探测性。美俄均提出新型轰炸机一个关键指标是要具备在敌人密集防空火力保护的空域或周边隐蔽待机的能力。突防和持久性是对新型轰炸机性能的高度概括。二是亚声速或超声速巡航。综合考虑高超声速技术可行性和大量采购的经济性,比较稳妥和现实的做法是,利用近期的发动机技术实现亚声速或超声速飞行。三是平台尺寸和载弹量并不很大,但属于远程轰炸机范畴,采用有人驾驶。四是具备“核打击”和“常规打击”能力,兼具ISR、电子战和通信中继能力。比较明显的是,两型轰炸机在飞行速度、隐身方式、作战半径等方面存在一定的差异,见表3。
主要性能指标 | 美国 | 俄罗斯 |
机型 | 中型 |
核心能力 | 核常打击能力 |
飞行速度 | 0.9(巡航) | 超声速巡航,最大1.5马赫~2马赫(方案4为亚音速方案)
|
隐身技术方式 | “外形+涂料” | 第3代等离子体隐身技术 |
作战半径 | 3700千米 | 6000千米~7000千米 |
机载武器 | 定向能武器或信息攻防等新型武器 | 远程巡航导弹和重型炸弹等传统武器 |
有效载荷 | 10吨~14吨 | 24吨左右 |
作战方式 | 系统作战 | 传统的空中平台远程作战 |
按美国空军目前的计划,新型轰炸机B-21目前已经进入低速生产阶段。根据俄罗斯新闻社网站、俄罗斯《观点报》和美国《空中打击》网站在2012年6~7月份的报道分析,俄罗斯已经完成新型轰炸机的设计草图,计划2025—2030年装备部队,采购数量约100架。
美俄两国新型轰炸机是一种过渡机型。美俄两国均表示,新型轰炸机主要弥补现役老旧轰炸机逐步退役的空档。美国的新型轰炸机主要取代B-1B和B-52H轰炸机,具有新一代特征的未来轰炸机将在2035年左右装备。俄罗斯认为,本国的新型战略轰炸机可能先被设计一种过渡机型,取代一部分老旧的图-22M3和图-95轰炸机,最终再换装为新一代轰炸机,在2030年后完全取代图-160、图-95和图-22M3。
目前世界范围内制空型无人机还处于关键技术突破阶段,专用对地打击的无人作战飞机(UCAS)已经进行首飞,但还未列装。近年来,美国的X-47B和“幽灵”系列以及欧洲的“神经元”无人作战飞机发展格外引人注目。由于X-47是美国海军支持发展的舰载型无人作战飞机,本报告重点研究后两型无人作战飞机。
“幽灵”系列无人机,主要介绍空军最早研发首架X-45“幽灵射线无人机”和新升级“幽灵”-X无人机。X-45是DARPA和美空军联合提出的一项先期概念演示计划,其发展可追溯到1999年,并于2006年终止。发展的型号主要是X-45A和X-45C,而X-45B没有进入实质性研制阶段就被取消了。2008年6月,波音公司开始实施新的无人作战飞机技术验证机项目,该项目直接利用了已有的X-45C原型机,公司内部称为X-45C验证机的“再生工程”,继承了其总体设计的主要特点,并应用了一些新技术;2009年2月,波音公司将该机命名为“幽灵射线”,同年5月首次对外公布;2010年5月11日,“幽灵射线”无人作战飞机在圣路易斯亮相,其后波音公司为其飞行开展了大量工作;2010年12月13日,“幽灵射线”由一架改装过的波音-747飞机背负完成了首次空中试验;2011年4月27日,“幽灵射线”在爱德华兹空军基地成功首飞。目前该机型计划已经终止并被同型X-47竞标替代。“幽灵”-X无人机是2023年美国公布新型无人作战飞机型号。“幽灵”-X无人机是一型可远程部署、静音、模块化的无人空中平台,具备自主任务能力。该系列无人机采用直轨外挂式设计,可灵活执行情报、监视与侦察、目标瞄准等多种任务,具备在恶劣天气条件下和多种运行环境中飞行的能力。其平台设计简洁,单人徒手2分钟内可完成组装并放飞。拆解折叠后,使用长方形步枪箱或战术软包存放,并由单兵携运。
“神经元”(Neuron)无人作战飞机项目是欧洲比较具有代表性的无人作战飞机项目。该项目最初由法国的达索公司提出,并在2003年获得了法国政府的经费支持。2005年,瑞典、意大利、西班牙、希腊、瑞士和比利时等国家参与了该项目。2006年2月,泛欧“神经元”项目正式启动,进行了15个月的可行性评估工作,随后进入为期19个月的技术设计阶段。2011年初,各参加研制的公司开始交付“神经元”无人作战飞机的机身以及其他部件,同年底开始进行地面试验。2012年,神经元无人机在法国伊斯特尔空军基地试飞成功。“神经元”无人机最大特点就是能够彻底摆脱人的控制,它会按照行动前设定的任务指标来自行规划攻击路线等,甚至能够承担为有人战机提供空中护航的任务,这与一般无人机相比确实显得高超。不过该无人机存在明显弱电,即因为太过先进,长期处于试飞而无法真正服役,最大的阻碍是技术融洽。
“神经元”机长约10米,翼展约12米,空机重量6000千克,其性能指标和作战能力稍逊于“幽灵射线”,且目前还未首飞,因此本部分只分析研究“幽灵射线”无人作战飞机的能力。
“幽灵射线”无人作战飞机外形如图3所示。
从图中可以看出,“幽灵射线”采用飞翼式无尾布局,其最大的优点在于同时兼得高隐身和高升阻比,可推测其机翼前缘后掠角为47度~50度左右。“幽灵射线”在外形设计上充分考虑了飞机的隐身性能,主要表现在以下几个方面:一是采用上置埋入式进气道,通过不可调BUMP进气道的大“S”弯对发动机前端进行遮挡,有效降低雷达散射特性;二是采用“海狸尾”式扁平二元尾喷口,可有效遮挡发动机后端,降低红外辐射强度;三是机头扁平前伸,可有效遮挡发动机等部位,有效躲避地面雷达的威胁;四是机体表面异常干净、光滑,减少了很多雷达反射面。虽然目前还无法准确判断其隐身水平,但从外观上推测其隐身水平应该比F-22还要高。
——机载武器
“幽灵射线”机载武器舱与X-45C一样,长427厘米,宽68厘米,高43厘米,有效载荷2040千克,可携带8枚“小直径炸弹”(SDB)或2枚2000磅(约900公斤)的联合直接攻击弹药(JDAM)等精确制导武器完成对地精确打击任务。
——信息系统
“幽灵射线”无人作战飞机的电子信息系统沿用了X-45C的设计,装有ESM和SAR/GMTI雷达、LINK16数据链和Ku、Ka频段链路。
此外,“幽灵射线”无人作战飞机未来可具备自主加油能力、多机联合协同作战能力和较强的自主控制能力。
“幽灵射线”无人作战飞机的主要性能指标见表4。
项目 | 指标 | 项目 | 指标 |
翼展(米) | 15.2 | 升限(千米) | 13~15 |
机长(米) | 10.9 | 最大平飞马赫数 | 0.9 |
正常起飞重量(千克) | 16556 | 最大爬升率(米/秒) | 55 |
机内油量(千克) | 6342 | 使用过载范围(g) | -2~4.5 |
发动机推力(千牛) | 53.3 | 稳定盘旋过载 (11千米,0.8M) | 1.5g |
起飞推重比 | 0.33 | 作战半径(千米) | 约2400 |
“幽灵射线”只是验证机,旨在掌握无人作战系统所需的关键技术,如自主空中加油、自主编队作战、自主伴飞等能力,美国海军舰载无人监视与打击系统(UCLASS)的部分关键技术由“幽灵射线”验证,X-47B与其竞争成功取得竞标。2022年,“幽灵”系列中大量“幽灵凤凰”无人机投入乌克兰战场。目前,美空军、海军陆战队和特种作战司令部等都成为新兴“幽灵”-X的主要用户,下一步批量交付后将对美空中无人作战优势带来巨大影响。
地空导弹以反性能不断提升的空中目标为划代标准,目前国外正在装备专用反导的S-400、“爱国者”-3等第四代地空导弹系统,正在研制具备反临近空间和高超声速目标的S-500和“箭”-3等第五代地空导弹。本研究主要介绍第五代地空导弹系统。
俄罗斯的地空导弹一直走在世界前列,在研发S-400地空导弹之初,俄罗斯声称即将研发S-500第五代地空导弹,以确保技术跨代优势。S-500系统是俄罗斯的空天防御系统,于2014年6月首次试射成功,是世界防空防天反导一体化的综合武器系统。俄罗斯在世界上率先创建的S-500,颠覆了美国“末端高空区域防御系统”(“萨德”系统)以单型导弹实现单一战区反导功能的美国“颠覆性”范式,对俄罗斯继续保持在机动导弹技术领域的领先地位和打破北约合围具有重要价值。
“箭”-3由以色列航宇工业公司(IAI)研制,是以色列最新的、射程最远的反导武器装备,在以色列弹道导弹防御系统中负责最外层拦截。2008年3月份,以色列宇航工业集团(IAI)和美国的波音公司联合启动了“箭”-3的先期研发工作;2010年,上述两个公司提交了最终方案,并进行了演示验证;2011年7月份,“箭”-3导弹成功进行了地面测试,7月份进行了飞行试验。2012年3月份,“箭”导弹项目主管在以色列举行的“2012年军事与航空展览”上宣布将在近期进行首次试验。2015年12月,以色列首次成果进行了“箭”-3反导武器系统的大气层外反导拦截试验。2017年1月,“箭”-3具备初始作战能力,并交付以色列空军使用。2023年11月,以色列国防部宣布,首次使用“箭”-3成功拦截一枚来自也门的导弹。
根据俄罗斯公开资料和《简式防务》相关资料分析,S-500地空导弹射程约600千米,可反高超声速目标,见表5。
性能 | 指标 |
射程 | 600千米 |
反导 | 对飞机 | 400千米 |
对导弹 | 150千米 |
对卫星 | 700千米 |
目前“箭”-3导弹尺寸和重量只有“箭”-2拦截弹的一半,并具备大气层外拦截能力,弹体直径为21英寸(533毫米),最大飞行高度约为“箭”-2的两倍。“箭”-3导弹可以地基或海基发射,后期计划改装为空基发射。
2020年俄罗斯国防部副部长称,俄武装力量计划2025年接受新一代S-500防空导弹系统批量交付,目前该系统正处于初级测试阶段。
目前,以色列还在“箭”-3反导武器基础上研制了一种由空基平台发射的空射反导拦截弹,以德国为代表欧洲国家正在商谈采购该系统。
地面雷达已经发展到第三代,可满足有效应对复杂电磁环境下探测低空巡航导弹、超声速第三代战斗机以及高空无人飞机等要求。具备多功能、反隐身,智能化、网络化探测为主要特征的第四代和第五代雷达正在发展之中,以满足探测高隐身和高超声速空中目标的需求,采取的主要措施有提高雷达探测目标的能力、扩展雷达工作波段范围以及采用新体制雷达等。本部分重点研究MIMO雷达和认知雷达等新体制雷达。
多输入多输出(MIMO)雷达是采用全新技术体制的雷达,以信号联合处理控制站为中心,由多个发射站/接收站组成。它集中多体制雷达探测优势,提高区域雷达网的集聚探测能力。2003年—2004年,国外正式提出了MIMO雷达的概念,美国、加拿大、英国和澳大利亚等国家的相关专家不断发表文章探索MIMO雷达的可能应用,目前仍处于理论探索和实验室研究阶段。
随着MIMO技术研究的不断深入,预计未来MIMO主要在雷达上有以下应用:
一是新一代MIMO米波雷达。通过使用米波低端的宽频带天线,采用收发分置的雷达体制,结合现代雷达的各种技术,可以满足同时探测临近空间目标和高空隐身目标的需求;MIMO米波雷达可同时采取谐振效应和分集增益提高反隐身探测能力。
二是与运动平台相结合的MIMO微波雷达。地面防空系统的双/多基地雷达采用小型化的MIMO微波雷达,可显著提高制导抗干扰和抗隐身能力;作战飞机的探测系统采用发射系统放在地面,小型化接收阵安装到作战飞机上,成为空地双基雷达,可增强现有机载武器系统的低截获和突防能力。
三是统计MIMO雷达组网。由于组网信号通道的成倍增加,空间自由度增加,因此雷达抗干扰能力和目标检测性能大大提高。
认知雷达通过对雷达电磁环境的自动分析和对发射信号波形的自动控制,实现对工作环境的自适应处理,从本质上提高雷达抗干扰、反杂波性能和目标检测能力,可用于防空预警探测。国际著名信号处理专家Simon Haykin于2006年首次提出了认知雷达的概念,美国国防部高级研究计划局(DARPA)进行了大量深入研究,并出版了一部著作,总体看,认知雷达尚处于起步阶段,国外对认知雷达的认知行为研究较多,对于先验知识、推理,以及认知雷达网络等研究较少。认知雷达可根据目标和外部环境特性,智能地选择发射信号和工作方式,并将有限资源最优分配,被认为是未来雷达发展的重要方向。当前,尽管认知雷达创新性的参考了仿生学相关原理,但是还需在自适应学习、杂波抑制、波形优化设计、目标及环境库等方面投入更多的研究。基于认知雷达的智能化背景,未来认知雷达将会朝向网络化、模块化的方向发展,最终大幅度提升雷达探测能力。
由于上述两类雷达还处于概念研究阶段,具体性能指标和发展路线图不很清晰。