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【軍事博評】William:美軍製作殲20全尺寸模型,所為何事?

(網絡照片)

 

據軍事航空雜誌《Aviationist》上星期五(12月7日)所載,有航空發燒友在喬治亞州薩凡納‧希爾頓黑德國際機場(SAV)的空軍設施附近,拍得一架疑似殲20的飛機。經由德國籍的中國航空專家Andreas Rupprecht判斷,這純粹是一個模型,而且手工不太好(他指出真正殲20表面加工是十分出眾的,不會這麼垃圾(……the whole proportions do not fit, the surface looks wavy, just as if some thin material was stretched on or over a frame or at least mated in parts that do not fit correctly – especially since the J-20 has an impressive manufacturing and surface quality……)),甚至很多細部都是錯的。這模型引起各地航空迷多番猜測,部份甚至認為這是專門製作的電影道具,並可能用於拍攝中的《狀志凌雲II》之上。到星期日時,當地空軍設施指揮官Emmanuel Haldopoulos上校指出,4至6日時的確有一架殲20的模型泊在機場,並指該機是由海軍陸戰隊出資製作的。

為何美軍會製作殲20的全尺寸模型,而且製作方是海軍陸戰隊?在此前,我們應先了解一下全尺寸模型在軍事上的作用。全尺寸模型(這裏採取較廣義的定義,即較小縮比的模型也包括在內)在軍事上的作用,可分成以下幾項:

早期近9米長的JAST 垂直升降版本戰鬥機的大型模型,準備用作試驗舉升風扇及觀察風扇吹氣對於周圍場流的影響。當CALF及JAST合併成JSF(即今天F-35)後,兩個計劃中的前翼機方案均不再發展下去。(網絡圖片)

 

 

高速飛行器的測試仍經常用到全尺寸或大比例模型,左為中國航天部門研究所試制的極音速飛行器大比例風洞模型,中為進行滑翔測試的「神龍」驗證機全尺寸模型,右為勞斯萊斯RATTLRS導彈驗證體(已停止研發)的全尺寸模型。(網絡圖片)

1. 流體力學 / 空氣動力/風洞測試

一般來說,風洞模型都是比例縮到大約1:35至1:72的小模型,因為這樣已經足夠收集初步的空氣動力學數據;然而,部分飛行器(如UAV、戰術導彈、彈頭或極音速飛行器)本身就不太大,可以原尺寸模型或樣機直接放到風洞進行測試,以模擬更接近真實的飛行狀態。

AESD艇主要用作測試朱姆沃爾特級的船身外傾結構及新型球鼻的流體力學特性,其次為試驗新式噴水推進系統。最終朱姆還是用回大型螺旋槳。(網絡圖片)

 

另一種模型是流體力學模型,主要是船舶用的,用以測試船身在行駛中的水中阻力等。大部分船泊用流體力學模型只需造到1:100即可,但少數則會作成大比例模型,甚至有動力及駕駛系統,例如美軍曾為朱姆沃爾特級導彈驅逐艦建造了接近1:4的AESD艇(40米長)及另一部比例接近的工程模型,以測試特殊船形水下船身的流體力學特性及結構抗爆能力。

 

1950年代蘇聯米亞舍夫設計局所設計的M-28/2M遠程轟炸機全尺寸模型。(照片來自《The Soviet Secret Project Bomber since 1945》一書)

2. 結構 / 空間利用試驗

這可說是全尺寸模型最常見的用途。過去電腦只用在局部設計時,要試驗圖紙、管線及控制線路的設計是否適合實際運作及維修需要,或者是否適合掛載更多裝備,需要一個幾乎是等比例的模型去進行驗證,並以此提供的數據進行進一步的設計修正。這主要是用在飛機及太空站設施的設計與測試上。而且早期各種電機及電腦設備體積龐大,也需要先造全尺寸模型,以確認原先的內部裝配是否可行;若發現需進行修改,那全尺寸模型也更方便進行早期嘗試,這也省去不少功夫。

正進行應力測試的米格29K機身。(網絡圖片)

更複雜的結構強度測試,需要一個更加嚴謹的全尺寸模型,其結構及用料幾乎會和實機一樣,只是沒有飛行及控制的能力而已。這種不能飛的飛機通常被稱作強度測試機,通常是用來測試飛機在接近或超越理論設計強度下的機身狀況,並測試機體結構強度的極限。研究人員通常會在機身上擺上等重的壓載物,測試中不斷增加壓載物的數量,直到機身結構受破壞為止。

換裝了新型炮塔模型的M1某試驗車。12年後這車就再沒有消息了。(網絡圖片)
蘇聯解體時還有多型戰車正參與下世代戰車計劃,左上角是Project 490,左下是490A型;右上是490B型,右下是477A型坦克。它們的共同特點是:砲塔都只是模型,車體是實車(490B有可能全車都是模型)。嚴格來說還有Project 299參與,不過廠方只來得及完成通用底盤,連頂置火砲也仍在設計中。(網絡圖片)

 

陸上裝備模型一樣使用到結構或空間利用試驗上,主要是測試設計合理性,這點在主戰坦克及重型步兵戰鬥車上比較常見,例如早幾年美軍開始探討M1坦克的未來發展時,原廠克雷斯勒曾弄了一個全尺寸結構砲塔模型(可能裝了大型自動裝彈機的等比例模型),並安裝在實車車體上進行測試 (不過由於美軍最後決定M1只會以現有基礎修改成M1A2SEP3型,故這個換砲塔計劃最後也不了了之);蘇聯這點更為常見,八十年代末期蘇聯坦克準備換代時,各候選車型大都只製作好底盤,為能率先展開測試,大家都頂著與設計幾乎相同的全尺寸砲塔模型進行各種試車。當然,由於蘇聯解體,這批次世代戰車也沒能活到量產的一天,不過這是後話。

高雄號的木製艦橋結構模型,相信用來驗證新艦橋集中式指揮管制機能是否合適,同時也可能是驗證艦橋設計是否適合作戰指揮用。高雄級是日本首艘排煙道由艦橋底伸上來的大型軍艦。(照片來自光人社《日本海軍艦艇寫真集‧10》)

 

軍艦研發及建造亦有類似測試,例如使用新式結構及設計時,可能會先建一個大模型來測試其結構可行性及使用上是否方便;例如,早於1930年時,日本的高雄級重巡洋艦高雄號在建成船體後,便先建一個結構和設計圖基本一樣的木製模型艦橋;近代比較多應用的就是船用或潛艇用反應堆的設計時,為初步確定設計是否適合裝船,以及如何作進一步修改及緊緻化,故先建造反應堆的全尺寸模型。事實上,在電腦附助設計技術未全面投入應用時,設計團隊多會先造出反應堆的全尺寸模型,再作進一步研究與修改。

LS-1設施與當年計劃中的CGN-42型核動力巡洋艦的比較。留意一下,由於該中心亦是海軍戰鬥系統的測試中心,底下有很多現役武器。(網絡圖片)

 

3. 電磁測試 / 隱身測試

電磁測試多用在軍艦上,主要是用來測試裝設新電子系統的電磁兼容性(例如艦載電子系統現有設計有沒有 / 在什麼情況下出現互相干擾、干擾嚴不嚴重、有沒有辦法改善或訂立什麼操作規則以避免干擾等)。比較出名的例子是現時作為神盾雷達及戰鬥系統陸上測試平台的USS RANCOCAS (LS-1)。有趣的是,美國海軍雖然沒有明言,但1977年改建完成的LS-1,外形和當年仍在設計中(後卡特總統取消建造)的CGN-42核動力巡洋艦(也是第一艘安裝神盾戰鬥系統及SPY-1雷達的軍艦)的艦橋非常接近,甚至擁有大部分的電子設備,故不排除也是順道作為電磁測試之用;解放軍的055型導彈驅逐艦開建前亦在武漢興建了一整座模擬設施,以測試艦橋電子系統。

圖左是武漢王家湖的055電磁測試模型,主雷達裝在左舷,只裝一部;右圖位於樸次茅資軍港附近山丘上的海事整合與支援中心(MISC),上面裝有Type-45驅逐艦完整的雷達系統,包含Sampson原型與S-1850M雷達。

 

另一個較常用的測試模型是隱身測試模型,主要是用在飛機上:研究人員會製作成大比例飛機模型甚至全尺寸模型,然後放入RCS實驗室,以測試RCS反射量與反射模式;除此以外,也有室外測試場,通常是將飛機等比例模型放在室外(連支架都要設計成隱身構形),試驗機體在室外電磁雜訊下的RCS反射模式,作為細部設計的進一步參考。

Have Blue二號機全尺寸模型給掛在測試架上。(網絡圖片)

 

(題外話,70年代後期,由於電腦計算模擬RCS的能力還未完善,為展示隱身飛機的可行性及作為F-117的概念展示機,洛竭臭 鼬曾製作HAVE BLUE概念機,此機全重僅有5.6噸,除飛控系統外就沒什麼航電裝備,亦無武裝,連油料都不多,除作為氣動實驗機外,也作為雷達測試機,測試在飛行途中如何透過改變航向來提高隱身性能。這架能飛行的試驗機也可算是真正F-117的全尺寸模型了)

https://www.steelbeasts.com/topic/10297-history-of-soviet-tanks/

法中兩國海軍艦載機部隊基地的訓練設施,基本上就是將戴高樂號及002型航母的甲板劃在跑道上。(網絡圖片)
美國海軍某個室內航母調度訓練模型,明顯是仿制50至60年代的主力——埃塞克斯級航空母艦。

4. 運用調度測試/ 訓練

調度測試主要和軍艦有關,以航空母艦為例,部分國家會先在地面建立測試中心,畫出甲板的1:1圖樣,並在此利用模型機甚至實機作擺放及調度測試,為日常運作及調度探索最佳的工作模式。武漢王家湖的701研究所主要研究大樓就順道作成「航母樓」,擁有大約是遼寧艦3/4的飛行甲板,除作為艦橋結構及電磁測試外,航母樓也載有艦載機模型,一般認為可作為艦載機(模型)調度的初步試驗。

去年年中的航母樓模型,這模型可說集幾種用途於一身。(網絡圖片)

 

 

左為一戰英國海軍戰列艦百夫長號,右圖為二戰早期停泊於施卡巴伐洛海軍泊地、由百夫長扮演的鐵公爵號喬治五世級戰列艦。(網上圖片)

5. 假目標

全尺寸模型拿來作假目標比較少,因為過去如果是遠距離偵照的話,外形大致正確的模型已可瞞天過海;然而,英軍二戰時亦曾發動Fleet Tender計劃,以舊船進行改裝,扮演重要作戰艦艇並輪流往其他泊地,以擾亂德軍的目視偵察,例如新戰列艦鐵公爵號及航空母艦競技神號皆有其「替身」(分別是舊戰列艦百夫長號及貨船),且其手工十分好,遠看很難看出它是假貨。為令這些「替身」不容易沉沒,壓艙物也被改成類似發泡膠的物質,以保持浮力。不過,不知什麼原因,納粹似乎沒有上當,到1941年過後,這批假船除了一艘之外,其他都「回復」到自己的身份。

 

 

以上三機都是等比例模型,圖左是2010年前所用的F-35外銷展覽模型;中圖是現時在推銷中的EF-2000F2型的模型,具適形油箱及推力進一步加強的EJ-200系列引擎;右為80年代初期ACA (EF-2000最初期構形),可視作雙垂直尾翼版的EF-2000。(網絡圖片)
  1. 展示用模型

部份全尺寸模型也是用來作為展示用,以在原型機仍在設計製作 / 還未能完全公開時,收宣傳效果,增強國防部及政府對計劃的信心,另一方面也是「吸金」舉動(吸引海外賣家,為未來軍售鋪路)。不少軍用飛機在原型機前完成前都會以全尺寸模型進行公開展示,例如F-35;部分則是向未來的合作伙伴展示新概念,例如颱風戰鬥機的前身ACA。有時,這些展示品也會拿來作為軍事教育用途的。

 

回到美軍製作殲20模型的問題,美國空軍星期日發布的聲明,指該模型機是作為訓練用的。單由航空家雜誌提供的照片得知,這個模型表面似乎比較粗糙,光影下甚至有明顯的破損,似乎並非拿來造RCS測試模型,因為表面太不平滑,RCS反射會非常大,無法模擬殲20的RCS反射模式;另一方面,這模型明仿製的明顯是2001/2002號驗證機,沒有反映量產型進一步的修型與減少RCS措施,明顯不能準確模擬量產型殲20的RCS準確反射模式。由仿制對象得知,此機甚至可能已製作了相當長的一段時間。個人估計,此機可能是人家用完準備銷毀的。

由可能製作的時間觀之,個人認為這可能是2012年製作、用以目視識別的教學模型,純粹以當時有限的資料製作完成,用途只是讓飛行員及兩棲作戰艦艇上值班船員在不同的目視距離鑑別殲20。之前也已提過,基於雷達及RCS公式,就算殲20的RCS大F-22/F-35 10倍,其雷達探測距離亦只會大1.44倍,雙方可能在雷達鎖定對方前,就已進入目視 / 機載前視紅外線監察系統(IRST)的監察範圍,加上若在非戰時狀態,目視接觸與持續跟蹤是很重要的。

另方面,由於模型可能已使用經年,可見美軍似乎在多年前早已重視殲20的威脅,並嘗試讓那些可能率先進入戰場或可能和解放軍發生局部衝突的部隊,預先熟習這些飛機的外觀。另外,今次還帶來一個更好的問題:空軍是否自己也有這種模型機?

(P.S. 陸戰隊那個模型可說是差得不得了,內地隨便一間小廠造的全尺寸展示模型都比它好太多)

 

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William Lam
現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

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