东瀛魔翼

日本“心神”验证机到真正五代机的距离有多远

近日，日本高调公开了其最新一代验证机“心神”的照片和视频资料，其中不乏一些颇有价值的内容。虽然现在的“心神”距离真正的五代机仍然很遥远，但作为验证机，它所揭示的发展潜力仍然值得我们密切关注。

研发定位

尺寸和吨位一直是影响战斗机造价的关键因素之一。按照一般规律来说，战斗机越小，其结构制造费用也越低；更轻的重量可以让战斗机选用推力更小、价格更低的发动机，而且耗油率上的经济优势会在批量装备以后的使用中体现得极为明显。这也是第二、三代战斗机中都不乏空重控制在6～7吨内的轻型飞机的原因所在。

但是，过小的尺寸吨位也会对飞机的作战性能带来很大的负面影响：飞机没有足够的机身内部空间装载燃油和电子设备，挂载的武器重量和数量也有严格限制。尤其是对于第五代战斗机来说，“轻型五代”这一概念实际上不可能存在，因为在工程技术上已经无法做到。无论是隐身性能的雷达反射特征控制要求，还是强化超音速飞行持续能力的低阻力要求，都迫使五代机必须采用弹仓内置武器设计。如果飞机没有足够大的尺寸和吨位，根本无法在机身内安排出足以容纳多枚空空导弹、精确制导炸弹的空间用于设计弹仓。在某国对于新一代战斗机的探索研究过程中，设计人员曾经对低成本型五代机的吨位尺寸控制做过较为深入的研究。方案迭代的结果显示，10吨空重已经是五代机的下限；这个数字是在飞机采用重量最小的无尾三角翼布局，放弃超机动能力和损失一部分短距起降能力后才得到的结果。

对于日本的战斗机研发来说，它的作战环境和假想目标都非常明确，就是在东海、日本海上空与俄罗斯、中国的战斗机交战，并具备打击上海等中国东部沿海地区、俄罗斯远东边界地区的能力。这种背景要求下，日本新一代战斗机在执行对地攻击任务时，作战半径至少要达到800千米以上。从“心神”来看，日本新一代战斗机采用了常规布局设计。由于多出一对平尾和飞机长度要更大等因素，其重量比无尾三角翼布局要高不少。即使是考虑到日本领先世界的材料工艺，可以通过高比例的先进复合材料大幅度减轻结构重量，其空重至少也要接近12吨才能满足要求。但是根据现有信息，“心神”样机的起飞重量也不过8吨左右，空重甚至不到6吨，显然与此标准相差极大。笔者认为，“心神”样机尺寸特别大、明显属于双座设计的座舱盖，是解释这一矛盾的关键所在。

和单座飞机相比，双座飞机会在性能上出现很明显的损失：飞机不仅需要付出很大的重量代价来安装多出的弹射座椅、仪表台、更大面积的座舱盖等设备，还损失了相当可观的原本用于装载燃油的机内空间。事实上，随着航电系统的高度综合化、自动化，1名飞行员就足以驾驶战机执行复杂的作战任务，这也是美国、中国、俄罗斯现有五代机均无双座设计的根本原因。“心神”样机采用双座设计，吨位尺寸又特别小，这就只有一种解释：现阶段的“心神”既是承担气动外形/飞行控制系统试飞任务的验证机，同时也是日本新一代教练机的原型机。这实际上是一种很聪明的策略，进可攻退可守。无论将来政治局势对“心神”项目如何影响，日本都不会彻底荒废掉这一项目的投资和技术成果。

在顺利的情况下，“心神”样机试飞完成后，会进一步投入全尺寸战斗机型的研制。事实上。这就是照抄F-35战斗机的发展经验——最早的X-35验证机吨位和尺寸都比今天的F-35小很多，而且同样没有内置弹仓。如果我们仅以现在的样机来评断日本“心神”的未来水平，那么就和用X-35来评断F-35的作战性能没有两样了。即使是项目发展不顺，日本也会将现有的“心神”样机稍加修改——比如去除矢量推力结构后投入批量生产，作为新一代高级教练机使用。

气动布局

日本在“心神”上采用常规布局设计和F-2战斗机有很直接的关系。F-2战斗机是三菱公司与洛克希德·马丁公司合作研制的产品，实际上就是在美国提供F-16设计技术的支持下，日本半仿半研而成的放大改进型号。在F-2的研制过程中，三菱公司掌握了常规布局三代机的关键设计技术，比如边条翼的涡流增升设计、电传控制技术，为今天的“心神”验证机奠定了基础。

“心神”在气动布局的总体设计上接近F-22，但是在机翼与尾翼的核心设计上却截然不同。F-22采用棱型平面机翼设计，机翼的后缘带有很大的前掠角度；这不仅使机翼获得了更好的强度和刚度特性，而且机翼与机身的连接长度大大增加了，机翼受力能够更多更均匀地分担给机身。在机翼大幅加长以后，为了避免平尾向后超过喷管太多，引起重量的大幅度增加，设计人员将机翼的襟翼内侧切除了一个缺口，使平尾的前端正好切入进来。

切入式平尾设计使F-22不仅避免了严重超重的窘境，而且紧凑的外形也为侧向隐身和减低整体阻力带来了非常优越的性能改善。但这一设计也存在严重的弊端：经过前机身和机翼的气流对平尾的干扰特别严重，这使F-22在俯仰控制时的非线性问题特别严重，并引起了一连串的问题，包括坠机。后来F-22电传飞控软件经历过反复多次更新，与此关系极大。

俄罗斯T-50在机翼、平尾的设计上很大程度参照了F-22，其优缺点都大体类似。所不同处在于，由于在气动研究和飞行控制领域上差距较大，俄罗斯人需要额外在进气道前沿设置可动边条，以便对涡流升力进行主动控制，从而有效削弱俯仰控制的非线性问题，保证飞行安全。

“心神”选择梯形机翼，缩短了机翼根部的长度；这样可以在飞机长度不增加的情况下，保证平尾与机翼之间不直接干涉。虽然这种设计是典型的三代机水平，而且对于机翼的结构特性和整机寿命没有什么贡献，但是大幅度减小了飞行控制上的风险，应该说是一种比较务实的做法。此外，在进气道设计上，日本此次公布的视频中采用了模糊处理。此前“心神”全尺寸模型上采用的加莱特进气道已经公开过，并无保密必要，因此本次样机采用了DSI无附面层隔道设计的可能性很大。这种进气道现在已经得到了广泛使用，除了重量优势特别明显外，在隐身上也优于F-22和F/A-18E/F的加莱特进气道；虽然进气道上下边沿与机身侧面的夹角会形成反射特征点，但这与加莱特那种附面层隔道形成的深腔效应反射相比简直不值一提。不过，日本现阶段对DSI进气道的优化能力到底如何，目前只能存疑。endprint

在气动布局的其他方面，“心神”做得较好：整体流线相当简洁、流畅自然，不仅在机身各平面的过渡上找不到处理不良的地方，而且在后机身的面积分布和收缩过渡上处理的也不错。与其相比，“鹘鹰”的尾撑在机翼下方形成带有强反射特征的直角棱边凸起，不仅后机身面积过大，还需要设置尾锥来减弱尾喷管之间的干扰阻力。

从整体设计上来评价，“心神”现阶段的气动布局设计是比较合理的；虽无惊才绝艳的亮点，却胜在没有什么错误。如果“心神”在放大以后还能保持这种水平的话，它将具备较大的性能潜力；只要设计方优化到位，在RCS、阻力、升力性能上都能做出不错的表现。

飞控系统

从日本公布的采访视频来看，“心神”项目的论证过程中始终将超机动能力放在一个很重要的位置，这无疑会对其飞行控制系统提出很高的要求。

对于飞行控制系统的动力部分来说，飞机的大部分活动部件，比如水平尾翼、襟副翼、方向舵这些都需要液压系统来进行驱动；液压系统的功率越大，舵面偏转的速度也就越快，飞机反应便越敏捷，越适合超机动飞行。比如F-22的液压系统总功率达到560千瓦，是F-15的两倍。而根据某国《2008—2009年航空科学技术学科发展报告》中公开的研究进展和性能指标进行推测，“威龙”的液压系统总功率应该在600千瓦左右。

在功率指标越来越高的情况下，为了减小液压系统的体积和重量，对于第五代战斗机来说，液压系统的工作压力从210千克/平方厘米提升到280千克/平方厘米已经是通行的设计标准，F-22、“威龙”、T-50的液压系统都是采用这个标准作为恒定工作压力。日本作为传统的液压强国，泵、阀、密封件等关键环节上一向技术先进，要做到这点不存在任何难度。

实际上，因为设计时间的差异，五代机的技术并不一定就全面比所有的三代机先进。比如F/A-18E/F液压系统采用的就是210～350千克/平方厘米的可变压力工作体制，一般飞行情况下使用低压，而进行高机动飞行时自动转换到最大压力。“心神”的液压系统是和目前五代机一样采用28兆帕恒压工作体制，还是采用35兆帕的智能变压工作体制，还要等将来日方披露信息后才能知晓。

而对于负责信号传输处理的电传部分来说，“心神”很有可能采用3～4余度数字电传系统，无模拟电传备份。这基于两个原因：首先，现代数字电传系统的可靠性已经非常高，保留额外的备份系统没有必要。其次，采用先进气动设计的现代战斗机本身控制律就较为复杂，而且研制过程中反复修改调参更是无法避免的现象；要在软、硬件修改无法分离的模拟电路中完成这些工作，技术难度非常高，无谓花费的人力、时间、财力代价都太大。

“心神”样机从一开始就具备矢量推力系统，日本官方宣传视频中也刻意强调了超机动飞行能力。通过这两点分析，“心神”的电传功能肯定会包括建立在飞行控制系统、发动机控制系统交联基础上的过失速区域控制能力。考虑到某国目前受限于发动机问题，“威龙”尚未使用矢量推力发动机，日本甚至有可能在一些关键技术上比该国更早开始试飞探索。

在F-22和JAS-39的时代，由于设计手段和设计人员的思维习惯、技能传统所限，飞机控制律编写都是在传统的单回路设计方法上展开的。其设计难度大，而且效果越来越不能满足先进气动设计飞机进行复杂机动飞行的需要。日本在数学和自动控制理论领域一向有非常高的水平，“心神”在控制律设计中应用新的多变量控制理论，对飞控进行系统化的多变量、多回路综合处理将会是必然选择。

但是，电传飞控的特殊之处在于，控制律软件其实本质上就是设计单位将飞机气动设计以数学形式展现出来，即所谓的飞控气动一体。但是，现阶段气动水平研究仍然非常有限，对于过于复杂的流场（比如过失速下机翼气流分离后的状态）无法进行模拟计算，这一方面只能依靠风洞试验和实际试飞的反复经验积累来指导气动、飞控的设计修改。因此，就算在先进设计方法、工具上日本并不欠缺，甚至在具体性能比“猛龙”等新型先进战斗机所应用的还要好一些，最终控制律的设计水平高低，依然极大地取决于研制单位的经验积累程度。在这一方面，日本的三菱公司要远远落后于某国的相关研究所。

总的来说，“心神”飞行控制系统的硬件系统和指导理论、设计工具都将会是相当先进完善的，但具体的性能仍然要以实际试飞为准。而且对于日本来说，要将“心神”的飞行控制发展到他们预期的完善程度，将是一个非常漫长而艰巨的任务。

结构设计

日本在现代战斗机结构制造上一直拥有着非常高的水平。比如在重型三代机的生产能力突破上，日本生产F-15J/DJ就要远远早于某国的“侧卫”系列。在这个过程中，日本掌握了非常强的钛合金加工能力。

作为冷战时期美军在越战遭受巨大损失后不惜血本搞出来的主力制空机型，F-15在结构设计上很少考虑成本问题。在F-15机体材料中，钛合金比例达到26.5%，而且这些关键的承力部件往往制造难度非常大。比如F-15机身承力隔框就是用6AL-4V钛合金在3.5万吨锻压机上锻造的，宽度达到3.05米。在其中心腹板的厚度只有1.5毫米的情况下，腹板两侧筋条厚度1.3～2毫米，高度却达到64毫米。腹板两面的凹槽共计42个。然而，形状如此复杂的承力构件，精加工余量却只有2.3毫米，加工难度之大远非苏-27可比。

然而，F-15J/DJ毕竟只是美国授权日本生产的产品，对于提升日本的自主设计能力帮助不大，这种局面在F-2战斗机研制时得到了改观。二战以后，日本航空并未像德国一样一蹶不振，而是迅速复苏并自行研制了多款军用飞机。有了这些设计经验作为基础，日本在F-2研制过程中很快就吃透了F-16的相关设计规范，不仅掌握了传统金属材料结构的损伤容限设计等三代机结构技术，而且还利用自身全球领先的化纤水平优势，为F-2更换了复合材料机翼。

虽然此后日本一直没有开发过新的战术飞机，但是在航空复合材料结构设计制造上，其积累经验、探索先进设计理论的脚步却从未停止过。日本拥有世界上最顶级的高性能纤维和基体材料提供商，他们在与各大航空企业合作的过程中既是原料提供者，又是复合材料结构的代工制造者，也是相关设计研发的参与者，同时更是复合材料结构出现失效后的反馈信息接受者。在飞机的复合材料结构设计制造领域，日本有着极强的技术能力。endprint

这些能力现阶段并未直观地体现在“心神”验证机上。根据日本公布的视频来看，这架验证机为了降低成本，几乎没有使用复合材料结构，绝大部分结构都是铝合金材料。但可以肯定的是，如果“心神”能继续发展去下，它在结构设计制造方面不会遇见大的难题。

发动机选择

“心神”在发动机上最为引人瞩目的外形特征，就是采用折流板结构的矢量推力控制系统。这种系统由于结构简单可靠，易于实现，以往也常用在验证机上，比如著名的X-31验证机。但对于装备型号来说，折流板对于发动机的推力损失太大，自身形成的超音速干扰阻力又太高，极不适合于超音速飞行，因此从未实用过。

基于正常的技术规律来说，笔者可以肯定在未来的更为成熟的“心神”上，其矢量推力结构必然要更换为类似苏-30MKI的轴对称偏转喷管，或者类似F-22的二元喷管设计。然而问题的关键也在这里，“心神”在发动机上究竟有多大的选择余地？

“心神”现阶段使用的是全重644千克的小型涡扇发动机。根据日本公布的结构示意图，以及日本发动机引进历史来看，其基本设计应该是源于英、法联合研制的阿杜尔发动机。通过改善结构，比如增加风扇和压气机的级数；使用先进的材料减重，并达到极高的1900K涡轮前温度，“心神”发动机的最大推力从不到3.5吨增加到了5吨。可以肯定的是，这台小发动机受基本结构和尺寸所限，不可能再有大幅度的推力增加。

然而，10吨的最大推力绝不可能承担起一款真正五代机的动力要求。对于“心神”的未来发展来说，目前看起来有一定可行性的唯一途径，就是在F-2战斗机所采用的通用电气F110-GE-19发动机基础上进行仿制改进，增加矢量推力结构。这款发动机日本不仅使用维护经验丰富，而且本身就具有一定的生产组装能力。如果这一假设成真，在具体的矢量推力结构选择上，虽不能确定日本人的观点如何，但至少他们制造具备实用水平的两元喷管应该不成问题。根据俄罗斯中央空气动力流体研究院撰写的《超音速飞机空气动力学和飞行力学》所述，苏联早年在矢量推力的选择上更倾向于两元喷管，因为喷管和后机身一体化设计带来的高速减阻效果十分优越。但是，在关键的耐热陶瓷材料上苏联始终无法突破，体积太大、重量超重数百千克以至于毫无使用价值。

不过，当“心神”达到这种高度时，必然会对美国F-35形成非常严重的冲击。即使日本不对外销售“心神”，仅仅是F-35对日销量的萎缩，也会对美国造成严重的经济损失和干预能力下降。已有的事实证明，美国在这方面是非常敏感的。比如挪威在F-35与JAS-39改进型号犹豫的过程中，美国就通过停止向瑞典提供相关雷达部件的措施来破坏瑞典和挪威的交易。也难怪很多人认为，“心神”在很大程度上是一款政治型号，只是向外宣示日本军事发展决心和实力，而且又能在美日军贸中为自己添加重量的一个砝码。

当“心神”从现在的验证样机发展成完全体的中型甚至重型五代机时，它的性能将会达到怎样的程度？美国会支持日本发展到哪一步，最后能否容忍定型的“心神”战斗机出现，冲击F-35的对日销售？目前披露出来的信息仍然太少，我们只能在保持警惕的同时，静观后续发展。

（编辑/一翔）endprint