爱华网超音速巡航这个词汇，相信读者不会陌生。随着新一代重型隐身战斗机的研制和装备，超音速巡航伴随着F-22，“歼二十”频繁出现在各种媒体报道和军刊文章中。本文就从超音速巡航这个角度入手，谈谈在强调超巡能力的背景下，战斗机、航空发动机的设计和发展。
超音速巡航≠不开加力超音速
超音速巡航有很多版本的定义，例如“不开加力就能超音速飞行”，“不开加力保持M1.5飞行的能力”，“经济航速出现在超音速飞行状态下”等等。其实，巡航一词最早来源于水面舰只，意思是以最经济的速度航行。飞机出现后，没有创造自己的专有名词，而是沿用了舰船的很多名词。虽然飞机的飞行时间和速度、飞行状态（空间包————线）变化已经不是舰船所能比拟的，但是巡航的概念依然与舰船比较相似。以F-22为代表的新一代超音速巡航战斗机问世后，引入了一个新的概念——“supercruise”。其实supercruise如果直译的话，意思是“超级巡航”，并没有特别强调与音速的关系，而是体现出与常规巡航相比更强的作战能力。由于“超级巡航”最具有战术价值的意义在于能够以超过音速的一定速度进行较长时间的飞行，所以人们越来越多的将其翻译为“超音速巡航”。
英国的“闪电”战斗机是目前所知的第一个实现不开加力超音速飞行的战斗机，但是显然与真正的超巡作战飞机还是有着本质的不同。
如果超巡的概念是“不开加力就能超音速飞行”，那世界上第一个实现超巡能力的飞机大概就是英国的“闪电”战斗机了，而且此后的F-15、苏-27甚至我国的“猎鹰”高级教练机都有在某些状态下不开加力超音速的能力。因此，这个概念不能反映超巡的本质意义。笔者看来，超巡的最低门槛应该是：飞机能够在不开加力的情况下，以超过1.3马赫（跨音速段一般为0.8马赫-1.3马赫，飞机外部气流部分超过音速）的速度，进行较长时间飞行。
超巡的战术价值
一般常规的使用单纯涡喷或者涡扇发动机的战斗机必须要开加力才能达到超音速，而且持续时间不能太久，一般不超过30分钟，否则会导致发动机过热烧坏发动机或者机内燃料耗尽。不过也有一个例外，那就是米格-25/31系列战斗机，米格-25内油高达15.3吨，能够单纯依赖内油开加力以超音速飞行1635公里，超过了米格-29亚音速最大内油航程1300公里。如果挂载副油箱，米格-25的超音速航程达到了惊人的2130公里。单从超音速飞行时间和航程来看，米格-25/31比F-22其实还要更胜一筹。不过F-22的超巡是建立在发动机以最大军用推力的基础上的，因而耗油率比米格-25这种单纯“堆油量”的飞机低得多，因而飞机需要设计过大的空间去容纳燃油。新一代战机由超巡带来的战术价值如下：
1.可以用更快的速度飞抵战区或者接敌；常规三代机只能以0.6-0.8马赫的速度抵达战区，在发生应急事件的情况下将失去最佳时机，以至延误战机。而具有超音速巡航能力的飞机，可以将去航或者接敌时间降低三分之一甚至更多，无疑大大增加了作战体系的反应能力。这一点对于国土防空截击作战以及争夺制空权格外重要。尤其是对于国土、领海广袤的国家，不可能密集地部署军事基地，这就对军用飞机的快速到达能力提出了很高要求，因此超音速巡航的意义更大。
2.可以扩大本机机载武器杀伤包线，缩小敌机对本机杀伤包线；对于三代机来说，除非在接敌之前开加力加速，不然基本是处于亚音速状态下。而具有超音速巡航能力的四代机则可以长时间保持在超音速巡航状态下发射武器，此时武器的初速度更大，能在更短的时间内和更大的范围内攻击目标。而且在目标保持高速，尤其是超音速飞行态势下，空空导弹需要更多的能量和更大的过载才能命中目标，超巡无疑降低了敌方导弹的命中概率和有效射程。
空空导弹的杀伤包线和命中率与载机速度、相对运动态势有着密切的关系，超巡能够扩大本机导弹的杀伤包线。
3.压缩敌方反应时间；超巡与隐身能力相结合，对于敌方防空武器系统具有极大的突防效果。一方面飞机RCS的大幅度下降导致敌方防空传感器出现大量探测“漏洞”，大大降低了敌方雷达的有效探测距离。另外一方面，超巡飞机在通过敌方雷达有效探测距离时，所需时间大大缩短，导致敌方即便发现了目标也没有足够的时间组织防空导弹发射或者召唤战斗机拦截。
4.有利于红外隐身；超巡的这个战术价值是比较容易被人忽视的一点。一般三代机在进行中距拦射之前，都需要开加力进行加速，也需要保持加力状态进入近距格斗，以增加和补充高过载条件下的飞机动能。而航空发动机的加力状态红外特征比军推条件下明显很多，例如F-14机头下的红外传感器能在140公里发现开加力的目标，而不加力的则只有40-50公里。在作战中开加力也更容易被红外格斗弹在更远的距离上锁定和跟踪。对于三代格斗弹来讲，对于开加力的目标较为容易实现迎头锁定，而对于非加力状态目标，大部分三代格斗导弹就只能在侧向或者尾追态势下才能锁定目标。
如何实现超巡
第四代隐身战斗机作为一种适应未来战场环境的先进战术战斗机，要求它能有效地执行争夺空优、防空截击、突防压制等任务，不仅要求它有长时间的超音速巡航能力，也要求它具有良好的超视距拦截和近距格斗能力。这就要求四代隐身机是相当数量先进技术综合工程应用的结果，为了达到这一目标，需要解决数个核心技术问题，采用大量新技术。
1.适于超音速巡航的先进气动布局；长时间不开加力的超音速巡航和超音速机动。首要的问题是如何降低飞机的超音速阻力，提高飞机的升阻比，因此需要针对超音速飞行状态进行气动设计和优化。上世纪80年代初期，美国就着手对超音速巡航战斗机进行具体研究，各公司都根据预定的作战任务提出了他们自己的方案。理论分析和风洞实验表明，可以采用诸多措施使飞机阻力下降，M=2. 0时的升阻比可达6-6.5，基本上比三代机超音速升阻比增加了三分之一甚至一半。这意味着，对于同样起飞重量的战斗机而言，针对超巡进行过气动优化的四代机超音速飞行所需要的发动机推力仅仅是一般三代机的三分之二甚至是一半。
超音速飞机需要根据面积率来优化飞机横截面积，从而达到减少波阻，提高超音速升阻比的目的。
具有超音速巡航能力的先进战术战斗机要求在亚跨音速和超音速都有高效率的巡航能力和机动能力。在机翼设计中要满足这每一项要求，通常是自相矛盾的。超音速飞行要求采用小展弦比、薄翼型、大后掠角和小弯度机翼，而亚跨音速巡航和转弯机动则要求有中等后掠、展弦比比较大和在大升力系数机动时增加弯度的机翼。F-22选择升力中心前移较多的蝶形三角翼，中等后掠角，利用进气道上唇口和小边条拉涡以增加升力系数。“歼二十”选择了鸭式布局，主翼采用无尾大后掠三角翼设计，利用进气道唇口、鸭翼和边条拉涡增升，并且改善俯仰力矩。俄罗斯的T-50的主翼采用大后掠角三角翼设计，利用涡襟翼来减小超巡阻力，另外提高升力体构型升阻比、遏制主翼失速。
F-22的蝶形主翼，或者说是后缘前掠角较大的三角翼，前移了气动中心，改善了传统常规布局不利于放宽静稳定性的缺陷。
2.先进数字电传和随控布局；在三代机之前，战斗机设计只有三大要素：气动、结构和动力。而随着静不稳定设计、随控布局、主动控制技术的发展，飞控也成为战斗机设计的第四个要素。三代机的气动和飞控设计一般都是针对高亚音速进行优化，而到了超音速状态，气动中心后移，飞机就需要鸭翼或者平尾偏转来提供抬头力矩，这就增加了操纵阻力，降低了飞机的超音速升阻比。四代机将超音速巡航状态作为典型设计点，将气动中心大幅度前移，这样在超音速状态下，飞机所需的抬头力矩就大大降低，舵面的偏转角度和舵面偏转所带来的操纵阻力就大大减少，提高了超音速升阻比。但是这样就带来另外一个问题，飞机在亚音速状态下高度静不稳定，必须采用先进飞控系统才能安全、稳定地控制。不过高度静不稳定也给四代机带来敏捷性的大幅度提高，改善了飞机的瞬盘能力。
3.新机理的进气道设计；一提到超巡，读者往往会把注意力集中到美国先进强大的发动机上，但是实际上超巡作战飞机的动力系统设计也是一系列高新技术的结合，而不是单纯依赖动力性能的提高。F-22和“歼二十”已经完全抛弃反而是超音速性能更好的可调多波系超音速进气道，转而使用基于二维乘波机理的加来特进气道和基于三维乘波机理的鼓包进气道。固定乘波进气道虽然在2马赫左右的极速段总压恢复系数比可调多波系进气道低0.1左右，但是按照超巡工作点进行设计之后，在亚音速、跨音速和超巡状态下都有令人满意的性能，总压恢复系数基本能达到0.9左右。而且固定进气道抛弃了一系列复杂而沉重的调节机构，减轻了结构重量、提高了系统可靠性。而降低的结构重量，通过升阻比的联系，降低了对于发动机推力的需求。在新一代战斗机中，现在只有俄罗斯五代机T-50依然使用具有四代机（俄标）特征的可调多波系激波斜板进气道。
俄罗斯T50战斗机的进气道保持了与苏27系列飞机高度相似的总体设计，是目前唯一采用可调进气道的新一代隐身战斗机。
4.新一代航空发动机；第四代战斗机发动机的设计目标之一,是满足不加力超因素巡航的任务要求。不加力超声巡航时,发动机工作在最大军推状态。实际上，超巡给四代动力带来的改变不仅仅是在最大加力推力和推比等性能层面的，而是从发动机总体设计到循环参数选择都有了本质性改变。三代涡扇以及以前的航空发动机都是将加力起飞作为最大功率输出工作点，此时涡前温度达到最高。但是由于超巡需求的存在，飞机需要在中高空和1.3马赫以上的速度条件下进行飞行，发动机必须有足够的高空和高速剩余推力。四代动力循环参数选择上，引入了一个新的概念，叫“节流比”，定义为最大涡轮前温度与地面设计涡轮前温度之比。节流比主要是衡量发动机在超巡状态下相对于加力起飞有多大的升温能力。采用节流比大于1.0的设计以改善发动机的速度特性,是第四代战斗机发动机的重要设计特征。
为了提高发动机单位迎风面积推力、单位流量推力和降低飞机后机身截面积，四代动力都选择了较小的涵道比。在同样的核心机性能下，涵道比越小，高空高速剩余推力越大，海平面静推力越小，单位油耗越大，发动机直径越小。虽然俄罗斯宣称在AL-31F基础上改进的117S发动机能够达到14.5吨的海平面静推力，与F-119发动机仅仅相差一吨。但是实际上，这种通过增加发动机流量和涵道比的改进措施，反而会导致发动机高空高速剩余推力下降。F-119发动机如果也采用同样的手段来增加海平面推力，那完全可以提高到18吨-19吨左右，其实F-135发动机就是在F-119核心机上按照这样的方法衍生出来的。涵道比在0.6以上的117S发动机与涵道比在0.3左右的F-119相比，虽然海平面静推力相差不大，但是在高空高速条件下，两者的剩余推力很可能相差一倍。这就是为什么美国虽然拥有海平面静推力超过15吨，基于F100和F110涡扇发动机的三代改型发动机，但是依然要研制F-119发动机的原因。因为海平面静推力不能代表发动机的高空高速推力特性。
航空发动机的推力并不是一成不变的，而是以速度、高度为自变量的复杂函数。
浅析“歼二十”的超巡能力
从照片分析来看，“歼二十”采用了带边条鸭式布局、小展弦比中等后掠角主翼和整机升力体的设计，相当完美的兼顾了亚音速跨音速升阻比性能、低速大迎角机动性能、超音速巡航性能和隐身性能的要求。一般鸭式布局飞机采用大后掠角主翼设计，这是由于大后掠角主翼可以产生足够强度的脱体涡与鸭翼产生的涡流耦合从而增加升力。而且大后掠三角翼固有的特点就是超音速波阻较小，超巡升阻比高，但是亚音速升阻比偏低，升力线斜率较小。而“歼二十”为了兼顾亚音速升阻比，选择了中等后掠角的主翼，这就导致主翼脱体涡强度降低，升力随之降低。为了改善整机升力特性“歼二十”引入边条作为一个新的涡流产生器，与鸭翼一起产生涡流与主翼涡流耦合，形成鸭翼边条升力体布局。该布局优异的升力特性不仅仅源于鸭翼、边条和主翼脱体涡的纵向耦合，甚至飞机左右两侧分别产生的涡流彼此之间还存在有利干扰。“歼二十”复杂的涡系将会在大迎角状态下，对于主翼内侧和机身上表面产生相当的升力。总的来说，边条鸭翼升力体布局整机升力能够比一般翼身融合体飞机高80%以上，比一般非升力体鸭式布局飞机高40%。因而可以认为“歼二十”的整机升力特性极为优秀，相比于歼十这样采用鸭式布局的升力特性还会有质的飞跃。相当优秀的升力系数导致飞机亚音速升阻比和超音速升阻比都有出色的表现，降低了对于发动机推力的需求。不过由于“歼二十”还采用AL-31F基础上的改进发动机进行试飞，因而暂时还不能实现完全的超巡能力。
“歼二十”开创了具备高升力和高敏捷特性，能够兼顾超巡、隐身和超机动的复杂气动方案先河，在新一代重型隐身空优机技术发展上走出了独具特色的发展道路。
一提到超音速巡航，很多朋友脑海里第一个印象就是装在F-22后机身的F-119喷着火舌，让飞机拔地而起。但是实际上，超巡性能需求给战斗机设计带来的变革不仅仅局限于动力层面。即便是航空动力技术底蕴极为深厚的美国，也在F-22气动和总体设计选择上颇具匠心。“动力够好，板砖都能飞”只是一种简单粗暴的概括。没有F-22的高超音速升阻比气动布局和先进的电传飞控，单凭F-119发动机也是无法实现足够的超巡能力的。超巡、外形隐身和超机动其实是互相关联，互相制约的性能需求。如何权衡飞机总体设计中的参数选择，如何将大量新技术融合进新一代作战飞机设计，其实提现了一个国家对于高技术复杂工程型号的项目管理和科研实力。
