下一代先进战机，是否将触及载人战术飞机的发展“天花板”？

原创 看航空 看航空

自从战术飞机的发展进入隐身时代，对于飞机机动性的发展前景就一直存在着争论，这种争论随着近年来机载电子和武器系统以及无人机系统的发展，正愈发甚嚣尘上。

毋庸置疑的是，对于载人战术飞机来说，机动性能的设计瓶颈有极大一部分受限于自然人的生理极限——航空理论下气动布局提供的飞行力学极限、飞机结构能承受的载荷极限、飞机发动机能持续爆发的推力极限等技术指标，反而并不是限制载人战术飞机机动性发展的壁垒了。

五代机对三代机的机动性优势，远小于三代机对二代机。但五代机对三代机的压制能力，则远大于三代机对二代机压制能力。

1

人体耐受极限制约战斗机的性能进步

以盘旋过载为例，长时间的9G机动，随着第三代战斗机的研制和装备，在20世纪70年代就已经实现。

但是与飞机性能的进步相比，精锐飞行员对于持续性9G的有限适应能力，是直到以“力量锻炼综合地面离心机”为代表的现代训练体系成熟普及后，在20世纪80年代末才实现的。

图示为普通人体验高机动飞行。在高过载的机动飞行中，由于血液受高倍重力作用，不断往下半身流失，大脑极易因缺氧而暂停工作。注意图中男孩的皮肤和肌肉组织变化，这是高倍重力下生物组织下坠所形成的。

载人离心机训练，可在地面上提供15G内的载荷。

在9G过载下，由于头颅、头盔等装备重量被放大到正常情况下的9倍，成年男性飞行员的颈部肌肉和骨骼需要承受70千克以上的压力。因此，没有长期严格的力量锻炼，飞行员不可能在9G过载下，依然能有效观察四周环境而不遭受肌肉和骨骼损伤。

同时，在高过载环境下，心肺还需要对眼睛和大脑实现持续供血供氧，这一难度是极大的。

按三代机飞行员的审核标准，如果不使用抗荷动作等技巧进行抵抗，同时没有抗荷服等外部装备辅助，大多数人在4.25G过载下也只能坚持10秒左右不丧失视力……

加压供氧呼吸导致的颈部膨胀。

早在20世纪80年代末期，各国空军开始系统性地研究针对飞行员心肺的强化辅助工具：

从抗荷服提供的大面积体表加压，再到大流量的高纯度加压供氧呼吸……所有能实用化的手段已经悉数实现。哪怕是直到今天，在最好的抗荷动作和现役个人防护装备支持下，除了不可预测的少数极佳天赋者，绝大多数精锐飞行员的身体极限，也只能允许他们在9G下保持15~30秒不等的视力和意识。

米格-21

而在滚转耐受能力上，飞行员的平均能力进步甚至还不如盘旋过载能力。

部分二代机，比如米格-21在高亚声速范围内，就可以达到260~270度/秒的持续性滚转速度——只要时间稍长，就足以让相当一部分飞行员陷入半昏迷状态。而当飞行员失去视力和意识，飞机的性能再优越也无法发挥作用。

因此，在战斗机的设计中，飞机设计师必须考虑到人体极限对于机动性能的制约。

从现有的生理学和人机工程学理论框架上看，人体对飞行载荷耐受能力的进步是缓慢且有限的。即便通过强化座舱环控系统的制冷能力，允许飞行员使用气囊覆盖体表面积更大的抗荷服，飞行员能够实现对9G过载耐受时间，提升范围依然是以秒为单位。

这也是为什么全球主要战术飞机，从三代机发展到五代机，在机体设计上，最大过载、最大滚转速率等常规机动性指标都没有特别大突破——9G的最大使用过载，270~300度/秒的最大滚转速率，依然是五代机的普遍极限。

2

跨代飞机的实际机动性在提升

F-15加力全开的机动性能，仅与F-22不开加力相当。

然而，尽管最大过载和滚转速率等常规指标上没有直观的显著突破，但这并不意味着五代机在机动性能和机体平台上没有大幅度的突破。

五代机在机动性领域的主要进步主要体现在两个方面：

01一是敏捷性上的进步，更直白的说，是强化了对机动性使用效率的挖掘。

比如，同样是从平飞的1G状态开始拉杆，五代机进入9G极限的耗时要比三代机更短，甚至只有后者的一半。而从中立状态开始压杆，直到实现最大滚转速率的耗时也要短的多，尤其是0~90度的区间范围。

02二是五代机将现有的常规机动性极限，扩展到了更大的速度区间范围内，特别是高速区间内。

以米格-21为例，虽然它的最大滚转速率不低，但完全依赖于机械飞控系统支持下的副翼差动来实现；一旦进入跨、超声速范围，副翼效率的下降，就会使它的滚转能力急剧下降到170~180度/秒，并随着速度增大不断持续降低。

而在后来设计的更先进型号上，这种缺陷可以通过更多的气动面参与滚转控制进行缓解和消除，比如平尾/鸭翼的差动，机动襟翼的差动等。类似的设计和技术在三代机上开始出现和装备，在五代机上已经发展的相当成熟。

目前全球公认的五代机对三代机的能力压制，有相当一部分就来自超声速状态下的机动能力强化所带来的优势——包括为中距导弹提供更大的初始能量和射程、压倒性的争夺优势空间位置和姿态角度的能力等

03

其他方面，比如涉及经济性和训练水平的机体寿命等指标上，在保养得宜的前提下，现有五代机能够达到8000~10000小时以上，而早期的三代机机体寿命仅为4000~5000小时。

如果考虑到载荷谱的含金量——比如允许机体以更大的重量进行9G过载飞行，而且每1000飞行小时允许的9G过载次数要大得多……其实是实现了至少数倍以上的提升。

3

战机机动性发展正遭遇新挑战

从飞机制造涉及的多个工业领域，以及在更长期的历史范围内来看，虽然战斗机机动性能已经不受机体制造、发动机技术等技术的制约，一直在缓慢进步；但在另一个层面，随着传感、通信等机载设备和武器系统的高速进步，机动性相关指标的优势地位正在逐渐淡去。

从20世纪70年代至今，半个世纪内的传感、通信和武器系统的性能进步速度，已经远远超过了战斗机平台常规机动性能发展的速度。

战机机动性能提升带来的空间占位能力进步，已经跟不上格斗导弹的性能进步速度了。

从机动性的角度来看，20世纪70年代的三代机F-15和今天的五代机F-22相比，除了机动性上的被压制外，在机载设备和武器上，也与F-22没有丝毫可比性了。

20世纪70年代的时候，大量战斗机不具备独立的电子战能力；机载雷达也无法处理地面杂波，无法实现可靠的下视能力；近距导弹的离轴发射角度非常小，导引头的目标识别能力和抗干扰能力极差，只能从几乎尾追的狭小范围内锁定和射击；中距导弹还难以实现同时攻击多个目标和射后不管……

而在半个世纪后的当今，新型机载设备和武器系统在性能上的进步幅度之大，已经完全不是几度每秒的盘旋角速率、几十度每秒的滚转速率、几十或者一百多米每秒的爬升率优势所能抵消了。

更“可怕”的是，机载设备和武器系统的性能发挥不仅可以不受极端重力条件的影响，而且在没有发展“天花板”的前提下，依然在持续高速发展，未来的潜力依然巨大。

对于载人战斗机来说，这意味着一个巨大的挑战：

机体平台的机动性设计已经严重受限于人的生理极限，已经开始接近边际效应的拐点——也就是说，在未来继续投入相同的代价，获得的收益会持续变少。

但机载设备和配套武器的发展，还远远看不到边际效应的拐点所在，投入产出比还将长期处于非常高效的区间。

因此在未来10~20年的新一代战斗机设计中，如何评估机动性进一步发展所需要的代价高低、所能获得的收益大小、能在更远期战场上发挥的价值多少，将会是极具挑战的争议性问题。

排版：王薛婷

策划 | 文案：候知健

编审 | 监制：武晨、王兰

看航空融媒体工作室出品

B-21揭幕在即，战略轰炸机如何演变为如今的模样？

原标题：《下一代先进战机，是否将触及载人战术飞机的发展“天花板”？》

阅读原文