F-35 Elephant Walk

戰機的世代part2:如何辨認五代、四代半、六代機 另分析台灣F-16V與韓國KF-21新機特色

本文介紹五代、四代半、六代噴射戰鬥機。先介紹五代機,能夠完全自製四代機的國家已經沒幾個,能夠製造五代機並以順利服役的國家,目前僅美國、中國、俄羅斯這三國,究竟五代機有什麼樣的技術特性呢?

系列Part1:戰機的「1~6世代」究竟如何劃分? 為何第四代是目前主力?介紹了一至四代噴射戰鬥機,還沒看過的讀者建議先閱讀。

五代機:沒有4S別說自己是五代

五代機的標準懶人包就是4S,即擁有4個S開頭的能力,包含匿蹤科技 (stealth technology)、超音速巡航(Supersonic cruise)、超機動能力(Super Maneuverability)、超級資訊與感知優勢(Superior Avionics for Battle Awareness and Effectiveness),但實際上條件沒那麼嚴苛,簡述如下:

匿蹤科技

匿蹤戰機指機身塗有雷達波吸收材料(radar-absorbing material,RAM),能吸收雷達訊號、且透過特殊的外型設計來降低雷達反射截面積(Radar cross-section,RCS),此外設計時也考慮到儘量抑制航空器本身所發出電子訊號、紅外線、熱能和噪音,並將飛彈等原來外掛的武器收入彈艙內。

但匿蹤戰機的設計亦會與飛行性能平衡,不會追求絕對的匿蹤而讓飛行性能大幅劣化。且匿蹤不是指五代機完全不會被雷達發現,而是縮短雷達能夠發現的範圍,例如能在200km外發現四代機的雷達,到了30km才能發現五代機,不過這沒有一定的標準,也可能因為雷達型態的不同,偵測到飛機角度的不同等變因,讓此偵測距離有變化。

匿蹤科技讓五代機無論在對空與對地作戰,都有「主動權」優勢,能夠決定接戰的時機,例如先對手一步發射中遠程空對空飛彈後脫離,或是透過資料鏈要求後方戰機發射長程空對空飛彈接戰,本身不洩漏行蹤(A看B射模式)。

匿蹤科技讓戰機在執行對地/對海打擊任務時更安全,因為現在陸基與海基防空系統的偵測距離與飛彈射程越來越長,例如美國的標準六型Block 1B或俄羅斯的S400系統40N6型防空飛彈,射程都達到400km。

這種射程讓很多理論上在防空飛彈的「防區外發射」的空對地飛彈,用四代機發射也不再安全,例如AGM-158 JASSM射程僅370km,還小於前述防空飛彈射程。但匿蹤機因為被偵測距離短,能較安全的執行打擊任務。參閱:F-35不好用嗎?為什麼美國要採購全新的F-15EX戰鬥機?

五代機雖然有彈倉,但仍具備機翼外掛飛彈/炸彈的能力,經常被俗稱為「野獸模式」。

B-2
▲B-2轟炸機的飛翼構型,匿蹤性能強,但飛行性能差,所以匿蹤戰鬥機都不採用。
F-35  F-16
▲為了平衡匿蹤與飛行性能,五代機F-35與四代機F-16的外型差異遠不如匿蹤轟炸機。
雙基雷達被動接收系統
▲國軍已服役的「雙基雷達被動接收系統」,大幅增加偵測到匿蹤戰機的機率。

超音速巡航

按照1987年美國先進戰術戰鬥機(ATF)計劃中的要求之一的「超音速巡航」,定義是指不開後燃器並保持平飛狀態時,戰機能維持超音速飛行至少30分鐘。這個性能除了需要戰機擁有大馬力的引擎外,其氣動力構型也要相當先進,盡可能減少阻力。

超音速巡航與超音速飛行是兩個概念,第二~四代戰機也可以超音速飛行,但幾乎都需要打開後燃器,燃料的消耗速度是未開時的好幾倍,所以只能維持幾分鐘,讓滯空時間大幅縮短,因此多半只能亞音速巡航。

當然也有取巧的方法,例如前蘇聯MiG-25/31重型攔截機可以長時間超音速巡航,是建立在巨大機體塞進超大油箱,才能維持長時間開後燃器的超音速巡航,但實際上航程僅剩下700km,與原本的3700km差一大截。

又例如EF-2000歐洲戰鬥機可以在不開後燃器的情況下,在1.1km高空,以1.2馬赫超音速巡航,但這是沒有任何外掛,減少油量以壓低機身重量所取得的數據,跟五代機的常態化載彈超音速巡航,根本無法相比。

五代機擁有超音速巡航能力的優勢,讓戰機可以選擇時機更快進入或是脫離戰場,但嚴格來說,能夠超音速巡航的五代機只有ATF計畫的勝出者F-22與俄羅斯的Su-57。而且超音速巡航容易讓機體因摩擦生熱散發更多的紅外線訊號,抵銷匿蹤優勢,所以不少專家認為超音速巡航,並不算是五代機的必備特徵。

中國的J-20在換裝渦扇15(目前是AL31F或渦扇10)發動機之前,大部分專家認為不具備超音速巡航能力。美國F-35戰機則由於是單引擎加上構型是為了三軍通用的「攻擊機」,所以也不具備超音速巡航能力,但如前述不妨礙通說認為這兩架戰機也是五代機。

J-20
▲J-20在開發初期因為引擎推力不足,不具備超音速巡航能力,但不妨礙其被認定是第五代戰機。

超機動

以F-22為例,除了匿蹤特性,設計之初為了領先未來可能的敵手,還賦予了劃時代的機動力,這是由2具大推力的普惠公司F119-PW-100向量推力引擎(亦有稱矢量推力)賦予。

向量推力指指飛機的推力,從發動機軸線的平行方向,引向其它方向的技術,除了可以提供垂直起降或短距起降能力外,還能在空戰中為飛機提供額外的機動力。

向量發動機提供了飛行器在高攻角的機動性(在馬赫數低到0.1、迎角達到70°時,仍能保持較高的飛機操縱性能)與可控制的失速後動作(post stall maneuver),使飛行器有極大的空戰優勢。

尤其在「纏鬥型空戰」(dogfight)中,以往飛行器要進行大角度轉向甚至是閃避動作時,常需要以高速轉彎,這會造成過大的G力,只能耗時轉大彎,而速度也會掉很多…。

相同情境下,運用向量噴嘴即可在較短時間與較低降速下完成,可想而知鎖定敵機或擺脫鎖定的機率都較大。(即瞬時角速度越高,越能取得攻擊主動權)。同時,超機動能力也使飛行員在此類「狗戰」中節省體力,提高空戰效率!

這是因為在纏鬥戰中,傳統戰鬥機一般需要作6~8G的激烈機動飛行,來跟蹤或擺脫敵機,這會使飛行員體力消耗過大,注意力降低,也就等於空戰效率降低。

採用超機動技術的戰鬥機在相同情境時,飛行速度與角度都相對較小,過載一般為2G左右,差異甚大,飛行員體力消耗較低,有充沛體力與專注力進行空戰。

而F-119發動機的噴嘴可以向上或向下偏轉達20度,不僅提高了F-22的敏捷性,還降低了飛機噴射系統的雷達和紅外特徵。

這些特性都是在空戰纏鬥中無與倫比的優勢,也是F-22除了匿蹤技術優秀,能在敵機發現前就打超視距空戰,真要近距離纏鬥也有本錢的原因。

但通說認為現代戰機的纏鬥性能越來越不重要(後祥,F-22的設計概念1981年提出),因此後續的五代機,多半以大推力引擎強化機動力,但不採用矢量推力,因此超機動只能說是五代機「nice to have」(有了更好)而不是「must to have」(必要)的功能。

F-22
▲F-22的矢量推力發動機,噴嘴位置構型明顯不同於傳統發動機。


▲由F-22座艙內與座艙外雙鏡頭,體驗其超機動能力。

超級資訊與感知優勢

一架四代機要偵測到敵目標,只能透過飛機上的感測器,或是由資料鏈接收預警機提供的有限訊息,飛行員對整體戰場態勢缺乏通盤性的瞭解。

但是五代機以F-35為例,其電子功能整合了偵察機、預警機、電戰機等平台所具備的能力,並且能從分布在天空、太空中的各種電子偵察平台,了解到整個戰場的態勢,就有如打策略遊戲時,已經撥開了戰場迷霧。

所以在F-35飛抵戰線前,就能根據已經獲得的戰場態勢,包含戰場的目標威脅位置與價值排序、己方作戰位置、支援火力與搜救能量等,進而判斷出最有利投入戰鬥的方式。

在資訊處理的流程上,五代機也與四代機差異很大。

例如四代機F-15的偵測雷達、飛彈來襲警告、電子壓制、武器發射都是獨立的系統,假設突然遭遇到敵機發射飛彈攻擊F-15,每一個介面都只能傳遞單獨的訊息,所有資訊都有賴飛行員自行彙整。

飛行員必須先看到雷達上目標出現的資訊,接著收到飛彈來襲警告,也不知道飛彈還有多久擊中,只能憑經驗操作電子壓制干擾敵飛彈,一邊操作飛機迴避飛行,還要找到機會發射飛彈攻擊敵機,以免敵機再度攻擊,並提防是否有別的敵機趁隙偷襲…一整個手忙腳亂。

F-35的電子系統則會把前述的訊息彙整,以簡單、易操作的方式提供給飛行員,並將飛行員的指令大部分自動化執行。

如前述飛彈來襲,飛行員只需決定「我要干擾與迴避敵飛彈,並摧毀這架敵機」,行動方面,五代機的電子系統大部分都可代勞,即飛行員不需要忙於操作各種獨立系統,只需要做最後的決策,或與其他平台的資訊傳遞。

例如假設在權衡整體戰場態勢後,自己發動攻擊可能會遭到危險,就可以透過資料鏈將資訊傳遞給友軍單位(並不一定是戰機),由其發動攻擊,例如發現一處岸基反艦飛彈陣地,但F-35無適當的武器能摧毀該處,就可將資料傳遞給M142多管火箭發射車,由其發動攻擊。

F-35
▲F-35佈滿機身的AN/ASQ-239電戰系統,10個四波段低探測率天線,可以提供360°全頻段射頻信號的監視和搜集。
F-35
▲F-35匿蹤突防後,利用資料鏈指揮其他國家的友機攻擊,以免暴露行蹤。

現役與研發中的五代機

其他還有韓國與印尼聯合研發的KF-X戰機、瑞典的FS-2020等的研發計畫。此外由於五代機的研發與服役成本都太過昂貴,美國近期提出要研發「五代減」戰機,主要是改良五代機的研發與運作成本,但尚未有具體方案。

SU-57
▲俄羅斯的SU-57經過千辛萬苦的研發才終於進入量產準備服役,成為第三個有五代機正式服役的國家。

四代半戰機:利用五代機部分科技強化的四代機

先簡介完五代機才介紹四代半戰機,不是編者寫錯了,實際上四代半戰機比五代機還晚出現!

這是因為五代機擁有前述4S的優勢,但代價是生產、操作與維護的成本都非常昂貴,例如F-35的吸收雷達波塗料,難以適應極度乾燥與炎熱的氣候,常常會脫落,因此必須要待在有空調的機庫內。

而且在實際的空軍作戰中,當敵方的空軍戰機與防空力量被五代機消滅後,剩下的空中巡邏與對地對海攻擊任務,其實四代機即可勝任,改良後的四代半戰機則戰鬥力更強。

故四代半戰機是指利用五代機(1997年F-22首飛)世代的先進電子科技與匿蹤技術,部分移植到四代機,在不大幅度改動四代機設計與空氣動力外型下,戰鬥力卻能獲得大幅度提升,所以單獨分出成為四代半戰機。

以我國的四代機F-16A Block 20升級到四代半的F-16C/D Block 70(F-16V)為例,究竟差異在哪裡呢?

F-16V
▲F-16C/D Block 70又被稱為F-16V。「V」取自於此型機最早的暱稱「Viper(毒蛇)」。

1、雷達升級

F-16V以主動電子掃描陣列雷達(AESA)AN/APG-83,取代我國F-16A Block 20的AN/APG-66(V)3機械掃描雷達。極限探測距離由180km大幅增加到370km,偵測效能大幅增加,且抗干擾能力也強化。

陣列雷達是藉由改變天線表面陣列所發出波束(wave beam)合成的方式,調整波束掃描角度,即可向不同方向掃描,不但反應速度遠遠快於機械動作,且可向多個方向同時掃描,故比傳統機械雷達有更強的多目標接戰能力,邊掃描邊跟蹤能力,以及多模式(空對空與空對地)同時工作的能力,以及降低因為機械零件產生的故障率。

AN/APG-83
▲AN/APG-83主動電子掃描陣列雷達。
AN/APG-66
▲AN/APG-66雷達則可以看見後方的機械轉動結構。

2、電子戰系統升級

雙座型的F-16V增加機背固定電戰莢艙(Dorsal Avionics Compartment,DAC),詳細功能是機密,但雙座機的任務通常為對地(海)攻擊,所以攜帶DAC的目的應是在不用電戰機支援的情況下,就能對敵方目標進行電子類(軟殺)的防空壓制(Suppression of Enemy Air Defenses,SEAD)。

F-16V加裝新型Legion紅外線瞄準暨追蹤系統(IRST)莢艙,則是為了對抗匿蹤戰機,因為匿蹤戰機的機身普遍塗裝可吸收雷達波的匿蹤塗料,但雷達波照射到匿蹤戰機後,被塗料吸收,不等於會平白無故地消失,而是轉變成紅外線訊號。

匿蹤戰機的設計者當然也知道這一點,改良版的匿蹤塗料(例如美國已經發展到第五代即Have Glass V),可以將紅外線波長轉換到容易被大氣吸收的波長,但現在的紅外線偵測系統也越來越靈敏,所以在一定距離內,雷達沒有辦法發現匿蹤戰機,紅外線偵測器卻能輕易發現,IRST莢艙成為反制匿蹤戰機的利器。

此外,駕駛艙內的顯示器也配合新雷達與電子系統升級(如ALQ-213(V)電子戰系統、SNIPER目標標定莢艙、C-210跳頻無線電),以更良好的人機介面,以及NVG夜視鏡、JHMCS聯合頭盔瞄準系統,發揮新電子系統的威力。

F-16
▲F-16座艙顯示器配置的進化,可以看出數位儀表與顯示器大幅度取代機械儀表。

3、匿蹤塗料

F-16V的機身塗裝大多是深灰色+淺灰色,與F-16A的全部淺灰色不同,深灰色的部分就是匿蹤塗料,與F-35使用的複合式微金屬石墨顆粒雷達吸收材料相同。

當然F-16V不會因為使用匿蹤塗料,就變成匿蹤戰機,因F-35的匿蹤性能中,只有約20%是靠匿蹤塗料,其餘80%都是靠機體外型等其他因素。

但匿蹤塗料還是能降低雷達反射截面積,也就是增加可被偵測的難度,就算只降低10%,在瞬息萬變的戰鬥中,還是優點。

但匿蹤塗料有保養成本昂貴,並有使用壽命短需要常常重塗、增加紅外線反射量等問題,所以不以匿蹤為主要賣點的F-16V,只會在重點部位塗佈,其他部位使用一般塗料,所以成為深灰+淺灰的外型。

F-16V
▲中華民國空軍現役F-16V戰機,可看出機身上匿蹤塗料與一般塗料混合使用。

4、推力增加與機身強化

我軍F-16A/B Block 20使用F-100-PW200渦扇發動機,軍用推力14,590磅、後燃推力23,770磅,在F-16V則改用F110-GE129渦扇發動機,軍用推力17,155 磅,最大推力29,588磅,高了一大截。(但目前僅限於新購版的66架使用新發動機,升級版的因預算分配,暫時未升級發動機)

推力大可以攜帶更多重型的空對地(海)武器,例如高速反輻射飛彈(HARM)、AGM-154聯合距外武器(JSOW)、AGM-158 JASSM聯合空地防區外飛彈等。或利用新型LAU-129飛彈掛架,掛4枚以上AIM-120C/D長程空對空飛彈進行制空任務。短程空對空飛彈也改用最新版的AIX-9X。

引擎推力增大,掛載武器多,機身強度也需要對應增加,原本的F-16A升級版會強化機體,新購版本在製造時就已經針對引擎推力優化機體結構。

F-16V原始設計上,在機背上添加適型油箱(conformal fuel tank)延長航程,但中華民國空軍因為以守勢作戰為主,加上擔憂適型油箱的阻力與重量影響空戰性能,所以升級版的F-16V目前沒有加裝。

F-16
▲F-16在我國的定位除防空作戰外,還是對地對海打擊主力,提升推力後能掛載更多重型陸攻/反艦武器。

中華民國空軍共有142架F-16A/B Block 20升級成F-16V,預計2023年完成,另購買66架原裝版F-16V,預計2026年前全部交貨。

其他四代半戰機

第一批四代半戰機,如法國的疾風(Rafale)、美國的F-15E於1986年首飛,並於稍後服役後,各國發現四代半戰機其實擁有相當不錯的價格效能比,對空對地能力都不錯,於是不少性能不錯的四代機都改良成四代半戰機。

如美國的F-16E/F、F-16V、F/A-18E/F、俄羅斯的Su-30SM、Su-34、Su-35S、MiG-35、歐洲的EF-2000、日本的F-2、中國的J-10C、J-16等,都是有大量生產服役的四代半戰機。

SU-35
▲SU-35是知名SU-27戰機的四代半型號。
J-10
▲超過500架的J-10系列是解放軍數量最多的戰機,圖為改良至四代半的J-10C。

五代變成四代半的韓國/印尼KF-21戰機

比較有趣的是韓國與印尼聯合研發的KF-21空優戰鬥機,雖然外型明顯參考F-22與F-35,應有一定的匿蹤性能,雙F414-GE-400K發動機,有最大22,000磅X2的推力,機動性應該不錯,很多人乍看之下以為是五代機,結果韓國在發表會上公布是四代半,這是為什麼呢?

原來首先是航電系統採購不順,美國政府 2015 年 4 月宣布拒絕提供KF-21(當時稱KF-X)達到 F35 戰機等級的主動電子掃描陣列(Active Electronically Scanned Array,AESA)雷達、紅外線搜索追蹤系統(Infra Red Search and Track,IRST)、電子光學目標追蹤設備(Electro-Optical Targeting Pod, EOTGP)、電波干擾等4項關鍵核心技術的輸出許可,僅批准對韓出口研製 KF-X 所需的 21 大項非核心技術。

韓國以國內LIG Nex1 、Hanwha Systems等公司,聯合以色列ELTA Systems、瑞典Saab等公司,聯合開發出了AESA雷達,也宣稱攻克了大部分的電子技術難題,但其電子系統仍遠遜於真正的五代機。

此外研發階段發現內置「飛彈艙」相當難設計,最後為了不拖累整個研發進度,發表時改為半埋式掛架,但只要掛上飛彈、炸彈等武器,就會大幅影響匿蹤性與飛行機動性。

所以原本依照五代機概念設計的KF-21,變成了四代半戰鬥機。KF-21研發計畫總經費目前已達18.6兆韓元(折合近4744億台幣,其中開發費用就逼近50%),印尼分擔20%,原型機推出後,預計2022年7月首飛,如果一切順利,韓國空軍將採購120架,印尼空軍將採購48架。

KF-21
▲KF-21正面構型。
KF-21
▲KF-21側面構型。


▲KF-21發表會實錄。

六代機:飛行員變身指揮官 領導無人機

根據皇家國防安全聯合軍種研究所(Royal United Services Institute for Defence and Security Studies)的研究報告,在1990年後發生的現代化空戰中,戰鬥機的飛行性能影響越來越小,空戰的成敗幾乎完全決定於「雷達與其他電子系統」的戰場感知能力,以及「飛彈性能與干擾飛彈的技術」形成的武器威力。

研究報告更指出,1990年代後絕大多數的空戰,都發生在飛行員的視距之外,表明電子與科技的先進性與可靠性,比飛行員的空戰能力更為重要,許多智庫單位其實也有歸納出類似的報告。

故六代機的研發重點一,在於延續五代機的特性,例如匿蹤科技與超音速巡航能力,當然還有更先進的雷達與電子、傳感、通訊系統。

研發重點二是前述報告提到「干擾飛彈的技術」,五代機以下還只有「軟殺」即反制或電子干擾的能力,六代機會搭載主動防禦系統,以小型飛彈或是雷射,直接摧毀來襲的空對空或空對地飛彈。

除了前述報告中提到的電子科技進步,衛星科技發達,使得現在於萬里之外遙控無人機,偵查或發動對地打擊,已經成為軍事界習以為常的作戰形態。至於為何空戰還沒有無人機參戰,請參閱:F-15掛「無人忠誠僚機」曝光只是前菜 未來空戰AI無人戰機圍毆有人機?!

但無人機沒有辦法進行空戰這一點,在六代機世代應該會打破。六代機幾乎一定會擁有無人僚機,並能率領大量的無人僚機進行空對地(海)打擊或空對空作戰。

專家甚至認為六代機只在戰線後方指揮,前線偵查與短兵相接的戰鬥這類「危險任務」,全部由無人機代勞。因此近期流出的六代機構型,匿蹤性能會比飛行性能更重要,所以普遍採用飛翼購型,較類似現在的匿蹤轟炸機。

目前美國、俄羅斯、中國、歐洲(法國+德國+西班牙一組、英國+義大利+瑞典一組),都有六代機與配套忠誠僚機的研發計畫正在執行中。

六代機
▲目前六代機流出的研發圖,清一色飛翼構型,顯示預測未來空戰都是無人機(或友機)去打,六代機躲好+指揮,比飛行性能重要。
六代機
▲另一種美國的六代機研發概念圖。
F-35 F-22 QX-58
▲F-35(中)已經在測試中成功指揮XQ-58A(下)忠誠僚機,為六代機的研發鋪路。

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