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晨枫:F-35飞行员,注意你的素质
还在二战时代,英国就发现夜间战斗机飞行员与雷达控制员之间光用口头指令很难协调,开始试验将雷达显像管和轰炸机导航瞄准具相结合的技术,为飞行员指引目标。但平视显示器最终要到60年代英国的“海盗”式轻型轰炸机上才实现,在透明板上投射飞行数据和目标数据。
平显迅速成为战斗机标配,飞行员可以在平视中就获取关键系统信息和得到目标引导,不再需要经常在抬头观察外界和低头读取显示信息之间来回切换,节省了视力调整的时间。
平显那么给力,直接把平显信息投射到头盔显示系统上,飞行员在转动头部中也能随时看到有用信息和获知威胁方向,岂不更加给力?
在60年代,美国海军确实启动了头显的研制,希望用于F-4“鬼怪”式战斗机。但技术太超前,进行不下去,只能回到平显。
苏联没有放弃,而是大大简化了技术,不用头盔上的屏显,而是在头盔的视野边缘处设置一圈LED指示灯,在火控系统的控制下,提示飞行员威胁方向。这个简单的工程实现有奇效,与机动性超强的R-72近程空空导弹相结合,真是指哪打哪。东西德合并后,前东德空军的米格-29在北约空战演习中,屡屡把美国空军的F-16打得找不到北。
西方惯于指责别人抄袭,自己从来不羞于拿来主义,以指示灯为基础的头盔指示系统成为90年代西方战斗机标配。同时,随着计算机、显示尤其是增强现实技术的发展,盔显似乎终于可以成为现实了。F-35采用盔显,并作为主要显示系统,座舱仪表板上的大屏显示只是辅助。
但盔显再次成为巨大的头痛, 首先是重量。显示技术再发达,显示屏再轻巧化,盔显的重量还是对飞行员的脖子造成很大的压力,高g飞行时是不可承受之重,在弹射的时候更是可能造成生命危险。
显示技术本身也有本质滞后。固定位置的飞行数据没问题,随着头部转动而移动的目标指示光标就麻烦了。盔显首先要精确测定头部转动的角度和速度,然后计算光标移动的方向和速度,最后形成可见的光标。测量和计算机速度再快,依然是有限的。人眼和大脑能感知到滞后,很容易产生晕眩感。测量-计算-显示也是一个反馈系统,光标具有一定的本质晃动,就像电梯到了楼层会有一点晃动才停稳一样,这进一步增加了晕眩感。
光标、符号和数据的亮度还需要针对环境迅速调整,但亮度调整速度远远不及人类的肉眼和大脑,再次影响使用。
最初设计是要把雷达、红外夜视、移动地图等统统整合到盔显。在静态下没有问题,但一动起来,问题太大。后来换了简化设计,重量控制住了,显示符号也极大简化,回到传统平显的格局,不玩实景图像了,滞后也降低到可以接受的水平,但维修问题来了。
每个人的脑袋大小、形状、瞳距、视线都是不一样的,所以带盔显的头盔对每一个飞行员都是因人定制的,据说每一个头盔就是40多万美元,顶4辆保时捷911。问题是还需要在日常维修中保持调校准确。F-35没有平显,只有盔显,所以这是事关飞行安全的主要显示系统。在2020年5月19日的F-35A坠机中,盔显问题正是原因之一。
由于调教问题,盔显的地平线与跑道指向错位,地平线标志明显低于实际,跑道中线的指向也歪了。这个问题在起飞前发现不了,但夜间着陆时就要命了。飞行员发现了问题,凭经验补偿,但错误的图标越来越分散注意力。按照设计,图标越接近跑道时越明亮,原意是帮助飞行员,现在弄巧成拙,搞得飞行员心烦意乱,动作变形,最后导向事故。
F-35是飞火推联动的,单大推的转动惯量大,油门反应相对不灵敏,过猛加油容易造成喘振。飞控会把飞行员的“过度”动作过滤一下再传递给发动机。美国海军传统上在着舰时采用“反区操作”,在固定的下滑率基础上,不断微调发动机推力来微调下滑航线。海军喜欢双发,也是因为在同样推力下,双中推的推力调节比单大推更加精细,但这是题外话了。因为单大推推力微调不灵敏的原因,F-35C在着舰时改为像空军那样,固定发动机推力,不断微调襟副翼来微调下滑航线。
但在这次需要复飞的时候,冒险牺牲一点喘振裕度、榨出更多推力,或许能把飞机救回来。实在喘振了,反正都是一个坠毁,也谈不上损失。问题是飞控自作主张,不容许牺牲喘振裕度,飞行员就只有弃机跳伞了。
F-35的设计和制造问题还有更多。早期的发动机叶片蹭刮机匣,是因为需要榨出最大推力,但间隙控制没做好。涡轮发动机在高温环境下工作时,机匣受热膨胀,直径略微增大。叶片也有热胀冷缩。只要机匣直径增加快于叶片,就不会有蹭刮问题。但在冷机状态,机匣直径收缩可能也快于叶片。放宽间隙总是容易的,但压气机叶片的作用就是增压,级后压力高于级前压力。间隙太大的话,叶片与机匣之间的“漏气”太大,严重影响效率。
涡轮发动机的间隙控制是科学与艺术的结合。这里艺术不是吟诗作画,而是凭经验和胆识做出正确的工程决定。但普拉特-惠特尼玩砸了。不仅F135发动机有间隙问题,民用的PW1000也有这个问题,严重影响了早期A220和A320NEO的交货和商业飞行。间隙问题用了很长时间才解决。
图:PW1000的可靠性有过一些问题
炮弹出膛就爆炸,这只能是质量问题了。幸好这事不经常发生。
更大的问题在于软件化和电气系统。F-35号称“软件战斗机”,因为软件管头管脚,软件故障可以导致整个飞机停摆。
软件瞎指挥或者罢工最后是通过机上电气系统体现出来的。在韩国空军F-35A机腹迫降事故中,只有发动机和飞控还完好,起落架都放不下来了。飞机上的软件是按照关键等级既协同又分离的。高度软件化的目的就是促成所有能合作的地方统统合作起来。网络化是硬件层面,软件才是网络化的真正灵魂。
但高度一体化的软件也不能容许出现牵一发而死全身的事情。所以不管其他部份如何宕机,发动机控制和飞行控制必须保持完好和稳定工作。看来F-35做到了,但也仅此而已。韩国F-35A连起落架都放不下来,只是在吊命而已。
这次在嘉手纳F-35B前起突然收起的事故原因还没有公布,但从视频来看,主起机轮明显转动不畅。这可以有几个原因:
1、地勤疏忽,忘记松刹车了。联想到英国地勤可以忘记取下发动机罩盖,这个可能性不能说没有。
2、电气系统故障后,虽然起落架放下来了,但刹车还是抱死,松不开。
3、飞机在着陆中,主起有所损坏,轮子“别住”了,松刹车也没用。
但拖车司机素质不足是肯定的。不管是哪一个情况,主起轮胎转动不畅不能硬拖。可能他对拖动F-35A没有感觉,根本没有发现主起轮胎转动不畅。但飞机在拖行中发生这样的顿挫和晃动,即使拖车司机没有感觉,周围的其他地勤也应该及时呼叫停止。看来谁都没有。
F-35家族的前起是向前收起的。着陆后应该插上安全销,防止意外收起。但视频中,似乎没有看到插上安全销后的红色警示布条。如果属实,这只能是地勤的疏忽了。
这架F-35B是从广岛以南不远的岩国基地起飞的,估计是执行对中俄轰炸机联合巡逻的拦截和伴飞任务。在1000公里外的嘉手纳迫降,看来是情况比较紧急了。考虑到韩国空军F-35A的前科,电气系统故障导致刹车不听指挥的可能性是存在的,尽管这一次起落架还是放下来了。
F-35是一个时代的缩影。F-35计划开始的时候,美国正在冷战胜利后独孤求败的顶点,美国航空科技也处于世界的绝对巅峰。F-35的设计是以美国已经建立可靠、持久的碾压性优势为出发点的,所以高速、高机动性成为不必要的奢侈,隐身、先进态势感知、先进武器系统就足以粉碎一切对手的傻大黑粗。
F-35的研制在一系列托大中挣扎着前进,当年的“13大罪状”至今依然不能说完全解决,其中隐身部份始终没有解密,也没有任何得到解决的消息。F-35的供应链问题如影随形,不仅影响制造,也影响到已经交付的飞机的保养、维修和升级。
用F-35的人的问题也在越来越大。经济压力和军备竞赛压力使得飞行员和地勤训练时间压缩、标准缩水,维修水平和备件供应也达不到标准。特朗普时代国防部长马蒂斯把恢复战备水平作为第一要务,正是因为军人出身的他看到这些问题。
如果说俄罗斯的苏-57还不是太大的威胁的话,中国的歼-20就是压力山大了。美国太平洋空军司令威尔斯巴赫空军上将暗示中国歼-20在东海上空悄悄地贴上以隐身和态势感知著称的F-35,这不仅由于歼-20的技术性能,也由于中国飞行员的艺高胆大。
时代真是不同了。
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- 责任编辑: 张轩豪 
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