从上世纪50年代末导弹出现以后,东西方的军官和飞机设计师们曾经一度认为机炮已经毫无用处,以至于在60年代战斗机装备机炮的比率从100%降低到50%。但越南战争充分的暴露了当时航空电子和导弹系统的不成熟、不可靠;一些机型例如F4由于没有机炮,在空战中极为被动甚至因此被击落。这些教训如此沉重,以至于在机炮已经真正无用的今天却没有人敢将之放弃。正如一个英国飞行员所说:“不管用不用得上,我永远不想没有机炮。”

能量机动理论的提出者博伊德

二:二代机火控水平对三代机发展的影响

  总的来说,越战时战斗机的进攻手段操作复杂,武器发射条件严苛,攻击效率低下;即使一方在短时间内态势占优也往往难以进行有效攻 击,空战中在中低空亚声速下近距离内进行反复的追逐、缠斗、咬尾成为最普遍的交战方式。正是这样的局面催生了约翰·伯伊德跨时代的能量机动理论,第一次以数学形式量化了飞行性能在空战中的作用,引入了系统工程的数据图表优化分析,使得设计前就掌握飞机的空战性能成为现实。

  在当时的技术条件下,由于火力控制系统和机载武器的限制,不论是机炮、航空火箭还是当时的空对空导弹,在构成发射条件的过程中都需要对目标进行较长时间的稳定跟踪,甚至于往往需要逼近到目标后方较近的距离。因此早期阶段的能量机动理论主要强调攻击方切入敌方的后半球位置,并且要能够稳定跟上敌方的动作而不被甩开;能量机动中最核心的SEP指标正是这样一个反映战斗机持续稳定机动能力的概念。

单位剩余功率(SEP)图表

  在最早的能量机动理论中,博伊德认为,如果一架战斗机可以在飞行包线中任意一点的位置都拥有高于对手的SEP特性,并且具有迅速更改自身SEP状态的能力,可以消耗比对手更多的SEP将能量优势转化为将对手纳入己方武器包线范围内的空间位置优势,那么这架战斗机就将占据空战中的优势地位。国内很多自诩能力机动理论秉持者的原教旨主义者完全曲解了能量机动理论的本意,将迅速消耗能量转换为空间位置优势的负能量战术这一能量机动理论的核心组成部分与能量机动理论自身完全对立起来,不知道博伊德泉下有知,将对这些名义上的徒子徒孙作何感想。

  单位重量剩余功率SEP=(推力-阻力)X速度/重量,它反映了战斗机的加速和爬升能力。但在战斗机设计中,这个性能与盘旋能力会发生取舍上的冲突;更高的盘旋能力需要更高的升力系数与更低的翼载荷,而翼载荷与战斗机重量成正比,与机翼面积成反比。

  在发动机(推力)确定、基本气动外形设计(升力系数)确定的情况下,提升盘旋能力只能依靠增大机翼面积实现;而机翼面积加大直接带来更大的阻力与结构重量,在降低最大速度指标的同时会严重的对SEP造成负面影响。此外随着机翼面积的加大,战斗机在大迎角下的迎风面积也会相应加大,引起阻力的急剧增加;因此增大机翼面积对于瞬间盘旋性能来说总是一件好事,但对于设计更偏重持续机动能力的战斗机来说,如果推力不能克服急剧增加的阻力,最终得到的未必是设计师想要的结果。

  最终早期的第三代战斗机空战特性的设计就主要在SEP性能与稳定盘旋性能之间进行折中,力求获得亚声速下优良的持续稳定机动能力;后来的F15、F16、苏27、米格29战斗机都是遵循这一初级阶段的能量机动理论所指导设计出来的产物。

图中的曲线就是代表炮弹落点轨迹的“热线”

三:热线瞄准对机炮性能的再次提升

  对于机炮这种原理成熟,构造简单的机械武器,它本身的性能改进没有太多余地也没有太大价值;弹丸的杀伤能力提升的空间有限,散布也不可能有本质性的改善,而有效射程受限于初速和散布更不可能增加多远。但雷达、平显仪、电子计算机的综合应用,使它的瞄准方式实现了革命性的突破。

  1969年,对活动光环瞄准具忍无可忍的美国空军人员根据越战经验,向美国国内提出了开发新型原理机炮瞄准方式的要求。应用全新技术的瞄准具,依托电子计算机、平显仪、雷达为基础,在70年代初获得原理性的突破,并逐渐被广泛应用。这种新型瞄准方式被称为热线瞄准,又叫做示迹瞄准或者连续命中瞄准;但最能反映它本质的名字,还是快速射击瞄准。

雷达热线

  热线瞄准以电子计算机为核心,将战斗机在各状态下(高度、速度、迎角、侧滑角、俯仰度、坡度、弹头初速、弹道系数等等条件)发射出的每一颗炮弹(不管此时机炮是否已经真的开火)相对于本机位置的弹着点都计算出来,并连接成一条动态的曲线,显示在平显仪上;热线的起点是一个十字,代表炮口,而最远的一点则对应瞄准具设计中的最大射程。

  在热线上有一个活动的瞄准圆,处于圆心的特征点也就是俗称的热点,它代表的弹着点与炮口的距离正好等于该机与目标的距离。通常情况下热线瞄准的测距由雷达完成,无需人工干预,但必要的情况下仍然可以使用光学测距;方法和活动光环瞄准类似,首先装定目标的翼展数值,转动测距把手,使目标翼展视角等于瞄准圆环的直径。

  在新的机炮瞄准方式中,由飞行员替代瞄准具判断目标的运动规律,当预计目标的运动轨迹即将与热点重合的时候,提前一个炮弹飞行到目标距离所需的时间开火;当机炮处于持续开火状态下,平显仪上显示目标与热点重合时,目标即被炮弹命中。

阵风平显仪的录像截图

  由于不再需要跟踪-稳环过程,因此战斗机无需切入对方后半球进行稳定跟踪即可射击;而瞄准时间的大大缩短,使得在空战中的一方哪怕仅仅是占据很短时间的优势态势,例如在机炮射程范围内将机头(准确的说是炮弹的弹道方向)准确的指向对手,也有相当大的可能完成一次成功的致命攻击,将另一方击落。

  相对于战斗机的飞行速度与交战空间,仅仅数百米的有效射程始终是机炮无法克服的致命缺陷。极大提升了机炮使用性能的热线瞄准方式,虽然远不足以对已经开始真正步入导弹时代的空战模式造成根本性的影响,但它表现出了一个明显的技术发展趋势,就是火力控制系统的反应速度将越来越快,机载武器系统的使用限制将越来越宽。

  这个趋势很快以更加猛烈的势头在空对空导弹上展现出来,并彻底推动了空战理论的又一次转变。在新时代的空战中,中低空亚音速下近距离内进行反复的追逐、缠斗、咬尾的现象已经成为历史;谁更敏捷、更能先将自己的机头指向对方谁就能获得胜利。而这一阶段的产物,也就是1980年以后开始研制,强调跨超声速机动能力,普遍具备飞火交联功能的后期三代战斗机以及第四代战斗机。