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方方

 

F-22，世界上第一种也是目前唯一一种投产的第四代超音速战斗机，它所具备的“超音速巡航、超机动性、隐身、可维护性”（即所谓的S4概念，也有资料将“短距起落”包含在内，称为S5）成为第四代超音速战斗机事实上的划代标准。

对于F-22，著述已多，但涉及到飞机特点以及试飞情况的却少见。所幸《CODE ONE》对F-22试飞员进行了采访。本文即试图从访谈中获取信息，从F-22最突出的飞行包线两端的飞行性能角度探析该机在作战中所具有的优势，特别是和同样以超机动性闻名于世的苏－37相比，二者优劣长短如何。

 

超音速性能

 

超音速巡航能力

说到超音速性能，首先要提到的就是超音速巡航能力。超音速巡航这个概念，对于航空爱好者来说并不陌生。但由于许多媒体报道不甚确实，使得这一概念往往同“超音速飞行”等概念混同起来。

超音速巡航能力实际上是指飞机无需开加力而以较高的超音速巡航飞行的能力。在这一概念中，有两点必须明确：1）无加力；2）较高超音速。对于第一点，笔者曾经不止一次看到有文章提到米格－25/31的“超音速巡航能力”，实际上这两种飞机不过是在机内载油量极大的基础上开加力实现较长时间的超音速飞行罢了。对于第二点，往往被人忽略，认为只要不加力，飞行M数超过1，就可以称作超音速巡航了。英国人在介绍他们自己的“闪电”截击机的一篇文章中就提到，该机不加力M数达到1.01，因此算是世界第一种实现超音速巡航的飞机。随着发动机技术的进步，一些第三代战斗机已经可以在无外挂条件下，不开加力在跨/低超音速区飞行（M0.9～M1.3，一般只能略超过1，尚未接近上限）。这些飞机也算不上实现了超音速巡航。

作为第4代超音速战斗机的划分标准之一，超音速巡航如果这么容易就被第三代、甚至第一/二代超音速战斗机实现，那么这条标准早就可以扔进垃圾堆了。上述两点只是量化衡量的标准，而不是超音速巡航的实质——通过先进的气动设计，大幅降低超音速零升阻力系数，提高超音速升阻比，结合大推力低油耗发动机，飞机超音速性能实现阶段性的飞跃，这种优越性能的冰山一角就是超音速巡航，这就是它的意义所在，也是它能够成为分代标准之一的原因。如果只盯住量化标准，而不考虑背后的实质，恐怕会失之偏颇。试想一下，假如F-15可以装上F119发动机，那么不加力M数或许可以达到M1.2或更高，但它的超音速性能却绝对比不上F-22，因为它的气动设计仍然是第三代战斗机的水平。

那么超音速巡航可以为F-22带来什么样的战术优势呢？就这个能力本身来说，它的优势一般体现在拦截和超视距空战中。

如果你正处于攻击态势，或者说，你正驾驶你的猛禽去拦截入侵者，那么超音速巡航能力将大大提高你的接敌平均速度，外推拦截线，在对手进入武器射程之前就对其实施攻击。而高达M1.5以上的巡航速度，将赋予你“先敌开火，先敌击落”的优势。例如，当载机速度从M0.9提高到M1.5时（这里假定载机具有高度优势），AIM-120阿姆拉姆的动力射程也增大了50％。从一架以M1.5飞行的F-22上发射的AIM-120，其初速度要快得多，更多的燃料可以用在后续航程中，因此可以在比原来的距离远50％的地方击中目标。如果超巡能力再结合F-22自身的隐身能力、AN/APG-77雷达以及具有无源定位能力的AN/ALR-94电子对抗系统，可以说，F-22已经具有飞行员梦寐以求的在超视距空战中“先敌发现，先敌开火，先敌击落”的优势。

好了，现在假定你的AIM-120已经进入自导段，或者你的猛禽很不走运地被对方锁定了（当然如果出现这种情况，那么你大概需要回内利斯补课了），那么你需要做的就是脱离对方导弹的有效攻击范围。只要你不是迎着导弹上去，那么你的任何机动都会导致对方导弹攻击范围的缩小——事实上是导弹发射瞬间的总能量与猛禽的总能量之差决定了这个范围的大小。而超巡能力结合超音速机动能力，可以令你的猛禽在防御机动中保持较高的能量状态，从而大大压缩对手的开火距离和导弹的有效攻击范围。在这种情况下，你的生存几率比以亚音速机动的飞机要高得多。

在和F-15/F-16的对比试飞中，如果F-22不想和它们纠缠而加速脱离的话，那么鹰和战隼无论如何也追不上具有超巡能力的猛禽——尽管这些优秀的第三代战斗机已经采用了半油构型，以尽可能提高飞行性能，但结果仍然相同：猛禽能够将这些具有“优良”气动力设计的飞机远远甩开。采用F100-110/129/229发动机的F-16在初始加速突破音障阶段还不会落后猛禽太多。但当猛禽进入高马赫数超巡状态后，这场竞赛实际上就结束了。没有哪种飞机可以和猛禽比超音速续航力的。进行追击的F-16和F-15在加挂典型战斗载荷后，无论是在加速段还是在持续巡航段都无法跟上猛禽。对此，F-22首席试飞员保罗·梅斯回忆说：“我们的试飞任务总是受到追击飞机油量的限制。一句简单的“Bingo”就会迫使我们减速，然后把追击机带到加油机那里加油。而此时猛禽的油箱仍然是剩下很多燃油。如果这种下一代战斗机在面对今天的飞行器没有表现出明显优势的话，我会成为坚定的反纳税者。猛禽在很多方面都很出色，而一架超巡中的猛禽更是相当出众的。”

除了空战外，如果需要F-22穿越对手的防空体系，超巡能力同样可以提高其生存力。道理和前述并无二致：穿越防空系统传感器探测范围的时间越短，留给防空系统的反应事件自然越短。猛禽的巡航速度越高，截击就越困难，防空系统攻击范围减小幅度也越显著。无论是尾追还是前置拦截，高速度都显著缩短了有效射击时间，因为导弹必须追击一个高速目标，而相对角速度太大使得它不得不在急转弯中消耗能量。

 

加速/爬升性能

在超音速巡航能力的背后，隐藏着这样一个事实：猛禽的发动机推力大而阻力小，在考虑飞机重量因素后，其单位重量剩余功率（Ps，其绝对值等于同等状态下飞机的爬升率）相当惊人。

发动机是重要因素之一。F119-PW-100最大推力97.9千牛，加力推力155千牛，可靠性高，可以忍受油门的剧烈变化，堪称战斗机的理想动力。带固定斜板的进气道在设计上偏重于考虑超巡的要求，在设计巡航速度下具有较高的效率和较小的阻力，飞行包线右端的加速性能和Ps都明显改善。对于F-22来说，限制其最大速度的因素不是发动机推力，而是包括机体强度在内的其它因素——特别是在低空。为了避免飞行员无操作导致飞机超出最大速度限制，F-22已经加装了最大速度提示和警告系统，以便当飞机接近极速限制时提醒飞行员。

而阻力小的特点主要得益于两方面：优良的气动设计（在设计上特别考虑了超巡的需要，在M1.5的设计速度附近和40000英尺高度条件下，总阻力最小）和内置弹舱设计。

可以对比一下F-15。F-15号称冲刺速度可以达到M2.5，但那是在净形条件下。在挂弹后，由于干扰阻力增大，该机最大M数仅有M1.78，在接近M1.7的时候加速性严重下降。而F-22在这方面的表现就要好的多。按照试飞员的说法：“在所有高度上，以军用推力或者更小的推力进行水平加速非常容易，但要是使用全加力，其加速度简直令人惊骇。我希望我可以用数字来说明，不过它们现在仍然是保密的。使用军用推力，在接近音速时随阻力上升，加速性有些下降，但突破音障仍很轻松。猛禽以军用推力跨音速飞行，感觉上和F-15开加力差不多。打开全加力，猛禽的加速性变得稳定而强劲。在M0.97～M1.08之间，飞机有轻微抖振。之后，直到最大速度，猛禽的加速一直保持平稳连续。试飞时，我们喜欢尽快进入超巡状态，以最大限度地利用我们狭小的超音速空域。我们开加力进入超巡，当达到测试条件时收回油门。现在很多高速试飞已经转移到太平洋导弹靶场（Vandenburg空军基地和Point Mugu海军航空站之间）进行。我们在这里有更长的直线飞行空间，并可以将音爆对当地居民的影响减至最小。”

爬升能力方面，F-22也相当不错。传统的战斗机快速爬升时是采用鲁特斯基爬升曲线。它们先以亚音速爬升到对流层顶（约36000英尺），然后再加速到超音速进行爬升。对猛禽而言，就可以省掉这些复杂的曲线，直接从跑道上拉起加速，转入超音速爬升。“这家伙简直就象是为高速飞行而生的。”保罗·梅斯如此评价。

 

超音速盘旋能力

超音速机动性能是F-22的设计重点之一，也是该机与第三代战斗机的“代差”标志之一。除了前述超巡、超音速加速/爬升性能外，超音速状态下的盘旋能力也有明显提高。有资料称，该机在M1.7时稳定盘旋过载可达6.5G。考虑到F-15在同等条件下盘旋能力远逊于此，而苏－27在M0.9、中空才达到这个水平，不能不说这是一个相当惊人的进步。

能够达到如此之大的超音速盘旋过载，发动机是一个重要原因，而同样重要的还有飞机的超音速升阻比和配平能力。

关于升阻比，不难理解。要拉出足够的过载，机翼就必须产生相应的升力，伴随而来的就是诱导阻力的急剧增大（诱阻系数与机翼迎角平方成正比，与机翼展弦比成反比）。如果诱阻系数太大，诱阻增长极快，那么很快就会抵消发动机的剩余推力，飞机虽仍可能拉出较大过载，但发动机推力已不足以维持稳定飞行，当年的幻影III瞬时盘旋性能好而稳定盘旋性能差，正是为此。以现代航空技术水平而言，要设计出具有高升阻比的机翼或者具有良好超音速性能的机翼均非特别困难，但要将两者合而为一却非一日之功。这也是F-22足以自傲的一点。

而配平能力则往往容易被人忽略。机翼的高升力是拉出大过载的基础，但升力越大，产生的俯仰力矩也越大。如果飞机自身不能提供足够的俯仰配平力矩，那么要么进入上仰发散状态而失控，要么被机翼升力产生的低头力矩压回去，无法拉到需要的迎角。特别是在超音速条件下，飞机焦点大幅度后移，机翼升力产生的低头力矩相当大，进行超音速机动需要更强的配平能力。以超音速性能著称的米格－25，就是由于配平原因而无法进行较大过载的超音速机动——该机超音速平飞时，平尾偏转就已接近极限，能用于超音速机动的余量相当小，所以虽然机体可以承受更大的载荷，但M2时的最大盘旋过载仅有3G。

要解决配平问题，一是大幅放宽静稳定度，将飞机焦点前移。这样超音速飞行时飞机焦点虽然仍会后移，但距离重心近，产生的低头力矩相对较小。不过，这样一来飞机在亚音速大迎角机动时同样会面临配平问题——这次是配平机翼产生的抬头力矩。被媒体过分渲染的近耦鸭式布局，由于鸭翼距离重心较近，配平能力不足，F-16的总师哈瑞·希尔莱克就曾说过：“鸭翼最好的位置是在别人的飞机上。”广为人知的LAVI战斗机就始终未能解决大迎角配平问题。因此，在当年ATF方案论证时虽然出现过不少鸭式布局方案（老航迷们应该还记得80年代采用鸭式布局的“YF-22”的想象图），但F-22最终还是选择了具有较强配平能力的正常式布局，纵向静稳定度也大幅放宽。解决配平的另一个途径是采用推力矢量控制（TVC）技术。采用TVC，其主要优点有：在气动操纵面基础上又增加了一个配平手段，配平能力自然大幅增强；高速飞行时气动操纵面偏转将产生极大阻力，而采用TVC可以起到同样的操纵效果却无需偏转操纵面；TVC并不仅仅是偏转推力矢量而产生法向分力，强大的发动机喷流将在后机身形成引射作用，产生新的“升力”增量，同时参与配平。F-22的超音速机动性大幅提高，TVC技术功不可没。

就超音速盘旋本身的特点而言，其最大优势体现在日趋重要的超视距空战中。前面已经提到，在超视距空战中无论是攻击还是防御态势，超巡能力都非常有用，而超音速盘旋能力则是保证攻防转换顺利衔接的关键一环。当AIM-120进入自导段时，F-22为了避免进入对方武器有效射程或者冲得太快进入风险极大的近距格斗，需要转向高速脱离。可以想象，对于F-15这类飞机而言，为了尽快转向，转弯前的速度需要保持在其角点速度附近，完成转向之后再加速脱离，这必然限制其发射AIM-120时的速度，减小了有效射程；或者为了提高有效射程增速到超音速，发射后再次减速，但牺牲了时间。对F-22来说，完全没有这些麻烦。良好的超音速盘旋能力使之可以在超视距作战阶段始终维持较高的能量状态，以应付各种突发事件。

 

 

过失速机动性

 

 

一般来说，S4里面的超机动性，主要就是指过失速机动性。要具备过失速机动性，良好的大迎角飞行品质和有效的控制手段是必需的两大基础。我们先来看看F-22在大迎角飞行状态下的表现，这或许有助于我们理解这种飞机的优势所在。

 

抖振

抖振是飞机大迎角下常见的飞行特征。对于飞行员来说，抖振是一个很好的提示，它是机翼上表面后部气流开始发生分离的直接表现，等于通知飞行员：机翼已接近临界迎角，即将失速。当气流分离向前发展至机翼前缘时，机翼即完全失速。对于传统飞机来说，机翼失速可能导致飞机进入尾旋或者其它难以控制的复杂飞行状态。此外，强烈的抖振不仅可能损伤飞机结构，而且将严重影响武器系统的使用。即使是设计良好的第三代战斗机，在此时也需要飞行员仔细而谨慎地操纵——如果你不希望飞机进入非预想的超大迎角状态，那么就需要立刻检查杆舵输入，尽快减小迎角。

参与了F-22左端包线试飞的琼·比斯雷谈到：“猛禽大约在20度迎角附近开始抖振，直到26度抖振幅度有轻微增大。猛禽的抖振强度大约和F-16大迎角抖振的最小强度差不多，而控制比F-15少得多。从26度到大约40度，抖振强度基本稳定，超过40度后开始减小。”而来自F-16/MATV试飞小组的报告称：“除非在高亚音速状态，否则标准的F-16在正常迎角限制的飞行包线内不会出现大幅度抖振。在超过限制后的某个位置，我们遇到了明显而意味深长的抖振。在大约40度迎角附近出现中等幅度的抖振，一直持续到50度，然后幅度减弱到几乎消失。”

两相对比，我们可以看到：和经典的第三代战斗机相比，F-22的抖振幅度明显减小，这得益于其良好的气动设计，对于大迎角条件下的武器使用（特别是航炮）非常有利。此外，报告中还有一句潜台词：飞机在大迎角下飞行稳定，不会出现机翼突然失速然后失控的局面。

 

横向品质与控制

根据经验和已知的信息，大多数战斗机在迎角25～35度之间其横向稳定性会急剧下降。如果希望进行过失速机动，这是一个必须解决的问题。在早期试验中，F-22也有同样的问题，大约在30度迎角附近会出现侧滑。这虽然比设计人员期望的值要大，但也表明该机的安定性比预计的小。

要解决这个问题，必须首先确定大迎角下横、航向控制手段。

和习惯性的想法不同，大迎角下最有效直观的控制手段是方向舵，而不是常规飞行状态中使用的横向控制面（包括副翼、差动平尾等）——除了F-22联合试飞队外，来自F-16/MATV试飞员的结论也确认了这一点。不过，F-16/MATV的垂尾是按照常规设计，其方向舵在较大迎角时已经失效，控制能力来自于矢量推力喷口；而F-22的方向舵铰链线明显前倾，使之在所有迎角下都有一定的控制能力，并且在迎角40°左右效率最高。

同样，大迎角航向控制也不再是传统的方向舵，而是原来的横向控制面。在包括F-22在内的多个大迎角验证试飞计划中，试飞员就已经发现，大迎角下的滚转机动看起来更像纯偏航输入。这情形其实有点类似一战时期的战斗机，那时的设计理论远未完善，副翼偏转时产生极大的偏航力矩，使得飞机首先完成偏航机动，然后才是滚转机动。当然，这两种情形只是现象类似，本质却完全不同了。对于F-22来说，利用差动平尾进行偏航控制并不是什么新技术，早在1990年YF-22试飞时就已经采用了。不过在试飞中仍然发现，迎角超过50°以后，飞机平尾的控制负荷较重，在飞控系统指令下频繁进行差动偏转，以保证飞机稳定性。在对大量试飞录像进行研究之后，设计人员得出结论：这是由于飞机横侧气动力差异大于预期值造成的。

对于控制问题，设计人员没有更改气动设计，而是通过改进飞控软件（主要就是改进控制律，使之和飞机的气动特性能够完全匹配）来解决的：在F-22第一次软件升级时更换了新的飞控软件，改善了F-22的安定性问题，现在的F-22在进入25～35度这个迎角区域时，不会在操纵品质上有任何改变。而大迎角下平尾控制负荷重的问题，也随着飞控系统升级而得到圆满解决。

 

 

俯仰控制

要完成过失速机动，良好的俯仰控制能力必不可少。当飞机超过失速迎角后，传统气动控制面效率明显下降，此时的俯仰控制能力主要来自于推力矢量控制。需要特别指出的是，这里的俯仰控制能力并不仅仅是指飞机的俯仰率大小，还包括俯仰轴上机头精确指向能力和稳定机头指向的能力。

对此，琼·比斯雷说：“飞控系统结合推力矢量控制，赋予猛禽充分的俯仰控制能力。当我们在大迎角下改变机头指向时，俯仰控制一直反应良好。我们在35000英尺急剧拉起，此时俯仰率超过每秒40度。如果在低空，这些眼镜蛇类的机动会更加惊人，在那里我们会有更多的剩余推力用于推力矢量。迄今为止，我们的所有大迎角动作都是在30000英尺以上完成的。”

由这段话我们可以看到，F-22具有较大的俯仰率，如果考虑到这个俯仰率是在35000英尺高度获得的，那么这个表现是相当不错的——在经典的眼镜蛇机动中，苏－27最大俯仰率可以达到60～70°/秒，虽然由于高度不同而不具备可比性，不过后者完全依靠气动作用实现如此大的俯仰率，苏霍伊的气动设计功底可见一斑。需要注意的是，F-22此时的俯仰率主要得益于TVC，因此可以持续提供较高的俯仰率；而苏－27在眼镜蛇机动中，只能在动作初期达到较高的俯仰率，动作后期实际上是靠前期产生的巨大惯性将前机身“甩”上去，整个动作基本上不受控——因此，也有人认为眼镜蛇机动不算是真正意义上的过失速机动，而只能说是动作中的迎角超过了失速迎角。

对于俯仰轴上机头精确指向能力和稳定机头指向的能力，琼·比斯雷只用了一句话概括：“俯仰控制一直反应良好。”如果我们对比F-16/MATV试飞员的谈话，会发现更多有意思的东西：“俯仰控制动作不仅有效，还有充分的俯仰率余量，使得飞行员在85度迎角以下的任何位置都足以控制机头。如果飞行员急剧拉杆到后限，飞机可以很容易就超过100度迎角。在我们早期包线扩展试飞接近结束的时候，F-16/MATV验证了这种能力。在60度迎角稳定住飞机后（这只需以很小力量向后拉杆），我迅速向后拉杆到底，飞机迎角增大了30多度，接近100度迎角。只需轻微前推杆，我就可以恢复到60度迎角或者我希望的任何俯仰位置，偏差只有1～2度。我们曾经令飞机进入90度仰角，而并未留意速度损失情况，因为我们确信可以在任何速度下控制机头指向。即使当飞机倒飞下坠时（迎角为-90°），我们通过前后推拉杆仍然能够精确控制机头位置。如果你想要很高的俯仰率、俯仰姿态变化或者指向能力，F-16/MATV都可以做到。”虽然在时间上F-16/MATV是和F-22并行的验证计划，但前者主要是针对多轴TVC技术，而在俯仰轴控制上并没有什么特别之处。有理由相信，F-16/MATV能做到的，F-22也能做到——在公开的F-22试飞录像上同样可以看到这一点。

说到这里不得不提一下矢量喷口的跟随性，因为这对于利用TVC进行精确控制是非常重要的。虽然没有试飞员提及这一点，不过在当年YF-22因为“飞行员诱发振荡”而撞地的事故录像中却看得非常清楚——那段录像恰好是从机尾拍摄的。在录像中可以看到，矢量喷口参与了飞控系统对飞机的配平工作，和平尾同步频繁偏转，动作滞后量很小。相比之下，苏－37的矢量喷口偏转要慢一些，能看得出明显滞后——在表演录像上，飞行员在地面偏转操纵面检测功能时可以看到：平尾首先偏转到位，稳定，然后矢量喷口才转到相应位置。虽然这种滞后无碍于苏－37完成“伏罗洛夫法轮”等动作，但能否完成飞机精确控制就难说了。

 

负迎角

作为包线扩展试飞的一部分，F-22进行了负迎角试飞。根据试飞员的说法，试飞中最大负迎角达到-40°（可能是拍摄角度的关系，从录像上看迎角大约有-60°）。在前期试飞中，在-30度迎角时出现较大侧滑（这一点倒是和正迎角状态相同），在第一次飞快软件升级时也针对这个问题进行了改进，现在侧滑已经小得多了。整个试飞过程中没有出现其它异常情况，试飞结果和设计人员的预测非常吻合。

对于负迎角飞行能力可能带来的战术优势，笔者目前尚未看到官方的观点。但就个人理解而言，负迎角飞行能力是对复杂的过失速机动的有力保障。人类飞行刚刚开始进入过失速领域，还有很多领域需要摸索。对于过失速机动能力的战斗机，飞行员敢不敢在实战中应用这种独特的能力，决定了飞机效能的发挥。如同米格－21和F-5E的对抗一样：在性能指标上米格－21并不逊于F-5E，但这种飞机的飞行品质不如后者，“在大机动中可能失速进入螺旋”的意识使得飞行员难以将飞机的性能发挥到极致。但F-22就不一样了。看到F-22稳定地将机头推到预定的负迎角，任何人都会感到震撼。对于这种在正负超大迎角范围内都可以进行稳定可控飞行的飞机，每个飞行员都不吝于充分发挥它的潜力——自第三代战斗机开始，很多新机型都号称具有“无忧虑飞行能力”，但那是通过电传飞控系统限制飞机动作，避免进入危险区域来实现的，而到了F-22才算真正实现了“无忧虑飞行”，因为对它而言几乎没有什么“危险区域”。

 

最小速度

F-22已经完成了0空速试飞。这对于现代战斗机来说算不上什么值得夸耀的能力，F-16、苏－27等第三代战斗机在进入尾冲、榔头等机动时都会进入0空速状态。真正有意思的东西在后面——琼·比斯雷提到：“在所有机动中，猛禽反应良好。在空速20节时机头仍然可控。飞机在0空速下的运动是可知的。在垂直爬升0空速状态下，飞机甚至可以自动缓慢恢复正飞状态。在0空速或其附近机动，由于飞机受重力和惯性控制，通常会沿垂线快速飘摆。在很多现代战斗机上，这个运动通常是钟摆机动的开始，然后接一个垂直斤斗。而对于猛禽而言，机头可以很容易地稳定在向下位置，没有明显摆向另一侧的趋势。”

看出来了吗？这段话有两个意思：1，即使在包线最左端，F-22仍然具有稳定飞行的能力，而不会突然失控；2，F-22在包线左端仍具有可靠的机头指向能力——这对于过失速机动的最终成功非常关键。对于第一点，大部分第三代战斗机（特别是第三代后期）都具有这种能力。但对于第二点，在包线左端气动操纵面已经失效，没有TVC的第三代战斗机只能依靠自身的气动特性保持稳定坠落，直至速度增大恢复机动能力为止——而在这段时间里，目标可能早就飞出己机的攻击区了。以苏－27来说，如果它的眼镜蛇机动真的非常幸运地迫使对手冲前，那么只要对手有足够的能量作高速向上机动，苏－27 是一点办法没有，因为已经没有能量供其跟随机动了，而且此时苏－27的速度还在200㎞/h左右，如果在0空速附近，等加速完毕，目标早就不知跑到哪里去了。但对于F-22来说，这一点就不必担心了,TVC足以保证其完成精确的机头指向——唯一遗憾的是F-22的推力矢量控制能力仅限于俯仰轴和横轴，而航向轴仍然依赖于气动操纵面，在0空速状态下是无能为力的；虽然可以利用双发推力差产生控制力矩，但发动机控制的滞后使得这种控制手段还无法适应精确灵活的控制模式。

 

发动机失速

发动机是所有飞机的基础，不管你想让你的飞机干什么，不管你的飞机设计如何出色，失去了发动机的动力，就只有一个结果——废铁一块。AL-31F发动机之所以名头如此响亮，很大程度上得益于1988年那个震惊世界的“普加契夫眼镜蛇”。能够在如此恶劣的情况下仍稳定工作的发动机，其自身的可靠性不用说是相当高的。

那么F-22的心脏——F119-PW-100的可靠性又如何呢？按照琼·比斯雷的说法，F-22在所飞过的每种条件下（包括0空速）都进行过发动机测试，油门从军用推力猛地推到全加力，然后迅速拉回。除了正常的油门变化外，他们还在油门过渡顶峰状态加入快速横侧操纵输入，以便利用液压泵尽可能多地分享发动机功率，加大发动机的负载。即使在这样的条件下，发动机仍然正常工作。对于飞行员来说，这实在是一个福音：F-22的设计保证了几乎在任何状态下都不会失控，变成一个疯狂旋转的陀螺，但一个在稳定可控状态下撞地的铁块实在比一个失控的陀螺好不到哪里去；而F119可以解决飞行员在这方面的顾虑。F-22最终实现“无忧虑操纵”，发动机是关键之一。

 

苏－37和F-22

当今世界，敢跟F-22在过失速领域叫板的飞机并不多。而最常被人拿来对比的恐怕就是已经不复存在的苏－37了。

这两种飞机的气动设计都非常优秀，具有保证飞机进入过失速领域的潜力。苏－37的矢量喷口使它增强了俯仰轴和横轴上的控制能力。但如前所述，苏－37的矢量喷口在控制方面似乎有一定的滞后性（这一滞后性可能是由其转动机制造成的），若判断无误，那么这一缺陷可能会影响到利用推力矢量对飞机进行精确控制（例如配平和大迎角下增强飞机稳定性的控制动作），但对于持续性大动作量机动的控制并无影响（包括法轮机动在内）。此外，苏－37沿袭了苏－27的基本设计，而苏－27在设计时并未考虑到超大迎角下的方向舵效率问题，超过一定迎角后方向舵同样会失效——在眼镜蛇机动中，为了抑制动作过程中不对称机头涡产生的偏航力矩，苏－27系列飞机都是采用发动机推力差来加以控制，而不是方向舵，这是原因之一。从这个细节判断，苏－37似乎缺乏大迎角下的偏航控制能力（必须依赖发动机进行弥补）。

此外，对苏－37的招牌动作“法轮机动”，实际上是从“眼镜蛇”到“尾钩”再到“法轮”，一脉相承发展而来，其本质没有多大变化：都是以飞机在超大迎角下稳定飞行的能力为基础，利用超凡的俯仰控制能力将机头快速拉起，通过30～60°迎角的不稳定区域；对于苏－27而言，此后的动作完全靠飞机自身的气动特性自动完成，而苏－37由于有TVC，可以提供额外的俯仰力矩，使得飞机迎角继续增大，完成法轮机动。但在整个动作过程中，飞机所受控制很少。除此以外，苏－37 也没有更多的表演动作来证明其超大迎角范围内的控制能力。就这一系列的战术意义而言，除了极大的减速能力外，眼镜蛇系列机动无法实现精确而稳定的机头指向，而后者对于过失速空战至关重要。苏－35曾经在和苏－30的空战表演中，以一个尾钩机动瞄准后方的苏－30，以航炮将其“击落”。考虑到尾钩机动中飞机基本不受控，因此除非目标恰好飞到弹道上，否则几乎不可能实现，这一战术的表演意义大于实战意义。

在笔者看来，F-22真正胜过苏－37的就在于其超大迎角范围内的稳定控制和机头精确指向能力，而这正是过失速空战所追求的：利用超大迎角范围内的稳定飞行能力，快速改变机头指向，完成武器系统的瞄准和射击。但就象我们所看到的，F-22最终实现这些控制能力，主要是通过改进飞控软件实现的。对苏－37来说，要追上F-22并不是特别困难，需要的就是时间和金钱。

根据F-16/MATV计划的验证结果，飞行员在过失速空战中更喜欢使用航炮，而现役格斗导弹难以满足过失速空战的要求。不过，随着AIM-9X导弹的服役，格斗导弹距离进入过失速空战的目标又近了一步——看过AIM-9X宣传录像的人，都会为其迎头锁定、发射后转向180°攻击目标的能力惊叹不已。想象一下，具有过失速机动能力的F-22配合改进后的AIM-9X，在格斗中是个什么样的对手？

 

事实上，到目前为止，外界对F-22的了解仍然相当有限。上面的一些看法和推测，也只是从对F-22试飞员的采访中获得的。如果真的要了解透彻现代化的猛禽，甚至要打断F-22这杆高科技的“花枪”，恐怕我们还需要更多的努力才行。

原载于《国际展望》，仅供航空同好批评探讨。

一、传统CD唱片技术的局限性

CD激光唱片问世至今已十几年的光景了。由于它许多特有的优势如：小型、容易保存、频响宽、信噪比高、动态范围大，至今仍是HiFi设备的主要音源。随着人们鉴赏力的提高，CD音源固有的缺陷也日渐突出。同传统LP唱片相比，CD所播放的声音总有一点生硬感，细节少，临场感欠缺。如果把近几年风起的VCD音质也列于其内的话，那就更使许多烧友、行家们宛惜之声不绝了。

对于CD这种固有缺陷，得从CD当年制定的红皮书规格说起。限于当时微处理技术软硬件的限制，1982年2月发布的CD DA激光唱盘红皮书标准做了如下规定：唱盘直径120mm、盘速1.2m/s、调制方式EFM、误码校正CIRC、数据速率0.6Mbps、数据量0.7GB。如要将变化着的模拟音频信号记录到这张光盘上，首先要对模拟信号进行采样，其重现信号波形的条件基于香农定理：设信号带宽为Bw，采样频率为fs，如满足Bw<=fs/2的条件，即可完整重现原波形。基于人耳可听到的最高频率为20kHz这一研究结果，CD的采样频率为44.1kHz，将采样所得的采样值相对于振幅进行离散的数值化操作（即量化）就可得到一系列的脉冲串，再加上CIRC纠错码、同步信号和地址信息之后，再经EFM格式调制后所得到的数据信息即可灌制到CD唱片上了。

由于受当时激光唱盘容量和芯片技术的制约，量化采用了16bit操作，其能够表现的动态范围D为D=20lg2＋1.76[dB]=98dB（n=16），这就是CD的理论动态范围。20kHz的频响，97dB的动态范围再加上低不可测的抖晃度，使得激光的唱盘在数字音响领域中大放异彩，很短的时间内即成为HiFi放声设备的重要音源，以致人们毫不犹豫地抛弃了磁带和胶木唱片。但是，随着数字音响进一步深化和探讨。这种44.1kHz/16bit的记录格式其缺陷已日渐突出。

首先，44.1kHz采样率是影响音质、音色的第一要素，44.1kHz的采样能够完整重现一个20kHz的正弦波，却难以完整重现一个7kHz的非正弦信号。这是因为非正弦信号可分解一个基波加上二次三次……谐波组成。虽然基波能够重现，但三次以上的谐波在D/A转换后可能丢失或畸变，至使最终得到的波形与原始信息产生差距，造成音色的变化。

受当时的认识和条件制约，激光唱片的数据信息记录格式定义为16bit其能够实现的理论动态范围为98dB，实际上为留有一个安全裕量，以免出现强限幅，尚不能完全用足16bit，加上录制编码至解码过程的丢失，使得动态范围难以突破96dB，这对于表现古典打击乐（118dB）显然不够。这是人们发现的数字音频所特有一种失真-缺损性失真（Subtractive distortions）。

由于原始模拟信息是无限连续变化着的。而激光唱盘上的信息是将这些原始信息分成65536个阶段进行记录的。16bit的CD录音为完善信息只得把处理阶段之间的声音四舍五入，加到上一阶段或下一阶段中去。这样一来，CD所含有的信息即使能够完全复原也与原来的声音相比有误差。

如果量化的精度高，则重现原始模拟信息越逼真，细节更丰富，用一个16位游戏机和32位游戏机的画面做比较很容易得出结论。低位的量化使得量化后的误差也比高位的量化大，这些量化后产生的误差（量化噪声）使得听感发刺、混浊，尤其是小信号时影响更加突出，这些原信号中未有的谐波成份构成了添加失真（additive distortion）做为数字音响的一个特例，VCD所表现的音质更是典型的数字运算后得出的结果。它较之普通CD唱片放音感觉更为空洞缺乏细节和层次，高音尖刺感更突出，这是因为VCD为兼顾图像声音信息能够在一张12cm的光盘上重放，对图像和声音信息利用人耳的掩蔽效应忽视了那些人们不易察觉的信息，对数据进行了大量的压缩和编码重组，其过程为一大幅度减法运算，其最终结果是形似而神少。

如果采用高比特和高取样率进行数字处理其音质可获得质的飞跃，实际上，不少录音公司已在CD先期制作采用如96kHz取样率、20-24bit的录音技术制作母带，但在制作CD唱片时，受制于现行CD规格，不得不重新进行编码处理使得符合16bit/44.1kHz的格式，因此我们所能见到的标有20、24bitCD唱盘，实际上仍然为16bit的数据流。

二、HDCD技术的意义

如要改变CD现状，一是推翻现有CD格式，采用高取样，高比特记录格式和播放设备，这无疑要增加信息容量和传输速度。现行CD机无法胜任，好在DVD的面世已可解决这个问题。但是高品质音频光盘的记录格式尚未确定，而一旦确定则意味着已风光市场十几年的CD转盘、DAC、LD、VCD机将与其无缘而成为玩具，即使上万元的CD机也难逃厄运。

解决问题另一办法则是对先行CD进行改良，以求得在现行体制下能有所突破，如同当年黑白电视向彩色电视过渡一样。HDCD技术则是这类方案中一个成功而成熟的典范。

为改善现有CD记录格式的缺陷，使之既能高度兼容而在音质上又能有所突破，美国Pacific Microsonics公司推出了具有专利保护的HDCD录播新技术，它的英文全称是High Definition Compatible Digital，译为高解析度的CD。用HDCD方式编码制造的激光唱片与普通CD具有高度的兼容性，用在普通的激光唱机上播放，已可领略到HDCD编码录音技术的优越性，如用带有HDCD解码功能的CD唱机播放，则可充分欣赏到全部释放的HDCD信息所特有的魅力：音质清晰细腻、动态范围广阔、信噪比极高，音色更为自然逼真。

针对传统CD录音格式的局限与不足，PM公司的两位HDCD创始人，录音师Keith O.Johnson和计算机专家Michael W.pflaumer在多年音响制作中，查找并证实了对CD音质影响的几个关键因素，并提出切实可行的解决方案。HDCD技术是在前期录音制作中即重视所录制信号的完整和精确性，采用高于常规两倍的取样频率88.1kHz对模拟信号进行采样，以最大限度地展宽高频响应，减少缺损性失真，高的采样率也为HDCD编码运算留足了空间.用24bit量化其取样值为1677216个，它比16bit系统高出256倍，采用高位元处理技术可以提高处理精度，降低量化误差，增加动态范围至120dB。在模拟至数字信号转换过程中，HDCD技术十分重视转换精度，尽量减少串音和处理的稳定性，其能够达到的指标为转换精度百万分之一，失真分量<－120dBfs。这个高精度、宽频带的数字信号构成HDCD编码制造的基础，其数据信息量十分庞大。用常规CD PCM编码格式无法将其容纳。如要在普通CD机上兼容播放，需经特殊运算编码方可。用高采样和高比特技术进行CD的录音制作已被普遍认可和广泛采用，但提醒一点是目前市场上所能见到的20、24bit CD激光唱盘其实质应是录音过程中采用的比特数，由于CD“红皮书”所制定的44.1kHz/16bit标准格式制约，这些高信息量的母带在灌制CD唱片时，均经过重新运算，编码制成16bit的CD唱片。因此，我们现在CD唱机所能解读出来的规格仍然是16bit/44.1kHz，由于各唱片公司在转化过程所采用手法不同，我们现在能听到的不同版本的CD音质也的确各有千秋，但有一点可以肯定：高比特高取样技术制作的CD音质远胜16bit/44.1kHz录音格式制作的CD。

三、HDCD技术原理详解

那么HDCD技术又是怎样制作与普通CD兼容的高清晰度唱片呢？以下的几点可以说明：

（1）取样频率转换。首先对88.1kHz取样数据进行动态转换，这是HDCD技术一大特色。它采用多个数据插值滤波器经分析系统做动态控制，这个系统实时分析信号频带宽度，波峰能量和高频信息，以高分辨信号精确控制滤波器的波通特性。执行结果使得即使变化为44.1kHz最后采样率，其频宽在16kHz-22kHz变化仍然很少。该系统有超越44.1kHz取样率的记录，能够反映声音的每个精细微妙的变化。

（2）振幅分析。HDCD技术另一特点就是对振幅进行了有效控制，由Decimation滤波器传送的是一个24bit/44.1kHz的信号，为了容纳这个信号，编码器在这一级被精确地进行振幅解析和增益控制量化编辑为20bit然后再分配到16bit格式中运行。自然界的音响变化范围是很宽的，突响的声压能造成记录设备瞬时过载出现削峰现象，在模拟磁带记录过程中采用电平压缩方式以避免磁带的饱含失真，而对于一个数字记录系统过载可导致出现不必要的量化误差（数据碎片），同样会对音质产生影响。为此普通A/D转换器设备都有一个绝对最大录音电平（0dB）以保证峰值不削波。HDCD采用独特的振幅编码技术，可获得比常规数字记录多出一个比特（相当于＋6dB）的容量来处理大动态信号。由于采用数字运算处理方式，这个扩展信息能以精确稳定的特性控制重放设备的译码器复原。加上数字处理特有的“超前处理”（Look ahead）能力，所以系统能在一个大信号开始前瞬时恢复增益，提供更大信息容量避免信号瞬时过载。对于这个一个比特的信息扩张量，何时操作受制于HDCD的隐含控制码（稍后讲到），对于普通CD播放，信息无变化，而用HDCD译码器播放，则可在隐含码的控制下，信息准确膨胀，达到大动态播放的目的。

（3）高频扰动技术（Dither）。采用高频扰动技术，可提高量化信号的分辨能力，使之量化器的非线性变换特性得以改善，降低低电平信号的谐波失真，而且有可能重现低于量化差值的信号。但如添加不当，高频振荡（dither）将会变成真正的添加噪声。HDCD技术采用了改良的高频扰动技术，使得音乐细节更为丰富而噪声低不可闻。

（4）HDCD隐含控制码。对于HDCD的最后量化操作部分，为准确控制HDCD编码记录的超量信息在解码器上精确播放，特设置一相关的控制代码，这个代码被插入数据记录的字组段中的最小有效位LSB位，如被普通CD机播放该码为隐含而不被激发。由于所处的特定位置且只占LSB位元的1％-5％，对于CD音质的影响弱不可闻。当用HDCD解码器播放时，系统可准确捕捉该隐含码并用来激活主要数据通道的信息，使得信息量膨胀，得到数倍于普通CD格式的信息输出，经DA转换即可获得大动态、细节丰富、高信噪比的模拟音频信号。

四、HDCD编解码流程

为避免误码操作，HDCD采用在主副通道设置双重代码同步计时器，这样它与该字组段中的主要信息相伴而生时序不会错位。只有在隐含码与主要相关代码呼应时，主通道选择数据才有效，否则取消解码操作。

模拟音频信号经缓冲器低通滤波后，先进行模数转换，并用一个高频扰动信号对ADC实时控制，量化产生88.1kHz、24bit数据流，该数据流向主副两通道，主通道信息被延迟存储，而副通道信息相对于主通道提前一个分量进行数据分析产生控制信号，该信号动态控制数字滤波器做取样率变换，振幅编码和增益控制。最后由微处理器将分析、滤波、数据再格式化容易被漏失的信息分离（这些信息可能涉及到音色、声场、微细声音），与控制码一起组合生成隐含码被插入主通道音频数据LSB位，经高频扰动处理后再量化为16bit/44.1kHz标准CD格式输出，完成全套HDCD编码过程。

HDCD的解码操作是编码过程的逆动作。设计目的是在DAC的数字滤波器部位用HDCD解码专用集成电路取代，完成HDCD信息解码及超取样数字滤波双重作用。

解码器首先检测数据流中的LSB位中是否携带有HDCD隐含码，如有则按照隐含码的连续指令激活主通道音频数据信息使之膨胀，恢复在编码过程中对数据信息的压缩。由于隐含码的控制，可准确地对波峰进行适时扩展，对低于平均电平值的信息做适当的增益下减，因此HDCD方式可获得高于常规的大动态及小信号的高清晰度。

作为HDCD的唯一解码芯片是美国PMI公司生产的PMD100，PMD100既有HDCD的解码功能，还有数字滤波的功能。它的数字滤波部分与NPC的SM5842功能品质一样。PMD100是一个28脚DIP封装的大规模集成电路。当接收到输入数据为HDCD编码方式则自动转换到HDCD解码格式下工作，并在其27脚输出电流驱动LED发光管做状态指标。当非HDCD信号时，信息数据被接收做常规超取样数字滤波处理，因此该器件有双重特性。在做普通CD格式数字滤波器使用时该器件特性也相当优良，通带纹波从0-20kHz不超过0.0001dB，阻带衰减>120dB。PMD100的其它特性为：系统时钟为256fs或384fs；可按受32-55kHz任一输入取样频率；具有2、4、8倍超取样数字滤波；可接受24bit输入数据及同精度处理；输出16、18、20及24bit不同数据格式；具有数字去加重功能；可用0.188dB步长进行44.1/48KHZ；有数字增益控制器。

 

编后——本文以庞大的篇幅和深入的研究讲述了HDCD技术的优点。不过我们要看到的是，近些年致力于打破传统CD技术局限的决不止HDCD这一家，而HDCD也不是改善CD声效唯一的方案，各大录音公司都在寻找属于自己的CD声效提升方法，典型如JVC公司XRCD技术的不断进步，其风头已经逐渐盖过十多年前诞生的HDCD。与此同时，普及后的HDCD在应用中却不免有泛滥的趋势，有些粗制滥造的HDCD唱片（尤其是国内厂家的产品）根本无法发挥HDCD的技术优势。

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The Adam Smith Institute is the UK's leading innovator of free-market policies. Named after the great Scottish economist and author of The Wealth of Nations, its guiding principles are free markets and a free society. It researches practical ways to inject choice and competition into public services, extend personal freedom, reduce taxes, prune back regulation, and cut government waste.

 

Happy is the man who learns from the misfortunes of others.

從遭遇不幸者中學習經驗的人，才是幸福的人。

The Lion, The Fox, And The Ass

The Lion, the Fox, and the Ass entered into an agreement to assist each other in the chase. Having secured a large booty, the Lion, on their return from the forest, asked the Ass to allot his due portion to each of the three partners in the treaty. The Ass carefully divided the spoil into three equal shares, and modestly requested the two others to make the first choice. The Lion, bursting out into a great rage, devoured the Ass. Then he requested the Fox to do him the favour to make a division. The Fox accumulated all that they had killed into one large heap, and left to himself the smallest possible morsel. The Lion said, "Who has taught you, my very excellent fellow, the art of division? You are perfect to a fraction." He replied, "I learnt it from the Ass, by witnessing his fate."

2005年1月12日注册开通