雷曼智库分析:已服役的歼-20战斗机能够力压F-22吗?

2016年12月8日,一张歼-20后机身照片出现互联网上,照片显示其机号为78271,这与之前所有出现的歼-20试验机型机号完全不同。6天之后,又出现了另外一架编号为78272的战机。12月13日,又相继出现78273号和78274号机的照片。这些战机的机身编号同过去的试飞机大相径庭,意味歼-20已经正式服役。

歼-20方案从拿到军方订单到进入军方作战序列仅仅用了9年时间,创造了第五代战机研发、生产、服役最快的世界纪录。随着歼-20的服役,歼-20与F-22等世界先进战机到底孰强孰弱的争论不仅没有消失,反而愈演愈烈,那么到底歼-20空战能力处于什么水平状态呢?

从外形上来看,目前的量产版歼-20与2017号歼-20并无太多区别,但仍然处于A状态,使用AL-31F发动机,B状态要等WS-15配装后才能达到。本文以歼-20A为重点,兼顾歼-20B的可能性能与F-22进行一些空战能力的对比。飞机的空空作战能力分为两点,第一是中远距作战能力,第二是近距作战能力。下面将进行详细解读。

机载雷达水平大致相当

从中远距作战能力来看,主要影响因素是谁首先发现对手,首先完成攻击,这涉及飞机本身的机载雷达、无源探测系统、数据链系统、中远距空空导弹性能和隐身性能。机载雷达决定了飞机本身能够探测多远,探测的质量如何,能够有效锁定对手,从而取得先手优势。F-22配装AN/APG-77有源相控阵雷达,该雷达峰值功率20千瓦,探测范围在正负60°,能够探测201-241千米外RCS为1平方米的目标,雷达使用了2200个T/R组件。实现这一性能最为关键的是组成有源相控阵雷达的T/R(收/发)组件,AN/APG-77的T/R组件使用的材料主要是砷化镓为衬底晶片的固态电子器件,该电子器件要比传统的硅基微波集成电路的击穿电压、承受功率上大10倍左右,并且由于采取了有源相控阵体制,因此在目标航迹质量、信号扫描频率、雷达波束宽度、指向速度上有很大的优势。查阅《砷化镓材料发展状况概述》一文可以发现,目前砷化镓晶体材料国外先进水平为直径8英寸器件(2002年水平),但没形成量产,普遍采取6英寸器件,技术掌握在日本住友电工、德国费里伯格、美国 AXT 三个公司手中。

我国最先进的该材料制造技术掌握在中电46所和中科晶电,目前有制造4英寸器件的能力,尺寸不同带来的主要性能影响是电子参数的均匀一致性。在雷达运用中,大尺寸部件减少信号处理噪声,从而带来雷达探测距离上的跃升,目前最好的8英寸砷化镓晶片要比普通4英寸的晶片在性能上优越,带来的探测距离差约为1.07倍左右。而根据美国《大众科学》网站介绍,歼-20目前采取的1475型雷达采用了1856个砷化镓T/R组件,这明显少于AN/APG-77的2200个,由于采取了同一材料,二者的功率差距最大为1.18倍,引起的探测距离差距为1.04倍。晶体材料和数量两种效果累积的总体差距为1.12倍,也就是179~215千米。考虑到三大砷化镓公司中德国的费里伯格公司有可能为中国提供6英寸的砷化镓晶片,因此将差距定为1.07更为合适。

1475型雷达的探测距离可能为187~227千米之间,这和F-22相比略逊。但考虑到这一参数差距不大,在F-22和歼-20对决时,因为双方均隐身的影响,相对于对方的探测距离不会超过187千米。对付三代机时,任何三代机都不可能在187千米时发现歼-20。歼-20从187千米还是201千米发现对手没有太大区别,因此二者在机载雷达对空探测范围上可以认为处于同一水平线。值得庆贺的是,2016年工业头条报道,我国海威华芯已经打通了6寸砷化镓晶体的生产线,这无疑为歼-20雷达未来实现完全国产化提供了条件。

信息获取能力不存在代差

这种系统配备的原则一般是全向配置。无源探测系统可以在对手雷达开机时利用被动探测的方式探测到对手,从而在较远的距离发现目标,这是一种对抗隐形飞机良好的好办法。无源探测系统的能力与己方的雷达接收机灵敏度、信号处理能力与对方雷达的低可探测度有关。F-22配装的AN/APG-77雷达是典型的低可探测度(LPI)雷达,这种雷达可以通过类似通信扩频的方式将雷达能力分散在一个较宽的频段上,并且使用瞬开瞬关的模式减少被对手探测到的概率。

从美军的演习情况来看,目前只有E/A-18G的ALQ-218吊舱曾经成功捕获过这一雷达信号并对其进行反制,但仅有一次。无源探测系统实际上就是一个雷达接收阵列,其灵敏度与雷达制造技术相关,信号处理能力则与算法有关,在这方面歼-20与F-22还有一些差距,但如果使用的是进口电子元器件,则差距基本可以忽略,因此可以认为二者的无源探测系统都不能发现对方的雷达探测扫描信号。但要注意的是,如果对方雷达信号较强(比如锁定信号),且持续时间足够(一般不超过10秒),那么无源探测系统必然能够察觉到。

目前我国的歼-20战机的配装了数据链系统,但具体型号未知,只是从量产版歼-20的照片里可以明显看到机头两侧有数据链天线开口。F-22配装了IFDL机间数据链,这和F-35的MADL数据链不同,其只能在编队内共享态势,因此F-22实际上是一个“信息孤岛”。F-35这类数据链的设计难度很大,且在软件编写上工作量极其惊人,目前还没有看到中国有此类数据链研发成功的消息。保守估计,歼-20目前最多只配备了IFDL数据链或link-16那种三军通用联合战术信息分发系统,这种数据链的低可探测性和抗干扰性都比较一般。意味着F-22和歼-20的外界信息获取能力实际上在一条水平线上,不存在代差。

中距空空导弹和隐身能力的对比

一般认为,配置LPI雷达的战机可以在对手接收到雷达信号之前探测到对手,但如果该雷达开机时间够长,则必然被对手的无源探测系统侦测到。雷达开机时间在探测扫描时可以压缩,使用猝发探测的方式保持低可探测性。在锁定目标时不可压缩,如果持续开机锁定目标达到一定时间界限,则必然被对手侦知,从而反制,开机锁定时间等于雷达锁定后引导空空导弹到主动雷达导引头开机范围内的时间。显然,假设AIM-120D的主动雷达导引头探测距离为30千米,弹目相对速度4马赫,从100千米外锁定对手,需要51秒才能引导导弹到达主动雷达导引头开机位置。这51秒内,对手可以发现LPI雷达锁定并反制。

因此可以认为隐形机在使用中距空空导弹对付目标时,往往射程较近,如果要对付的是隐形目标,则这种情况会更加严重。例如F-22的RCS特征太低,AIM-120D这类导弹的主动雷达导引头可需要在10千米以内才能捕获目标,这就失去了中距作战的意义,但是否意味着二者的中距空战不会发生了呢?

歼-20的隐身性能比F-22弱这是公认的事实,鸭翼、腹鳍、尾喷管都会影响隐身能力。如果取消鸭翼,从外形上看,其机头更加细长,机翼更薄,机头隐身效果不会输给F-22。在飞行过程中,鸭翼需要不断偏转对飞机不断的配平,这就导致飞机的正面RCS上升。考虑到鸭翼偏转角度并不很大,就算偏转到很夸张的45°,形成的RCS镜面反射值也不过在0.01到0.001之间,如果加上吸波材料吸收效果,还将降低一个数量级。尖锐的鸭翼边缘形成的边缘绕射RCS也在0.0001到0.001之间,综合来看,鸭翼对歼-20的隐身性能影响不大。

另外一个可能会影响飞机整体RCS的是歼-20的光电传感器,这是F-22所没有的,该设备位于歼-20机头的下方,是一个菱形的窗口。在机头两侧也有两个光电窗口,与F-35非常类似,这种窗口会影响对飞机的整体隐身性能影响较大。光电窗口的物理尺寸约为十几厘米,会在L波段的预警雷达面前造成较大的回波,在X波段面前则不会太大。使用良好吸波材料后,可以降低10倍到100倍的RCS,达成0.001到0.01这个数量级。总的来说,因鸭翼和光电传感器的影响会让歼-20比F-22的RCS大约高出一个数量级,这在双方雷达互相照射正面时带来大约1.7倍的优势。

此外从整机曲线上来看要比F-35这类战机更加平滑,而F-35也配装有更多的光电传感器,让歼-20在正面隐身能力具有超越F-35的潜力。腹鳍和尾喷管是歼-20的另外一个RCS反射源,腹鳍的加入主要是为了增强飞机的飞行稳定性,这也是不得已的做法。隐身飞机的正面隐身能力是需要重点确保的,增加腹鳍牺牲侧面隐身能力提高飞机的飞行稳定性就可以减少鸭翼配平次数和角度,从而让正面隐身能力得到保证。

腹鳍、尾喷管的侧面和后面都是较大的RCS源头,歼-20量产型使用腹鳍将尾喷管侧面完全遮挡,并且在2016号飞机时就将整体机身后延,包裹住了尾喷管,将会大大减少侧面RCS值。但和F-22相比,其在侧面和后方的隐身能力还有很大差距,对这两个部位不做典型的隐身处理是因为发动机推力不足。实际上如果涡扇-15能够按时配装歼-20,两个问题都可以迎刃而解,这就是歼-20的所谓的B状态。这一推论从量产型和2015号歼-20的区别上可看出来,正是因为采取了AL-31F的改进型,让歼-20的推力增加不少,歼-20的进气道鼓包面积明显增大,让进气道造成的RCS大幅度下降。考虑到涡扇-15可能在2020年前完成研发工作,因此可以认为,歼-20的B状态在各个方向的隐身能力只是稍弱于F-22。

综合以上讨论来看,在中远距空空作战中,F-22凭借雷达和隐身性能的优势可以首先在正面发现歼-20,这一距离差距大约在1.76倍左右。F-22的正面RCS大约在0.001左右,那么歼-20的雷达发现F-22的距离约为33千米(下限)左右,F-22发现歼-20的距离约为63千米(下限)左右。不过F-22为了保持隐身性能,没有配置光电传感器,歼-20保留了这一系统。

苏-27的设计师西蒙诺夫曾认为,飞机的隐身性能不必要做的太低,因为可以确保使用光电传感器时在50千米外发现隐身飞机,具体的发现距离与光电传感器的灵敏度与探测目标的红外隐身性能有关。这里假设采取西蒙诺夫所认为的50千米为歼-20发现F-22的临界值,那么显然F-22就需要在被歼-20发现之前首先攻击对方。前文提及,F-22发现歼-20的距离大约在63千米左右,那么50千米到63千米就是其攻击窗口。

问题是在这段距离内,F-22必须开雷达锁定歼-20,然后引导导弹飞行至少40千米才能打开主动雷达导引头。这段时间导弹需要飞行约半分钟,也就意味着雷达必须持续锁定歼-20达半分钟还要不被歼-20所察觉,这一可能性太小。所以单纯从正面来看,其实F-22并不能对歼-20做到绝对优势,无法利用中距弹对歼-20实施攻击。

不过,F-22可以选择绕到歼-20的侧面对歼-20进行侧向或者咬尾攻击,这时候使用中距弹是非常合适的。如果双方的态势是侧面探测,歼-20与F-22相比还有很大的差距,到了B状态这一问题可能会有所改善。总体来说,F-22只要战术得当,歼-20在中距与其对抗还是有差距。

近距作战的衡量标准

近距离作战能力一般指的是在双机距离20千米以内的作战能力,在这个作战区间内,飞机的态势感知能力重要性下降,机动性重要性上升。对隐形机来说,也还是存在一个谁先发现谁的问题,近距作战先发现并不意味着击落,但可以占据有利态势。总的来说,可以将一架飞机在近距攻防作战时的总的作战过程按照观察-调整-决策-攻击四个阶段进行划分。

在观察阶段,谁首先发现对方就可以确保在第一次攻击时的优势,取决于飞机本身传感器的能力和红外隐身能力。谁最先调整就能首先到达攻击阵位准备或者摆脱敌人的跟踪,取决于飞机的机动性,谁最先决策就能先敌发射或者首先采取电子干扰措施,取决于谁的航电系统更先进,最后是攻击武器和自卫防御武器的性能。

总体而言,影响近距作战的几个指标是:近距作战传感器与红外隐身能力;飞机的机动性;机载计算机的性能;机载近距作战武器与自卫防御武器能力。下文将对这几个方面的能力进行更详细的阐述。

传感器与红外隐身能力稍弱

隐形飞机的近距作战传感器主要有两个,第一是机载光电传感器,第二是飞行员本身的眼睛。实战中,机载光电传感器必然要首先发现目标,其次进入目视交战。从这方面看,歼-20很可能对F-22是有一定优势的,F-22没有配置光电传感器,但这一距离优势会被F-22的雷达性能优势所抵销。在近距对决时,歼-20将利用光电传感器获取比F-22更大的视野,更精确的目标位置参数。而在飞行员目视方面,歼-20和F-22都采取了整体式座舱盖,视野角度非常大。考虑到歼-20本身体积较大,构件较多,目视对手时的死角还是要大于F-22。一旦进入目视格斗,飞行员一般没有精力分别处理光电传感器信息和坐舱外的目视信息,此时F-22就要占据优势。

在飞机的红外隐身处理方面,F-22要优于歼-20,这是因为红外隐身处理方式主要是降温度,尤其是发动机喷口的温度,所有降温措施都会带来发动机推力损失。歼-20A使用的AL-31F发动机本就不堪重负,再使用一些别的措施可能会导致更大,因此歼-20A在尾喷口的处理上并没有采取如F-22那样的喷口遮挡等措施。F-22可以利用歼-20A红外隐身性能一般的弱点,使用AIM-9X更早锁定歼-20A发起第一次近距格斗导弹攻击。歼-20B服役后,这一问题可以得到很大的缓解。

歼-20机动性将占据优势

F-22的机动性处于世界领先位置,这主要是因为其配装了强大的F-119发动机,还具有矢量推进装置,可以进行过失机动。而歼-20A显然因为发动机的原因在这方面要比F-22低一个档次,虽然鸭翼的加入有助于提高飞机的整体机动性,但仍然只是提高了在大迎角下的可操控性,而不是过失机动。因此在两种飞机的近距对决时,F-22可以首先实现机头转向锁定歼-20A。

此外,在决定飞机机动性的两个关键因素:翼载荷(盘旋性能)和推重比(能量性能)上来看,歼-20A的翼载荷为340千克/㎡,F-22为370千克/㎡,F-22稍弱。F-22的正常起飞重量为29吨,歼-20A为25吨,差距在4吨,而两种飞机发动机的推力差距约在60牵牛左右,这足以抵消起飞重量的差距,总的来说差距并不大。如果不开矢量发动机的情况下,歼-20A和F-22的机动性基本处于一条水平线。但考虑到在大迎角时,歼-20A使用鸭翼+边条的增升作用非常明显,F-22则只能使用矢量发动机来承担这一任务,则会导致推力损失比较严重。所以,F-22或许可以实现首先锁定歼-20A,但如果二者进入了持续的缠斗,歼-20A就有可能占据一定的优势了。

机载计算机能力决定了飞机能多快锁定目标,多快完成武器发射准备,弹道计算有多精确,这在近距作战时非常重要。就计算机整体运行性能来讲,F-22的机载计算机水平比较一般,处理能力是每秒50亿次十进制运算速度。可用于雷达的现代图形处理单元的数字信号处理速度已经超出这个速度的10~100倍,歼-20在这方面显然拥有后发优势。但在计算机的具体算法上二者可能还有一些差距,这是因为美军长期使用四代机与四代机、三代机进行对抗演练,工程技术人员和作战人员之间交流频繁,未来歼-20可在这方面逐渐完善。

机载近距作战武器和自卫防御武器的能力

两种飞机的机载近距作战武器主要是近距格斗弹(机炮的偶然性太强,这里不讨论)。我国的PL-10和美军的AIM-9X,两种导弹的离轴角都能达到±90度,机动过载超过50G。从外形和弹径、弹长来看,PL-10的机翼和机身阻力、重量均要大于后者,因此在加速性能和转弯性能上还是有所差距。两种导弹的都采取凝视型焦平面红外成像体制的导引头,AIM-9X为128×128阵列,我国的也为128×128阵列,但两种阵列的灵敏度可能稍有差距。

在自卫防御武器方面,美军F-22配装有红外面源干扰设备,可以有效干扰红外成像体制的PL-10,而我国目前还没有发现该类干扰设备,在这方面,二者是有差距的。从以上几点总体来看,F-22的近距格斗性能还是要由于歼-20的,但歼-20也并非全无机会,F-22的战法更像是三板斧,打完后进入持续近距缠斗就有可能输给歼-20。

三、歼-20的改进建议

经过上面分析,可以得出,F-22与歼-20A作战时最佳战法是先使用雷达首先探测到歼-20A,而后选择从侧方或者后方攻击歼-20A,利用先手优势,先使用雷达锁定发射一枚AIM-120D,但导弹的发射距离并不远。这是考虑到F-22和AIM-120D对歼-20A的探测距离,以从侧方、后方发射导弹时的导弹射程缩减效应导致的,该战法目前没有很好的破解方法。只能等涡扇-15出现后对歼-20A进行进一步的隐身设计完善。

如果双方进入近距,歼-20A的光电传感器有优势,机载计算机处理速度、稳定盘旋有优势。F-22的飞行员视野、瞬时盘旋机动、计算机算法、机载导弹性能和红外隐身能力、自卫干扰能力有优势。总的来看,歼-20A能会遭受数次F-22的先手攻击,而自己在攻击F-22时则总是失效。从中距到近距的连续失去先手意味着空战失败,因此可以说歼-20A目前还不具备和F-22进行对抗的能力。

在涡扇-15配装后,歼-20B可以在雷达隐身和红外隐身上进一步处理,使F-22失去中距作战的空间和近距先发制人的优势。而矢量发动机改装也能够消除F-22的超机动优势,从霹雳-10导弹的性能来看,还是要比F-22大的多,要追赶上不太容易。一个较好的办法是在霹雳-10的基础上加装数据链系统,使其能够与机载光电传感器铰链共享火控信息实现发射后再锁定,充分利用机载光电传感器的孔径和视野优势,从而对F-22实现近距的首先发现,首先攻击,在60G的导弹过载面前,F-22的超机动作用不会太大。

此外,要想将F-22拖入缠斗,使其攻击失效的干扰武器是必不可少的,因此开发并给歼-20B配装红外面源干扰装置必须提上日程表。以上建议总结下来就是下面三点:配装涡扇-15发动机;给PL-10配装数据链;配装红外面源干扰装置。

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