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日本心神很牛?細節上一塌糊塗 不如F-16

作者: 晨楓


老話說,心神不定,輸得乾淨。對於日本來說,心神指三菱重工的ATD-X技術驗證機,新近正式命名為X-2,也就是說,從公司項目轉為防衛省技術研究本部(現防衛裝備廳,簡稱TRDI)的正式研發飛機。近代日本畫壇巨匠橫山大觀把富士山叫做日本的「心神」,據說將「心神」用於戰鬥機名字包含了「日本之魂」的意思。1月28日,「心神」在位於名古屋的三菱重工小牧南工廠首次正式向公眾公開,預計在2月首飛,但一直推遲到4月22日上午才首飛,接下來該機將開始進行包括實機雷達反射面積(簡稱RCS)測試在內的試驗。重要的是,「心神」可能不止是技術驗證機,如果一切順利,最快可在2018年投產,作為三菱重工F-2戰鬥機的下一代。



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經歷了N多磨難之後,「心神」終於首飛了




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圖片:如果「心神」代表日本戰鬥機設計的最高水平,那只能說日本根本就沒有打算認真設計戰鬥機


在二戰時代,日本曾經有過頗有規模的航空工業,「零」式戰鬥機的速度、機動性和航程曾經在戰爭初期使得太平洋美軍一籌莫展。1942年6月3日,作為中途島之戰的一部分,日本艦隊襲擊阿留申群島南端的荷蘭港,一架「零」式被擊中,在阿庫坦島迫降過程中飛行員喪生,但飛機受到的損壞不嚴重。美國海軍用「卡塔琳娜」水上飛機作為海上巡邏,經常巡視荷蘭港周邊,但由於阿庫坦島太偏僻,處在通常航線之外,直到一個月後有一架「卡塔琳娜」迷航,碰巧經過這裡,才發現這架「零」式的殘骸。美國海軍很快組織力量把殘骸運回美國本土。在差不多的時候,在中國南方,也有一架「零」式在海灘上迫降,被中國老百姓拖回來交給國軍方面,在飛虎隊機械師修復後,飛回大後方,最後借道印度運回美國。通過深入分析和對比飛行,美軍發現,「零」式的飛行性能非常出色,但也有一些突出的缺點:結構強度不足,大過載機動可能自己就散架了,因此飛控在220英里/小時以上速度會非常沉重,避免過度操縱;高速俯衝時發動機汽化器會被燃油淹沒,造成發動機停車;螺旋槳的反扭力強勁,造成向左橫滾容易,向右橫滾艱難;缺乏自封油箱和裝甲,被擊中後生存力很差。在後來的戰鬥中,美國飛行員已經熟諳「零」式的缺點,採用針對性戰術,取得很大的戰果。在戰爭後期,美國航空技術的進步加上日本飛行員的素質下降使得「馬里亞納獵火雞」成為千古奇談。

二戰前的日本是新興工業國家,一方面技術發展很快,另一方面受工業基礎和資源的限制,在追求最大飛行性能時採用了一些極端技術,但這是從實戰要求和儘早投產形成戰鬥力出發的有意取捨。「心神」正好相反,似乎是有意不以投產為目的的純預研項目,種種X-2將投產作為F-2的替代的說法也不能改變這一事實。


說起來,F-2是戰後日本唯一的自主研製戰鬥機的企圖。F-2的研製是在80年代展開的,這正是「日本神話」的時代,日本信心滿滿,自以為掌握了復材機翼整體成型和主動電掃雷達神技,要用雄厚的技術基礎和財力堆出一架先進戰鬥機來。但理想很美滿,現實很骨感,日本一上手,才發現不僅有美國的政治壓力因素,還有具體的技術上的攔路虎,只好改弦易張,改從通用動力F-16大幅度改進,成為現代航空歷史上少見的全新設計的現有產品。但在F-2時代,至少日本是認真試圖自主研製戰鬥機的,由於內因外因迫不得已而最後做成這鍋夾生飯。X-2時代則完全不同。


在日本空自開始裝備F-15J的1981年,中國空軍尚未完成殲-6向殲-7的換裝,多難的殲-8還沒有脫離襁褓,殲-10、殲-11更是連懷胎都談不上。30年後,F-15J依然是空自主力,但中國空軍殲-10、殲-11已經形成戰鬥力,極大地侵蝕了空自習以為常的技術優勢。但日本向美國求購F-22的請求被一再打回,直到F-22停產都沒有鬆口。日本開始ATD-X研製的確切時間不清楚,但在2005年將全尺寸RCS模型送往法國測試,檢驗隱身性能。2006-2007年間,日本製造了4架1/5遙控自由飛模型,並進行了多次試飛,驗證氣動設計和飛控系統。原型機製造從2010年開始,首批製造兩架,一架用於試飛,另一架用於靜力試驗。試飛用的原型機在2014年7月出現在日本TBS電視台的報導中,但很多畫面用馬賽克遮擋。ATD-X原計劃在2014年就要首飛,但整個2015年都沒有首飛的蹤影,只進行了一些地面試驗。


ATD-X為單座、雙發、雙垂尾、中單翼設計,採用兩側進氣口,在外觀上像縮小的F-22,但只是「像」而已,而惡魔總是藏在細節之中。F-22的基本設計理念在於隱身、超巡、超機動和網路中心戰。網路中心戰是內秀,外觀上是看不出來的。但隱身、超巡和超機動在外觀上可以看出一點端倪。


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X-2和F-2的大小直觀對比




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「心神」的「豁嘴」噴口




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F-22的矩形噴口




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蘇-35的軸對稱噴口



ATD-X採用外傾雙垂尾,這可能更多的是出於隱身的考慮,避免側向的垂直面,而不是出於機動性的考慮。但ATD-X的兩台發動機噴口採用三片式推力轉向,這應該是出於機動性的考慮。超機動和高機動沒有明確的界限,一般認為超機動更加強調過失速和超音速機動性,傳統的氣動控制在這兩個情況下都力有不逮,推力轉向更加有效。推力轉向有多種基本設計,F-22的矩形二維噴口和蘇-30MKI的軸對稱三維噴口是兩種典型的推力轉向設計,F-35B的三段式推力轉向噴口更加適合於垂直起落,用於氣動控制的話在重量和反應速度上都不理想。還有一種就是ATD-X採用的多片式了。這在美國的洛克韋爾X-31上首先使用過,重量輕,但效果有限。三片式噴流轉向是不可能密封的,在導流片大幅度偏轉迫使噴氣流轉向時,導流片之間「漏氣」顯著,部分噴流的能量從巨大的縫隙流散,而不是形成偏轉的推力,推力損失小不了。但換一個角度考慮,三片對噴口形成一定的遮擋,縫隙正好引入環境的冷氣流,有一定的紅外隱身作用,倒也不是一無是處。有說法生產型將使用軸對稱推力轉向,但看來那不屬於技術驗證的一部分,要不就是技術已經成熟了,不需要驗證;要不就是技術離實用還相差很遠,連驗證都沒有資格。


但機動性不是光靠推力轉向就能實現的,還需要良好的基本氣動設計。在這裡,ATD-X採用了少見的單片式襟副翼。襟翼和副翼通常是分開的,但在現代飛控控制下,兩者的作用可以互相客串。外側的副翼通常差動動作,產生橫滾力矩;內側的襟翼通常聯動動作,產生額外升力,用於縮短起飛著陸距離,或者產生額外壓力,在接地後確保可靠的著陸滑跑而不會再飄飛。但在高速飛行時,用副翼控制橫滾會對機翼產生過度力矩,容易造成氣動反轉(機翼彈性在副翼作用下發生扭轉,產生與副翼動作相反方向的形變,造成實際橫滾力矩與飛行員控制意圖相反的後果),或者對機翼結構造成損壞,因此常改用襟翼控制橫滾。在起飛、著陸時,副翼也可以部分放下以輔佐襟翼作用,增加額外升力,只要保留足夠動作餘量用作橫滾控制就可以了,反正起飛著陸階段的橫滾基本為小幅度姿態調整,而不是大幅度的真正橫滾,並不需要太大的橫滾力矩。但單片式襟副翼沒法區分襟翼和副翼的作用,既不能在起飛著陸時完全放下、最大限度增升,又不能在高速飛行中做橫滾動作時用足差動動作,難怪在戰鬥機設計中很少見到這樣的做法,除了減少作動機構重量外,看不出ATD-X這樣做的優點。



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「心神」的單片式襟副翼




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F-22的兩段式襟副翼



機動性的關鍵還是在於足夠的升力,在9g機動中需要產生9倍于飛機重量的升力,其中大部分是用於轉彎的橫向力。增加翼面積、降低翼載、提高推重比是常見的提高機動性手段。ATD-X的重量、翼展與中巴合作的FC-1「梟龍」戰鬥機相近,翼載估計也相近,換句話說,作為第五代戰鬥機並不出色。另一方面,利用渦升力增升、提高機動性已經成為現代戰鬥機的典型特徵。F-18用大邊條產生渦升力,歐洲「兩風」用全動鴨翼主動控制渦升力,F-22用菱形截面機頭的尖銳側脊、大傾角的進氣道側面和進氣道外緣的窄邊條形成渦升力,蘇霍伊T-50用可動邊條主動控制渦升力,殲-20則是高度複雜的用鑽石形截面機頭的尖銳側脊、全動鴨翼、大傾角的進氣道側面和進氣道外緣的邊條產生渦升力。ATD-X的機頭倒是也有一點側脊,但與F-22或者殲-20相比,更像捏了一圈餃子邊的圓形截面,側脊只是意思意思而已,產生渦升力的作用很弱,隱身效果也只是象徵性的。ATD-X的小邊條和F-22相近,但F-22的進氣道外側高度傾斜,強化了小邊條的作用,與機頭的菱形截面和尖銳側脊交互作用之後,產生強烈的渦升力。ATD-X則沒有這樣的作用,接近垂直的進氣道外側對小邊條沒有強化作用,小邊條產生渦升力的能力不會比第一代嘗試邊條概念的F-5E強很多。



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「心神」的機頭側脊不夠尖銳,邊條作用很小




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F-22的側脊尖銳得多,邊條作用很強




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殲-20不僅有尖銳的側脊,還有全動鴨翼增強渦升力




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蘇霍伊T-50則用可動邊條形成強大的渦升力



F-22的設計理念已經不是高深不可莫測的奧秘了,尖銳側脊和大傾斜進氣道外側對渦升力和隱身的作用不難理解,但要在工程設計上做好,而不是形成不可控的渦流和不利氣動交互作用,需要很深的氣動設計功力,連大型風洞都沒有的日本缺乏這樣的功力,只有象徵性地粉飾一點貌似F-22的特徵。


ATD-X的氣動水平還可以從雙垂尾看出來,這依然是傳統的大型安定面加後緣活動面,與F-22一樣。F-22當然不是落後的設計,但這是30年前的設計了,F-35的設計也在20年前凍結了。中國殲-20、俄羅斯蘇霍伊T-50已經採用全動垂尾,大大減小垂尾面積和重量,比殲-20、T-50更後首飛的ATD-X還延續重量、RCS都大的傳統設計就落後於時代了,但對於缺乏氣動和飛控功力的日本來說,倒也不乏為識時務的做法。


ATD-D還有一個有趣的特徵:沿機身兩側有寬厚的側板,與F-16很相像。換句話說,機翼位置靠前,而不是像F-22那樣機翼位置靠後。F-16是最早採用翼身融合體的,機翼圓滑地融入機體上表面,機翼前緣與機體之間則是精妙的三維圓滑過渡,但這給機翼後緣到機尾的後機身側面處理帶來了難題。F-16的解決辦法是將翼身融合體的「雙肩」向後延伸,形成側板,平尾的安裝點在側板側面,而不是直接安裝在機體上。側板實際上相當於增加了後體的翼面積,有利於升力中心後移,適度降低靜不穩定性。F-22用大大靠後的機翼位置達到同樣的目的,但在氣動上優美得多。F-16是第一代靜不穩定的戰鬥機,增加了機動性,降低了巡航速度的配平阻力。但這還是電傳飛控的早期,側板提供的靠後的升力貢獻降低了飛控的難度,側板尾端有可以下垂的擾流板,用於在大迎角飛行時提供額外的低頭力矩,幫助恢復正常平飛。近似矩形體的側板與圓柱體的機體之間只有簡單對接,沒有特別的過渡。30多年後的ATD-X也是一樣,採用了簡單側板設計。



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F-16的後機身和下表面




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「心神」的處理與F-16驚人地相似,換句話說,停留在80年代的水平



兩側進氣使得中機身翼身融合的設計有所簡化,沒有F-16那樣的機翼前緣與機體融合的難題。但ATD-X像F-22一樣,雙發在後機身緊密並排,從寬間距的進氣口到窄間距的噴口之間有一個橫向的收縮,因此像F-16一樣,將翼身融合體隆起的「雙肩」向後延伸,上表面還是圓滑展開過渡,下表面則隨著進氣道到發動機和噴口的收縮而逐漸「長」出側板,只有平面到圓柱的直接對接,看不出有任何隱身考慮。ATD-X對隱身有所考慮,但基本氣動設計水平不超過40年前的F-16,與F-22是東施與西施的差別。


ATD-X採用兩台石川島播磨XF5-1渦扇發動機,單台軍推49kN,加力推力沒有透露,比照軍推相近的法國SNECMA


M88的話,估計在75kN級。ATD-X最大速度要達到M2.25,超巡速度要達到M1.82,超過F-22的M1.6,相當可觀。ATD-X沒有採用隱身更好的蚌殼式進氣口,而是採用加萊特進氣口,再次與F-22相似,但唇口後傾角度明顯較小。F-22的加萊特進氣口採用三維斜切,上下唇口後掠,側壁唇口前傾,側壁外傾。這些角度不僅符合隱身要求的邊緣對齊原則,還符合進氣口激波系的要求。在超音速飛行時,激波鋒面成為進氣的減速機制,將超音速來流減速到亞音速。理想激波鋒面應該正好覆蓋進氣口,既消除激波鋒面與進氣口邊緣之間的漏氣,也避免激波鋒面進入進氣口對內壁結構造成的損害。ATD-X的超巡速度比F-22還高,進氣口的斜切角度理應更大,但側壁唇口反而接近垂直,側壁外傾也幾乎消失,設計難度相應大大降低,但設計水平比F-5E高不了多少。說到邊緣對齊,ATD-X的主要艙蓋(如起落架艙蓋)採用奇怪的平直前緣和鋸齒形後緣。鋸齒形後緣應該是出於隱身考慮,但為什麼同一艙蓋的前緣缺乏隱身考慮,很難理解。


ATD-X是技術驗證機,但要驗證什麼技術是個謎。技術驗證機有兩大類,一類不以最終發展成生產型為目的,純粹是技術驗證的,美國NASA的X系列飛機是這方面的例子,如突破音障的X-15、研究推力轉向的X-31等。另一類是為生產型探路的,F-35在驗證試飛時的X-32和X-35屬於這一類,實際上F-22在驗證試飛時的YF-22和YF-23也屬於這類,更早的還有YF-16和YF-17。但ATD-X很奇特,兩者都不是。ATD-X主要驗證的是隱身和機動性,但三片式的推力轉向明顯沒有實用價值,而且TRDI也聲明了未來打算採用軸對稱推力轉向。在基本氣動方面,ATD-X沒有顯著超過F-16/F-2的水平。在隱身方面,ATD-X達不到F-22和F-35的水平,到處充滿了貌合神離、半心半意設計,比如近乎垂直的機體側壁、象徵性的機頭側棱、前後緣不一致的艙蓋等,更不用說那個禍害的三片式噴口結構。


但作為受控技術風險的准生產型飛機,ATD-X太小,發動機推力或許足夠達到M2.25的最高速度和M1.82的巡航速度,但缺乏必要的載彈量和載油量,將毫無航程可言。有說法由ATD-X發展而來的F-3將取代F-2,但F-2的起飛重量幾乎兩倍於ATD-X,很難想像後者具有相近的任務能力。



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23-25DMU




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TRDI的26DMU構形




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XF5-1渦扇發動機



在ATD-X之外,TRDI還不斷推出下一代戰鬥機的虛擬設計,美其名曰數字化構形(Digital MockUp,簡稱DMU),並用平成年代命名。25DMU、25DMU、26DMU的基本設計有所差異,但都顯著大於ATD-X,而且機翼位置像F-22一樣靠後,取消了ATD-X的側板。機翼的展弦比增加,提高升阻比,但放棄高速性能,機頭側棱明顯尖銳,發動機外壁高度傾斜。全動平尾和外傾雙垂尾不僅形狀不同,容積設計也很不相同。總體上好似修長的F-22,在飛行性能上以航程、載彈為設計重點,而不是速度和機動性。換句話說,ATD-X驗證的氣動設計將顯著有別於目標第五代戰鬥機,使人疑惑ATD-X到底要驗證的是什麼技術。ATD-X給人的印象是既沒有實質性的技術可以驗證,又不是為生產性研發做準備的,更像一種技術姿態,而不是認真的研發。


石川島播磨還在研製推力達到146kN級的先進渦扇發動機,計劃採用雙轉子結構,三級風扇-低壓壓氣機,6級高壓壓氣機,同軸反轉的單級高壓和低壓渦輪,渦輪前溫度達到1800C,渦輪匣體採用先進的耐高溫碳化硅纖維陶瓷基複合材料(簡稱CMC),導流片和渦輪葉片採用鎳基單晶超級合金,渦輪盤則採用鎳-鈷超級合金,採用傳統的鑄鍛工藝製造,而不是更先進的粉末冶金。TRDI已經對渦輪盤進行了1000小時試驗,在離心應力為630兆帕條件下,工作溫度可達710C,接近粉末冶金的730C水平。TRDI宣稱將研製完整的146kN級先進渦扇,但沒有任何時間表,只說將在2017年測試低壓渦輪和低壓壓氣機。相信如果存在「適當的外來合作機會」,日本會很樂意放棄研製自主的先進渦扇,轉而投入合作研製。合作對象當然是美國。


戰後幾十年來,日本始終沒有放棄軍工技術研究,但成功寥寥,除了質次價高、花拳綉腳的名堂,始終沒有戰時「零」式那樣的成就。日本不乏引人注目的關鍵技術,但始終形不成整體水平。還在F-2時代,日本就有復材整體成型機翼和主動電掃雷達技術。洛克希德考察後認為,美國的分段成型復材機翼在剛度和重量上完全達到日本的整體成型的水準,後者的優勢只存在於理論上,而且還有戰損修復困難的問題,所以放棄了從日本引進整體成型技術的機會。在更後的F-35上,洛克希德繼續沿用F-22的技術,也不是日本技術。


主動電掃雷達是現代機載雷達的方向,在探測距離、同時跟蹤的目標數量和抗干擾等方面有突出優點,日本走在前面,曾經在一段時間裡成為全世界空軍的羨慕對象。但光有主動電掃元器件技術是不夠的,美國、以色列和其他國家在數字信號處理、電子對抗、威脅評估和管理、複雜電子系統的可靠性、電磁兼容性等方面的經驗迅速使得日本喪失了短命的領先,現在空自F-15J要升級主動電掃雷達,還是要找美國,日本的經驗和技術似乎沒有存在過一樣。


ATD-X上也採用了一些新穎技術,比如光傳飛控,不僅數據率比電傳飛控更高,而且不怕電磁脈衝攻擊,在核大戰環境或者電磁脈衝彈的攻擊下生存力更高。光傳飛控的重量也較輕。另外一個問題是復材對電磁破的屏蔽作用不如金屬,傳統金屬導線的電傳飛控的屏蔽要求和重量相應增加,否則易受干擾。ATD-X還採用自重組飛控。傳統飛控中,蘿蔔和坑是有固定對應的。即使襟翼、副翼可以反串,具體工況下的具體作用依然是確定的。自重組飛控可以在戰損情況下,自動啟用其他氣動控制面補償損壞的氣動控制面。這不能完全恢復原功能,但至少能保證基本飛控。比如說,左側襟翼損壞了,用左側副翼補償。在著陸時不能完全補償原來左側襟翼的作用,但依然可以放下一半,起到一定的襟翼作用。如果垂尾方向舵損壞,可以用兩側發動機的差動推力補償。自重組飛控的複雜之處不在於硬體,而在於軟體和飛控律,ATD-X最多能提供一個架構,但應用到另一架具體飛機的時候,需要重新設定和調試。


日本的技術路線是放棄整體研製能力,而是專註於某些關鍵技術。這是釣魚,目的是誘使美國同意日本加入合作研發,日本不僅願意出資,而且以技術入股。美國對日本先進技術未必不感興趣,但對日本加入合作研製戒心重重。


日本或許願意實質性地出資,ATD-X的研製就耗資394億日元,約合3.5億美元,這還是缺乏明確的技術驗證或者生產前景的半吊子技術驗證機。日本經濟今不如昔,但這個錢還是出得起,也願意出。問題是,日本出錢越多,在合作研發中的發言權也越大,美國的技術轉移義務也越大,而這是美國不願意的。美國不僅不願意轉讓敏感技術(始終堅決拒絕出售F-22就是例子),更不願意在研發中受到牽制。F-35就是三軍互相衝突的要求互相牽扯最終導致研發巨大困難的例子,容許日本影響美國下一代戰鬥機的研製是不能接受的。


日本的單項先進技術對美國或許有用,但不是美國不可或許的,也不是沒有替代技術的。光傳飛控在概念上是電傳飛控的自然延伸,從70年代就開始研製,只是因為缺乏需求而進展緩慢。美國在1974年就用NC-130試驗過光傳飛控,在90年代中再次用MD-87試驗,NASA還在F-18上試驗過光傳飛控。只要有需求,美國研發光傳飛控沒有壓力。自重組飛控也是一樣。1989年7月19日,一架DC-10(呼號聯航222)的尾發故障,爆裂的渦輪盤損壞了尾舵的控制連桿,飛行員用左右發動機的差動推力維持了方向控制,最終成功降落,機上大部分乘客和機組人員生存了下來。這以後,自重組控制在理論和實踐中得到大力研究,美國對數字飛控的動態重組(也就是控制面反串)的經驗豐富,這也不是跨不過的難關。在發動機方面,單晶超級合金、粉末冶金對美國已經是成熟技術,CMC也已經在通用電氣-斯奈克瑪LEAP先進高涵道比渦扇中大量使用。


在ATD-X即將首飛的時候,三菱正好開始第一架F-35的組裝,這充分說明了日本的處境:日本既缺乏研製完整而且真正適合日本要求的第五代戰鬥機的決心,也缺乏相應的技術能力。ATD-X既沒有多少先進技術可以演示,也不具備足夠的生產價值,與日本理想中的大航程、大載彈的25DMU為代表的重型戰鬥機相距甚遠。ATD-X只是一個姿態,試圖刺激美國放鬆出口限制,或者邀請日本加入聯合研製。美國會上鉤嗎?要是美國那麼天真,看不透日本的這點小心思,美國就不是當今世界唯一的超級大國了。F-35計劃從一開始就不光是美國三軍聯合的項目,也是國際合作的項目,其中英國為一級合作夥伴,義大利、荷蘭為二級合作夥伴,加拿大、土耳其、澳大利亞、挪威和丹麥為三級合作夥伴,在不同程度上參加F-35的研發和製造;新加坡和以色列為安全合作夥伴,只購買(或者潛在用戶),不參加研發和製造。日本根本不屬於任何層次的合作夥伴,與韓國是同一性質。


F-22是1997年首飛的,而且提前停產,總數只有187架,遠遠不能滿足美國空軍的需要。F-35是F-22的低端補充,但多災多難,前路崎嶇,難當空戰主力之重任。美國空軍和海軍已經分別展開第六代戰鬥機的預研工作,分別用於替代F-22和F-18E,預計至少要到2030-35年才能投入使用。在理論上,這是日本加入合作研發的最好時機。空自F-15J可以像美國空軍F-15C一樣延壽,可望能堅持到2040年,但美國的冷淡是最大的問題。如果空自要長期依靠F-35和吊打點滴的F-15J來面對殲-20的壓力,日本列島的防空態勢將發生戰後最大的逆轉,這還沒有算入戰役彈道導彈和巡航導彈的因素。心神不定,輸得乾淨。


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