蓝天三剑客-浅谈三种双发高教机

在世界各地的航展上，人们会饶有兴致地看到三架很相像的高级教练机：俄罗斯的雅克-130、意大利的马基M-346、中国的洪都L-15。但仔细观察，这三架飞机都有一些不引人注目但很重要的差别，这是为什么呢？这三兄弟怎么样，像不像？教练机是用于训练新飞行员的，高级教练机用于训练高级学员，但依然需要便宜、可靠、操控平和、耐粗暴操作、具有很高的出动率，而对续航时间、航程、载弹量的要求不高，对机动性的要求也和战斗机不可同日而语，就象优美的体操跟斗和迅猛的武术跟斗之间的差别一样。除了训练基本飞行技能，高级教练机也扩展到训练战斗机的基本战术动作和武器使用技巧，这就是所谓的战斗机导入教练机（LeadInFighterTrainer，简称LIFT）了。由于教练机的使用费用较低，高级教练机也用来帮助已经不在第一线做日常飞行的老飞行员保持飞行技能，飞行和武术一样，需要“拳不离手”。所以教练机的作用超过航校，远及战斗部队。M-346的座舱已经高度玻璃化了，比先进战斗机也差不到哪里去除了基本的飞行仪表，即使高级教练机也不需要太复杂的电子设备，所以大多不装备雷达、红外等战斗机必备的系统。超音速对飞机和发动机的要求较高，提高了造价。但随着航空技术的进步，超音速飞行不再是一个关口，对于飞行员的操作不再有特别的要求，基本上就是多推一点油门的问题，所以传统高级教练机大多不要求具有超音速性能。这些要求决定了典型教练机的基本布局：

常规布局：技术成熟，造价较低

单发动机：重量轻，省油，造价较低

中等偏小后掠角的机翼：高亚音速或者跨音速飞行不需要太大的后掠角

下单翼：缩短起落架的长度，降低重量，降低造价

高垂尾：提高方向稳定性和螺旋改出能力，提高大迎角下的操控能力

前低后高的串列双座：改善教官的前方视界，培养学员的独立操作能力高级教练机世界里的长青树英国的“鹰隼”式就是这样的一架飞机，70年代问世以来一直在世界上广受好评，至今畅销不衰。但雅克-130、M-346和L-15打破了这个高级教练机气动布局的常规。三十多年来，英国“鹰隼”式教练机一直是世界上高级教练机的标杆雅克-130、M-346和L-15依然是常规布局，保留了高垂尾、前低后高的串列双座和中等后掠的机翼，但改用双发动机和中单翼，这是由新时代对教练机更高的要求决定的。第三代战斗机特别强调机动性，采用静态不稳定的气动设计、电传飞控和用大屏幕显示器代替传统仪表的玻璃座舱，这些特点在很大程度上影响了新一代高级教练机的设计。第三代战斗机的典型包括F-15、F-16、F-18、米格-29、苏-27等，这在俄罗斯被称为第四代，现在美国也改口称第四代，但在中国还是被称为第三代。传统高级教练机用于基本飞行训练依然很合适，改装玻璃座舱后也可以帮助学员及早适应现代战斗机的座舱环境，但由于基本技术的局限，已经难以使学员体验第三代战斗机的电传飞控和大迎角飞行。在冷战时代东欧国家“社会主义分工”体系下，捷克负责高级教练机的研发和制造，苏联和华约空军大量采用捷克的L-29、L-39教练机。90年代初，苏联空军正在大量换装米格-29和苏-27，老旧的捷克教练机已经不能达到训练要求，同时面临大量教练机老化需要更新的问题。这时适逢苏联和华约解体，俄罗斯为了肥水不流他人田，决定自己研发教练机，大迎角飞行、可变稳定性的电传飞控和玻璃座舱成为主要的设计要求。雅克福列夫设计局的雅克-130最终入选，成为俄罗斯的新一代高级教练机，并得到阿尔及利亚、越南、利比亚等国的采用。F-18是第一架采用大边条的战斗机，这是边条引起有利涡流的计算机仿真图像大迎角飞行时，大边条为发动机进气提供预压缩作用，帮助发动机正常工作大迎角飞行有两个问题。一是提供足够的升力，推迟机翼失速；二是为发动机进气提供可靠的预压缩，保证可靠进气和发动机的正常工作。第三代战斗机广泛采用的大边条一箭双雕，一方面形成有利涡流增加升力，另一方面“兜”住迎面气流，保证稳定进气。但大边条迫使进气口采用翼下或者翼根的位置，翼上进气口不仅不能得到进气预压缩的作用，还可能由于处在大边条引起的低压区内而导致进气障碍。雅克-130采用了大迎角和翼根进气口，欧洲的MAKO和韩国的T-50（和苏霍伊T-50战斗机同名，但两者是孙二娘和林冲的差别）也采用了类似的布局。翼根进气决定了雅克-130不再能采用下单翼，退而求其次采用中单翼翼根进气口决定了不再能采用下单翼，所以雅克-130采用了中单翼。下单翼从机体底下贯穿，机体“坐”在机翼上，重心高于横滚的支点（也就是机翼和机体的对接点），有天然的欠稳定趋势，所以通常机翼适当上反，也就是说，翼尖上挑，以补偿这个欠稳定趋势。上单翼从机体顶上贯穿，机体“吊”在机翼下，像重锤一样，有天然的过稳定趋势，所以机翼通常有所下反，也就是说，翼尖下垂，以抵消过稳定趋势，改善机动性。中单翼在机体中间“贯穿”，实际上是两侧机翼结构对接在机体框架上，在结构上不如上单翼或者下单翼的贯穿结构简洁、坚固、轻巧，但在横滚稳定上是中性的，在气动上也避免了两者需要机翼上反或者下反的问题。机翼上反或者下反都使升力矢量偏离垂直，机翼的升力效率有所损失，在产生同等升力的情况下阻力有所增加。不过中单翼较难采用翼下起落架，通常只能用较重、较复杂的机体下的外八字起落架。现代战斗机大多采用中单翼，雅克-130符合这一潮流。出于缩短尾喷管的考虑，喷管缩到“腋下”由于不要求超音速，机翼前缘后掠不大，只有30度，翼尖放弃原先的小翼设计，改用固定的翼尖挂架，既作为机翼的颤振阻尼，又增加了一对武器挂架发动机是教练机上除机体外重量最大的部件。由于没有雷达或者沉重的电子设备平衡重心，不要求超音速飞行也使得进气道设计比较简单，可以使用短直的进气道，教练机通常将发动机适当前移，靠近升力中心（对于平直翼或者后掠角较小的机翼来说，通常就是翼根之间），便于稳定性和机动性的综合考虑。由于发动机靠前，喷管位置也靠前。如果需要像战斗机那样在机尾喷气，就需要加长喷管，增加重量；在中机身侧下直接喷气，尾梁结构需要防热处理，但重量增加相对较少，所以教练机经常采用这样的“腋下”喷气，雅克-130也不例外。雅克-130的30度后掠的梯形机翼在教练机世界里属于主流型制。教练机的最大速度一般不超过跨音速（从高亚音速到略微超过音速），但对中低速机动性的要求很高，所以教练机机翼的后掠角都不大，太大的后掠角损失低速性能，更小的后掠角则增加阻力。不过雅克-130的机翼在原始设计的时候有一对相当高大的翼梢小翼，不仅减少翼尖绕流带来的阻力，增加机翼的升力，也增加大迎角时的方向稳定性。但在试飞中，翼尖的强烈颤振竟然使得翼梢小翼断裂脱落。雅克福列夫面临一个难题：要么不惜增加重量以大大增强翼尖和小翼的强度，要么放弃小翼。最后雅克福列夫决定放弃小翼，降低技术风险和增重的问题。雅克福列夫先是直接截掉雅克-130的翼尖，后改用像苏-27那样的翼尖挂架，同时解决颤振阻尼和武器挂架的问题，但在气动性能上有所缩水。雅克-130在机翼和平尾上同时采用前缘锯齿。后掠翼的一大问题是后掠角导致机翼上气流的展向流动问题，导致升力或者控制力矩损失。翼刀和锯齿是两种典型的控制展向流动的手段，但在平尾上使用锯齿是比较少见的，反映了雅克-130特别强调中低空中低速机动性的特点。雅克-130最一反常规的地方是采用了两台克利莫夫AI222涡扇发动机。教练机大多采用单发，以减轻重量，降低造价。但双发的推力大，可靠性好，耐粗暴操作好，还可以用来训练空中发动机停车重新启动的科目，特别适合于对性能要求较高的教练机使用，尤其是LIFT这样要求较高的教练机。推力大不仅使起飞距离短、加速快、爬升好，而且可以用蛮力在大迎角机动时推迟机翼失速的产生，大大提高稳定盘旋性能。双发的大推力也使雅克-130具有较大的战术潜力，可以挂载较多的武器，加装先进的电子设备，作为低档战斗机和攻击机使用。韩国T-50和欧洲MAKO采用单发，但他们有省油、可靠的美国通用电气F404/414涡扇发动机可用，俄罗斯只有可靠性和耗油率都不怎么样的克利莫夫RD33可用，采用单发就不合适了。但是，90年代是俄罗斯经济极端困难的时代，雅克福列夫无力完成工程开发，只好向西方寻求合作，意大利的马基飞机公司加盟，负责将雅克-130提升到西方标准，包括换装西方发动机和航电。马基还获得向西方和除俄罗斯、独联体外的世界其他地区销售的权利。马基是意大利老牌的教练机制造厂家，在西方和亚非拉有不错的口碑。90年代的西方也面临教练机升级的问题，马基缺乏合适的产品，也没有足够的财力和技术独立研制，于是和雅克福列夫一拍即合。雅克福列夫和马基很快就因为种种原因分手了，但马基在分手前获得雅克福列夫的全套设计，以此推出了马基M-346，所以和雅克-130相似就不奇怪了。事实上，两者的主要几何尺寸是等同的，起飞重量也基本相同。雅克福列夫的困难被马基捡了便宜，假合作为名推出了M-346M-346最大的特色是翼根的一对小翼，用于控制涡流的位置除了采用霍尼韦尔F-124涡扇发动机和全套西方航电，M-346和雅克-130最大的差别在于翼根上表面一对竖立的小翼。这对鲨鱼背鳍一样的小翼很是特别，在五花八门的飞机世界里很是独特。雅克-130的基本设计采用了大边条、高垂尾和翼梢小翼，但取消翼梢小翼后，马基对大迎角飞行状态下的方向稳定性不放心，特意增加了这么一对小翼，将大边条产生的涡流导向垂尾两侧，增加垂尾的作用。马基无意也无力做大改，只有采用这样的止痛膏设计来弥补。M-346也回到雅克-130截掉翼尖时的状态，没有翼尖挂架，降低阻力，颤振用加强机翼刚度来解决，增加的重量和取消翼尖挂架所降低的阻力相抵。少了一对武器挂架反映了M-346不如雅克-130那么强调以作战飞机为副业的特点。M-346也取消了平尾的前缘锯齿，减小阻力。F-124的推力达到27.8千牛，远远大于雅克-130的AI222的21.6千牛，所以最大速度可以勉强超过音速（结构极限速度为M1.2）。说到F124，这是台湾IDF战斗机所使用的F125的非加力版。作为战斗机，IDF只有教练机级别的发动机推力，其性能之惨可想而知，但这是题外话了。进入21世纪，中国空军迅速换装第三代战斗机，也面临着以米格-21为基础的歼教-7已经不适合飞行员训练的局面，以研制在现代世界上中级教练机里最畅销的K-8著称的南昌洪都飞机公司研制了L-15高级教练机。在研制过程中，洪都得到了雅克福列夫的技术帮助，L-15和雅克-130在外观上相像不是偶然的。但和M-346不一样的是，L-15不是雅克-130的简单翻版，L-15要稍大、稍重一点，更重要的是，L-15在气动设计上有一些微妙但重要的差别。L-15是中国的超音速高级教练机L-15已经走出国门，在世界各地的航展上和来自俄罗斯和意大利的同门比武L-15要求达到超音速，最大速度达到1.4倍音速。为此，L-15采用了AI222的加力版。喷气发动机的喷流本来就温度较高，但加力燃烧进一步提高了喷气温度。为了避免炽热喷气对机尾结构的烧灼，也为了加长进气道以便于进气速度降低到亚音速（燃烧是亚音速的，所以超音速飞机进气道需要把进气降低到亚音速才“喂”进发动机），同时为了放宽静稳定度以改善机动性，L-15把发动机后移，喷管位于机尾，像战斗机一样。但这样重量增加，对电传飞控的要求也较高。L-15的大边条比雅克-130更加饱满，大迎角飞行状态下的增升效果更加显著，但设计要求也更高，否则会导致不可控涡流，弄巧成拙。L-15没有用M-346那样的翼根小翼，说明了洪都的气动设计水平更高，不需要借助于增加阻力的翼根小翼就可以达到优秀的方向稳定性。和“经典”F-18A/B/C/D相比，改进的F-18E/F也采用了这样的所谓哥特式大边条。L-15的机翼平面形状也和雅克-130有所不同，后缘略微前掠，使升力中心前移，这是和放宽静稳定性一致的，有助于加强机动性。L-15和M-346一样，取消了平尾的前缘锯齿，但L-15的垂尾根部前伸，改善了螺旋改出性能。L-15的这一系列改进是和L-15的定位有关的。L-15不满足于高级教练机，而是要极大地加强作为LIFT的作用。现代战斗机的电子设备和武器系统越来越复杂，相应的战术动作也越来越复杂，新飞行员需要很长的时间才能训练到位，使用昂贵的战斗机太浪费，于是产生了LIFT这个概念。新飞行员有问题，已经不在第一线的老飞行员也有类似的问题，需要适当的平台练手，保持熟稔，LIFT也很合适。不过有效的LIFT需要具备全套的电子设备和武器系统，但这使得本来便宜的教练机也变得昂贵了，这里面有一个度的问题，真理逾越一步就成为谬误。L-15的眼光不仅在于高级教练机，还在于低档战斗机L-15还有成为低档战斗机的雄心。由于优秀的大迎角机动性能和具备M1.4的超音速能力，L-15有比雅克-130或M-346更加优秀的补充中小国家正规战斗机数量不足的潜力，但同样有成本控制和性能缩水之间的平衡问