压轴登场 波音公司T-X原型机实现首飞

  • 来源:兵器知识
  • 关键字:波音,T-X原型机
  • 发布时间:2017-02-24 10:08

  2016年12月20日,波音公司与萨伯公司联合研制的T-X原型机在位于密苏里州的圣路易斯生产厂成功地完成了第一次飞行,初步展示了这种全新设计高级教练机的基本飞行性能。

  与美国空军的现役T-38C教练机相比,波音公司T-X教练机有望成为一种机动性更强、使用成本更低和适应范围更广的训练平台,可以充分满足美国空军今后大量培训F-22和F-35战斗机飞行员的迫切需要。作为T-X计划的候选机型之一,波音公司研制的原型机尽管最后升空,但凭借着先进设计理念和多项关键技术,有望在日益白热化的投标竞争中后来居上。

  美国空军急需换装

  波音T-X原型机是专门针对美国空军的飞行员训练要求而全新设计和研制的一种教练机。目前,美国空军全面装备了F-22战斗机,已经开始陆续装备F-35A战斗机。然而,美国空军长期以来身处一种尴尬局面,仍然依靠从总体设计到机载设备都过于陈旧的T-38“禽爪”(Talon)教练机来培训所有战术飞机的飞行员。

  T-38设计于20世纪50年代,最初研制目的是培训驾驶F-105“雷公”(Thunderchief)等第三代战斗机的飞行员。从1961年3月17日正式投入使用算起,时至今日,该机的服役时间已经超过55年,可谓劳苦功高。近年来,T-38C教练机通过航空电子设备和推进系统不断升级,目前仍在美国空军的训练体系不可或缺。尽管该机在当年可以很好地用于培训“百系列”战斗机的飞行员,但是让F-15和F-16战斗机的飞行员通过“禽爪”掌握驾驶第四代战斗机的驾驶技艺已经有些勉为其难,更不用说现役的第五代战斗机了。

  现实情况是,T-38C对于飞行训练和和地面保障来说日益昂贵,并且对于在未来驾驶第五代战斗机的飞行员来说已经力不从心,无法提供一种足够的训练解决方案。结果,美国空军不得不将最初打算在高级飞行员训练中完成的60%训练任务转移到正规训练单位(FTU)和作战中队中,努力解决训练中存在的“代沟”。

  以“猛禽”飞行员为例,美国空军通过把F-22的见习飞行员派遣到F-16训练部队,接受一个短期科目的训练,以适应高过载机动和空中加油。毫无疑问,这种培养高性能战斗机飞行员的方式不仅导致训练成本居高不下,而且额外的训练飞行还缩短了这些先进战斗机的机体寿命。因此,美国空军的当务之急是换装新一代高级教练机,目的是让这些飞行训练任务重新回到高级飞行员培训计划中。

  2008年,美国空军着手启动T-X计划,初步考虑在下一个十年的末期开始采购350~500架新型教练机,用于取代现役的T-38C教练机,预计将花费110亿美元。按照最初计划,T-X教练机应该在2020年投入使用,但由于F-35、KC-46A和LRS-B等优先采购项目已经令美国空军在预算上捉襟见肘,不得不一再推迟T-X计划的竞标工作,直到2011年才开始评估T-X计划的候选机型。2012年10月,美国空军发布了一系列草案文件,用于确定关键性能参数(KPP),为工业界优化各自的初步方案提供参考。

  2015年3月,美国空军确定了T-X计划的最终需求,包括了100个具体性能要求,如燃料消耗量比T-38教练机减少10%、最大起飞滑跑距离为2440米、必须具备空中加油设备。其中,美国空军重点强调了3个方面的要求:持续转弯过载至少达到6.5g,模拟器的逼真度,飞机的后勤保障。虽然最大过载指标设置为6.5g,但是美国空军希望可以达到7.5g,以确保飞行员在接受训练过程中,获得前线战斗机所需的9g空战环境中的能力。

  波音萨伯首次合作

  按照计划,美国空军将在2016年底发布最终的投标要求,预计在2017年选出最终的承包商。除了波音公司与萨伯公司组成的竞标团队外,其它一些承包商也纷纷联手,已经通过全新设计或衍生发展的方式推出了各自的投标方案,目前正在使出浑身解数,在美国空军T-X计划中展开新一轮“厮杀”。

  面对竞争对手的各种方案,波音公司在T-X计划的方案设计阶段曾经举棋不定。最初,波音公司与一些欧洲工业伙伴展开过商谈,为参与T-X计划寻求具有竞争力的方案。然而,波音公司经过充分论证后认为,尽管市场上已经有多种高级教练机可供选择,但是T-X计划有可能需要一种全新设计的教练机。时任波音公司军用飞机分部的总裁克里斯·查德威克表示,现有平台的不足之处在于每种型号都是针对某些特殊需求而设计,无法涵盖美国空军提出的所有能力要求,而通过改进现有教练机来满足美国空军训练需求的成本可能接近于全新设计的成本。

  正是洞察到美国空军对于新型教练机的性能要求,波音公司经过全面评估后,断定投资发展一种全新设计的T-X教练机应该是一个最佳的解决方案,才有可能以一个可以承受的价格为美国空军提供一种期望的训练平台。很快,承担研制工作的鬼怪工厂提出了一种采用单发、菱形机翼和外倾双垂尾的高级教练机概念,前机身与M-346教练机有些相似。

  随后,波音公司做出的一个决定更是令外界大跌眼镜。2013年12月5日,波音公司与萨伯公司在总部圣路易斯签署了一项联合研制协议,着手组建一个强大、高效的研制团队,参加美国空军T-X计划的投标。波音公司十分看好萨伯公司在“下一代鹰狮”计划中展现出的精益制造专长,已经在研制、生产和使用等阶段全面控制了成本,同时也瞄准了F-35战斗机的欧洲用户,看好T-X教练机在国际市场上的发展空间。

  这是两家公司以往军用平台上多次面对面竞争后进行的首次重要合作。双方对于合作充满信心,准备研制出一种平台,不仅能满足T-X计划的性能需求,而且具有一个合理的价格,不会超出预算,可以按时交付。外界据此推测,双方可能会以双座型“鹰狮”为基础发展一种新型教练机,然而,萨伯公司的发言人对此却断然否认,强调此次合作研发的是一种全新机型,与“鹰狮”完全不同,但是拒绝透露T-X教练机是否会以波音公司此前发布的设计方案为基础。

  与各家承包商纷纷推出各自的设计方案不同,波音公司在两年多时间里一直没有公布自己的T-X设计方案,而是不断优化各个细节,力求扬长避短,后来居上。2016年8月,波音公司在网站的T-X页面上发布了一段视频,似乎有意让外界先睹为快,实际上则是为了掩人耳目而释放的“烟雾”。

  在视频画面中,波音公司设计的T-X教练机采用了上单翼、两侧进气道和常规单垂尾。业界注意到,波音公司首度公开的T-X构型与最初提出的V型垂尾概念完全不同,并对即将揭开面纱的T-X原型机充满期待。

  全新平台正式亮相

  2016年9月13日,波音公司和萨伯公司在圣路易斯总部举行了一个隆重的出厂仪式,正式推出了首架T-X原型机,注册编号N381TX,波音公司编号BTX-1。透过梦幻般的背景,外界终于有机会目睹了最后登场的T-X教练机,刹那间仿佛看到了F-22和F-35战斗机的影子,进一步了解到鬼怪工厂在突出机动性和敏捷性方面的良苦用心。

  从总体设计上看,T-X原型机采用了传统的构型,融合了F/A-18“超级大黄蜂”和JAS-39“鹰狮”战斗机的设计特点,甚至还广泛汲取了其它作战飞机的设计长处。从俯视角度看,该机与F/A-18有着明显的相似性,而从前视角度看,它与德埃公司研制的“蝎子”(Scorpion)多用途飞机存在一些惊人的相似之处,尽管后者采用一副大展弦比的平直机翼。就进气道和主起落架的设计而言,该机又让人联想到萨伯公司的“鹰狮”。

  波音T-X原型机拥有一个宽大扁平的“鲨鱼鼻”,在外观上类似于诺格公司早年研制的F-20“虎鲨”(Ti.gershark)和后来生产的F-5E“虎”Ⅱ战斗机的机头。当年,诺格公司当初研制RF-5E“虎眼”(Tigereye)飞机时,在风洞试验期间发现,这种扁平椭圆形的机头消除了原准机存在的方向稳定性问题。

  从气动布局上看,这架T-X原型机在一些局部设计上与“超级大黄蜂”如出一辙。该机采用了一个常规的梯形机翼,具有明显的下反角和适中的前缘后掠角,并且采用了更大后掠角的水平尾翼,同时优化设计了尾翼外段的后缘。

  最明显的之处是,T-X原型机采用了大面积的边条翼。在大攻角和低速状态下,边条翼可以产生一股高速涡流,附着在机翼的上表面,在机翼上表面诱导出平滑、可控的气流,有效地延迟机翼失速。

  机翼外侧安装了前缘缝翼,在其内侧边缘形成了明显的锯齿,可以产生强烈的涡流,有助于避免机翼外段在大迎角下出现气流分离,从而增强飞机的可控性,并减小高速下的诱导阻力。机翼后缘的内侧设计有大型襟翼或襟副翼,没有明显的外侧副翼。

  机翼与边条翼结合处还安装了两个小型扰流片。通过阻挡沿翼展表面流动的气流,可以防止整个机翼同时出现失速。这种设计类似于在M-346教练机上安装在大致相同位置的小型鳍片,作用是捕获和控制由边条翼在大迎角状态下产生的涡流。

  与其它承包商的设计方案都采用单垂尾有所不同,波音T-X原型机采用了外倾的双垂尾,从结构上看会增加重量,但是在大迎角下可以提供优越的飞行控制,特别是当它与边条翼组合时,可以充分利用其产生强大的边条涡,并且在空中加油过程中会更加安全。

  在推进系统设计上,T-X原型机充分借鉴了“鹰狮”的设计。从外部可以看到,机身两侧设计有简单的进气口,装有突出附面层隔板,可以阻止低能量的边界层气流进入发动机。沿袭同样的设计理念,波音公司为T-X教练机选择了单发设计,配装了一台F404-GE-402加力式涡扇发动机,加力推力为78.89千牛,不仅可以使T-X教练机达到或超出设计要求,还具备一定程度的推力增长潜力。

  座舱设计至关重要

  对全部T-X计划的竞争者来说,驾驶舱将成为一个集中关注的焦点,不只是在人机工效学方面,还涉及到未来的发展空间,以提供飞行学员今后将在F-35战斗机上遇到的各种传感器和人工智能系统。

  与F/A-18系列战斗机不同的是,T-X原型机采用了外形更加接近球状的座舱盖,为飞行员和飞行教官提供了一种类似“体育场座位”的驾驶舱。这个术语反映出相对适中的串联式驾驶舱设计,旨在为后座上的飞行教官提供更好的视野。但是,一些人也表示,驾驶舱不像曾经想像的采用了阶梯式布局,可能代表了一种妥协,目的是降低气动阻力。

  前、后驾驶舱采用了整体式座舱盖,借助5个铰链将其连接在座舱的右侧,前部则是一个圆弧形风挡。考虑到弹射顺序,驾驶舱后座上方的座舱盖内专门安装了嵌入式微爆索,确保后舱教官的弹射出舱后再抛掉座舱盖。

  波音T-X教练机的真正优势在于驾驶舱的尺寸。它被设计成适合于联合初级航空训练系统(JPATS)包括的所有7种人体测量的情况,即代表了极端预期的飞行员申请者及其飞行教官的多变量比例的极限值,范围涉及到在身高1.63~1.95米、坐高为0.86~1.02米、体重在72.5~104.7千克之间。

  据称,T-38教练机曾经被描述为“进入战斗机前不得不经历的瓶颈”,因为它不能很好地适合于小个头的飞行员,给他们带来了视野受限、脚不易蹬到方向舵踏板和手臂不易操纵控制等问题。而且,鬼怪工厂通过调研还了解到,曾经驾驶过韩国T-50教练机的飞行员们认为,它的驾驶舱相当狭窄和拥挤,因此,波音公司希望全新设计的驾驶舱能够增强T-X原型机的竞争力。

  T-X原型机采用一种全景式数字化驾驶舱,前方为一个大面积显示器(LAD),具有整洁、直观和可重构的优点,在设计上类似于F-35战斗机。该显示器可以根据需要灵活配置成类似F-22战斗机和F-15等老旧战斗机的独立式显示器。据推测,T-X教练机的机组成员在未来还将使用某种类型的头盔显示系统,至少在他们接受培训的后期阶段。

  同时,驾驶舱还包含了一个嵌入式训练系统,通过一种开放式架构软件,可以实现教练机与相关的地基模拟训练系统之间互相传输数据。此外,该机还将在驾驶舱内设置一个侧面操纵杆,满足训练需要。

  该机还安装了一个小型平视显示器(HUD)。实际上,尽管F-35战斗机并未采用平显,但其它型号的战斗机仍然采用大型广角显示器,特别是考虑到未来的出口市场,波音公司认为仍然有必要安装一个平视显示器。

  波音公司将努力研制和生产一种可以模拟现役战斗机的操纵、感觉和独特功能的平台。在其T-X原型机的后机身背部设计了一个明显的标记,未来将安装为通用空中加油插座滑轨安装座(UARRSI),从而允许配备有探管加油杆的美国空军加油机为其进行空中加油。

  萨伯公司鼎立相助

  实际上,美国空军T-X计划并非仅仅换装一种新型教练机,而是全面升级先进飞行员训练体系,需要打造相配套地面模拟训练系统和提供维护保障服务,而选择一种T-X教练机只是其中的核心部分。

  在出厂仪式上,鬼怪工厂的总裁达里尔·戴维斯强调,波音公司的设计旨在满足美国空军的T-X要求,但一般不会超出这些指标,尽管飞机被认为是一个灵活的设计,能够随着技术、任务和训练等需求的变化而不断发展。

  波音公司一直强调其生产经验和节省成本的可信度,其在美国空军服役的大多数前线飞机上发挥了关键作用,而波音商用飞机已经有代号“黑钻石”(Black Diamond)的秘密制造技术计划,率先将一些可以削减成本的制造技术和先进材料应用于批生产中,不断地降低新型客机的生产和使用成本。

  令外界有些不可思议的是,波音公司在不到三年时间里就实现了T-X原型机的出厂,时隔3个月就顺利升空,比通常的研制周期缩短了一半以上,可谓是新型飞机研制的一个经典范例。其中,作为波音公司T-X项目的首要合作伙伴,瑞典萨伯公司功不可没,成功地再现了当年设计和研制“鹰狮”验证机的过程。

  从T-X计划来看,萨伯公司的参与进一步增强了波音公司在成本控制方面的优势,这主要得益于其在研制“鹰狮”E战斗机过程中降低生产成本方面的创新。萨伯公司的工作不仅包括设计、研制和生产,同时还承担后勤保障和市场销售。在研制过程中,该公司不仅带来了广泛的专业知识和技术细节,还提供了大量可以利用的“鹰狮”的子系统。戴维斯暗示,萨伯公司主要提供中机身和后机身,波音将负责机翼和尾部等结构。

  2016年6月14日,互联网上突然出现的几张照片,从一个侧面反映出萨伯公司借助精益制造技术快速生产机身部件的效率。当天,伏尔加-第聂伯航空货运公司的一架伊尔-76运输机降落在瑞典林雪平附近的机场,地面人员将一个看起来像后机身的大型包装部件装入货舱,运抵美国圣路易斯的波音公司生产厂。一时间,这些照片引发了外界的关注:这个部件是T-X原型机的机身?T-X原型机已经制造完成?似乎在时间上有些难以置信。

  3个月后,波音公司给出了答案,首架T-X原型机正式出厂,并许诺将在年底实现首飞。12月20日,试飞员史蒂文·施密特和丹·德拉格驾驶这架原型机爬升到3352米高度,在持续55分钟的飞行中先后测试了它的操纵品质和飞行速度等关键性能,最大速度达到426千米/小时。

  尽管升空时间落后于大多数竞争对手。但施密特表示,波音/萨伯研制团队有足够的信心扩大T-X原型机的飞行包线,搜集到美国空军所要求的飞行数据。目前,试飞团队正在马不停蹄地实施各项飞行测试,以便在2017年6月30日前向美国空军提交相关材料。

  长远来看,赢得T-X计划的团队不仅是获得一项价值不菲的合同,为美国空军制造350架新型教练机,培训第五代战斗机的飞行员,同时还有机会在未来数十年内稳稳占据国际教练机市场。在这场强手如林的T-X计划竞争中,波音公司的T-X原型机能否凭借着全新的设计理念和较低的生产成本,在多个投标方案中脱颖而出,目前还是一个未知数。

  文/温杰

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