当代全金属战机使用寿命通常在30年以上,但从航空技术发展的角度看,由于这些战机所处的作战环境及威胁会发生变化,大多数情况下,一款战机在服役10年后就会落后于先进技术,20年后就会落后于主流技术。正因如此,如何给飞机“续命”,使其能跟上主流技术水平或延长其服役时间,成为各空军大国无法回避的难题。细数军用飞机“续命”的手段,还真是满满的套路。
套路一:武器更新换代
机载武器,尤其是空空导弹、空地导弹以及各类精确制导武器的性能优劣,在很大程度上决定了战机性能的发挥。甚至连大国对小国的军售,也可以通过限制机载武器进而控制出口武器的作战效能。因此,改进机载武器,是延长战机技术寿命最常见的方法之一。
对战斗机而言,空空导弹是当代战机最主要的作战手段,也是升级机载武器时的首选项。而在各种导弹中,近程红外空空导弹算得上在战机改装过程中最容易升级的一类装备,原因很简单,大多数近程红外空空导弹的交战距离都在视距以内,导弹导引头在开机后,就会自动搜索或在飞行员的头盔瞄准具的指引下搜索其视野范围内的空域,并在实现稳定跟踪、锁定目标后向飞行员发出信号,提示其发射导弹攻击目标。由于目标的搜索、锁定和攻击程序主要由导弹自身完成,使得载机本身只需相对简单的改进,便能兼容发射新型近程空空导弹。例如,许多国家对美式战机进行现代化改进时,都会为战机改装较新型的AIM-9“响尾蛇”系列空空导弹。
主动雷达制导空空导弹的原理相对复杂一些,这类导弹在末段,虽然是由弹上的主动雷达导引头自行截获目标并实施攻击的,但在此之前,从发现目标到中段引导,导弹都需要机载雷达和火控系统提供目标的相关信息,因此为载机升级主动雷达空空导弹的难度,要比红外空空导弹更高。由于主动雷达空空导弹对空战能力的增益较大,因而当代战机在延寿中进行这一升级已是普遍现象,而许多已拥有这类武器的战机,未来也会考虑以升级软件的形式,换用更先进的新一代导弹。与此同时,半主动雷达制导导弹,由于其改装难度更复杂,战斗力提升效果又不如主动雷达弹,目前已淡出战机升级市场。
与空空导弹类似,大多数空地武器也大体分为——能自主搜索目标的,需要战机提供中继制导的,以及需要全程提供制导的三大类。除了完全独立的一些导弹外,大部分空地武器还要所谓“瞄准吊舱”提供相关功能,这就涉及到延寿飞机的第二层面。
套路二:火控升级
其实,瞄准吊舱本身就是一种火控系统,它可以观测、锁定地面目标,甚至能引导多种空地精确制导武器进行对地攻击,对多数新型战机而言,瞄准吊舱是属于类似日常生活中“即插即用”的方便产品,但对于缺乏先进火控计算机甚至没有数据总线的旧式战机而言,想要使用这类装备就需要对机载火控设备进行升级。
为战机配备瞄准吊舱,也可提升其作战效能
火控系统的核心,是机上的火控计算机和数据总线,当代飞机火控计算机的功能多寡,很大程度上决定了战机可使用的武器弹药种类,以及作战模式的丰富程度。根据摩尔定律,当代计算机的整体运算速度,往往处于一种高速升级和不断膨胀的状态,大多数战机服役没多久,其火控计算机便已落后于时代,而一些研制年代较早的战机上,则根本没有类似设备。这不仅限制了飞机使用各种新型机载弹药,也不利于这些老装备接入新时代的作战网络,使之难于分发和共享战场上的复杂信息。
很多国家在升级本国老式战机时,都会给飞机加装一根数据总线,这样,战机的各种系统就能被统一起来,同时能很方便地接入外来新设备和新武器,对一些原本没有数据总线概念的俄式战机,这一改进耗资不大,但却能大幅改善其多用途能力不足的缺陷,是一种效费比较高的升级方式。
升级后端设备,往往伴随着对前端产品的同步升级,除了诸如更先进的告警设备、电子干扰设备,以及看起来高大上的“玻璃座舱”外,最关键的就是机载雷达。美国空军近期在升级本国的F-15机队时,其中一项重点工作就是为待升级的F-15换装机载有源相控阵雷达:机龄相对较短的F-15E雷达现代化项目(RMP),就是为F-15E换装AN/APG-82(V)1有源相控阵雷达,机龄较长的F-15C在实施2040C系列延寿方案前,则开始以每年12架的速度换装AN/APG-63(V)3有源相控阵雷达。
升级机载武器可以显著提高战机的战斗力
与同等尺寸及重量的传统雷达相比,有源相控阵雷达虽然对能耗、散热及火控计算机的处理性能等方面的要求都更为苛刻,但其在性能上的压倒性优势却是毋庸置疑的。在最基础的探测距离上,同等规格有源相控阵雷达的探测距离至少要比传统雷达远60%,从而能配合新一代射程更远的空空导弹,在空战中发挥更好的作战效能。在性能上,有源相控阵雷达与传统雷达相比,无论是同时处理目标的批次、锁定和引导导弹的数量都有更大提升;其多样化功能也更完善,有利于提高飞机的多用途性能;更重要的是,根据美国在实战化演习中的经验,有源相控阵雷达在对抗传统电子干扰时,其抗干扰能力要远远好过普通雷达。从某种意义上说,换装了有源相控阵雷达后,就能将战机的性能提升半代。
不过,正所谓“巧妇难为无米之炊”,航电系统再先进,也需要战机上有充足的能源供给,而供给能源的难题,则需要通过升级发动机来实现。
套路三:“换发”延寿
发动机和辅助动力是飞机的能量源,前者让飞机获得飞行的基本能力,并在很大程度上决定了载重、速度、航程、机动性等基本性能指标;后者则作为机上各类机载设备,尤其是电子设备的能量来源,在某种程度上决定了飞机可使用的机载设备多寡和复杂程度。
美军为F-15C升级研制的ANAPG-63(V)3有源相控阵雷达
由于飞机发动机占整机的成本比重较高,且机上包括进气道、燃油系统、飞控系统在内的大量子系统,都围绕着发动机进行设计和调校,加之大多数战机的发动机被包裹在机身之内,内部空间的尺寸和形状都较为有限,因此在战机的服役生涯中,大多数情况下,都不会更换全新的发动机。所谓“换发”,大都是在同一型号发动机的不同改型中进行更换,这样对飞机本身的改动比较少,改进难度较低,可以在一定程度上增强动力水平。
当然,也有些飞机能相对方便地更换全新发动机,比如,使用翼吊式发动机短舱的飞机,由于发动机外的空间相对宽裕,因此可通过更换发动机,以较低的成本大幅度提升飞机的性能。美军KC-135系列空中加油机的改装,算得上一个标志性案例。作为一款上世纪50年代研发的空中加油机,KC-135原本使用的是J57系列涡喷发动机,到上世纪80年代,由于服役已超过30年,这些旧式发动机不仅在技术上已完全落伍,老化的发动机也给维修保养造成很大困难,美国最后选择使用新一代的涡扇发动机直接替换J57发动机。改进后的KC-135,因更换发动机的不同,而分为KC-135E和KC-135R。前者使用了TF-33涡扇发动机,整机推力增加了12.7吨,燃油效率则提升了14%,后者使用CFM-56涡扇发动机,直接将飞机的总推力翻了一番,在大幅改进飞机飞行性能的同时,航程增加了60%,燃油效率提升了25%,同时降低了25%的飞行成本。“换发”后的KC-135,在相当长一段时期内,仍将是美军的主力空中加油机。从这一角度看,KC-135的“换发”工程可谓成效明显。
更换发动机后,KC-135依然是美军的主力空中加油机
换装新发动机看起来很美妙,但却知易行难并非易事。印度与俄罗斯联合为米格-27“换发”的尝试,就是一个技术上成功,而效益上失败的案例。印军最初的设想,是给老旧的米格-27换上AL-31F加力涡扇发动机,在增加一吨左右最大推力的同时,利用加速性、经济性等方面性能优于R-29涡喷发动机(米格-27的现有动力)的AL-31F加力涡扇发动机,大幅提升米格-27的飞行性能,从而实现战机战斗力的提升。不过,在原型机改装完毕后,印军发现,飞机的性能虽达到最初构想,但对一架战机而言,其飞行性能水平的发挥不光是发动机决定的,而是气动布局、机体结构、飞控系统等综合作用的结果,对米格-27而言,即使换装了AL-31F发动机,受限于旧式飞控系统及变后掠翼气动布局,整体飞行性能无法实现全面升级。而一台AL-31F发动机的价格,要数倍于其原有的涡喷发动机,这使得用昂贵的先进发动机为旧式战机延寿变得得不偿失。
对大多数老化程度一般的飞机而言,以上改进都是在延寿的同时,提升战机本身的技术水平。然而,对于一些老化程度较高的飞机而言,很多时候,延寿工作的第一步,是对飞机整体结构进行重新加强。
印度空军装备的米格-27
套路四:“寿命归零”
如果将飞机比喻成一套房子,那么更换武器可视为更换各类软装配饰,而更换航电则视为更新家电、家具,升级发动机就属于更新水电地板,而所谓的“寿命归零”,则可视为对墙体和柱子的修复和加固。
机体结构作为飞机平台的基础,在飞机制造完成后就不再进行彻底更新,最多只是对部分零件进行小修小补或更新替换。在飞行中,飞机整个机体结构都在承受各种压力,因此不可避免地要积累应力,并产生机体结构疲劳。一般而言,由于机体的寿命总要长于机上各种设备、发动机的寿命,因此正常使用的飞机主体结构,一般不会产生特别严重的疲劳损坏。特别是类似KC-135或B-52这类飞行动作平缓、速度不是很快的飞机,在经过数十年使用且进行多次现代化升级后,虽然其机体早已超出寿命限制,但这些飞机往往还能再支撑多年,从而发挥更大的价值。
不过,一些机动性较高的战斗机和攻击机的情况就大不同了。这些战机的各种超声速飞行、大机动过载、长时间超低空突防,使机体累积结构疲劳的速度更快。因此,战斗机在经过长时间使用后,虽然整体结构依旧完好,但在机体各处——舱盖开口、机身框架、起落架支柱、机翼大梁、甚至飞机机身的纵梁和中央翼盒都会产生各种难以察觉的裂纹细缝。
B-52这类飞行动作平缓的飞机,机体寿命往往较长
在飞机进行延寿过程中,发现裂纹的材料是很难彻底修复的,因此对飞机结构的“寿命归零”不像其他零件一样,有诸如表面工艺处理等相对简单的“再制造”程序,而要采用对受损部件直接更换的方式。这些部件中,多数部件在飞机的日常使用中,就需定期检查及维护,因此其更换可以在日常维护中进行。不过,像机翼大梁、飞机机身纵梁和中央翼盒这样的部件,作为飞机核心的承力结构部件,在日常维护中反而不需要进行经常检查,因此,在延寿过程中,对它们需要严格的探伤和检测,并对发现问题的部件进行以及更换。由于这些结构件的成本相对较高,在检查中既不能漏过损坏部件,又力避盲目更换部件带来的浪费。
在传统的飞机维修中,由于要更换一些零部件,因而一个类似“特修斯之舟”式的疑问便油然而生:一架更换了中央翼盒、机身纵梁和机翼大梁的飞机,还是原来那架飞机吗?
显然,飞机维修人员是不会在意这个问题的。从效费比角度看,在一型飞机的生产线尚未完全关闭时,对该型战机进行包括主结构件在内的全面延寿及系统升级,毫无疑问,是一种以较低成本、大幅延长战机寿命的手段。不过,要进行这种“寿命归零”方式升的级,毋庸置疑需要完备的航空工业体系,因而这种升级手段也成为航空强国的“专属”。
