空中格斗 F—16空戰能力分析

楊文軒+吳茜

F-16戰機的氣動外形很有自己的特點，包含了典型的第三代戰斗機特征，也形成了自己的特色。以下，筆者以第50批次F-16C為例，簡要介紹全機的各項分系統。

全機各分系統介紹

F-16C是一種單發動機、單座多用途戰術戰斗機，包含完善的空對空和空對地功能。該機機體最顯著的特征包括：大尺寸氣泡座艙，前機身邊條，機腹進氣，采用中等后掠角中等展弦比梯形翼，適中的根梢比，垂尾被尾撐墊起，翼身融合。前緣襟翼由計算機自動控制，可在大范圍內改善性能。襟副翼位于機翼后緣，兼顧襟翼和副翼的功能。水平尾翼有很小的下反角，通過聯動和差動提供俯仰和橫滾控制。垂直尾翼和腹鰭一起提供航向穩定性。所有的控制面都是由兩套互相獨立的液壓系統驅動，這兩套系統受電傳飛控控制。

綜合火控系統包括1臺具備搜索跟蹤功能的脈沖多普勒火控雷達，兩臺可顯示導航、武器、雷達和其他信息的多功能顯示屏以及一個抬頭顯示器。掛載管理系統可向選中的多功能顯示屏提供戰機所攜帶的物資（武器、干擾彈等）、控制和投放信息。其基本武器為1門20毫米6管固定機炮和翼尖掛載的兩枚空空導彈，附加掛載可由翼下和機身中線掛點攜帶。

F-16C戰機座艙

座艙 該機采用常規座艙布局，座椅向后傾斜30°，操縱桿在座椅側面。

發動機 該機裝備1臺F110-GE129大推力渦扇發動機，海平面臺架推力約13.2噸。

燃油系統 該機的全部燃油系統被分為7個功能子類：油箱系統、燃料轉移系統、油箱通風和加壓系統、剩余油量傳感系統、油箱爆炸抑制系統和加油系統。

環境控制系統 環境控制系統包含空調系統和加壓系統，可提供可控的溫度和壓強，便于座艙加熱、座艙制冷、通風、座艙蓋除霜、座艙密封、抗荷服加壓、油箱加壓和電子系統制冷。這些功能均可用座艙控制面板的開關控制。

電氣系統 電氣系統包括1個主交流電源系統、1個備份交流電源系統、1個緊急交流電源系統、1個直流電源系統、1個飛行控制電源系統和1個外接交流電源的接口。

液壓系統 兩套液壓系統（系統A和系統B）使用3000psi壓強的液壓油。兩套系統由兩套互相獨立的發動機驅動的油泵提供動力，每套系統有一個自己的液壓油油池。每個油池由各自的液壓系統加壓保證油泵正壓。液壓系統的冷卻由一套同樣是液壓的油-液熱交換器提供，該熱交換器位于油池上游。

應急動力單元 應急動力單元是一套獨立于其他子系統之外、同時給液壓系統A和電氣系統提供動力的系統。應急動力單元在主發電機和備份發電機都失效時，或者兩套系統油壓降到1000psi以下時自動啟動。如果手動操作，該系統可無視故障類型強行啟動。

起落架系統 起落架系統主要由液壓系統B操縱。前起落架由液壓驅動動作桶實現收放。主起落架由液壓驅動收起，但是由重力和氣動載荷協助放下。所有起落架艙門都是液壓動作的，收起時由電氣裝置決定次序，而放下時由機械裝置決定次序。如果液壓系統B失效，起落架可由壓縮空氣放下。

前起落架轉向系統 前起落架的轉向由電力控制（直流集線器），由液壓系統B驅動，轉向信號由方向舵腳蹬提供。如果方向舵腳蹬位置異常，前起落架自動轉向方向舵位置。前輪轉向被限幅在左右32°，但是地面轉彎半徑可以通過內置的剎車來進一步縮小。當前輪支柱處于伸展位置時，轉向系統自動切斷。如果起落架放下次序出現異常，或者起落架燈不亮，轉向系統可能不會工作。

輪剎系統 每個主起落架裝有一個液壓驅動的多盤剎車系統，兩個輪剎系統由常規腳踩踏板提供剎車指令，剎車力隨著踏板被踩下去的幅度的增加而緩慢增加。此外，還有一套額外提供的停機剎車系統。一套防側滑系統在爆胎時介入，且只能由腳踩踏板控制。

空氣剎車系統 空氣剎車系統包含兩個位于發動機尾噴口兩側、靠近機身的一對蚌殼式可開閉控制面，由液壓系統A驅動。起落架收起時，空氣剎車會張開60°。起落架放下時，空氣剎車張開幅度被限制在43°，以免下表面在著陸過程中接觸跑道。該限制可通過手動按住座艙面板的空氣剎車開關來強行越過。如果前起落架支柱伸出，空氣剎車可在不手動強行越過限制的情況下張開到60°。

攔阻系統 攔阻鉤由電氣系統給出控制指令，由壓縮空氣驅動，壓縮空氣由起落架/攔阻鉤緊急壓縮空氣氣瓶提供。氣壓足夠強大時，可以同時放下起落架和攔阻鉤。一旦攔阻鉤放下，壓縮空氣使攔阻鉤和跑道表面保持接觸。如果需要收起，攔阻鉤可被升到一個足夠的高度防止被攔阻索勾到。攔阻鉤是一個半彈簧結構，可在勾住攔阻索的情況下讓戰機在地面滑行。一旦放下，攔阻鉤必須手動恢復到初始位置。

圖1 ?典型的速度-瞬時盤旋角速度 關系曲線

襟翼系統 整個襟翼系統包含前緣襟翼和后緣襟翼。前緣襟翼覆蓋全部翼展，偏轉角度是馬赫數、攻角和高度的函數。座艙的前緣襟翼控制面板如果調整為自動模式，那么其通常來講其偏轉就是自動的，除非兩個主起落架都感受到了載荷，或者發動機處于怠速狀態且滑跑速度高于60節，或者飛行控制系統處于備用增益模式。后緣襟翼（襟副翼）最大可向下偏轉20°，向上偏轉23°。如果當成襟翼來用，偏轉角度向下;如果當成副翼來用，偏轉角度可上可下。后緣襟翼是否放下取決于起落架控制桿位置和襟翼切換開關的狀態。如果起落架控制桿放到“向下”位置，或者襟翼狀態切換開關打開，后緣襟翼都會放下。在240節以下的任何速度，后緣襟翼都會下偏20°。下偏角度隨著速度增加而減小，直到370節完全收起。

飛行控制系統 飛行控制系統是一個由計算機控制的四余度線傳系統。該系統使用液壓調整控制面的位置，電信號由控制桿、方向舵踏板和手動配平面板產生。冗余備份由電子支路，液壓系統和電源共同提供，一個飛行控制面板提供控制信息和故障情況。

攻角-過載限制系統 F-16C的攻角上限并不是馬赫數的函數，而是過載的分段線性函數。在9g機動時為15°，在7g機動時為20.6°，在1g平飛時為25°。需要注意的是，這雖然是飛行控制系統設置的上限，但由于戰機自身的靜不穩定特性，如果飛行員猛烈拉桿，控制機制依然不能保證攻角上限不被突破。此時，手動俯仰超控電門可以介入控制。

手動俯仰超控電門 平時，此裝置以彈簧固定在“通常”位置，但可以手動拉到“超控”位置。如果戰機因為猛烈拉桿等原因攻角達到了29°以上，啟動超控模式，飛行控制系統解除對攻角和過載的限制。雖然理論上可以獲得某些性能的提升（如瞬時盤旋角速度峰值），但由于這是非正常操縱模式并且有一定危險性，飛行員操作手冊并不討論這一狀態下的性能。

自動導航系統 自動導航系統可以提供機身縱軸（橫滾軸）的姿態保持和航向選擇功能，也可提供俯仰軸的姿態保持和高度保持功能，這些功能在多功能控制面板上由兩個開關控制。手動配平和方向舵踏板輸入都可以打斷自動導航。

逃生系統 逃生系統包含座艙蓋開閉系統、座艙蓋手動破拆錘、引爆系統、彈射座椅系統和飛行員生存用品包。在地面如果飛行員需要緊急離機，座艙蓋應能自動打開，否則只能手動破拆。飛行過程中，在飛行員向上拉出兩腿間的彈射起爆開關后，引爆系統能自動炸開座艙蓋，彈射座椅彈射。對于雙座型戰機來說，兩個彈射座椅會互成一定角度彈射以免相撞。彈射后引導傘先展開，然后拉出主傘。飛行員落地后，可使用生存用品包中的無線電臺通報位置，還有一定量的食物和水。

圖2 ?一種典型戰斗機在整個空戰周期中的角速度變化情況

表1 ? F-16C和兩種機型的標準空戰周期

空戰周期 評價機動性和敏捷性的綜合判據

F-16是一種按照空戰敏捷性優化的戰斗機。傳統上，比較兩架戰斗機機動飛行能力的優劣，采用的是逐一比較單個數據的方法，例如穩定盤旋角速度峰值、瞬時盤旋角速度峰值、橫滾角速度峰值、指定速度區間加速時間等，這往往和實際空戰（哪怕是模擬空戰）都有較大的出入。比如，一架戰斗機為了發揮瞬時盤旋角速度峰值，以某個特定的速度開始轉彎，導致錯過了橫滾角速度峰值所對應的速度點，那么紙面上的橫滾性能優勢就只有理論上的意義了。再有，比如某架戰機雖然瞬時盤旋峰值較高，但是角速度衰減也較快，導致往往被對手搶先完成盤旋機動。

針對單向性能比較的誤區，一種更為合理的格斗性能判據——空戰周期（CCT）誕生了。在不同的場合下，這個判據的定義會有小幅度的差別，但通常來說都會包括下面四個階段：

1） 橫滾90°并拉桿進入轉彎，達到最大轉彎過載（有時候會忽略橫滾過程，假設戰機直接“側著身子”開始機動）。

2） 完成一定的角度的盤旋。以前通常以360°盤旋為基準，后因格斗導彈性能的發展，現在通常以180°為基準。在這個過程中允許損失能量，換句話說一直是“瞬時盤旋”的過程。

3） 反向橫滾90°改平，推桿降低過載直到退出轉彎。如果步驟1忽略了橫滾過程，那么這一步也不包含橫滾過程。

4） 加速恢復至步驟1）的初始速度。

這四步的總時間越短越好。具體來說，第1步和第3步要求戰機橫滾反應快，加載-卸載速度快。注意，這里的橫滾反應不是單純的要求橫滾角速度峰值快，而更多的是強調角加速度。該動時要迅速動，該停時要迅速停，否則造成超調，往回調整，浪費的時間經常導致勝負易手。而加載-卸載速度則要求戰機俯仰敏捷性高，升力特性好。第2步要求戰機盤旋角速度峰值高、衰減慢。第4步要求戰機速度損失小、加速快。雖然通常情況下我們希望這四步的總時間盡量短，然而在某些場合下，可能只注重其中某一步的，如第2步的表現，因為畢竟盤旋是格斗占位的最直接的機動。

下面，我們以第50批次F-16C（而非改裝保型油箱的50+批次）為例，逐一分析該機的設計特點，探究F-16為這四步做了哪些優化。下文中的F-16C如不特殊說明，均指這一批次。

由于第1步和第3步都要求高橫滾敏捷性，F-16布局緊湊，而且是單發，橫滾慣量很小。從單純的橫滾角速度峰值來看，F-16A階段已經達到308°/秒，F-16C因為飛控進一步放寬，在增重的情況下依然達到了324°/秒。流暢光滑的機身和單發機的小后體阻力特性賦予了F-16很小的零升阻力，再加上單發機中少見的大推重比，其加速性在三代機中首屈一指，有助于縮短第4步的時間。另請注意，單純提高加速性并不是改善第4步的唯一手段，或者說第4步時間短的戰機并不一定加速性很好，減小速度損失同樣能有效縮短第4步的時間。

我們在這里把第2步單拿出來講，是因為這一步更為重要。它不僅占據了整個空戰周期時間的主要部分，而且反映了戰機氣動效率中的關鍵一環。為了縮短盤旋時間，首先請大家了解一下盤旋過程中戰機的角速度的變化情況。戰斗機的典型的速度-瞬時轉彎角速度曲線如圖所示。

冬季演習中的F-16與JAS-39格斗對抗的畫面

被F-16鎖定的蘇-27

從圖中不難看出一個特點：轉彎角速度在某個速度下會達到最高點，此速度被稱作“角點速度”，高于和低于這個速度都會導致角速度下降。大家知道，在瞬時盤旋過程中（我國和蘇聯也曾稱之為“極限盤旋”）戰機的速度是不斷衰減的。為了盡快完成轉彎動作，戰斗機顯然不應該以明顯高于角點速度的情況下開始盤旋，否則初始角速度太低;也不應該低于角點速度開始盤旋，否則不僅初始角速度低，而且持續衰減。通常情況下，戰斗機應該以略高于角點速度的速度開始盤旋，這樣不僅初始角速度較高，而且還有一個短暫的角速度上升過程，總體來說較為劃算。當然，具體應該以什么樣的速度開始盤旋，盤旋過程中攻角如何變化，每種戰機都不一樣，需要復雜的泛函優化計算，本文從略，僅就科普的目的介紹結論。

角速度先上升再下降，但根據上文的分析，上升時間很短暫，而之后的下降衰減過程才是盤旋過程的主體。圖2表示了一種典型戰斗機在整個空戰周期中的角速度變化情況。所以衰減速度的快慢，在相當程度上決定了完成指定角度盤旋的時間的長短。如何降低角速度的衰減率，成為了令設計師絞盡腦汁的問題。一架機動性敏捷性優越的戰斗機，和對手相比，需要做到在完成相同的盤旋轉彎機動時，角速度衰減率較慢;或者等價的說，付出相同的角速度衰減率時，可以做出更猛烈的盤旋轉彎。在經過飛行力學相關的公式推導之后，得到了下面的結論：在相同高度、相同速度，做出相同過載的盤旋時，速度衰減慢的戰機，轉彎角速度衰減率較低。換句話說，“低角速度衰減”和“低速度衰減”等價。顯然，這需要發動機提供大推力，同時機體的阻力要盡量小。如果兩架互為對手的戰機具有幾乎相同的推重比，那么再經過公式推導后發現，決定勝負的參數為：做出相同盤旋動作時（在相同高度、相同速度，做出相同過載的轉彎）的升阻比，亦即機動狀態的升力和阻力之比。

F-16擁有優越的機動升阻比。例如，在海平面高度，攜帶全部機炮炮彈，無外掛，內載可供2.8分鐘加力的燃料時，F-16C在0.6馬赫、6.5g機動時的機動升阻比為6.9，而其老對手米格-29在同標準下的數值小于或等于6.6（該數值對應于系列中此項最優的米格-29A，下同）。在3000米高度、0.9馬赫、9g機動過載，其余條件不變時，F-16C仍有高達 6.8的機動升阻比，而米格-29系列同標準下的數值小于或等于5.3（此數據系根據氣動力曲線理論求得，實際上米格-29在此速度下的強度不允許進行9g機動）。大的機動升阻比賦予了F-16C較低的角速度衰減和能量衰減，能更好的維持在角點速度附近轉彎，提高平均轉彎角速度，降低轉彎耗時。較小的速度損失也減小了對轉彎結束后加速的依賴，縮短了每個動作之間的銜接。

另需注意，角速度先上升（T21）再下降（T22）的原因是：戰機以超過角點速度的速度開始盤旋。這個速度超前量越大，則初始角速度越低。不難想象，速度衰減慢的戰機，可以用較小的速度超前量，卻依然花費相同的時間衰減到角點速度，保證在這個角速度速度上升階段依然取得角速度優勢，使得這個優勢對任意時時刻都成立。某些科普文中的“快速衰減到角點速度取得優勢”的說法其實具有誤導性。因為速度衰減慢的戰機可以通過減小速度超前量的方法，和速度衰減快的戰機用相同的時間衰減到角點速度，而且還有更高的初始角速度。

以上主要討論了第2步（盤旋）所需的性能特性，下面簡要介紹包含第1步和第3步的綜合表現。

F-16C的標準空戰周期 當今美俄幾種典型第三代戰斗機的技術手冊紛紛解密，使得各科研院所系統的、定量的計算和比較幾種戰斗機的性能成為可能。在4500米高度，F-16C和另外兩種戰機的空戰周期對比如表1所示，計算條件為外掛中距導彈和近距導彈各2枚，50%機內燃油（不計某些戰機的超載油箱，如蘇-27）。第2步轉向幅度為180°。表格的前4列分別是4步所需的時間，而最后一列是某個特征點（相同速度與過載。根據上一章節的討論，此條件可保證可比性）的速度損失率，絕對值越小越好。

這幾型戰機都有較高的敏捷性，其中F-16C綜合性能最優。值得注意的是，這幾種戰機的單項性能不一定明顯遜于F-16C，個別性能甚至優于F-16C（如瞬時盤旋角速度峰值）。但F-16C通過較低的角速度衰減取得了最短的盤旋時間，通過較低的需用攻角和高橫滾敏捷性縮短了第1和第3步的時間，較高的加速性和較小的速度損失縮短了第4步的時間，為縮短總時間奠定了基礎。根據發動機裝機推力曲線，F-16C的推重比和其余幾種戰機相比并沒有明顯優勢，甚至在某些速度段處與劣勢。而這些性能優勢是建立在發動機推力以外的精妙的細節設計的，再次表明飛行器設計是一個整體，單純發動機的強大并不能確保整體性能的優越。

有讀者認為過于追求亞音速升阻特性的常規布局，換句話說穩定盤旋性能較優的布局，瞬時盤旋性能很可能存在缺陷，一個經常被提起的例子就是F-16。誠然，F-16家族的瞬時盤旋角速度峰值并不拔尖，但這是一種條件較為特殊的個案，原因是該機的攻角限制不同于其他機型，非常復雜且嚴格。通常三代機的攻角限制是空速的函數，低馬赫數時允許使用較高的攻角限制，高馬赫數時較低。而F-16受當時嚴格保證航向穩定性和安全性的思路的影響，其攻角上限是過載的函數。具體來說，過載越高，則攻角限制越嚴。雖然紙面上其攻角上限是25°，不明顯遜色于其他三代型號，但這是1g平飛中才允許使用的。隨著過載增大，允許攻角上限遞減，9g機動中的攻角上限只有15°，接近這個數值時飛控計算機會強制戰機“低頭“阻止攻角進一步增大。考慮到氣流分離之前，升力與攻角呈近似線性關系，這樣做無疑會浪費其優越的亞音速升力特性。F-16雖然能量機動出色，但受攻角限制造成的升力浪費，瞬時盤旋性能一般。某些三代機型號，如“幻影”-2000C和殲-10A等海平面瞬盤可以達到30°/秒，但這是以28～29°攻角達成的。相比之下，F-16C以15°攻角達成25～26°/秒的瞬盤已經實屬不易，從一個側面證實了其氣動布局極高的升力斜線率。如果“幻影”-2000等也使用15°攻角限制，那么它的瞬盤就很普通了。正是因為F-16對攻角的依賴不高，無需拉大攻角就能完成高角速度的機動，因而付出的阻力代價較小，根據前文的討論可知，角速度衰減較慢。在空戰周期的概念下，瞬時盤旋角速度峰值不占優的F-16，卻往往憑借較低的角速度衰減，搶先完成盤旋機動。

F-16與其他機型的對抗

重視機動性的第三代戰斗機可謂強手如林，接觸過F-16的飛行員卻大多不約而同的給了它一個外號：戰斗機中的“一級方程式賽車”。這些人包括前美國空軍“入侵著”中隊教官Fred Clifton、前米高揚設計局試飛員Valery Menitsky和波蘭空軍上尉、米格-29飛行員M.Wi czkowski。“一級方程式賽車”這樣的綽號很好地概括了F-16強勁敏捷的特點。在下文中，我們著重于F-16如何對抗其他的高性能機型，尤其是瞬時盤旋性能優于F-16的機型，并且在外掛條件對F-16不利的情況下，如攜帶更多的翼下副油箱或者保型油箱。

在波蘭對抗米格-29 加入北約后，波蘭空軍從2006年起陸續引進F-16C Block52+作為新一代多用途戰斗機，這些戰機不可避免的在演習中與波蘭空軍原先裝備的米格-29機隊有了一番切磋。原先，米格-29一直統治著波蘭空軍的空對空格斗演習，但這一情況隨著F-16的引進而發生了變化。多次對抗F-16的米格-29飛行員M.Wi czkowski曾這樣評價：“我曾經駕駛米格-29在各種數量對比下對抗過F-16，包括2對1、1對2和1對1。F-16能保持更高的速度，而且橫滾響應更快，即使攜帶保型油箱也不會喪失橫滾性能的優勢。F-16機隊被要求攜帶保形油箱，否則飛行員得不到足夠的鍛煉。”

在2009年春季演習中，F-16和米格-29之間爆發多次空戰演習。除去超視距空戰不談，二者的近距離格斗空戰共發生過兩次，都使用了頭盔瞄準具進行大離軸攻擊，每次都是同數量的混戰。如果僅看戰果，雙方打成2：2平。但是如果考慮到這是在F-16C Block52+攜帶保型油箱的情況下取得的，則孰優孰劣不言自明。尤其是最后一戰，F-16攜帶保形油箱，依然在空戰占位中同米格-29一直保持均勢，直到米格-29燃油耗盡被判負。這從另一個角度詮釋了“F-16不帶保型油箱，則飛行員無法得到鍛煉”的說法。

在愛琴海上空對抗“幻影”-2000 F-16家族的另一個老對手是法國達索公司的“幻影”-2000。同時裝備“幻影”-2000-5和F-16C的希臘空軍，和裝備F-16C的土耳其空軍在愛琴海爭議海域上空多次發生狗斗咬尾事件。不僅有F-16之間的內斗，更有F-16和“幻影”-2000之間的對抗。從雙方公布的錄像看，F-16和“幻影”-2000多次互相取得武器發射機會，似乎難分伯仲。但如果注意到雙方掛載的巨大差異，則優勢依然歸F-16所有。實際上，由于爭議海域距離前線機場的距離不同，希臘空軍的“幻影”-2000可以只攜帶機腹中央油箱，而土耳其空軍的F-16必須攜帶兩個翼下副油箱。

在挪威對抗JAS-39 在最近一次冬季演習中，瑞典JAS-39與挪威F-16A MLU展開了異種機格斗演習。雖然瑞典對演習結果曾三緘其口，但是隨著對抗視頻被泄露到視頻網站上并被多個媒體報道，瑞典軍方承認JAS-39在這場對抗中被F-16“用機動性壓制”。

在希臘選型中對抗蘇-27 為了替換老一代的F-4，希臘與上世紀90年代初展開下一代戰斗機的招標選型工作，第一輪入圍的機型是蘇-27、F-15和F-16。俄羅斯為了換取硬通貨，壓低了蘇-27的報價，所以從標書上看，蘇-27可謂是物美價廉的選擇：不僅價格低，還有吸引眼球的“眼鏡蛇”機動和創紀錄的8000千克載彈量。但是在實機格斗對抗中，蘇-27被F-16擊敗，導致希臘選擇了第一輪時沒有被特別看好的F-16。也正在這件事之后，我國開始了對戰斗機空戰周期、敏捷性等指標的評估。

結束語

在裝備保型油箱的型號出現之前，F-16從A到C型一直受惠于高敏捷性的設計特點，在誕生30年后依然是敏捷性最高的戰斗機之一。可能是出于這樣那樣的情懷或是情結，它也是我們非常喜歡“黑”的一款戰機。但無論它是不是我們的假想敵戰機，我們都需要了解對手、尊重對手，這才是戰勝對手的必要條件。

（編輯/一翔）