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战斗机发展史

   战斗机是指主要用于保护我方运用空权以及摧毁敌人使用空权之能力的军用机种。特点是飞行性能优良、机动灵活、火力强大;现代的先进战斗机多配备各种搜索、瞄准火控设备,能全天候攻击所有空中目标。

战斗机的诞生

   世界上公认的第一种战斗机是1915年,法国的莫拉纳·索尔尼爱L型飞机。它由于装备了法国飞行员罗兰·加洛斯的“偏转片系统”,稍微解决了飞机在机载机枪射击时被螺旋桨干扰的难题,使飞机第一次在飞行员可以专心驾驶飞机去攻击对方,同时也不需要另外配备机枪手。

发展历程

   1、初露锋芒

   在第一次世界大战中,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,企图击毙对方的飞行员,这就是“空战”(Combat)最早的起源。1915年4月1日,罗兰·加洛斯驾驶装备了“偏转片系统”的莫拉纳·索尔尼爱L型飞机击落了一架德国侦察机。取得了歼击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“机枪同步射击”装置,以其优异的飞行性能和跟猛烈的火力,成为第一次世界大战中性能最好,击落飞机数量最多的歼击机。被协约国方称为“福克式的灾难”。这个阶段的歼击机还处在萌芽期,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。

P-51与F-15战斗机

   在这个时期影响未来空战颇大的一项发明就是机枪同步射击装置。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。

2、两次大战间的发展

   虽然在第一次世界大战结束之后,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。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。

   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,汽油辛皖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射发动机和火箭发动机这两项影响后世最深。

   到了30年代中期,各国最先进的歼击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毫米或者是0.50英吋以上口径的重机枪或者是20毫米以及更大口径的机炮。

3、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份的观点,但歼击机的发展可以说是大幅度的否定空权论当中的描述。歼击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。歼击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,许多国家对于歼击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”称呼当时的歼击机。

   在大战结束前,歼击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,歼击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。

(1)、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,对于需要高速的歼击机来说相当重要,也是二次大战开始之际,许多有能力生产的国家首要选择。像是德国的Bf-109,英国的飓风与喷火歼击机,美国的P-40,苏联的MiG-3歼击机等等。

   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,譬如德国的Fw-190歼击机,美国的F6F,F4U以及壮硕无比的P-47歼击机,苏联的La-5歼击机等等。

   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歼击机动力的舞台。


苏联La-5歼击机

(2)、空用枪械的变化

   随着金属结构成为歼击机的设计主流之后,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年代中期歼击机的武装有几种不同的使用型态:

   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英吋机枪。

   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英吋口径搭配。

   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。

   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累积较多的弹头数量,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。

   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歼击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。

(3)、远程护航的需求

   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。

   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歼击机种。

   当时盟军使用的歼击机种当中,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没有办法进入德国领土。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歼击机之后,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。

4、进入喷气时代

   1930年代螺旋桨性能的极限已经在试验环境下被了解知道,替代推力的研发在许多国家相继展开,其中又以德国与英国的脚步较快,他们以各自的技术开发出第一代喷射发动机并且在二次世界大战结束前让喷射歼击机正式服役。


米格-9(MIG-9)战斗机

   即使大战结束前已经有喷射歼击机服役,双方并没有机会与对手作战,直到1950年韩战爆发时,彻底转变歼击机与空战的型态。韩战之后,喷射歼击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,喷射歼击机之间的战斗已经成为常态。

5、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歼击机的功能,战术与性能。比较重要的包括:

(1)、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。

   二战时期大多数安装在歼击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F6F和F4U歼击机上加装由飞行员操作的雷达之后,第一次开启单座歼击机配备雷达的纪录。随着电子相关技术的发展,雷达的功能愈来愈多,除了协助炮瞄准敌机以外,还可以搜索与追踪视野以外的目标,导引导弹,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歼击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歼击机的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(SituationAwarness,SA)的掌握,再加上利用都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(PulseRepetitionFrequency,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。


JL-7机载火力控制雷达

(2)、导弹

   在歼击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。歼击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导引空对空导弹开始量产,而第一次使用导弹的喷射机空战出现于中华民国空军以F-86歼击机携带AIM-9响尾蛇导弹与中国人民解放军空军的MiG-17交战。许多国家出现以导弹全面取代机枪或者是机炮,甚至打算取代歼击机的主张。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。


“霹雳-12”(PL-12/SD-10)中距空空导弹

(3)、后燃器

   后燃器相当于装在喷射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)与美国使用的汽缸注水等。刚刚进入喷射时代,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。等到后燃器的发展逐渐成熟之后,成为歼击机不可或缺的装置。除了于战斗中使用以外,起飞或者是需要加快爬升的时候,都会使用后燃器。即使如F-22或者是台风歼击机等机种宣称能够在不使用后燃器的情况下维持超音速巡航,他们还是继续使用后燃器作为必要时的紧急能量补充。

(4)、线传飞控

   线传飞控系统的概念就是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的方式,最早的简单线传飞控的实际运用可以追溯到二战时期德国以单发动机歼击机(Fw190或Bf 109)与一架轰炸机(譬如Ju 88)结合的楔寄生(Mistel)有人导引炸弹。

   而今日所谓的线传飞控不仅仅只是单纯地以电路传导飞控命令,更重要的是可以有多部电脑介入飞控系统操作,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,但线传飞控的发展让先天不稳定的机体构型飞上天成为可能。因此线传飞控对于歼击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。

(5)、低可侦测性

   低可侦测性又被称为匿踪或隐身,这项技术是为了降低飞机被侦测到的机率、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、声波与可见光等。

   二次大战时期的经验发现已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-2、SR-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。

SR-71侦察机

   直到美国获得苏联的一篇有关电磁波研究的论文之后,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,改变发动机喷嘴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

 

 

 

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