王者无敌，雄视天下－－美国F-22 “猛禽”战机优势探析
美国F-22，世界上第一种也是目前唯一一种投产的第四代超音速战斗机，它所具备的“超音速巡航、超机动性、隐身、可维护性”（即所谓的S4概念，也有资料将“短距起落”包含在内，称为S5）成为第四代超音速战斗机事实上的划代标准。
对于F-22，著述已多，但涉及到飞机特点以及试飞情况的却少见。所幸《CODE ONE》对F-22试飞员进行了采访。本文即试图从访谈中获取信息，从F-22最突出的飞行包线两端的飞行性能角度探析该机在作战中所具有的优势，特别是和同样以超机动性闻名于世的苏－37相比，二者优劣长短如何。
超音速巡航能力
说到超音速性能，首先要提到的就是超音速巡航能力。超音速巡航这个概念，对于航空爱好者来说并不陌生。但由于许多媒体报道不甚确实，使得这一概念往往同“超音速飞行”等概念混同起来。
超音速巡航能力实际上是指飞机无需开加力而以较高的超音速巡航飞行的能力。在这一概念中，有两点必须明确：1）无加力；2）较高超音速。对于第一点，笔者曾经不止一次看到有文章提到米格－25/31的“超音速巡航能力”，实际上这两种飞机不过是在机内载油量极大的基础上开加力实现较长时间的超音速飞行罢了。对于第二点，往往被人忽略，认为只要不加力，飞行M数超过1，就可以称作超音速巡航了。英国人在介绍他们自己的“闪电”截击机的一篇文章中就提到，该机不加力M数达到1.01，因此算是世界第一种实现超音速巡航的飞机。随着发动机技术的进步，一些第三代战斗机已经可以在无外挂条件下，不开加力在跨/低超音速区飞行（M0.9～M1.3，一般只能略超过1，尚未接近上限）。这些飞机也算不上实现了超音速巡航。
作为第4代超音速战斗机的划分标准之一，超音速巡航如果这么容易就被第三代、甚至第一/二代超音速战斗机实现，那么这条标准早就可以扔进垃圾堆了。上述两点只是量化衡量的标准，而不是超音速巡航的实质――通过先进的气动设计，大幅降低超音速零升阻力系数，提高超音速升阻比，结合大推力低油耗发动机，飞机超音速性能实现阶段性的飞跃，这种优越性能的冰山一角就是超音速巡航，这就是它的意义所在，也是它能够成为分代标准之一的原因。如果只盯住量化标准，而不考虑背后的实质，恐怕会失之偏颇。试想一下，假如F-15可以装上F119发动机，那么不加力M数或许可以达到M1.2或更高，但它的超音速性能却绝对比不上F-22，因为它的气动设计仍然是第三代战斗机的水平。
那么超音速巡航可以为F-22带来什么样的战术优势呢？就这个能力本身来说，它的优势一般体现在拦截和超视距空战中。
如果你正处于攻击态势，或者说，你正驾驶你的猛禽去拦截入侵者，那么超音速巡航能力将大大提高你的接敌平均速度，外推拦截线，在对手进入武器射程之前就对其实施攻击。而高达M1.5以上的巡航速度，将赋予你“先敌开火，先敌击落”的优势。例如，当载机速度从M0.9提高到M1.5时（这里假定载机具有高度优势），AIM-120阿姆拉姆的动力射程也增大了50％。从一架以M1.5飞行的F-22上发射的AIM-120，其初速度要快得多，更多的燃料可以用在后续航程中，因此可以在比原来的距离远50％的地方击中目标。如果超巡能力再结合F-22自身的隐身能力、AN/APG-77雷达以及具有无源定位能力的AN/ALR-94电子对抗系统，可以说，F-22已经具有飞行员梦寐以求的在超视距空战中“先敌发现，先敌开火，先敌击落”的优势。
好了，现在假定你的AIM-120已经进入自导段，或者你的猛禽很不走运地被对方锁定了（当然如果出现这种情况，那么你大概需要回内利斯补课了），那么你需要做的就是脱离对方导弹的有效攻击范围。只要你不是迎着导弹上去，那么你的任何机动都会导致对方导弹攻击范围的缩小――事实上是导弹发射瞬间的总能量与猛禽的总能量之差决定了这个范围的大小。而超巡能力结合超音速机动能力，可以令你的猛禽在防御机动中保持较高的能量状态，从而大大压缩对手的开火距离和导弹的有效攻击范围。在这种情况下，你的生存几率比以亚音速机动的飞机要高得多。
在和F-15/F-16的对比试飞中，如果F-22不想和它们纠缠而加速脱离的话，那么鹰和战隼无论如何也追不上具有超巡能力的猛禽――尽管这些优秀的第三代战斗机已经采用了半油构型，以尽可能提高飞行性能，但结果仍然相同：猛禽能够将这些具有“优良”气动力设计的飞机远远甩开。采用F100-110/129/229发动机的F-16在初始加速突破音障阶段还不会落后猛禽太多。但当猛禽进入高马赫数超巡状态后，这场竞赛实际上就结束了。没有哪种飞机可以和猛禽比超音速续航力的。进行追击的F-16和F-15在加挂典型战斗载荷后，无论是在加速段还是在持续巡航段都无法跟上猛禽。对此，F-22首席试飞员保罗·梅斯回忆说：“我们的试飞任务总是受到追击飞机油量的限制。一句简单的“Bingo”就会迫使我们减速，然后把追击机带到加油机那里加油。而此时猛禽的油箱仍然是剩下很多燃油。如果这种下一代战斗机在面对今天的飞行器没有表现出明显优势的话，我会成为坚定的反纳税者。猛禽在很多方面都很出色，而一架超巡中的猛禽更是相当出众的。”
除了空战外，如果需要F-22穿越对手的防空体系，超巡能力同样可以提高其生存力。道理和前述并无二致：穿越防空系统传感器探测范围的时间越短，留给防空系统的反应事件自然越短。猛禽的巡航速度越高，截击就越困难，防空系统攻击范围减小幅度也越显著。无论是尾追还是前置拦截，高速度都显著缩短了有效射击时间，因为导弹必须追击一个高速目标，而相对角速度太大使得它不得不在急转弯中消耗能量。
加速/爬升性能
在超音速巡航能力的背后，隐藏着这样一个事实：猛禽的发动机推力大而阻力小，在考虑飞机重量因素后，其单位重量剩余功率（Ps，其绝对值等于同等状态下飞机的爬升率）相当惊人。
发动机是重要因素之一。F119-PW-100最大推力97.9千牛，加力推力155千牛，可靠性高，可以忍受油门的剧烈变化，堪称战斗机的理想动力。带固定斜板的进气道在设计上偏重于考虑超巡的要求，在设计巡航速度下具有较高的效率和较小的阻力，飞行包线右端的加速性能和Ps都明显改善。对于F-22来说，限制其最大速度的因素不是发动机推力，而是包括机体强度在内的其它因素――特别是在低空。为了避免飞行员无操作导致飞机超出最大速度限制，F-22已经加装了最大速度提示和警告系统，以便当飞机接近极速限制时提醒飞行员。
而阻力小的特点主要得益于两方面：优良的气动设计（在设计上特别考虑了超巡的需要，在M1.5的设计速度附近和40000英尺高度条件下，总阻力最小）和内置弹舱设计。
可以对比一下F-15。F-15号称冲刺速度可以达到M2.5，但那是在净形条件下。在挂弹后，由于干扰阻力增大，该机最大M数仅有M1.78，在接近M1.7的时候加速性严重下降。而F-22在这方面的表现就要好的多。按照试飞员的说法：“在所有高度上，以军用推力或者更小的推力进行水平加速非常容易，但要是使用全加力，其加速度简直令人惊骇。我希望我可以用数字来说明，不过它们现在仍然是保密的。使用军用推力，在接近音速时随阻力上升，加速性有些下降，但突破音障仍很轻松。猛禽以军用推力跨音速飞行，感觉上和F-15开加力差不多。打开全加力，猛禽的加速性变得稳定而强劲。在M0.97～M1.08之间，飞机有轻微抖振。之后，直到最大速度，猛禽的加速一直保持平稳连续。试飞时，我们喜欢尽快进入超巡状态，以最大限度地利用我们狭小的超音速空域。我们开加力进入超巡，当达到测试条件时收回油门。现在很多高速试飞已经转移到太平洋导弹靶场（Vandenburg空军基地和Point Mugu海军航空站之间）进行。我们在这里有更长的直线飞行空间，并可以将音爆对当地居民的影响减至最小。”
爬升能力方面，F-22也相当不错。传统的战斗机快速爬升时是采用鲁特斯基爬升曲线。它们先以亚音速爬升到对流层顶（约36000英尺），然后再加速到超音速进行爬升。对猛禽而言，就可以省掉这些复杂的曲线，直接从跑道上拉起加速，转入超音速爬升。“这家伙简直就象是为高速飞行而生的。”保罗·梅斯如此评价。
超音速盘旋能力
超音速机动性能是F-22的设计重点之一，也是该机与第三代战斗机的“代差”标志之一。除了前述超巡、超音速加速/爬升性能外，超音速状态下的盘旋能力也有明显提高。有资料称，该机在M1.7时稳定盘旋过载可达6.5G。考虑到F-15在同等条件下盘旋能力远逊于此，而苏－27在M0.9、中空才达到这个水平，不能不说这是一个相当惊人的进步。
能够达到如此之大的超音速盘旋过载，发动机是一个重要原因，而同样重要的还有飞机的超音速升阻比和配平能力。
关于升阻比，不难理解。要拉出足够的过载，机翼就必须产生相应的升力，伴随而来的就是诱导阻力的急剧增大（诱阻系数与机翼迎角平方成正比，与机翼展弦比成反比）。如果诱阻系数太大，诱阻增长极快，那么很快就会抵消发动机的剩余推力，飞机虽仍可能拉出较大过载，但发动机推力已不足以维持稳定飞行，当年的幻影III瞬时盘旋性能好而稳定盘旋性能差，正是为此。
以现代航空技术水平而言，要设计出具有高升阻比的机翼或者具有良好超音速性能的机翼均非特别困难，但要将两者合而为一却非一日之功。这也是F-22足以自傲的一点。
而配平能力则往往容易被人忽略。机翼的高升力是拉出大过载的基础，但升力越大，产生的俯仰力矩也越大。如果飞机自身不能提供足够的俯仰配平力矩，那么要么进入上仰发散状态而失控，要么被机翼升力产生的低头力矩压回去，无法拉到需要的迎角。特别是在超音速条件下，飞机焦点大幅度后移，机翼升力产生的低头力矩相当大，进行超音速机动需要更强的配平能力。以超音速性能著称的米格－25，就是由于配平原因而无法进行较大过载的超音速机动――该机超音速平飞时，平尾偏转就已接近极限，能用于超音速机动的余量相当小，所以虽然机体可以承受更大的载荷，但M2时的最大盘旋过载仅有3G。
要解决配平问题，一是大幅放宽静稳定度，将飞机焦点前移。这样超音速飞行时飞机焦点虽然仍会后移，但距离重心近，产生的低头力矩相对较小。不过，这样一来飞机在亚音速大迎角机动时同样会面临配平问题――这次是配平机翼产生的抬头力矩。被媒体过分渲染的近耦鸭式布局，由于鸭翼距离重心较近，配平能力不足，F-16的总师哈瑞·希尔莱克就曾说过：“鸭翼最好的位置是在别人的飞机上。”广为人知的LAVI战斗机就始终未能解决大迎角配平问题。因此，在当年ATF方案论证时虽然出现过不少鸭式布局方案（老航迷们应该还记得80年代采用鸭式布局的“YF-22”的想象图），但F-22最终还是选择了具有较强配平能力的正常式布局，纵向静稳定度也大幅放宽。解决配平的另一个途径是采用推力矢量控制（TVC）技术。采用TVC，其主要优点有：在气动操纵面基础上又增加了一个配平手段，配平能力自然大幅增强；高速飞行时气动操纵面偏转将产生极大阻力，而采用TVC可以起到同样的操纵效果却无需偏转操纵面；TVC并不仅仅是偏转推力矢量而产生法向分力，强大的发动机喷流将在后机身形成引射作用，产生新的“升力”增量，同时参与配平。F-22的超音速机动性大幅提高，TVC技术功不可没。
就超音速盘旋本身的特点而言，其最大优势体现在日趋重要的超视距空战中。前面已经提到，在超视距空战中无论是攻击还是防御态势，超巡能力都非常有用，而超音速盘旋能力则是保证攻防转换顺利衔接的关键一环。当AIM-120进入自导段时，F-22为了避免进入对方武器有效射程或者冲得太快进入风险极大的近距格斗，需要转向高速脱离。可以想象，对于F-15这类飞机而言，为了尽快转向，转弯前的速度需要保持在其角点速度附近，完成转向之后再加速脱离，这必然限制其发射AIM-120时的速度，减小了有效射程；或者为了提高有效射程增速到超音速，发射后再次减速，但牺牲了时间。对F-22来说，完全没有这些麻烦。良好的超音速盘旋能力使之可以在超视距作战阶段始终维持较高的能量状态，以应付各种突发事件。
过失速机动性
一般来说，S4里面的超机动性，主要就是指过失速机动性。要具备过失速机动性，良好的大迎角飞行品质和有效的控制手段是必需的两大基础。我们先来看看F-22在大迎角飞行状态下的表现，这或许有助于我们理解这种飞机的优势所在。
抖振
抖振是飞机大迎角下常见的飞行特征。对于飞行员来说，抖振是一个很好的提示，它是机翼上表面后部气流开始发生分离的直接表现，等于通知飞行员：机翼已接近临界迎角，即将失速。当气流分离向前发展至机翼前缘时，机翼即完全失速。对于传统飞机来说，机翼失速可能导致飞机进入尾旋或者其它难以控制的复杂飞行状态。此外，强烈的抖振不仅可能损伤飞机结构，而且将严重影响武器系统的使用。即使是设计良好的第三代战斗机，在此时也需要飞行员仔细而谨慎地操纵――如果你不希望飞机进入非预想的超大迎角状态，那么就需要立刻检查杆舵输入，尽快减小迎角。
参与了F-22左端包线试飞的琼·比斯雷谈到：“猛禽大约在20度迎角附近开始抖振，直到26度抖振幅度有轻微增大。猛禽的抖振强度大约和F-16大迎角抖振的最小强度差不多，而控制比F-15少得多。从26度到大约40度，抖振强度基本稳定，超过40度后开始减小。”而来自F-16/MATV试飞小组的报告称：“除非在高亚音速状态，否则标准的F-16在正常迎角限制的飞行包线内不会出现大幅度抖振。在超过限制后的某个位置，我们遇到了明显而意味深长的抖振。在大约40度迎角附近出现中等幅度的抖振，一直持续到50度，然后幅度减弱到几乎消失。”
两相对比，我们可以看到：和经典的第三代战斗机相比，F-22的抖振幅度明显减小，这得益于其良好的气动设计，对于大迎角条件下的武器使用（特别是航炮）非常有利。此外，报告中还有一句潜台词：飞机在大迎角下飞行稳定，不会出现机翼突然失速然后失控的局面。
横向品质与控制
根据经验和已知的信息，大多数战斗机在迎角25～35度之间其横向稳定性会急剧下降。如果希望进行过失速机动，这是一个必须解决的问题。在早期试验中，F-22也有同样的问题，大约在30度迎角附近会出现侧滑。这虽然比设计人员期望的值要大，但也表明该机的安定性比预计的小。
要解决这个问题，必须首先确定大迎角下横、航向控制手段。
和习惯性的想法不同，大迎角下最有效直观的控制手段是方向舵，而不是常规飞行状态中使用的横向控制面（包括副翼、差动平尾等）――除了F-22联合试飞队外，来自F-16/MATV试飞员的结论也确认了这一点。不过，F-16/MATV的垂尾是按照常规设计，其方向舵在较大迎角时已经失效，控制能力来自于矢量推力喷口；而F-22的方向舵铰链线明显前倾，使之在所有迎角下都有一定的控制能力，并且在迎角40°左右效率最高。
同样，大迎角航向控制也不再是传统的方向舵，而是原来的横向控制面。在包括F-22在内的多个大迎角验证试飞计划中，试飞员就已经发现，大迎角下的滚转机动看起来更像纯偏航输入。这情形其实有点类似一战时期的战斗机，那时的设计理论远未完善，副翼偏转时产生极大的偏航力矩，使得飞机首先完成偏航机动，然后才是滚转机动。当然，这两种情形只是现象类似，本质却完全不同了。对于F-22来说，利用差动平尾进行偏航控制并不是什么新技术，早在1990年YF-22试飞时就已经采用了。不过在试飞中仍然发现，迎角超过50°以后，飞机平尾的控制负荷较重，在飞控系统指令下频繁进行差动偏转，以保证飞机稳定性。在对大量试飞录像进行研究之后，设计人员得出结论：这是由于飞机横侧气动力差异大于预期值造成的。
对于控制问题，设计人员没有更改气动设计，而是通过改进飞控软件（主要就是改进控制律，使之和飞机的气动特性能够完全匹配）来解决的：在F-22第一次软件升级时更换了新的飞控软件，改善了F-22的安定性问题，现在的F-22在进入25～35度这个迎角区域时，不会在操纵品质上有任何改变。而大迎角下平尾控制负荷重的问题，也随着飞控系统升级而得到圆满解决。
负迎角
作为包线扩展试飞的一部分，F-22进行了负迎角试飞。根据试飞员的说法，试飞中最大负迎角达到-40°（可能是拍摄角度的关系，从录像上看迎角大约有-60°）。在前期试飞中，在-30度迎角时出现较大侧滑（这一点倒是和正迎角状态相同），在第一次飞快软件升级时也针对这个问题进行了改进，现在侧滑已经小得多了。整个试飞过程中没有出现其它异常情况，试飞结果和设计人员的预测非常吻合。
对于负迎角飞行能力可能带来的战术优势，笔者目前尚未看到官方的观点。但就个人理解而言，负迎角飞行能力是对复杂的过失速机动的有力保障。人类飞行刚刚开始进入过失速领域，还有很多领域需要摸索。对于过失速机动能力的战斗机，飞行员敢不敢在实战中应用这种独特的能力，决定了飞机效能的发挥。如同米格－21和F-5E的对抗一样：在性能指标上米格－21并不逊于F-5E，但这种飞机的飞行品质不如后者，“在大机动中可能失速进入螺旋”的意识使得飞行员难以将飞机的性能发挥到极致。但F-22就不一样了。看到F-22稳定地将机头推到预定的负迎角，任何人都会感到震撼。对于这种在正负超大迎角范围内都可以进行稳定可控飞行的飞机，每个飞行员都不吝于充分发挥它的潜力――自第三代战斗机开始，很多新机型都号称具有“无忧虑飞行能力”，但那是通过电传飞控系统限制飞机动作，避免进入危险区域来实现的，而到了F-22才算真正实现了“无忧虑飞行”，因为对它而言几乎没有什么“危险区域”。
最小速度
F-22已经完成了0空速试飞。这对于现代战斗机来说算不上什么值得夸耀的能力，F-16、苏－27等第三代战斗机在进入尾冲、榔头等机动时都会进入0空速状态。真正有意思的东西在后面――琼·比斯雷提到：“在所有机动中，猛禽反应良好。在空速20节时机头仍然可控。飞机在0空速下的运动是可知的。在垂直爬升0空速状态下，飞机甚至可以自动缓慢恢复正飞状态。在0空速或其附近机动，由于飞机受重力和惯性控制，通常会沿垂线快速飘摆。在很多现代战斗机上，这个运动通常是钟摆机动的开始，然后接一个垂直斤斗。而对于猛禽而言，机头可以很容易地
稳定在向下位置，没有明显摆向另一侧的趋势。”
看出来了吗？这段话有两个意思：1，即使在包线最左端，F-22仍然具有稳定飞行的能力，而不会突然失控；2，F-22在包线左端仍具有可靠的机头指向能力――这对于过失速机动的最终成功非常关键。对于第一点，大部分第三代战斗机（特别是第三代后期）都具有这种能力。但对于第二点，在包线左端气动操纵面已经失效，没有TVC的第三代战斗机只能依靠自身的气动特性保持稳定坠落，直至速度增大恢复机动能力为止――而在这段时间里，目标可能早就飞出己机的攻击区了。以苏－27来说，如果它的眼镜蛇机动真的非常幸运地迫使对手冲前，那么只要对手有足够的能量作高速向上机动，苏－27 是一点办法没有，因为已经没有能量供其跟随机动了，而且此时苏－27的速度还在200？/h左右，如果在0空速附近，等加速完毕，目标早就不知跑到哪里去了。但对于F-22来说，这一点就不必担心了,TVC足以保证其完成精确的机头指向――唯一遗憾的是F-22的推力矢量控制能力仅限于俯仰轴和横轴，而航向轴仍然依赖于气动操纵面，在0空速状态下是无能为力的；虽然可以利用双发推力差产生控制力矩，但发动机控制的滞后使得这种控制手段还无法适应精确灵活的控制模式。
发动机失速
发动机是所有飞机的基础，不管你想让你的飞机干什么，不管你的飞机设计如何出色，失去了发动机的动力，就只有一个结果――废铁一块。AL-31F发动机之所以名头如此响亮，很大程度上得益于1988年那个震惊世界的“普加契夫眼镜蛇”。能够在如此恶劣的情况下仍稳定工作的发动机，其自身的可靠性不用说是相当高的。
那么F-22的心脏――F119-PW-100的可靠性又如何呢？按照琼·比斯雷的说法，F-22在所飞过的每种条件下（包括0空速）都进行过发动机测试，油门从军用推力猛地推到全加力，然后迅速拉回。除了正常的油门变化外，他们还在油门过渡顶峰状态加入快速横侧操纵输入，以便利用液压泵尽可能多地分享发动机功率，加大发动机的负载。即使在这样的条件下，发动机仍然正常工作。对于飞行员来说，这实在是一个福音：F-22的设计保证了几乎在任何状态下都不会失控，变成一个疯狂旋转的陀螺，但一个在稳定可控状态下撞地的铁块实在比一个失控的陀螺好不到哪里去；而F119可以解决飞行员在这方面的顾虑。F-22最终实现“无忧虑操纵”，发动机是关键之一。