教练机 - 基本要求
但是另一方面,教练机对绝对飞行性能要求不是很高,最大速度、最大高度、机动性都只要能达到中不溜就可以了,也没有挂载武器的要求。教练机分初级、中级和高级。初级教练机(简称初教)担负新学员的最初飞行训练任务,包括起飞、着陆、目视飞行等,还有一个很重要的任务就是筛选,鉴别出有前途的学员。中级教练机(简称中教)用于训练已经具有初步飞行技能的学员,用来训练队列飞行、仪表飞行等。高级教练机(简称高教)是飞行学员的最后阶段,用来训练复杂气象飞行、简单战术动作等。有的国家取消中教,只有初教和高教。
虽然教练机也用于训练民航和通用航空的飞行员,教练机一般习惯上还是算作军用飞机。和所有飞机一样,教练机可以是螺旋桨的,也可以是喷气式的。初教通常都是螺旋桨的,而且采用活塞式发动机。中教有螺旋桨的,但一般已经不是活塞式发动机,而是涡桨发动机。中教也有采用喷气式的。高教一般是喷气式的。推进形式的差异在很大程度上反应了初教、中教、高教的使命和使用习惯上的差异。初教最强调的是廉价、皮实,操作简单,飞行性能特别温和、稳定,还要具有很高的出动率。活塞式发动机在本质上和汽车发动机差不多,技术非常成熟可靠,经济性也好,用于初教正合适。中教和高教对飞行性能有一点追求了,也要求和现代飞机的飞行特性相对接近,采用喷气式推进就顺理成章了。
过去,初教、中教、高教各居其位,也专心于训练新飞行员,除了图穷匕首见的情况,一般不参加战斗任务,在设计的时候也不考虑挂载武器的能力。但60年代开始,欧洲时兴起所谓"全程教练机",希望用一种教练机完成从初教一直到高教的全部飞行训练。这在经济上可以减少机型,降低总采购成本;在技术上由于发动机和飞控的发展,初学的新学员也可以从相当先进的教练机直接入手。由于高教具有良好的飞行性能,赋予高教一定的战斗能力也成为一种时髦,成为所谓教练-攻击机。英国的"鹰"式和法德合作的“阿尔法-喷气”都是这个时代的产物。教练机不光承担训练任务,也将在战争时期作为对地攻击机甚至简易战斗机使用。从此,教练机的作战能力成为教练机的设计指标的一部分,使得教练机的设计成为非常微妙的一个问题。这不是一个技术上能不能
实现的问题,而是一个设计基准的选择问题。换句话说,在技术上,教练机几乎可以具有现代战斗机的一切能力,但这样做将在经济上使教练机丧失采购和运行成本低的特点。
另一方面,五六十年代时,战斗机普遍达到超音速。为此,一些高教开始达到超音速,同时,战斗机开始装备同型的双座战斗教练机。现代高性能战斗机在操控上各有特色,常规高教已经不足以训练飞行员掌握安全操纵了,需要专用于换型训练的同型战斗教练机。西方战斗机广泛开始在装备新型单座战斗机的同时,装备双座的战斗教练机。除了航程可能略有损失外,战斗教练机通常保留战斗机的绝大部分飞行性能和武器发射能力,在战争期间可以作为战斗机使用,甚至利用其双座可以减轻飞行员负担的特点,承担难度更高的对地攻击或者空战指挥任务。即使对于一般空战,后座飞行员可以专心操纵雷达和观察后半球的敌情,也可以减轻前座的负担,增加空战格斗的胜算。70年代后,苏联战斗机也开始依此办理,为新研制的战斗机发展同型双座战斗教练机。战斗教练机从上往下挤压高教的空间,尤其是接近服役寿命尾声而退出一线因而价格低廉的前高性能战斗教练机,也为高教设计增加了困难。
90年代后,全程教练机不再用于全程训练,而是恢复两级训练,用初教作基本飞行训练后,直接上高教。但初教和高教的划分又成为问题。
教练机对速度和高度的要求毕竟不高,活塞式螺旋桨飞机具有可靠、廉价的优点,现代涡桨发动机则可以达到高亚音速和相当高的高度,采用涡桨发动机的苏联图-95轰炸机在速度和高度上都接近采用涡喷发动机的美国B-52轰炸机。如果教练机不再要求超音速性能,采用涡桨发动机的教练机在很大的性能包线内,都可以匹敌喷气式的教练机。世界教练机发展开始向两个方向发展:一是用最简单的初教筛选和学习简单飞行后,然后直接上相当于过去全程教练机的喷气式高教学习主要飞行技能;二是用具有中教性能的初教,将初教和中教一气呵成,然后上高教锦上添花,甚至跳过高教而直接上战斗教练机。
教练机 - 各种机型
像Slingsby那样的简易初教通常由通用飞机发展而来,采用并列双座,教官可以手把手地教学员,便于交流。这种飞机速度慢,性能稳定,采购和运行成本低,对学员的心理压力也小。但这种飞机的性能潜力基本没有,学员要是养成对教官的依赖也不好,所以现在好像又不提倡了,至少作为军用教练机不提倡了。串列双座的活塞式或者涡桨教练机有利于养成学员独立飞行的习惯,成为现代军用教练机的主流。但是螺旋桨依然有反扭力的问题,功率增减必须相应地用副翼和尾舵补偿,否则要造成偏航。喷气式飞机没有这个问题。现代飞控系统可以自动补偿螺旋桨的反扭力作用,使学员不致产生坏习惯,在感觉上和喷气式飞机相似。德国的FanTrainer教练机采用后置螺旋桨,学员看不见螺旋桨,感觉上更加接近喷气式教练机了。这样一来,除了最大速度和高度,螺旋桨教练机在性能上已经媲美喷气式教练机,可以做难度相仿的斤斗、倒飞等特技,而起落性更好。更重要的是,经济性能更好。90年代以来,涡桨教练机大有成为新一代的"全程教练机"的势头,有在很大程度上代替喷气式教练机的意思。巴西的Tucano、瑞士的PC-7/PC-9是涡桨教练机中的典范,英国的ShortsSuperTucano是对巴西Tucano的进一步改进,同样,美国RatheonT-6是对瑞士PC-9的改进,瑞士Pilatus本身也发展了更新的PC-21,号称“终极涡桨教练机”。
教练机 - 定位混乱
但这也是教练机定位混乱的开始。这个混乱对老资格航空工业国家是一个很大的困扰,对于新兴航空工业国家则可能成为致命的陷阱,尤其是借教练机入手,希望建立先进战术飞机研发能力的雄心勃勃的国家。这很可能成为一个滑溜溜的斜坡,一踩上去就身不由己了。
教练机以训练飞行学员为主业,以作战为副业,这一般都没有什么异议。但主业和副业的定义和两者的相对比重,这里面差别就大了。教练机的批量大,使用寿命长,出勤率高,对成本控制和使用经济性的要求几乎和民航客机一样苛刻,这样就需要尽可能减少不必要的重量、设备和飞行阻力,否则每天背石头上山,那什么经济性都免谈。但作为作战飞机来说,战场上只有两件事是最重要的:生存力和任务完成能力,其他都无关紧要。
教练机作为战术飞机,一般有两种:攻击机和战斗机。攻击机用于攻击地面目标,教练机具有良好的低空低速操控性能,后座可以用来帮助观察战场和操作武器系统,用作兼职攻击机好像是天然的选择。但仔细琢磨一下,问题就来了。攻击机需要暴露于敌人地面火力之下,需要具有一定的抗打击能力。美国A-10攻击机和俄罗斯的苏联苏-25攻击机都有钛制装甲"澡盆",用于保护飞行员和关键设备,教练机要是也背上这么一个澡盆,那发动机推力和油耗的增加可就太多了。如果在设计时考虑战时可以增装装甲,而平时不装,这个问题小一点,但留有余地同样意味着设计死重,留得余地越大,死重越大。
教练机本身没有必要需要挂架,一般每个架次的时间都不长,下来加油就是了,所以机内油箱不需要太大,也不需要副油箱。但战术飞机需要具有远程奔袭或者长时间巡逻的能力,机内油箱需要加大,即使不需要像苏-27战斗机那样变态的40%机内载油系数(机内载油量占正常起飞重量的百分比),也应该至少有战斗机平均的28%左右,而不是典型教练机的22-23%(如捷克的L-59和英国的“鹰”式)甚至更低。过大的机内油箱意味着更大的机体,即使平日里减油起飞,阻力、重量、发动机推力依然要上去,依然降低经济性。使用副油箱也不能完全解决问题。副油箱需要在挂架和机翼内设置油管和相应的开关,增加系统的复杂性,要不是必要,也是能省就省。苏-27由于巨大的机内油箱不需要副油箱,所以开始时的设计是根本不能用副油箱的,节约了重量和成本。对于教练机来说,副油箱只是翼下挂架的一个用处,火箭发射器、导弹、炸弹都需要是用挂架,这样就要增加挂架的复杂性,需要在电气和机械上和各种武器匹配。对于导弹来说,还需要有压缩空气管路,用于驱动陀螺。多用途挂架在技术上没有问题,但这些设备和功能都不是教练机部需要的,教练机每天上天背着那么多的包袱,日常经济性成了大问题,维修、备件都成了问题,多一件设备,就多一份日常的维修和更新,到临战了再大检修、大更新是不行的。
作为战斗机,飞行性能和武器能力上的要求只会更高。战斗机要求相当高的速度和高度,一般教练机没有这样的要求,即使为了满足中等性能战斗机的基本要求,也需要将最大速度增加到至少1.5倍音速左右,升限也相应增高。为此,教练机常用的中低流量比非加力涡扇发动机不能用了,要用战斗机的低流量比加力涡扇发动机。中国的K-8教练机使用美国的TFE731发动机,这恰巧也是很多公务飞机使用的发动机,就是因为其油耗低、可靠性好。但是TFE731用于超音速飞行就勉为其难了,台湾的IDF用加力的TFE731是没有办法,不是因为这是理想的战斗机发动机。韩国的T-50就是用美国F-18战斗机上使用的F404发动机,这更加适合于超音速飞行,但成本、油耗都上去了。IDF倒真是应该用单台F404儿不是两台TFE1042的。战斗机发动机追求终极性能,像高性能跑车发动机;教练机发动机追求可靠省油,像出租汽车发动机。两者要求不一样,用后者代替前者根本不能达到性能要求,用前者代替后者则损失可靠性和油耗。使用战斗机发动机对教练机的使用经济性是另一个坏消息。战斗机的机动性要求比教练机高很多,这要求机体作很大的加强,这又是重量增加,和由此产生的使用经济性损失。
这还没有涉及到航电。教练机不需要太多的航电,只要有基本的飞行仪表和通信就够了。但作为战术飞机,火控系统是必要的,而且需要和所有配套的武器相匹配。现代火控可不简单,红外、微光、激光、雷达,这些探测设备的重量和成本都不低,座舱显示也要跟上去。虽说现代火控都数字化了,只要硬件在,软件可以随时更新,但平时只装“架子”硬件而没有相应的软件对节约重量和成本没有什么作用。软件是没有重量的,软件成本主要在开发,而不在于复制。既然已经开发出来了,载入还是不载入火控系统对软件的成本几乎没有影响。硬件成本和产量有关系,但也是有限度的,到研发和工装成本已经可以忽略不计的时候,材料、制造等成本就决定了硬件成本下降的空间。教练机要是打进现代火控的成本的话,那成本肯定低不了。如果只用简易火控呢?战场上只有第一,没有第二,简易火控只有在敌人很肉的情况下有效,但是除了根本负担不起现代战斗机的国家外,连教练机都担当重任的时候,敌人不会太肉,这时教练机的战场生存能力就很成问题了。但是要把火控升级到可以一战的程度,成本又大大升高了。现代战斗机的高昂成本不是天上掉下来的,也是在严格的成本控制之下依然这么一点一点爬上去的。一分钱一分货,便宜出好货的事人人想做,但除了众里皆混我独清的情况外,战斗机做不到的低成本,换成教练机也未必做得到。
现代战斗机已经成为高度复杂和昂贵的系统,但其能力也高度强大。为了控制成本,作为兼职战斗机或者兼职攻击机的教练机一般比专用战斗机或者专用攻击机的性能要有所下降,但下降太多又使得这种兼职失去意义,只能迫使兼职升级成准专职,走向危险的“性能要求爬升”(performancecreep)的道路,最终导致价格的自杀性螺旋式上升。
教练机 - 遭遇挑战
教练机 - 寻找平衡
总之,现代教练机的难题不在于技术,而在于如何在成本和性能之间平衡,弄得不好就搞成价格自杀。具体到现代几种正在设计或新近投入使用的教练机,各国对成本和性能之间的平衡有不同的理解。
英国在70年代率先推出“鹰”式教练机后,一直精雕细琢,不肯重起炉灶。这是因为“鹰”式的性能依然能够满足现在的需要,不断在航电、发动机和部分机体材料上升级,可以达到少花钱、多办事的效果。“鹰”式不仅在英国、美国使用,也在加拿大、法国、澳大利亚、印尼、马来西亚、沙特、韩国等国使用,印度一面在研制自己的HJT教练机,一面也购买了一批“鹰”,显示出老“鹰”至今依然具有魅力。
德国在“阿尔法-喷气”退役后,没有立刻部署新的高教,但现在正在研制MAKO教练机。这是号称具有隐身能力的超音速教练机,但成本-效益十分成问题,至今没有买家,连首飞也一拖再拖,德国空军也不肯解囊。这是欧洲第一架具有隐身能力的作战飞机,从外观来看,除了机头用类似美国F-22战斗机的折边,没有太多的隐身措施,采用机翼和尾翼前后缘对齐,进气道或许有点弯曲,但总体来看,隐身水平不大可能超出F-18E。但MAKO作为一架全新的教练机,除了具有超音速能力外,到底比“鹰”式这样的“老式”教练机强多少,是由一个大问题。如果几年后MAKO悄无声息地无疾而终,那是一点也不用惊讶的。
韩国对T-50“金鹰”寄予极大的希望,据说还有作为美国空军T-38的替代的想法。T-50可算是F-16的简化版,在设计上采纳了很多F-16的特点,不过采用了类似台湾IDF的两侧翼下进气道,还好用的是单台F404发动机,而不是台湾IDF的两台TFE1042(加力型TFE731)。韩国为了使T-50具有更高的性能,将T-50实际上设计成低档战斗机,T-50确实也发展成单座型战斗机的计划,因此面临所有“性能要求爬升”的问题,价格最终会成为致命伤。试想,T-50用的是F404发动机,机动性堪比第三代战斗机,雷达、光电、武器能力一样不少,凭什么比JAS-39那样的轻型战斗机便宜?T-50和F-16相近飞行特性使它成为拥有美国F-16战斗机的各国空军的自然选择,但这可能最终成为它最大的问题:美国F-16A/B战斗机已经从美国和各国空军中大量退役,廉价的双座F-16B岂不更适合作为F-16的教练机?虽然F-16B的运行费用会比T-50高,但F-16B的作战能力不是T-50所能比的,备件来源充裕更可能降低实际使用成本。韩国对T-50信心满满,但至今除了韩国以外,并没有出口订单,未来命运如何,还要拭目以待。韩国要以T-50作为进入高性能战斗机市场的契机,应该是入错门了,次要的小山头是可以迂回攻击的,四面设防的主峰只有正面进攻,没有捷径。
教练机 - 中国飞机
L-15是中国教练机的老字号洪都的手笔,外观上和雅克-130很像,其中的是非这里就不去评说了。和雅克-130一样,L-15也是双发、大边条,但具有超音速能力和翼尖空空导弹挂架。显然,洪都的胃口不仅仅在于高教,而是和T-50相似的高性能战斗机的思路。然而,L-15的成功还是必须从教练机开始,否则生命力堪忧,这也是不争的事实。作为一架高级教练机,L-15怎么样呢?