F-16

戰機的「1~6世代」究竟如何劃分? 為何第四代是目前主力? 系列part1

探討噴射戰鬥機的各類文章中,常常可以看到「世代」這個名詞,例如F-35是「五代」機,中華民國空軍的F-16V是「四代半」(4.5代),日本在311地震引發的海嘯中被摧毀的F-2是四代機,美國、俄羅斯開始研發「六代機」等,究竟這些戰機世代是如何劃分?

本篇為系列中的上篇,介紹一~四代戰鬥機的主要技術特色,並分析為何第四代戰機是目前各國的主力。下篇將介紹五代、四代半代、六代戰機。

Fighter aircraft
▲不同世代的美國空軍戰機併排飛行。由上至下分別是F-22、F-86、F-4、F-15。

一代機:噴射戰鬥機時代的先鋒

第一代噴射戰鬥機是由螺旋槳跨入噴射推進,從二戰末期德國Me-262、英國流星式,到1950年代的前蘇聯MiG-15、美國F-86等。不過大部分的研究,都會從二戰後的噴射機才開始歸類。

第一代戰機特色就是水平飛行速度比螺旋槳戰機快,就算是二戰的Me-262都能輕易突破860km/h,比螺旋槳推進中最快的Ta-152H還快了100km/h,戰後的Mig-15則能超過1100km/h,俯衝時甚至能接近音速。

由於速度快產生的風壓與摩擦溫度,第一代噴射機只能採用高強度鋁合金的全金屬機身,以及後掠機翼,外型與螺旋槳戰機明顯不同。

第一代戰機的缺點是限於當時的渦輪噴射引擎科技,其實飛機對油門的反應比較慢,再加上武裝與航電設備都還很簡陋,以機槍與機砲為主要武器(一代機後期才出現空對空飛彈與空用雷達)。

第一代戰機除了射控與武器還沒有與螺旋槳飛機拉開差距,油門反應慢,因此低空與起降的操控性能更是笨拙,很多噴射戰鬥機的飛行員也不習慣噴射戰鬥機的空戰打法,反而會減速與螺旋槳戰機進行纏鬥,這給了螺旋槳戰機反殺一代機的機會,故最後一代的螺旋槳戰機如美國P-47、P-51或前蘇聯La-11,都有擊傷或擊落噴射戰鬥機的紀錄。

國軍螺旋槳F-47N擊傷解放軍MiG-15噴射機案例

國軍飛行員毛節盛於1954年5月,駕駛F-47N(為P-47的美國空軍型號)於浙江省大陳島附近,遭遇解放軍性能高一大截的MiG-15 bis噴射戰鬥機攔截,毛節盛用各種水平與垂直轉彎將MiG-15 bis誘入低空,並降低空速縮減迴旋半徑…

一架MiG-15 bis無法在低空低速下,繼續保持在F-47N的六點鐘方向,減速不及飛竄到F-47N前方,毛節盛於電光石火的一剎那立刻扣下板機,8挺.50機槍齊射,MiG-15 bis立刻中彈冒煙,只能馬上脫離戰場…但F-47N無論速度與爬升能力都遠遜於噴射機,無力追擊。

此次空戰根據中共戰史記載,解放軍飛行員保錫明駕駛的Mig-15 bis機翼與座艙都遭到.50子彈擊中貫穿,保錫明頭部、左臂與右腿都遭到座艙內高速飛散的金屬破片擊傷,血流如注。他拋棄座艙蓋回報準備跳傘逃生時,地面戰管提醒他:負傷流血又在海上跳傘,幾無生還可能,不如在戰機上拚一下…於是保錫明利用噴射機較強的爬升力,迅速扭頭爬升到7000m,確認擺脫國軍追擊後,返回機場迫降成功。

第一代噴射機首度使用空對空飛彈作戰,是國軍F-86F掛載美國援助的GAR-8(後改型號為AIM-9B)空對空飛彈,1958年9月24日於中國溫州灣上空至少擊落一架解放軍MiG-17。亦象徵噴射機作戰終於擺脫二戰模式,將進入遠距離交戰的新時代。

P-51  Me-262
▲螺旋槳動力的P-51常埋伏在第一代噴射機 Me-262的機場上空,利用其起降時機動力較差的缺點,取得不少戰果。
F-86
▲二戰後的F-86,基本上還是延續二戰的纏鬥風格武裝與射控系統。
Mig-9  Mig-15
▲前蘇聯研發第一代噴射機MiG-9時,還無法掌握噴射機特性,機砲設置於發動機進氣口,至易吸入開炮廢氣導致熄火。後排 MiG-15與之後的設計就正常多了。
F-86 GAR-8
▲臺海兩岸戰史皆確認F-86於1958年以GAR-8擊落至少一架MiG-17,創世界空戰史首度使用空對空飛彈擊落敵機的紀錄。

二代機:進入倍音速時代

第二代噴射戰鬥機的綜合性能開始與螺旋槳戰機拉開明顯差距,追求飛得更高更快,以及更為先進的武器與航電系統,代表性的戰機有美國F-104、前蘇聯Mig-19/MiG-21,法國幻象III等。

第二代戰機的飛行速度正式突破音障,並且很快發展到2倍音速,實用升限也超過17000公尺,為了達到這樣的性能,「後燃器」(afterburner)開始成為戰機必要裝備,也是為了追求高速,三角翼與可變翼開始出現。

武器與射控系統更全面進化,空對空飛彈成為戰鬥機的標配,能夠攻擊遠超過機砲射程(約2km)的目標,一枚飛彈命中的破壞力也遠超過機砲彈,甚至開始出現攜帶核彈頭的空對空飛彈,參閱:特種部隊抱著核彈跳傘是真的! 了解「戰術核武」的定義與特殊型號

雷達技術的小型化成功,讓戰機開始攜帶空用雷達,主要用於高速目標的跟蹤定位,以及測量距離,幫助飛行員在適當的距離與位置發射空對空飛彈。

第二代戰機可說是奠定了噴射戰鬥機的基本構型,因此其世代中的後期型號,例如MiG-21,經過現代化改良(通常是升級引擎與航電系統)後,至21世紀20年代,仍在許多國家的空軍中服役。

不過許多二代機因為當時高空高速的航太科技並不成熟,因此設計上顧此失彼,例如追求兩倍音速的F-104,因為設計時將重點放在高空高速及高爬升率,而犧牲續航力和水平機動性,導致低空飛行與起降時性能惡劣,失事率高。使其有「寡婦製造機」(Widowmaker)、「飛行棺材」、「人肉飛彈」之惡名。全球平均每10萬飛行小時墜毀25.2架。

例如我國空軍自1960年開始由美國軍援管道及軍售,合計接收302架各型F-104,1998年除役,在38年的服役期間(總飛行時間約38萬小時),總計114架失事,造成66名飛行員喪生。但第二代戰機這些嘗試錯誤的經驗,為後續的三代機,提供了許多寶貴的試金石。

F-104
▲美國F-104是典型的二代機,為了突破兩倍音速,水平與低空飛行性能都有所犧牲。
MiG-21
▲MiG-21採用較簡單的機首進氣,無法安裝大型空用雷達,但均衡的設計大受好評,改良款服役至今。
Mirage III
▲以色列空軍的幻象III型在六日戰爭擊落48架阿拉伯國家聯軍戰機,在贖罪日戰爭再創下擊落106架敘利亞和埃及空軍飛機戰果。

▲MiG-21改良後服役至今,影片中為印度空軍的MiG-21 BISON以後燃器加速起飛。

三代機:視距外空戰/多用途

三代機開始配備更為先進的雷達、機載航電系統與中程空對空飛彈,開始能攻擊目視範圍外的敵機,且由於引擎性能強化,三代機除了追求高空高速性能,也能兼顧中低空性能。代表性戰機有美國F-4、F-5、前蘇聯MiG-25等。

雷達導引空對空飛彈,各國在1940年代就開始研究,但在1956年服役的「半主動雷達導引」麻雀飛彈(AIM-7)才算發展成熟,搭配F-4戰鬥機,成為三代機最著名的搭檔。

通常飛行員在空中的可視距離在8~20km左右,差距為受到氣像條件與飛行員視力影響,但是麻雀飛彈從AIM-7E型開始,射程就達到30km,也就是能在飛行員視野外,靠雷達導引擊落敵機,稱為「超視距」(Beyond Visual Range,BVR)作戰

由於機載雷達與空對空飛彈性能突飛猛進的發展,三代機一度傾向「機砲無用論」,戰機只搭載中程與短程空對空飛彈,不過此理論很快在越戰遭到現實洗臉…

空對空飛彈的命中率,在飛行員緊張亂射、氣象條件差、導引失敗、敵方迴避與電子干擾等情況下,命中率奇低無比,在20%以下,所以各國很快又將機砲裝回戰機。例如F-5戰鬥機,在迷你的機首前段除了雷達外,要塞下兩門20mm機砲,只能將砲管凸出於機體外。

此外由於引擎推力大增與機體材料科技進步,第三代戰機的酬載量大增,原本只定義為「攔截機」第三代戰機,開始掛上各型炸彈與空對地/反艦飛彈,變身為多用途戰鬥機。

也由於引擎推力大與可靠性大增,第三代戰機還有一類「垂直起降」戰機開始實用化,不再只是理論,如前蘇聯Yak-38與英國AV-8,尤其是後者在實戰中大放異彩,服役至今。

F-4
▲英國皇家空軍採購的F-4J改良型,使用英國勞斯萊斯公司生產的發動機和英制標示的電子設備。
F-5E
▲F-5E機首上的兩門20mm機砲,是其重要特徵。
F-4E
▲F-4E可以攜帶大量炸彈對地面炸射,其載重8.5噸甚至超過二戰著名B-17重轟炸機的7.9噸!
MiG-25
▲MiG-25雙座型的座艙配置相當特殊。

▲少見的MiG-25緊急起飛(scramble)影片,值得一看。

AV-8B
▲垂直起降的AV-8B戰機被歸類為三代機的特殊分支。

第四代:運動性能大增的飛行電腦

三代機參與了從1960年代~1970年中期許多大型空中戰鬥,如越戰、中東戰爭(六日戰爭、贖罪日戰爭)等,實戰反饋大大的影響了1970年代中期開始的新機的設計理念,與三代機的設計概念差異很大,成為四代機。例如美國的F-15、F-14、F-16、FA-18、前蘇聯Su-27、歐洲EF-2000、日本F-2、中國J-10、我國的IDF等。

四代機由追求速度轉為更強調「運動性」與推重比,此外電子科技與複合材料從1970年代起開始突飛猛進,都讓四代機產生質的提升。

在此要說明,原本美國將這些70年代中期後新設計的戰機,仍然稱為三代機,許多中文媒體也沿用,因此下一代的F-22、F-35在原本美規中是四代機,這種分類法在很多文章中仍能看到。

但在俄國的分類中,卻將Su-57(以及原型機T-50)稱為五代機,看起來比F-22/35整整先進了一代,也造成研究者與媒體報導的混淆。所以後來美方的文件也將F-22稱為五代機(見文末美國空軍簡報圖),從此戰機世代分類的通說就趨於一致。

四代機具有高推重比(輕載時甚至超過1,也就是能垂直爬升)與較遠的航程,這是由於輕量化的複合材料與大推力兼顧燃料消耗較少的「渦輪扇發動機」開始廣泛運用。

四代機則為了追求運動性,配合電腦科技的發展,導入先天不穩定性(Negative stability)設計。相對的,一般飛機或前幾代戰機都有靜穩定性(將飛機重心置於升力中心之前),飛行員不太需要控制,飛機基本上會自行回到直線與水平飛行狀態,但這會大幅限制飛機的機動性能。

以F-16為例,先天不穩定性的設計,讓飛機隨時都處於不穩定地狀態,需要不斷調整各個翼面,維持飛行姿態,但這不是傳統的鋼索靠液壓連接舵面的控制系統可以搞定,因此改為「線傳飛控」(fly-by-wire):將駕駛員的操縱輸入,通過IC轉變為電信號,經電腦或電子控制器處理,再通過電纜傳輸到控制介面。

電腦科技成熟,讓機載電子系統能夠處理更多的資訊,因此如F-4還需要後座雷達/電子系統操作員的配置,又被自動化系統取代。

由於四代機的電子系統能提供的訊息太多,不可能全用機械裝置顯示,為了讓飛行員很快了解重點資訊,飛行儀表電腦利用多功能的CRT或平面顯示器,取代以往的指針儀表,在同一個螢幕上能根據需要切換顯示不同資訊。

四代機還捨棄三代機為了降低高速下的阻力,犧牲飛行員視野的狹小座艙罩,改為泡型或淚滴型艙罩,成為四代機外型最大的特徵。

IDF 萬劍彈
▲我國IDF 攜帶萬劍彈(視距外反跑道集束巡弋飛彈)測試成功,能摧毀200km外的目標。
F-16 SU-27
▲攔截SU-27的F-16戰機,兩者都是著名的四代機。
F-15C ASM-135A反衛星飛彈
▲F-15C發射ASM-135A反衛星飛彈,讓四代機首度擁有擊毀太空目標的能力。
Iran F-14
▲伊朗擁有的F-14戰機,曾經參與兩伊戰爭,擁有大量實戰經驗,並經由其改裝與延壽,服役至今。
J-10
▲中國解放軍空軍的J-10A,是其首度跳脫蘇聯式風格,採用西方設計的自製戰機。


▲EF-2000歐洲戰鬥機的低空飛行表演,展示其機動性。

為何四代機是目前各國主力戰機

雖然五代機已經研發並且服役了很多年,但目前在世界各國空軍中,第四代戰機在數量上仍是主力,以美國為例,其現役戰機總數約為2717架,其中空軍第四代戰機F-15系列(不含EX型)共473架,F16系列共827架,海軍FA-18系列共433架,FA-18E/F共488架,陸戰隊FA-18共229架,AV-8B共99架,合計4代機共2549架,佔了壓倒性數量。

▲知名航空雜誌《國際航空》(Flight International)近日公布「2020年世界空軍」,此表為現役戰鬥機數量。

四代機研發的年代,正是東西兩大陣營冷戰的高峰,因此雙方陣營的生產了大量的四代機配發部隊,此外相較於先進的五代機,出口敏感性沒有這麼高,因此無論是美系的F-15、F-16或是蘇系的SU-27家族,都大量的出口,成為許多國家空軍的中流砥柱,進一步提高數量。

龐大的各型四代機總生產數量,意味著生產成本降低,而且需要龐大的後勤維護能量,能夠養活夠多的後勤廠商,而四代機也因為整體的經濟規模,零件取得較容易,維護資源也多,進一步降低了持有與操作成本,加上以綜合性能而論,四代機針對現代防空與對地對海作戰需求,基本足夠了,還沒有大規模落伍的情況。

此外以戰機的操作成本而論,四代機平均也比五代機低得多。美國國防部曾公布2018年各種飛機的 ” 每小時操作成本 ” ,以2017年10月的美金來計價:五代機F-22每小時操作成本要36799美金、低配版的F-35也要18026美金,但相對來看,四代機最便宜耐操的是F-16C,平均每小時操作成本只要8093美金,平均F-22飛一趟,F-16C可以飛4.5趟還有找!

尤其現在全球經濟疲軟,加上很多國家並沒有急切的戰爭需求,四代機升級或換裝的進度緩慢,這些因素都讓雖然五代機已經問世很久,四代機仍然為全世界空軍的主力。

jet fighter generations
▲美國空軍對於戰機世代的劃分,目前也已經採用五代分法,取代過去的四代分法。
戰鬥機世代圖表
▲俄媒在2003年製作的戰鬥機世代圖表,雖人分法稍有出入,仍有參考價值,也可以看出解放軍由二代機直接跳到四代機。

系列part2:戰機的世代part2:從五代、四代半、六代的特色 看F-16V到底比F-16A強在哪?

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