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　从2008年开始，经过几年的训练磨合，美空军飞行员确认已经掌握了F-22的操控特性，随之就开始了世界各地的飞行表演。在美国四代机一枝独秀的时代，这种表演总是自我感觉良好，因为对于那些爱好者而言，F-22无论做什么动作都是那么精彩而充满玄奥，而即使是专业的飞行家，甚至也很难理解F-22的那些动作是如何做到的。对于飞过三代机的飞行员而言，F-22的操控理念、飞行机动特点都是全新的，你再也不能用所谓的“空气动力机动”原理去理解四代机的机动飞行了，因为随着矢量推力技术的引进，飞行已经进入了一个全新的时代。现在我们只能用“超机动”去形容四代机的超凡机动能力，而在一个更为准确专业的名词出现之前，我愿意用“随控飞行”这个新词，因为“随控飞行”很好地体现了四代机想怎么飞就怎么飞的特点。


美国空军成立了专门的F-22单机飞行表演队来展示该机的机动性

　　美国人最懂得F-22技术超越的意义，因此，他们似乎很愿意公开F-22表演的一些信息，包括飞行员对于特技表演的真实描述。当我读到《code one》杂志中保罗.莫加上校的文字时，我并没有为F-22的超凡所震惊，反倒是美国人做事的认真与精细打动了我，我想如果俄罗斯人对待飞行表演也能做到对细节的如此关注，那么他们在航展上层出不穷的表演事故也会减少很多了。

一、表演飞行中的细节透露了什么？

　　对于爱好者而言，保罗.莫加上校的文章中关于与机师的协调配合、起飞线停机的几分钟拖延、平显和机场表演区的线和标尺、表演过程中飞行员与地面观察员的对话，这些都是乏味并可以一代而过的，那些精彩的动作才是他们兴趣的焦点。而对我而言，恰恰是这些飞行中的细节吸引了我的眼球，文化与技术理念的不同，会在人们的行为习惯中充分体现出来，所有的完美都是规划与设计出来的，美国人为了做到精美已经将细节做到了极致。这种精细不仅是为了表演过程中的打动人心，更重要的是他们要做到即使有万分之一的风险，也要做到万无一失。举个小小的例子，高度表对零是飞行员每次飞行前都要做的，我们一般是在停机位做这项工作，而F-22的飞行员是在跑道上完成这一动作，这样做的目的是为了防止停机位与跑道的之间哪怕微小的高度误差影响到飞行的安全。

　　类似的细节还有很多，有些人也许认为这仅仅是工作习惯，但在我看来确是非常重要的提示。如在机师中设置2名主管工程师，既可以在不同的位置上观察飞机的工作情况，也可以避免因为一个人权限过大，对飞机状态做出错误判断时无人能够干预制止。为了表演中更好地操控飞机和设备，飞行员在地面就将座舱显示控制画面设置到所需的状态，例如打开弹仓的工作是表演的一部分，需要在机动飞行中完成，为了避免操控弹仓影响操控飞机，飞行员把弹仓控制画面置于左侧显示器上。地面安全员不仅在飞机滑出前，而且在滑行过程中、进跑道前、起飞前都对飞机状态进行确认，并与飞行员交流后才可放飞，而同样的工作在其他一些国家的空军只进行一次确认，就这样一些人甚至都觉得过于繁琐，认为只需滑出前检查就可以了。




F-22跨音速通场

　　为了达到最佳表演效果，在整个表演过程中飞行员始终要对飞行表演中心区域有一个明确的空间定位，并在每一个动作中都进行必要的调整，这些都在飞行路线中进行了设计，而不是在飞行中让飞行员随机调整，这样避免了因为控制随意性过大造成误差过大难以调整，从而确保了表演飞行的完美。

　　飞行的风险控制是一门很深的学问。在传统的飞行理念中，要做到更加安全就必须更加严格，传统安全理念的最大问题在于，严格的定义无法把握，因为对于由人来控制的过程中，严格不仅是一种态度，而且是需要承受巨大的工作负荷，人的自我控制力和精力总是有限度的，严格如果是一种状态在执行过程中就会充满变数，许多问题恰恰就出现在人因为疲惫与松懈而出现的状态低下的阶段。现代的安全控制理念不再拘泥于无法控制的人的态度要求上，而是对过程进行控制，即对于那些可能出现问题和最容易实现控制的工作节点进行监控。为了达到过程控制的完美无缺，对由谁来控制进行了明确的规定，即由最能观察到局部细节和关键点的人来把关控制，例如在地面滑行时是地面安全观察员，而在表演中是由飞行专家在最佳位置对飞机的外部轨迹进行观测提醒。过程管理是全新的安全理念，它杜绝了由于人的疏忽而导致的监察失当，使严格把关成为可以量化和控制的具体工作。

二、惊险玄奥的超机动飞行是如何做到的？

　　保罗.莫加是从表演飞行的真实过程，对F-22的机动动作进行描述的。这种叙述的好处在于，我们不仅可以了解某一机动动作的操控技术细节和数据状态控制方法，而且可以通过飞行员对于表演动作的编排，以及表演过程中飞行员对于表演区域的飞机位置调整和动作连贯性的考量。这对我们理解表演飞行的奥秘是非常重要的。因此，我们的分析也按照莫加上校的表演顺序进行。

开场——跃升翻转+向下横滚



　所有表演飞行的开场都是至关重要的，对于三代机和四代机，这是表现飞机较大的推重比和垂直机动能力的最好时机。滑跑距离的远近、离陆后爬升增速的快慢、能否完成起飞后的垂直机动、垂直向下机动的半径如何，都可以通过开场的第一个亮相机动中展示出来。

　　与以往的三代机表演飞行不同，在开场的拉升、后空翻、越肩滚转机动中，F-22得以展示其近乎无半径垂直机动特性，也就是所谓的后空翻。在一般的表演飞行中起飞后的动作分为三种，一是直接向上做筋斗，过顶点后下降翻转对向表演区域；二是做跃升倒转，完成倒转后也是对向表演区域；三是完成一个上升或水平转弯机动，返回表演区域。跃升倒转或者筋斗接下降翻转，都需要飞机具备很好的动力特性，使飞机上升到足够的高度，否则飞机垂直机动的半径不够就会发生坠机事故。在1992年的一次雷鸟单机表演中，飞行员做跃升倒转过程中增速不够，导致倒转时高度过低，飞机的垂直机动半径不足以使其在安全高度退出俯冲，飞行员在飞机即将坠机的刹那弃机跳伞。


F-22开场往往是以大迎角加力起飞开始的

　　F-22的性能较之F-16显然优越得多，在拉升飞行中F-22可以凭借远大于1的推重比做垂直跃升，而在做后空翻时可以靠发动机的矢量推力完成一个近似无半径的垂直翻转，使机头由向上状态迅速通过顶点转为向下，更加刺激的是由于机动半径足够的小，飞行员甚至有机会在垂直向下的俯冲中完成一个405度的滚转，当然，为了确保安全飞行员通报了高度，通过地面观察员确认其高度足以完成滚转并退出俯冲。在这套看似简单的动作中，充分展示了F-22的俯仰操控能力。近似无半径的垂直机动是三代机无法完成的，其旋转角速度远远大于有半径的垂直机动，这一动作的战术意义不言而喻，在被咬尾的不利态势下，F-22仅靠一个拉升倒转，就将机头指向了追尾者，从而实现了瞬间的攻防逆转。

　　在完成了垂直向下的滚转后，飞行员讲到为了退出俯冲他几乎将驾驶杆拉到了最后但留有余地，这样做的目的是在速度大于400节的情况下，防止因载荷过大造成机体损伤，而飞机的能力其实还有很大的余量，像定点的无半径俯仰机动一样，退出俯冲时只要飞行员愿意可以将半径控制得很小。

　　总之，在精彩的开场机动中，F-22就展示了其强劲的推力和优越的垂直机动性能，这一看似简单的动作是三代机绝对无法完成的。

满行程拉杆水平360度机动




　看似简单的水平机动是所有表演飞行中规定动作。作为观赏者也许只能被F-22在盘旋中的机头急速转向的迅猛所震撼，但F-22的水平机动特点决不能仅用机动性好来描述。

　　四代机水平机动与三代机最大的不同有两个：其一，在水平机动中机头指向的急速旋转不仅是舵面操控的结果，由迎角增加而产生的升力只是轨迹变化的原因之一，而由矢量推力所产生的直接力可以不通过向心力就实现飞机姿态和轨迹的变化，在四代机的水平机动中向心力公式已经不能解释其曲线运动的规律了。

　　其二，在四代机的水平机动中，迎角不再是飞机可控的基本条件，因为对于三代机而言，其机动性能的提高只是可用迎角的增加和推重比的增大，而对四代机而言，机动的中的迎角不再是问题，因为对于具备超机动的四代机而言，无所谓临界迎角，在超临界迎角时飞机依然稳定而可控。



F-22水平360度机动

　　因此，在四代机的水平机动中迎角想多大就可以多大，唯一的问题是飞机的承受能力和推力有多大。我们看见在水平盘旋的前半段，飞行员莫加几乎将驾驶杆拉到了极限，飞机迅速旋转但速度减小并不多，这得益于F-22巨大的动力。当然，随着飞机迅速的旋转速度也由400节减小到了300节左右，为了维持飞机的速度（以便衔接下一个动作），飞行员适当减小了拉杆量，并最终控制飞机回到盘旋初始进入位置，从而完成下一个动作。需要指出的是，在这个卓越的盘旋中F-22依然采用了常规水平机动模式，即由坡度实现飞机水平机动，其实，F-22完全有能力进行低速几乎无半径的水平转弯，但这是其后面要做的动作，在这一常规机动中F-22只需展示其超乎寻常的机动小半径和迅速完成盘旋的能力，而这是三代机无法比拟的，受迎角和发动机动力的限制，三代机只能完成角速度不大于25度/秒的水平机动。


J字型转弯



　　美国人用“J型转弯”来定义F-22超越苏-27“眼镜蛇机动”的看家动作，但这个动作比字母J复杂得多。所谓J型转弯其实是下俯方块筋斗的一部分+加眼镜蛇机动的前半部分+无半径侧转的组合。

　　在下俯方块筋斗的垂直转水平的机动中，由于速度小于300节，靠操纵舵面是无法使飞机迅速下俯的，但F-22能够做到，它靠的依然还是矢量推力，在飞机完成下俯进入水平状态后，飞行员又拉杆进入了类似眼镜蛇机动的上仰状态并保持住，随后的动作是F-22独有的，即在保持飞机几乎垂直向上的状态，利用飞发一体化控制技术保持飞机像一块平板那样飘在空中，并通过增加发动机推力使飞机缓慢的下降但飞机状态不变，这就好像飞机在垂直向上的状态下开倒车。

　　J型机动的原理与眼镜蛇机动完全不同。作为超临界迎角机动，眼镜蛇机动其实并不是全程可控的，我把它定义为可预期的非控制机动。而F-22的J型机动是全程可控的，只要速度在合适的范围，其上仰与下俯都是随控的，这得益于F-22的矢量推力和飞发一体化飞控系统的能力。最后为了结束动作，F-22做了一个侧转使机头向下，与常规飞机的侧转不同，在这个机动过程中飞机也是完全可控的，飞行员通过方向舵操控和发动机喷口的偏转控制，使机头偏转进入俯冲。需要说明的是在整个机动过程中，飞行员必须很好地控制发动机的推力，以控制最佳的速度，否则在这一复杂机动中飞机的动态就会难以把握，在随控飞行中理论上讲飞机无所不能，但飞行员的操纵却极为复杂精巧，需要飞行员对飞机的状态具有很高的认知度和控制力。

　　J型机动展示了F-22最足以称道的操控特性，俯仰、方向的任意随控，使得其相对于三代机具有无与伦比的优越性，从近距空战的角度而言，面对F-22三代机没有任何取胜的可能，这就是四代机超机动的威力所在。

弹仓门开启穿越和垂直滚转


　　F-22的隐身性无疑是其最大的优势所在，但除了地面静展时可以从F-22异样的外表、光洁的表面和隐身涂层的灰暗颜色，最能展示其隐身特征的还是F-22的独特设计——内埋外挂，为此，表演者精心设计了弹仓开启关闭的穿越飞行动作。

　　高度100米，速度尽可能地小（200节），为了展示多个弹仓同时开启时飞机下表面窗口遍布奇妙场面，飞行员甚至考虑到了倾斜机身这样的细节，加之地面观察员的通报，飞机刚好穿越表演区域迅即收起所与舱口，并迅速将飞机改平坡度，加满油门完成上仰垂直滚转机动。




F-22弹舱门开启通场

　　垂直向上滚转机动是一个常规飞机需要大速度完成的精彩表演动作，但F-22凭借大推力在200节的速度即向上拉起并滚转，加之飞机刚穿越表演区，向上的滚转依然在观众的视线之中，表演的效果会非常好看而惊险。至于为什么要做滚转机动完全是为了表演效果，因为如果不是为了下接另一个方向的俯仰机动，滚转本身是没有战术价值的（“桶滚”并非严格意义上的纯滚转机动，但桶滚的战术意义非常重要），但在表演飞行中却使用频率非常高，原因是滚转飞行的视觉效果非常好。



F-22垂直滚转机动

　　小速度的上仰垂直滚转，是常规飞机难以完成的，原因是常规操控系统的俯仰操纵性不足以使飞机在低速迅速上仰成90度，而F-22凭借矢量推力却可以很轻松地做到，因此，这一动作可以说是F-22的“看家本领”。

低空9G过载盘旋穿越观礼台

　　低空大过载盘旋通场会在比较大的速度下完成，尤其是常规飞机如果速度不够就无法达到9G过载，而9G也是通常的飞行员生理极限。在观礼台上空完成9G大过载盘旋，所要达到的就是震撼的效果。

　　与常规飞机不同，F-22可以在相对较小的速度下完成9G过载机动，原因还是它有矢量推力的支撑。但为了达到呼啸的震撼力，飞行员依然会选择700公里/小时左右的速度，由于F-22的大推力穿越是需要防止的是速度过大甚至超音，因为在低高度超音会形成巨大的破坏力，这在和平时期是被各种条令法规严格禁止的。




9G大过载盘旋

　　进入观礼区之前飞行员要确认速度在可控的范围，而高度则达到了惊人的100米（这完全是出于对观众安全的考虑），为了达成盘旋的震撼效果，飞机从观众的后方穿越并突然出现在观礼区，随机迅速形成9G的过载，此时飞机在巨大推力的推动下，以很大的速度迅速旋转，机头在矢量推力作用下向被什么东西牵着一般，迅速地扭转，而轨迹也迅速变化，仿佛一瞬间F-22就完成了360度的水平机动。与满行程小速度盘旋不同的是，9G过载不是为了展示盘旋半径有多小，而是展示飞机完成盘旋的速度有多快，伴随着发动机和速度的呼啸声，观众在震耳欲聋的轰鸣中看见的是F-22的华丽转身，如此迅速、如此的桀骜不驯。

　　9G过载是“几何空战”、“能量机动”的秘籍所在，在传统的近距空战中拼的就是飞机的过载机动能力。而在这一传统空战领域，作为四代机的F-22，展示的是意义截然不同机动，对F-22而言，能量不再是必不可少的机动之源，随着矢量推力技术的引进，近距格斗进入了一个全新的时代——超机动时代。

无半径下降转弯（踏板转弯）




　　下一个机动从字面上翻译叫做方向舵转弯，这是从完成机动的操纵角度来说的，但这个机动的最大特点是，转弯是在几乎机翼水平的状态下完成的，而转弯的半径极小。还是先看看F-22做到了什么。

　　为了衔接上一个低空大过载机动动作，在进入无半径下降转弯之前必须上升高度，利用盘旋的剩余速度加上发动机推力的调整，飞行员拉杆使飞机再次进入垂直上升状态，并在足够的高度上完成一个类似后空翻的动作使飞机减速并进入水平状态，接下来就是最精彩的无半径盘旋下降了。由于此时飞机的速度已经非常小，为了保持飞机近似水平的状态，必须向后拉住驾驶杆杆，此时飞机的姿态基本是水平的机翼也保持水平状态，但由于速度减小升力降低，飞机实际上是在缓慢飘降，而此时飞行员蹬满了舵，飞机在垂尾和发动机喷口舵面的作用下开始水平旋转，从而完成360度的无半径下降盘旋。为了动作的规范严谨，进入方向是平行观礼台的，而完成动作实际上要多转一个角度，因为完成动作时高度不足200米，为了观众的安全停止旋转的方向略朝外，从而远离观礼台。

　　相对于传统飞机，F-22的无半径盘旋已经是惊世骇俗的了，但需要指出的是由于F-22的矢量推力并不是严格意义上的全向矢量，因此，它还不能像米格-29OVT那样做近乎水平的无半径盘旋，而必须带有一定的飘降状态，关于这一点将在下一节加以阐述。但F-22毕竟做到了小速度下的迅速转向，这对于三代机而言已经是技高一筹。

筋斗和负过载翻滚

　　筋斗和负过载翻滚并无什么新奇指出，只是一个衔接动作。筋斗的迅速旋转特性前面已经叙述过了，而负过载翻滚其实就是顶杆完成翻滚，这在二代机、三代机也是常见动作。


负过载翻滚时飞行员是非常受罪的

尾冲



　尾冲也叫“钟形机动”，是较为常见的超临界机动。在这一机动中利用飞机的速度拉杆使飞机进入70度左右仰角的跃升，之后，随着速度的减小飞机将会自动转入轨迹下降的运动，此时，利用驾驶杆和脚蹬的合理操控，使飞机尽可能地保持姿态，以达到圆满的观赏效果，随着下降速度的增加，飞机将在俯仰安定力矩作用下迅速下俯，从而完成钟形机动。对于传统飞机而言要完成好尾冲需要很多的技巧，否则飞机的横侧平衡一旦失去，尾冲就会偏转方向从而达不到观赏效果。对于F-22而言这一切都不在话下，因为它有矢量推力的帮助可以很好控制飞机的平衡，而且，利用矢量推力还可以克服飞机的俯仰安定力矩，使飞机在钟形机动的后半段，保持较长时间的上仰姿态，这样的飘降尾冲与传统飞机迅速下俯的状态截然不同，飞机仿佛定在空中随风飘降。



F-22飘降尾冲，就好像飞机凝固在空中

　　尾冲是一个完全为表演而设计的动作，实际作战中没有什么战术意义，但从表演的角度而言，F-22的尾冲突破了安定力矩的作用，达到一种“定在空中”的效果，这对观众而言的确是出乎意料的。

大迎角水平回转



　大迎角操控的机动性和安定性，是三代机足以自豪的特性，表演中低空大迎角通场是三代机的保留节目，但对四代机而言大迎角的水平回转才是“惊鸿一现”！

　　你想象一下，飞机以36度的仰角水平飞行，飞机还能做什么？在喷流舵面和垂尾操控下，F-22可以做小半径水平回转。飞机仰着头机翼几乎没有倾斜，飞行员蹬舵使飞机的机头慢慢回转。此时飞行员从座舱前方已经看不见自己的飞行轨迹，必须通过地面观察员通报回转后的方向是否与观礼台平行，而飞机是否平飞也只能用平显数据来判断。常规三代机以非加力状态进行大迎角飞行时，已经没有什么剩余推力了，因此为了退出大迎角飞行通场要松杆让飞机低头增速。但作为可以完成超音速巡航的F-22，能量绰绰有余，飞行员可以直接推油门加速，为了防止速度增加过快不利于下一个动作，甚至要稍稍拉杆使飞机再上仰5到10度。



低空大迎角平飞

　　大迎角水平回转充分体现了四代机的战术性能，在传统的空战理念中，失去了能量就意味着失去了空战战术优势，但对于四代机而言，在失去能量的情况下依然可以完成迅捷的机动，并且迅速补充能量。对于四代机而言能量机动理论已经过时，而超机动的战术新理念还等待着人们去探索。


三、F-22并非无所不能

　　F-22毕竟是人类第一种实现超机动的现役飞机，其隐身性能的优势更是独步天下没有对手。在我们还无法做到更好的情况下，我不想去“揭露”所谓F-22的“缺陷”，但作为一个军事飞行的探索者，我必须真正弄懂有什么是F-22做不到的！

　　从某种意义上讲，任何设计师都无法设计出一款十全十美的飞机，完美总是相对的。从整合设计的角度分析，一款飞机总是试图突出设计者所想要的性能，而对一些并不重要或技术上难以实现的性能要求，只能弱化或者放弃。

　　尽管在军机技术领域美国人已经遥遥领先，但从F-22身上我们依然看到了美国人的无奈，那就是矢量推力技术。其实，要使发动机的喷流发生偏转并不难，难的事如何精确而有效地控制喷流方向，并确保工作的绝对可靠性，在矢量喷口技术这一领域，技术的复杂程度出乎我们的想象。俄罗斯人在矢量推力方面的探索超过了20年，由于从一开始他们就选择了转向喷口技术，俄罗斯人一直在矢量推力技术上处于领先地位，而美国人从当年的X-29开始就选择了喷流舵面技术，这种技术的控制虽然简单，但却无法做到全向控制。F-22为了实现隐身性的要求，从设计之初就确立了俯仰方向的推力转向，而在横侧推力方面则只能有喷流舵面来控制，这样做尽管技术上实现起来比较容易，但与飞控系统的交联就相对复杂，为了减小风险他们只能简化控制模式，在俯仰操控方面飞发完全交联控制，而在横侧操控方面发动机只起到辅助的作用，这就大大限制了F-22水平超机动性能。例如，全向矢量喷口的米格-29OVT可以做小速度、甚至0速度下的无半径和小半径水平机动，在复合机动中可以任意发挥随心所欲，而F-22只能在俯仰机动中做到“随控操纵”，在水平机动中只能中规中矩，做相对比较规范的小速度小半径机动，任意状态下的无半径机动是无法完成的。




F-22的矢量喷口是垂直俯仰运动的

　　无半径水平机动并非花拳绣腿，在近距格斗中水平机动性的“随控操纵”可以在飞机状态变化不大的情况下，迅速实现机头指向，这种敏捷性对于近距格斗具有重要的战术意义，F-22由于在水平方向无法做到随控机动，其超机动性能大大缩水，但这也是无奈的，因为，现在美国人还无法做到隐身与全向机动的融合，因此，只能局部放弃对水平机动性的要求。

　　F-22在超机动领域的技术优势，是世界其他现役军机无法比拟的，相对于俄罗斯人在矢量推力技术上的优势，美国人在发动机推力和可靠性方面优势明显，作为一款推重比远远大于1的四代机，F-22除了实现超机动外，其超音速巡航和小速度机动性能都是独步天下的。从F-22表演飞行的设计规划中，我们也看到了美国人科学、严谨的作风，这是美国空军飞行文化的特色，这一点值得我们借鉴与学习。




　　洛克希德·马丁战术飞机系统分公司的工程大楼内有一间神秘的储藏室，里面堆放着历年保存下来的小木箱子。人们说这些小木箱保存着F-22“猛禽”战斗机研制史的精华部分，因为里面装的是F-22各研究阶段的设计研究模型，其中最早的可以追溯到先进战术战斗机（ATF）项目的最初阶段。我们可以通过这一系列的模型，清晰地了解到“猛禽”的艰难诞生过程。



我们可以通过这一系列的模型，清晰地了解到“猛禽”的艰难诞生过程

ATF的早期概念研究

　　通常说来ATF项目的正式启动时间是1981年，当时美国空军航空系统部（ASD，现在的俄亥俄州赖特-帕特森空军基地航空系统中心）正式发布了先进战术战斗机概念的信息需求书（RFI），标志着ATF项目的零点。但很少有人知道，在近10年前的1972年，“先进战术战斗机”这一词汇以及其缩写“ATF”就出现在了ASD一份总体作战需求书（GOR）中，ASD在这份GOR中要求各承包商研究一种用于补充F-15空中优势战斗机的新型空地战斗机，这种ATF将取代已经老化的F-4和F-111机队。

　　ASD向通用动力公司和麦道公司授予了ATF概念研究合同，要求这种空地战斗机的最大速度为2.5马赫（中空至高空），并能投射防区外武器来摧毁坦克和其他地面目标。但最后这架ATF并没有变成现实，其空缺被原本仅被设计用于白天空战的F-16“战隼”战斗机填补。ASD将要等待近十年后才会启动下一个新战斗机研究项目，名称也叫ATF。

　　随后ASD把ATF的后续研究移交给同样位于赖特-帕特森的美国空军飞行动力实验室（现在的空军研究实验室飞行器分部）。每当ASD展开新飞机研究项目时，该实验室就会开始相关的技术研究。

　　飞行动力实验室在整个70年代一直在推动着ATF的研究，持续资助概念研发合同。通用动力公司和麦道公司在1975年进行了名为“先进技术对地攻击战斗机”的研究，此后六家公司又参加“空面技术研究”。1980年实验室又开展了两项研究：一项是针对未来空地战斗机的“战术战斗机技术方案”和针对未来空空战斗机的“1995年战斗机技术研究”，其中波音和格鲁曼公司进行了空地研究，通用动力和麦道公司进行了空空研究。

　　洛克希德公司也参加了一些早期研究，不过是为海军干的。已退休的巴特·奥斯本曾是1972年洛克希德战术战斗机系统分公司的项目经理，他解释道：“洛克希德在70年代初为美国海军的‘超级隐身’空地攻击飞机进行了研究。”洛克希德用“超级隐身”一词来表示飞机的隐身特性将有显著改善。奥斯本在80年代中期成为洛克希德ATF项目演示/验证阶段的总工程师。






1973年洛克希德公司的ATF方案CL-1309-34，此时还没有融入隐身设计

　　“洛克希德公司先是完成了海军先进战术飞机项目的方案。”奥斯本继续道：“然后我们略微修改了一下就获得了美国空军空地型，这也是一个‘超级隐身’的设计，但在那时我们还不知道如何去实现。我们在隐身技术上有一些想法，但并没得到验证。通过这些早期研究，我们了解了‘超级隐身’可让战机变得多么强大。”。很快洛克希德就专注于F-117项目，该公司的ATF早期研究进入了休眠状态。

　　波音公司在70年代研究了多种先进空地战斗机概念，波音当时的初步设计团队负责人迪克·哈迪回忆道：“我们的方案涵盖了从较小的单发飞机到大型双发飞机的多种设计，其中既有超音速也有亚音速飞机，既有传统的非隐身飞机也有隐身飞机，甚至还出现了类似B-2轰炸机那样的飞翼设计。”。哈迪后来成为波音公司F-22的项目经理。

　　通用动力公司同样研究了多种先进战斗机概念，并且也对现有战斗机进行了研究，F-16、F-15和F-111的先进改型方案和全新的先进战斗机概念同台竞技。先进概念战斗机包括有被称为“平凡女孩”（Plain Jane）的常规飞机、超音速隐形飞机、小型低成本“游击队员”（Bushwhacker）战斗机、能挂载许多远程空空导弹的“导弹手”（Missileer）大型战斗机、以及高度隐身的“劣酒”（Sneaky Pete，最终演变成海军短命的A-12“复仇者II”）飞翼战斗机。




小型低成本“游击队员”（Bushwhacker）战斗机





能挂载许多远程空空导弹的“导弹手”（Missileer）大型战斗机



高度隐身的“劣酒”（Sneaky Pete，最终演变成海军短命的A-12“复仇者II”）飞翼战斗机


　　上述政府资助的研究，再加上波音、通用动力、洛克希德，及其他公司的自行研究，最终奠定了他们参加ATF项目正式角逐的基础。

　　所有这些ATF早期概念研究的基本动机是为了确定最有前途的设计，并发展下一代战斗机所需的关键技术。苏联新一代战斗机的发展也推动了美国的ATF研究.苏联在70年代初开始研制米格-29和苏-27战斗机，1977年10月米格-29原型机首飞，1981年4月苏-27原型机（更接近最终设计的T-10S原型机）首飞，同时苏联人也在迅速推进面空和空空导弹技术，美苏新型战斗机之间的模拟空战交换比逐渐变得让美国空军不能接受。








1981年4月苏-27原型机（更接近最终设计的T-10S原型机）首飞，同时苏联人也在迅速推进面空和空空导弹技术，美苏新型战斗机之间的模拟空战交换比逐渐变得让美国空军不能接受

　　对大量设计概念进行快速评估的最有效方法就是计算机建模分析，通用动力公司为此发展出一套行之有效的流程：先是在概念设计阶段定义出飞机的总体布局、气动、结构、航电、武器装备、发动机，然后通过调整其计算机模型的构型和尺寸，获得一系列具有不同机动性、速度、航程和其他性能特性的设计家族。








对大量设计概念进行快速评估的最有效方法就是计算机建模分析，通用动力公司为此发展出一套行之有效的流程：先是在概念设计阶段定义出飞机的总体布局、气动、结构、航电、武器装备、发动机，然后通过调整其计算机模型的构型和尺寸，获得一系列具有不同机动性、速度、航程和其他性能特性的设计家族

　　然后这些更具体的设计家族被逐一进行寿命周期成本模型计算和作战效能模型分析，以确定每种设计在面空和空空威胁中的易损性，以及对预定目标的杀伤效能。作战效能模型获得的数据也被用于战役模型的分析，后者综合了设计的基本概念、受力结构、任务分配、威胁分布、战略以及战区细节方面的数据。每种设计在战役模型发动的模拟战争中只是空中力量的一部分，而且其数量和成本成反比。

　　这个完善的流程使工程师能够看到每一种设计的性能和特性是如何影响其军事用途的，然后再根据设计在模拟战争中的表现来进行调整。该流程还强调了设计需要最大限度发挥其成本效益。

隐身

　　许多分析指出隐身是未来战斗机的一个非常可取的设计特性。通用动力公司在《1995年战斗机技术研究》的最终报告（1980年发布）中认为隐身是实现空中优势的卓越特性。比尔·莫兰当时作为通用动力公司的项目经理为飞行动力实验室做了许多这样的分析，他解释道：“战斗机总是会被涂上伪装色，而飞行员也一直在利用隐身战术进行作战。”。莫兰后来成为沃思堡F-22项目副主任。

　　莫兰说：“美国空军在越战时开展了‘红男爵研究’对空战进行实时分析，结果发现超过一半的被击落飞行员和约80%的遭受攻击的飞行员是在毫无预警的情况下受到袭击的，一战、二战和朝鲜战争的空战也是这种情况。历史上的王牌战斗机飞行员总是能做到先敌发现，他们经常背对太阳向敌人发起攻击。”。

　　隐身就意味着能够先敌发现，从狭义来讲，该术语也适用于能够显著降低飞机可探测性的各种材料和技术。

　　随着一种探测技术的出现，也必然会随之出现相应的反探测技术。例如实用化的雷达在二战初期出现后，也随之出现了雷达隐身技术，德国在40年代最先开始在U艇潜望镜和通气管上贴敷吸波材料，之后又设计出了结合隐身外形和吸波材料的霍顿Go 229喷气式飞翼战斗轰炸机。





霍顿Go 229被认为是现代隐身飞机的鼻祖

　　美国也在战后大力发展雷达隐身技术，不久就应用在了无人机和导弹上，例如采用了吸波材料的瑞安Q-2“火蜂”和洛克希德D-21无人机。波音公司在60年代设计近程攻击导弹AGM-69 SRAM时大量采用隐身技术，当时在波音公司参与了项目的哈代说：“这种导弹有着严格的雷达反射面积要求。”。这种超音速的SRAM导弹在B-52和B-1轰炸机上一直服役到1990年。



洛克希德D-21无人机

　　通用动力公司也是隐身技术早期发展的主要推动者，他们在新墨西哥州的白沙为美国空军建造了第一代雷达天线目标散射设施（RatScat），该设施被用于精确测量飞机的雷达反射面积。除了在70年代为美国空军建造并操作RatScat外，通用动力公司还于80年代在德州莫瑞迪建立了自己的雷达测量设施。




通用动力公司也是隐身技术早期发展的主要推动者，他们在新墨西哥州的白沙为美国空军建造了第一代雷达天线目标散射设施（RatScat）

　　通用动力公司曾在50年代末为中央情报局进行过一种高度隐身的侦察机的研究，这种超音速高空侦察机原定被用于取代洛克希德的U-2。设计起始于被称为“超级盗贼”的B-58的寄生方案，随后进化成一个能在38000米高空进行6.25马赫巡航的“石首鱼”独立飞机，该机将大量采用耐高温陶瓷材料（一种耐热并能衰减雷达波能量的陶瓷材料）制造。“石首鱼”在起飞和加速阶段使用两台可伸缩的通用电气J85涡喷发动机，负责把飞机加速到冲压发动机的点燃速度，在巡航中使用两台马夸特冲压发动机。


通用动力公司也是隐身技术早期发展的主要推动者，他们在新墨西哥州的白沙为美国空军建造了第一代雷达天线目标散射设施（RatScat）

　　通用动力公司曾在50年代末为中央情报局进行过一种高度隐身的侦察机的研究，这种超音速高空侦察机原定被用于取代洛克希德的U-2。设计起始于被称为“超级盗贼”的B-58的寄生方案，随后进化成一个能在38000米高空进行6.25马赫巡航的“石首鱼”独立飞机，该机将大量采用耐高温陶瓷材料（一种耐热并能衰减雷达波能量的陶瓷材料）制造。“石首鱼”在起飞和加速阶段使用两台可伸缩的通用电气J85涡喷发动机，负责把飞机加速到冲压发动机的点燃速度，在巡航中使用两台马夸特冲压发动机。






“石首鱼”在起飞和加速阶段使用两台可伸缩的通用电气J85涡喷发动机，负责把飞机加速到冲压发动机的点燃速度，在巡航中使用两台马夸特冲压发动机


　　1959年8月，通用动力公司激进的“石首鱼”方案被洛克希德的A-12打败，后者也就是著名的SR-71“黑鸟”双座侦察机的前身。A-12采用了隐身外形设计，并且大量使用雷达吸波结构与材料，是第一种在设计时就高度融合隐身技术的飞机。该机的内倾垂尾、锯齿状结构、前后缘扇形蒙皮、翼身融合设计、再加上雷达吸收结构和涂料使该机的雷达截面积大大低于同时代的其他飞机。



A-12采用了隐身外形设计，并且大量使用雷达吸波结构与材料，是第一种在设计时就高度融合隐身技术的飞机

　　洛克希德在70年代把隐身技术推向一个更高高度，该公司把计算雷达反射的晦涩数学公式和计算机相结合，设计了一款被称为“回声”（Echo）的计算机程序，能够准确计算出一个多面体物体的雷达截面积。洛克希德在为美国国防部高级研究计划局进行的一项研究中就用“回声”软件设计出了“拥蓝”（Have Blue），这是一架垂尾内侧的多面体小飞机，也是F-117“夜鹰”的前身。很快洛克希德就获得了F-117的研制合同，F-117非常成功，具有前所未有的隐身性能，该机也将对ATF产生重大影响。




“拥蓝”（Have Blue）是一架垂尾内侧的多面体小飞机，也是F-117“夜鹰”的前身




F-117非常成功，具有前所未有的隐身性能，该机也将对ATF产生重大影响


速度

　　为飞行动力实验室进行的ATF概念研究还揭示速度是空中优势战斗机的另一个重要特性。高速不仅能缩短敌人的反应时间，还能使己方战斗机更自由地接敌和脱离，只有更快的战斗机才能拥有这种主动优势。

　　速度在上述研究的表现形式是超音速巡航，即不开加力进行的超音速飞行，这不仅能降低油耗，还能大幅降低对隐身不利的红外辐射。为超音速巡航优化的方案具有细长机身和大后掠短翼展机翼，以及大型高核心温度的发动机。

　　不过ATF并不是第一种能够超音速巡航的军用飞机，这个殊荣属于B-58“盗贼”。不过B-58需要打开加力或进行俯冲才能突破音障，后来的F-16XL和F-16后期型也能以这样的方式进行超巡。


超音速巡航即不开加力进行的超音速飞行，这不仅能降低油耗，还能大幅降低对隐身不利的红外辐射。图为F-22进行超巡


机动性

　　机动性也被认定是空中优势战斗机的一个重要特性。不同于隐身和超音速巡航，高机动性经常被列入防御战术而不是进攻战术的需要。莫兰解释说：“尽管《壮志凌云》这样的电影或书籍都把战斗机描绘成具有很高的机动，但一般来说在激烈机动中向敌机射击并不是个好主意，不仅耗时而且还让对手能预测你的行动。”

　　莫兰继续说：“纵观历史，成功的空战飞行员一般都尽量避免机动交战。但有时他们会忘了这一点，著名的‘红男爵’——曼弗雷德·冯·里希特霍芬在一战中取得了创纪录的83次击坠，但最后因为违反这一守则而被击落殒命。战斗机飞行员一般会选择在飞行包线内利于发挥自己机动性的区域内作战，并避开敌机机动性优势区域，所以高机动的包线区域越大，就越能增加战术灵活性。”

　　60年代约翰·博伊德提出了量化机动性的能量机动理论，F-15在设计时应用了博伊德的理论，F-16成为第一架按能量机动理论设计的飞机。能量机动理论最常用的评价指标有：持续过载（不损失空速和高度的急转弯能力）、瞬时过载（不考虑降低速度时的机头指向能力）、单位剩余功率（衡量飞机在任何飞行条件下的潜在爬升、加速、转向性能），还有一个重要参数是跨音速加速时间（从0.8马赫加速到1.2马赫的耗时）。通过对比两种战斗机的上述参数，就能判断出哪一架会在机动交战中获得战术优势。





按能量机动理论设计的F-16与上一代的F-4比较转弯半径



短距起降/短距起飞垂直降落/垂直起降

　　在七八十年代的早期ATF研究中，能从被损坏的跑道上起降成为ATF的另一个经过评估的特性。此类设计可被分成三大类：短距起降、短距起飞垂直降落、垂直起降（英文缩写分别是STOL、STOVL、VTOL），但短场起降能力带来的好处不如隐身、速度和机动性那样明显。

　　短场起降能力会大大提高飞机的成本，并且确定短场起降的具体需求也很复杂。莫兰说：“到底需要何种程度的短场起降能力取决于敌方进攻性防空（把敌机摧毁于地面）和反跑道武器的实施规模和效果，也取决于破坏多少条跑道才能显著影响我机的起飞迎战，还有我方的跑道快速修复及恢复作战的能力。当然还有一个最重要的前提，那就是我方防空力量在第一时间能打掉多少敌机。”

　　敌机要炸跑道还是炸飞机使问题进一步复杂化。炸飞机时，要考虑掩体坚固度和飞机位置情报准确性的因素。莫兰继续说：“美国及北约盟国正忙于开发各种能破坏大块混凝土的空地武器，我们有理由相信华约也在这么做。”

　　通用动力的“一饮而尽”和“蟋蟀杰米尼”是两种更直接解决短距起降问题的设计。“一饮而尽”通过把喷管布置在机翼上方使其对跑道的要求缩短为区区一二百米，这个设计通过复杂的管道和歧管把发动机排气从翼展方向分布的喷管中排出，在很低的速度下能产生很大的升力。不过这套管道系统非常沉重，最终被证明无法使用在高性能超音速战斗机上。




“一饮而尽”通过把喷管布置在机翼上方使其对跑道的要求缩短为区区一二百米，这个设计通过复杂的管道和歧管把发动机排气从翼展方向分布的喷管中排出，在很低的速度下能产生很大的升力

　　“蟋蟀杰米尼”则用多发动机实现短距起降，飞机的一台主升力-巡航发动机提供正常飞行和短距起降所需推力，垂直安装的辅助发动机仅在起降时产生垂直升力。根据发动机大小的不同，飞机可具备短距或垂直起降能力。




“蟋蟀杰米尼”则用多发动机实现短距起降，飞机的一台主升力-巡航发动机提供正常飞行和短距起降所需推力，垂直安装的辅助发动机仅在起降时产生垂直升力

　　从另一方面看，针对超音速飞行和高机动性优化的战斗机先天就是高推重比和低翼载的，具备一定的短场起降能力。并且该能力还能通过加强起落架（适应修复后的跑道），加强刹车和增加反推装置得到加强。不过这些改进要付出重量代价，会降低空战中的可用推重比。

　　ATF项目在最初的确有短距起降要求，这需要各公司使用上面提及的一些技术，其中最引人注意的就是反推和推力矢量装置。不过到了ATF项目的演示/验证阶段，美国空军放宽了对起降距离的要求，所以各公司就去掉了反推装置来降低重量和成本。由于推力矢量能在多个方面提高飞机性能，所以洛克希德团队保留了YF-22的推力矢量尾喷管。与传统尾翼相比，尾喷结合推力矢量能使飞机在更低的滑跑速度下抬头，有助于缩短起飞距离。在巡航时，推力矢量又能进行配平操作，降低了用尾翼配平增加的阻力。所以使用推力矢量技术后，飞机能用面积更小的平尾，或在巡航中把平尾设定在阻力更小角度。推力矢量还能增强飞机进行大迎角机动和进攻机动时的操控力。


短距起降/短距起飞垂直降落/垂直起降

　　在七八十年代的早期ATF研究中，能从被损坏的跑道上起降成为ATF的另一个经过评估的特性。此类设计可被分成三大类：短距起降、短距起飞垂直降落、垂直起降（英文缩写分别是STOL、STOVL、VTOL），但短场起降能力带来的好处不如隐身、速度和机动性那样明显。

　　短场起降能力会大大提高飞机的成本，并且确定短场起降的具体需求也很复杂。莫兰说：“到底需要何种程度的短场起降能力取决于敌方进攻性防空（把敌机摧毁于地面）和反跑道武器的实施规模和效果，也取决于破坏多少条跑道才能显著影响我机的起飞迎战，还有我方的跑道快速修复及恢复作战的能力。当然还有一个最重要的前提，那就是我方防空力量在第一时间能打掉多少敌机。”

　　敌机要炸跑道还是炸飞机使问题进一步复杂化。炸飞机时，要考虑掩体坚固度和飞机位置情报准确性的因素。莫兰继续说：“美国及北约盟国正忙于开发各种能破坏大块混凝土的空地武器，我们有理由相信华约也在这么做。”

　　通用动力的“一饮而尽”和“蟋蟀杰米尼”是两种更直接解决短距起降问题的设计。“一饮而尽”通过把喷管布置在机翼上方使其对跑道的要求缩短为区区一二百米，这个设计通过复杂的管道和歧管把发动机排气从翼展方向分布的喷管中排出，在很低的速度下能产生很大的升力。不过这套管道系统非常沉重，最终被证明无法使用在高性能超音速战斗机上。


“一饮而尽”通过把喷管布置在机翼上方使其对跑道的要求缩短为区区一二百米，这个设计通过复杂的管道和歧管把发动机排气从翼展方向分布的喷管中排出，在很低的速度下能产生很大的升力

　　“蟋蟀杰米尼”则用多发动机实现短距起降，飞机的一台主升力-巡航发动机提供正常飞行和短距起降所需推力，垂直安装的辅助发动机仅在起降时产生垂直升力。根据发动机大小的不同，飞机可具备短距或垂直起降能力。





“蟋蟀杰米尼”则用多发动机实现短距起降，飞机的一台主升力-巡航发动机提供正常飞行和短距起降所需推力，垂直安装的辅助发动机仅在起降时产生垂直升力

　　从另一方面看，针对超音速飞行和高机动性优化的战斗机先天就是高推重比和低翼载的，具备一定的短场起降能力。并且该能力还能通过加强起落架（适应修复后的跑道），加强刹车和增加反推装置得到加强。不过这些改进要付出重量代价，会降低空战中的可用推重比。

　　ATF项目在最初的确有短距起降要求，这需要各公司使用上面提及的一些技术，其中最引人注意的就是反推和推力矢量装置。不过到了ATF项目的演示/验证阶段，美国空军放宽了对起降距离的要求，所以各公司就去掉了反推装置来降低重量和成本。由于推力矢量能在多个方面提高飞机性能，所以洛克希德团队保留了YF-22的推力矢量尾喷管。与传统尾翼相比，尾喷结合推力矢量能使飞机在更低的滑跑速度下抬头，有助于缩短起飞距离。在巡航时，推力矢量又能进行配平操作，降低了用尾翼配平增加的阻力。所以使用推力矢量技术后，飞机能用面积更小的平尾，或在巡航中把平尾设定在阻力更小角度。推力矢量还能增强飞机进行大迎角机动和进攻机动时的操控力。

挑战

　　ATF项目的根本挑战在于要综合隐身、速度和机动性，之前从没人尝试做如此复杂的设计。F-117已经表明隐身会大大影响飞机各方面的设计。隐身飞机必须采用内置弹舱，这会大大增加飞机的横截面积（看看F-35），而这又会增加超音速阻力，不利于超音速巡航。哈迪解释道：“隐身飞机需要一个大弹舱，这会挤占了原本用于安排起落架和进气道的空间。如果你设计出一架圆滚滚的飞机的话是不能超音速巡航的（再看看F-35），除非你把飞机拉长并装上巨大的发动机，但这种做法是不可取的，因为飞机会非常昂贵。”

　　机动性往往会要求飞机加大机翼和尾翼的尺寸，并采用比超音速巡航所需的体积更大的发动机（推力也更大），这些都使隐身更难以实现。为了隐身，F-117在速度、机动性、载弹量等方面都做了妥协，而ATF的飞行员们是绝对不会同意这样做的。

　　ASD在1981年重回游戏并发布了ATF的信息需求书，9家飞机制造商和3家发动机制造商回应了这次挑战。在该项目的早期阶段，美国空军还没有决定新飞机是偏重空空还是空地任务，于是邀请工业界来提供想法。




当时YF-12A在24380米高空以大于3马赫的速度发射了7枚休斯AIM-47导弹对50公里之外的空靶进行攻击，结果非常成功

　　这些公司提交的答案五花八门。洛克希德公司提出一种YF-12A（大多数人认为该机是SR-71单座型）的衍生型，该机专为空地任务设计，中央弹舱可挂载多枚激光制导的动能侵彻弹，在高空以超音速投射。这一概念在1982年春完成设计，利用了60年代后期YF-12A空空导弹试射收集的数据，当时YF-12A在24380米高空以大于3马赫的速度发射了7枚休斯AIM-47导弹对50公里之外的空靶进行攻击，结果非常成功。顺便说一下，洛克希德在参加F-X项目竞争时也提交了高空高速方案，但败于F-15。









洛克希德公司提出一种YF-12A的衍生型，该机专为空地任务设计，中央弹舱可挂载多枚激光制导的动能侵彻弹，在高空以超音速投射

　　波音公司和洛克希德一样，提交的概念也以超音速为卖点，这些设计偏重于空地任务。哈迪回忆道：“在研究了很多布局，包括飞翼、鸭翼、四尾翼、V尾、两侧进气、机头进气之后，波音很快就完成了设计。我们认为飞机需要很高的速度，所以这些设计都有很高的细长比。”

　　哈迪继续说：“很明显，我们需要的是一架机动性良好的飞机。当后来飞机的主要任务转到空空上时，我们很快就去掉了那些对操控性不利的东西。”波音的设计还具有巧妙的内部布置和半埋式弹舱。








我们认为飞机需要很高的速度，所以这些设计都有很高的细长比




波音的设计还具有巧妙的内部布置和半埋式弹舱


　　通用动力公司提出的两个方案演变自该公司在1976-78年间为飞行动力实验室完成的4个设计。第一种叫Model 21的设计衍生自“平凡女孩”，并将成为通用动力在ATF项目下一阶段中传统布局探索的先驱。Model 21是一种中规中矩的现代战斗机，但也并非完全传统，该机具有能减少雷达反射面积的正面外形和结构，梯形后掠翼，安装了雷达与红外搜索/跟踪系统的可旋转机鼻。复合材料约占Model 21结构的40%，其空地弹药包括一种方形截面的滑翔炸弹。



第一种叫Model 21的设计衍生自“平凡女孩”，并将成为通用动力在ATF项目下一阶段中传统布局探索的先驱

　　另一种方案发展自“劣酒”。由于“劣酒”的保密级别很高，所以通用动力被禁止向美国空军官员展示方案的真实图纸，只能提交了一份被空军官员称为“棉花糖”假图纸，而真正的设计将成为公司在项目的下一阶段中飞翼研究的起点。





由于“劣酒”的保密级别很高，所以通用动力被禁止向美国空军官员展示方案的真实图纸，只能提交了一份被空军官员称为“棉花糖”假图纸





一种方案发展自“劣酒”，将成为公司在项目的下一阶段中飞翼研究的起点

　　ASD给工业界一年时间进行研究和撰写报告，然后把各公司方案分成四大类进行任务分析。这四类飞机分别被打上N、SDM、SLO和HI的标签，“N”代表数量，也就是能大规模采购的小型廉价飞机；“SDM”代表超音速冲刺与机动，这类设计强调速度和机动性；”SLO”代表亚音速低可观测，都是些飞翼设计；“HI”代表大马赫和高空，都是大型的导弹发射平台。最后SLO飞翼设计得分最高，较传统的SDM战斗机位列第二，导弹平台和廉价战斗机获得了较差的评价。





各公司五花八门的方案


推动力和资金

　　随着信息需求书评判结果的揭晓，ATF项目也获得了推动力和资金。1981年末ASD发布了一份任务需求书，即描述特定任务的一份需求文档。随后战术空军司令部（TAC，后来成为美国空军作战司令部的一部分）也撰写了另一份相应的ATF需求书，内容包括威胁处理、战区，及完成任务所需的性能。迈克·罗上校编写了TAC需求书的大部分内容，他当时是TAC总部需求分部的副指挥官（他后来担任作战司令部司令，上将军衔）。1982年夏这份五十页的文件被分发给工业界征求意见，美国空军在该文件中正式把ATF作为F-15空中优势战斗机的后继机。1983年ATF系统项目办公室在赖特-帕特森空军基地成立，首任主任是阿尔伯特·皮奇里洛上校。

　　1983年5月军方发布了ATF发动机的方案需求书（RFP），通用电气和普惠公司获得了制造和测试竞争原型发动机的合同。通用电气发动机的编号为F120，普惠发动机编号为F119。与此同时，美国空军也为ATF发布了一份概念定义研究方案需求书。

　　波音、通用动力、格鲁曼、洛克希德、麦道、诺斯罗普和罗克韦尔做出回应，在1983年6月中旬前准备好了各自的方案。但就在截止日期前，ASD宣布把截止时间后推一个星期，并通知各公司等待进一步指示。6月底，各公司被要求到在方案文档中增加一篇关于本公司在隐身方面的技能和经验的内容，但为了保密，其中任何关于隐身技术的详细说明都要回避开ATF项目。原方案文档的篇幅被限制为仅三十页，隐身章节需作为单独的高度机密文件提交，篇幅被限制在5页。

　　时任ATF系统项目办公室主任的是阿尔伯特·皮奇里洛解释道：“ATF项目在一开始并没有隐身要求。”他后来成为华盛顿特区政府咨询公司ANSER技术部门的经理。皮奇里洛继续说：“参与项目的人都知道F-117和B-2是怎么回事，而我们却打算非常愚蠢地研制一种不能隐身的先进战斗机。如果不能隐身的话，我都不知道空军怎样来为ATF进行辩护。”

　　在80年代初，隐身技术在美国还是绝密的，ATF项目纳入隐身要求后就产生了前所未有的保密问题。由于原始的方案需求书密级不高，所以不能写入关于方案的任何隐身细节。各公司可以说在设计中将考虑低可探测性技术，但不能引用任何具体的现有隐身经验和技术。在当时，隐身技术被认为是“黑”色的，隐身飞机对于局外人来说是不存在的。所以军方在最后时刻让公司们把方案文档分成两部分提交就使他们能横跨“黑”“白”两道了。

　　大多数概念定义方案显示这些公司是如何提炼之前工作的成果的，其中的努力将决定谁能胜出进入演示/验证阶段，而在这一阶段获胜者必须完善自己的设计，证明自己的技术。洛克希德的概念定义方案彻底放弃了高空高速性能，更像是F-117的一种衍生型。



洛克希德的概念定义方案彻底放弃了高空高速性能，更像是F-117的一种衍生型

　　奥斯本解释道：“显然ATF会是超级隐身的，而不应该是YF-12或SR-71的表亲。于是我们停止了YF-12衍生型的工作，开始设计一种F-117版ATF。”结果洛克希德方案看起来就像一架加大并拉长的变异F-117，机翼从下单翼改为上单翼，尾翼从两片改为四片，进气口移到机翼前缘后下方。这架多面体外形的飞机约重36吨，和F-117一样与空气动力学背道而驰。

　　奥斯本回忆说：“我们知道这个设计存在严重的超音速问题，我们的设计可以超音速飞行，但一定蠢笨如猪。只要推力大，板砖也能飞上天。那时我们并不知道如何分析曲面外形的隐身特性，软件还不够成熟，电脑的计算能力也不足，只能靠双手去分析。洛克希德相信如果我们不能确定一种设计是隐身的，那么它就不可能隐身。直到1984年我们才在曲面分析上获得突破。”美国空军对于洛克希德方案评价不高，它在7个项目中的得分都是倒数第一。

　　在概念定义阶段提交方案的七家公司，包括洛克希德在内都获得了一份100万美元的资金。概念定义阶段从1984年9月一直持续到1985年5月，美国空军收到了各公司的许多简报以及几千页的报告，而这将决定哪些公司能进入演示/验证阶段。演示/验证阶段的四家获胜公司每家会获得约1亿美元资金来演示自己的ATF技术。1985年9月空军发出了演示/验证阶段方案需求书，截止日期为当年12月。



洛克希德的设计

　　在经历了概念定义阶段的不佳表现之后，洛克希德不得不在ATF项目的下一阶段前转变设计思想。该公司刚刚在先进技术轰炸机（ATB）的竞争中输给了诺斯罗普的飞翼设计（后来成为B-2），也被海军从先进战术飞机项目（ATA）中淘汰。这两个项目中获胜的方案都是飞翼，而洛克希德还拿着过时的多面体方案参加竞争。美国空军对洛克希德方案的评价迫使该公司重新考虑其多面体隐形设计。


洛克希德ATB方案（图中的模型是肚皮朝上的），沿用了F-117的多面体隐身外形，还拖着一个小尾巴





洛克希德ATB与B-2的对比



如出一辙的洛克希德ATA-B

　　奥斯本回忆说：“即使我们的软件还无法分析曲面，我们还是开始设计曲面外形飞机。随着曲面外形设计的逐步完善，其超音速和机动性也逐渐变得可以接受。我们不依赖软件制造了模型后在雷达测试场进行测试，结果曲面外形的雷达测试表现相当不错。”



　　洛克希德的设计很快就从多面体变成了光滑的曲面外形，公司最初的演示/验证阶段方案是084构型，飞机除一个多面体机鼻外具有光滑流畅的外形。奥斯本回忆说：“我们只会设计一个隐身的多面体雷达罩，在1985年初之前我们不知道如何设计曲面隐身外形的雷达罩。1984年底我们设计084构型之后才知道如何对其进行隐身分析。”




公司最初的演示/验证阶段方案是084构型，飞机除一个多面体机鼻外具有光滑流畅的外形

　　洛克希德的最终方案被称为090P构型，该机具有流线形机鼻，前后缘都是正后掠角的梯形翼，4尾翼（两片平尾和两片垂尾）。090P的大型垂尾向外倾，飞机表面所有前缘和后缘的后掠角都相同。090P还有一个很宽的边条，从机鼻沿直线通过进气口外侧并一直延伸到机翼前缘。



洛克希德的最终方案被称为090P构型，该机具有流线形机鼻，前后缘都是正后掠角的梯形翼，4尾翼（两片平尾和两片垂尾）

　　ATF还需要安装尖端的传感器，方案需求书要求ATF机鼻每侧的雷达视场范围达120度，此外还要安装有前视红外搜索和跟踪系统。洛克希德通过在机鼻安装3块雷达天线整列来满足雷达的视场要求（一面天线朝前两面向着侧面），并在每侧翼根安装了一套红外搜索和跟踪系统，配有多面体视窗。

　　该机的旋转导弹发射架可挂载6枚空空导弹，发射架可整体拆下方便装弹（洛克希德衍生设计了一个用于机场防空的独立发射架）。弹舱关闭时，发射器底部就成为了机腹蒙皮。

　　洛克希德制造了一个090P的大尺寸模型并在公司的雷达测试场进行测试，测试数据被一并列入公司提交的方案书中。奥斯本说：“现在的真正问题是美国空军是否认为洛克希德能够设计出一种曲面外形的隐形飞机。我们向空军展示了测试模型以表示我们的能力。”洛克希德在演示/验证阶段竞争最大的优势是其工程能力和丰富的隐身设计经验，洛克希德之前的各种项目中也赢得了原型机制造快手的良好声誉，最近的例子就是“拥蓝”项目。

波音的设计

　　波音公司的设计比洛克希德和通用动力的都大，保留了之前设计中的高速特性。该设计最显著的特点是后机身梯形机翼之后的双垂尾，垂尾尺寸足够大以提供与四尾翼相同的垂直和水平控制力。迪说：“设计师争论最多的问题就是选择双尾翼还是四尾翼，整个波音公司都被卷入了争论，于是我们成立了一个特别小组来研究这个问题，最后两尾翼胜出。更高的飞行速度导致我们飞机的机身较长，于是就有着更大的尾翼力臂，所以无需更复杂的尾翼设计。我们认为两尾翼能够满足所有要求，并且给设计带来更低的信号特征和更轻的重量。”

　　波音设计师是围绕弹舱进行基本设计的，然后他们根据风洞测试结果——特别是大迎角测试——调整尾翼的排列、大小、倾斜角度以及位置。该设计有一个机腹进气口，分成两路通向两台发动机。进气口内有一个可调斜坡（结合有附面层隔板）以满足较高的速度要求。波音设计师在后期设计修改时把前起落架后移到进气口之后。波音在七八十年代一直在为美国空军实验室以及一些秘密项目研制先进复合材料，所以该设计的机翼将采用独特的热塑性复合材料和工艺制造。

　　波音的设计把空空导弹都装在弹舱内部，红外制导空空导弹容纳在独立的前机身弹舱中，较大的空地武器则半埋挂载。波音也为主弹舱设计了一种快速装弹托架，也在机鼻安装了三面雷达天线阵列来满足视场的要求，包括一个较大的前向阵列和两个较小侧向阵列。此外在机鼻周围还安装了两套红外搜索和跟踪传感器。







波音的ATF弹舱设计专利

　　前一阶段，波音的设计在7个项目中都拿了高分，完善度很高并经过了充分的风洞测试。此外该公司在航电集成方面也具有丰富经验，比如美国空军的预警机项目，最近还参加了B-2轰炸机项目的细化设计。波音的商用飞机生产能力也让人印象深刻。















波音设计师是围绕弹舱进行基本设计的，然后他们根据风洞测试结果——特别是大迎角测试——调整尾翼的排列、大小、倾斜角度以及位置



通用动力的设计

　　通用动力公司为演示/验证阶段提交的设计是从多个设计演变而来。该公司在上一阶段将重点放在三种不同的设计上：常规、飞翼和半无尾（分别以C、W和T来表示）。传统设计衍生自之前的Model 21；飞翼设计继承“劣酒”的低可探测性能但加入了超音速要求；无尾设计是单垂尾，是两个极端设计之间的折中。经过一系列的内部设计竞赛和交流后，通用动力最后提交了半无尾设计（无平尾）。

　　通用动力在机翼平面外形和翼型设计上注重减重的同时提供最好的转弯能力和超音速巡航能力。但单垂尾会出现全向隐身问题，所以通用动力公司进行了大量风洞测试，为半无尾设计测试双倾垂尾的外形和安装位置，但发现前机身和三角翼产生的脱体涡会与双垂尾相互作用而出现不稳定的俯仰力矩，没有平尾也就无法产生足够的配平力矩来抵消这些不稳定运动。最后该公司认为尽管存在侧面雷达反射面积过大的缺点，但在整体上单垂尾无尾布局仍然是最佳的设计，设计编号是T-330。




但单垂尾会出现全向隐身问题，所以通用动力公司进行了大量风洞测试，为半无尾设计测试双倾垂尾的外形和安装位置，但发现前机身和三角翼产生的脱体涡会与双垂尾相互作用而出现不稳定的俯仰力矩，没有平尾也就无法产生足够的配平力矩来抵消这些不稳定运动

　　通用动力公司采用了独特的设计来满足传感器方面的要求，为飞机配备了两面雷达阵列和一个红外搜索和跟踪传感器（波音和洛克希德都是三面雷达阵列和两个红外传感器）。红外搜索和跟踪传感器安装在机鼻，两面雷达阵列安装在座舱后方两侧，每面天线的视场覆盖从前方到侧面的120度。

　　通用动力的设计非常详尽，甚至制造了一个全尺寸模型以及一个1:2的雷达反射面积测试模型。该公司还进行了初步结构设计、确定与潜在合作伙伴分工协作的生产地点。通用动力公司在项目的概念定义阶段表现出色，在7个项目中都获得了高分，该公司的优势是在F-16项目中获得的设计和制造战斗机的丰富经验，此外该公司在原型机制造速度上也有很好的声誉，YF-16就是无与伦比的例子。



经过一系列的内部设计竞赛和交流后，通用动力最后提交了半无尾设计（无平尾）




需求书修订

　　在演示/验证阶段方案提交截止前的几个月，美国空军修订了方案需求书，提高了隐身的权重。洛克希德的090P隐身方案不做任何修改就能满足新要求，波音对进气口设计稍微做了些修改以满足增加的隐身要求，该公司认为双尾翼设计将能满足要求。



洛克希德的090P隐身方案不做任何修改就能满足新要求

　　隐身要求的提高迫使迫使通用动力公司重新考虑了不同双垂尾布局，其中一种甚至安装在机翼短舱上。此外他们还把机翼和控制面后缘切成与前缘平行的V形，看起来就像是蝙蝠翅膀。最终该公司没有找到理想的双垂尾安装方式，提交了具有单垂尾和锯齿后缘的T-333。




隐身要求的提高迫使迫使通用动力公司重新考虑了不同双垂尾布局，其中一种甚至安装在机翼短舱上



最终该公司没有找到理想的双垂尾安装方式，提交了具有单垂尾和锯齿后缘的T-333



截止日期的再次推迟

　　和上一阶段一样，美国空军再次推迟了演示/验证阶段方案提交的截止日期，这连次原型机制造的截止日期也做了相应推迟。修订后的方案需求书要求承包商制造两架原型机：一架安装F119发动机，另一架安装F120发动机。这个变化缘起于80年代初电子行业先驱戴维·帕卡德关于五角大楼采购改革的一份国会委员会报告，报告受最近F-16项目成功的影响，赞成在新型军用飞机的研制中采用原型机竞争体制。

　　皮奇里洛解释道：“最初的方案需求书中并没有原型机要求，ATF沿用了没有原型机的F-15项目流程。美国空军五十多年以来对原型机价值的认识一直反反复复。60年代的F-15项目并没原型机时，我们也完成了研究、地面测试和风洞试验，然后就开始全面研制工作。我们的确制造了测试机，但是其规格都非常接近生产型。经修订后的方案需求书要求为演示/验证阶段获胜的方案制造验证原型机，用意是让承包商展示其ATF概念的关键技术，重中之重是超音速飞行和低可探测外形设计。”



F-15并没有原型机，测试机在其规格非常接近生产型。图为第一架F-15A 71-0280

　　通用动力的莫兰回忆说：“我们实际上已经完成设计，当我们收到方案需求书的MR-006修改请求时只需几天就能提交方案。与原定授予4家获胜公司每家约1亿美元的合同不同，空军这次只选出两家获胜公司，每家公司会获得约7亿美元合同来制造飞行原型机。我们被要求在文档中增加一篇描述如何设计、制造和测试两架飞行原型机的章节，这两架飞机一架将安装普惠F119发动机，另一架安装通用电气F120发动机。我们还需建立一个地面航电测试实验室。如果必要我们还可以提供一个航电飞行试验平台。”公司们获得了额外的60天来修改各自的方案。

　　1985年底美国空军在修订过的演示/验证阶段方案需求书中附带了一封鼓励各竞争公司组队的信。皮奇里洛回忆：“修订后的方案需求书中带有有一封鼓励公司组队的信函。空军鼓励组队是想使项目获得最好的工业界资源。项目将变得昂贵且庞大，我们从工业界获得的承诺越多，项目就越有可能成功。”

　　承办商间立即开始跳起复杂的交谊舞，1986年6月波音、通用动力、洛克希德代表签署了一项合作协议，两个月后诺斯罗普和麦道公司宣布了组成另一个团队，剩下的两家公司没有选择组队。

　　波音、通用动力、洛克希德达成的协议：获胜公司将领导团队。组队是在“三盲”状态下进行的，没有一个参与者能在合同授予之前看到其他竞争者的设计或项目计划。波音、通用动力、洛克希德公司在结果宣布后将向获胜公司各派驻一组二十人的高层管理人员。

　　1986年10月31日美国空军宣布洛克希德和诺斯罗普成为前两名竞争者，各自获得7亿美元的合同。11月2日周日波音和通用动力公司的代表以合作伙伴身份在加州伯班克的洛克希德臭鼬工厂首次会见了洛克希德同行，该团队将和诺斯罗普和麦道公司同台竞技竞争美国空军的下一代战斗机。

　　美国空军部副部长阿尔德里奇的万圣节公告意味着洛克希德和诺斯罗普各获得一份ATF项目演示/验证阶段6.91亿美元的合同。两家获胜企业牵头组建团队，每个团队将制造两架安装不同发动机的飞行原型机，并制造地面航电原型机和一个用于演示的飞行航电实验室。演示/验证阶段的竞争将决定哪支团队能进入项目的下一阶段，最终制造出ATF的生产型。

　　在演示/验证阶段结果宣布后，ATF项目重回保密状态，其信息在1990年8月原型机下线前很少公开，这段时间将近4年。虽然这4年在保密的掩护下显得很平静，但因为ATF竞争的加剧，参加项目的人们都感到了巨大的压力。

从歼-10的经验教训推




演示和解说

　　演示/验证阶段竞争结果是在星期五下午宣布的，在接下来的周一早上，来自洛克希德、波音和通用动力公司的代表在加州伯班克的洛克希德工厂内第一次作为一个团队开了会。大约有100名工程师和管理人员挤在360号楼的大型保密会议室里，听取三家公司代表对各自ATF概念的陈述。每家代表都获得两小时的陈述时间，洛克希德代表先开始，波音代表在午饭后开讲，最后是通用动力代表。

　　这一整天的演示和解说会议对于到场的每个人来说都是前所未有的，之前三家公司从未进行过如此彻底的交流活动，而就在一星期前，听众们还互视为竞争对手。虽然三家公司之前就有合作协议，但由于协议签署和合同授予之间的间隔很短再加上保密检查规定，所以无法交换信息，所以交流会开得非常有必要。

　　1985-1991年间通用动力公司的ATF项目主管兰迪·肯特项回忆说：“那个周一是我飞机业务生涯中最迷人的一天。通常情况下我们不知道其他公司近几个月来做了些什么，有也是在合同授予之后的事。这次为了ATF项目，每家公司都在伯班克进行了曾为空军做过的演示和解说。我们都把各自的模型、布局和图纸放在台上，每个人都能看到各公司在项目当前阶段所做的详细工作，大家都获得了惊人的体验。”

　　通用动力公司的总工程师格里·马夫补充说：“这些方案的多样性令人惊讶，深度和性能都令人印象深刻。洛克希德公司的实力表现在信号特征上，他们的工程师知道如何使用一组固定角度来设计飞机，他们了解所有相关细节和设计技术，他们的作战分析也表明为什么隐身是关键要素，这也是他们能胜出的原因。他们看重ATF的操纵品质，所以有了四尾翼设计，他们的方案非常好。”

　　洛克希德方案的重要性进一步加强。在首次团队会议后，美国空军主任技术评估师里克·阿贝尔向这三家公司汇报了各自方案在演示/验证阶段得到的评价。阿贝尔使用的评估图表系统和F-22系统项目办公室后来在二进一竞争中使用的相同，他为每种方案都列出了约七十项优点和三十项缺点。

　　洛克希德项目主管和团队领队谢尔姆·穆林回忆说：“这是我在职业生涯中唯一一次看到在同一竞争中官方对各竞争方案进行评价，而且评价直接来自一位官方权威人士而不是流言。方案书中的系统工程篇在空军做出决定时占了很大比重。大部分竞争方案受挫于崇尚目标设计和单一答案。空军官员在1986年末就明确表示希望能看到平衡各方面性能的权衡研究，希望提出的每个要求都能受到挑战。他们机会考虑了所有方面。”




洛克希德项目主管和团队领队谢尔姆·穆林

　　洛克希德的方案还有一个关键的获胜因素。后来成为ATF项目空军首席工程师的阿贝尔解释道：“演示/验证阶段的所有方案都能满足空军的要求。我们评估中最大的单一重要因素就是降低生产型的研制风险，也被称为‘首选系统概念’。我们并不关注原型机和原型航电能够做什么或能够达到怎样的性能，我们希望获得项目能沿着降低风险和充分技术开发的方向展开，这样当我们开始下一个阶段时将得到一个低风险项目。我们并没有花很多时间来浏览各方案书中原型机性能。”

分工协作

　　加州会议后不久，三个公司的人员被分成两个基本设计组。一组负责解决原型机的接口、成本和协作问题，并且在演示/验证阶段后期负责首选系统概念。分工后，三家公司为每个小组成员都进行了困难且复杂的费用估算，计算需要考虑很多因素（例如不同的劳动力价格和各公司独特的估算流程）。

　　另一组人员致力于确定合作协议中各公司德尔工作配额，这将成为三家公司的基本关系。他们在一份五十页的文件详细规定了领队公司的任务和职责、成员公司之间的分工和任务、未来方案的预备工作、专有信息和专利的处理、争论解决程序、成本分摊、成本报告、宣传协调、以及协议本身的终止程序。

　　每家公司之前都提交了假设自己获胜成为领队公司后的任务分配清单。这些任务被分成六大类：武器系统集成、机身设计/系统、航电、系统测试、制造、保障性，在演示/验证阶段合同被授予后又增加了第七类：系统工程。

　　洛克希德作为领队公司获得了最多的工作份额：负责制造前机身和起落架、所有特殊处理边缘和低可观测性天线的集成、座舱、控制器和显示器、航电系统的核心处理部分、飞机总装和检测，并主导试飞。

　　波音公司得到了后机身和机翼、灭火系统、生命支持系统、辅助动力系统、制动装置、雷达、红外搜索和跟踪系统、任务软件、飞行航电实验室，并且作为主导公司获得了培训系统的最大份额。

　　通用动力公司获得了中段机身和其中的所有子系统、主起落架、水平和垂直尾翼、飞行控制系统、通信-导航-识别系统、电子战系统、惯性参考系统、弹药管理系统、低可观测性能的红外部分，并作为主导公司获得了支持系统的最大份额。这些基本分工经过细微修改后一直延用到F-22项目。





F-22项目的分工，表格中的玛丽埃塔、沃斯堡、西雅图分别是洛克希德、通用动力、波音的工厂所在地。在洛克希德收购通用动力飞机部门后，洛克希德的份额一家独大

　　合作协议还规定以演示/验证阶段的获胜方案作为原型机方案的设计起点，协议中写道：“方案可经过修改后融入其他合作伙伴方案的特点，这样的修改可以在空军要求后，也可以在当事方同意并经过空军批准后进行。”简单来说，团队鼓励结合三家公司的优势来赢的ATF竞争。

　　波音ATF项目主管迪克·哈迪说：“合同被授予后我们花了两年时间进行设计。我们决定在确定生产型构型后再开始制造演示原型机。而诺斯罗普团队走的是先制造原型机再确定生产型配置之路，假如他们能进入项目的下一阶段，就不得不就行大量修改，例如重新安排弹舱的位置。而我们希望把在制造和测试演示原型机中收集的数据直接使用在生产型上。这样做的全部目的是为了让原型机为最终生产型的设计产生提供有用的数据。”

　　当团队在伯班克第一次碰面时，工程师们看到了一幅带内部布局的洛克希德方案线图，上面写着090P构型，此外还有一幅写着090P/092构型的详细三视图。090P构型就是洛克希德为ATF演示/验证阶段提交的方案，090P/092构型是洛克希德在由空军评估期间进行的改进设计，修改了进气口、小幅调整了机翼和尾翼后掠角，垂尾向外侧移动，机背稍稍收窄。



092构型与090P构型之间的区别（黑色轮廓为090P）

　　从090P向1132构型——也就是YF-22的进化过程，涉及了一些堪称飞机设计史上最密集的工作。团队成员开始了紧张的090P构型修改工作，公司们分析了各自的相对优势和劣势并对各种设计特点提出了支持或反对意见。当时担任洛克希德技术和设计副总工程师的保罗·马丁说：“那时的气氛很激烈，我们花很多时间来说服彼此，要知道在场的所有人都是强硬的工程师。”

　　所有三家公司都拿出了海量资料供人翻阅，每个公司的方案都有自身的问题和优势。但作为官方的起点方案，洛克希德的设计受到了最多的关注与批评。

　　马夫回忆说：“研究了090P构型的设计之后，我们很快意识到这架飞机根本飞不起来，巨大的前翼身融合体在俯仰轴上根本不可控。内部布置也不合理，大型旋转弹舱把发动机和进气口推向两侧，从而产生了过大的激波阻力。向后收起的起落架也不适合战斗机。”

　　通用动力构型设计主任凯文·伦肖回忆说：“通用动力团队在伯班克待了大约两个星期后向总部发回了一套洛克希德方案的设计图纸。沃思堡工程师们的第一个任务是飞机图纸输入计算机来建立分析模型。洛克希德设计的不成熟性变得显而易见，其平面图、剖面图和截面图之间只有一个粗略的相互关系。在分析了设计之后，通用动力的工程师们发现其气动和重量数据和图纸几乎没有关系，只是个‘目标’数字。该设计只是由围绕飞机各子系统的图纸组成，并且互相之间没有关联。洛克希德提交的是一个飞机的概念而不是一个目标设计，但正式这种做法赢得了竞争。”

　　090P在设计细化上可能比不上波音和通用动力提交的方案，但洛克希德辩解说这是因为其设计起步相对较晚，公司是在最后阶段才决定推翻之前设计提交新方案的。但正是这个决定使洛克希德从上阶段的最后一名一跃成为演示/验证阶段的第一名。相反，在空军对能减少演示/验证阶段风险的设计更感兴趣时，波音和通用动力公司却在目标设计上投入了太多精力。

　　肯特说：“通用动力在历史上一直专注于构型设计。我们会进行大量结构和气动细节设计，并进行风洞测试来让设计能够实现我们的承诺。我们认为空军评估师对演示/验证阶段方案的构型和概念一样重视，还认为有效的权衡研究只能以一个坚实的构型为起点。看来我们误读了空军的意图，他们更感兴趣的概念而不是具体的构型。”

　　穆林解释说：“090P构型并不是一个目标设计方案。这不是偶然的，我们的方案因为能实现客户想的和我们要做的而赢得竞争。如果客户想用两年时间好好进行系统工程而且没有规定太多目标设计的话，那么就体现出了这个方案的优点了。”

　　穆林继续说：“我们的团队在系统工程一开始就遇到了大问题，很多工程师想设计一架只能满足既定要求的飞机，而不是一种能继续让空军官员调整要求的权衡设计。1987年的研究主题之一就是让每个人都认识到空军的每条要求都不是最终要求，权衡研究和降低风险更重要。”

　　哈代回忆说：“一开始所有人都有一点抵触情绪。现在回想起来，我们的团队最终聚拢在一起，达成一项协议，完成了一项伟大的工作。其中穆林居功至伟，他让每个人都专注于项目和设计，他让争论远离个人情绪，他始终专注于对项目最有利的东西。”穆林成为洛克希德-波音-通用动力团队在演示/验证阶段的领导者，他把来自三种不同企业文化的工程师们拧成了一股绳。

　　穆林说：“我想我在所有方面都做到了合理公平。几乎每周我都被三家公司的工程师们弄得心烦意乱，每个人都认为自己的设计是圣经。我不得不说服波音和通用动力的工程师们相信我是正大光明的，并没有偏袒洛克希德公司。这很不容易，不过我与哈代、肯特还有其他许多人都建立一种富有成效的关系。我们最终成为一个有凝聚力的团队，这是赢得竞争的一个关键因素。我们并没有对彼此的企业文化做太多干涉，我们只是学会彼此接纳，携手合作。作为系统工程团队主管的AL·普鲁登为此进行了艰苦的努力。”

　　出席过1986年首次会议的比尔·莫兰说：“三家公司的项目经理——穆林、哈代和肯特组成了一个互补的班子。穆林兴奋、热情洋溢＼沉迷迷于技术；哈代在财政方面很敏感，脚踏实地，具有简单明快的幽默感，和穆林的热情形成完美互补；肯特含蓄、聪明，致力于为试飞和最终作战制造出一架真正的飞机；三人齐心协力向项目的终极目标努力——制造出真正用于作战的武器系统。这些领导人的互动总是令人兴奋并能受到启发的，学习他们如何相处，如何求同存异。与任何有着几千人的庞大集团一样，三家公司的合作总是会有些磕磕绊绊的事情，但管理层把握住了通向成功的正确方向。我没在其他团队任过职，但我听说过其他团队的一些故事，同样需要有强力领导人才能成功。”

　　莫兰补充道：“吉姆·费恩是演示/验证阶段ATF系统项目办公室的负责人，他也对团队的协作贡献良多。他比我们大多数人最初认为的更聪明，而且是位无所畏惧的创新者。他在演示/验证阶段之初加入项目是还是一名上校，他就宣布如果不能让项目按照设想的情况运转，他就永不当将军。费恩最终在演示/验证阶段中期被提升成准将，后来以中将军衔退休。他利用两支团队间的竞争而不是指手画脚来获得想要的东西。在里克·阿贝尔和汤姆·布赫尔上校的帮助下，他引入了许多年后才被国防部正式采用的采购革新。”



设计过程

　　穆林、哈代和肯特成为设计过程的最终仲裁者，这需要克希德-波音-通用动力团队在应变力、效率和决断上达到一个新水平。

　　肯特解释道：“工程师们将通过各自公司的总工程师进行分歧沟通，总师直接对各自的项目主管负责。也就是说如果工程师们不能达成一项决议，他们就把问题推给各自的总师，如果仍不能决定，问题就会被踢给穆林、哈迪和肯特。无论多么优秀的工程师都必须学会坐下让他人说话，对他人的意见表现出尊重而不是挖苦。我们开除了无法与他人相处的家伙，一些顶尖工程师们渡过了一段学习如何与同行相处的艰难时期。最后这些有着不同行事方式和不同背景的工程师们终于能坐在一起工作。在三家公司的空气动力学专家们开始投票反对他们三家公司结构工程师们做出的决定时，我开始感到我们正成长为一个更具凝聚力的团队。”

　　整个设计过程不断受到与美国空军代表定期接触和更正式的空军评论的影响。阿贝尔解释说：“空军通过一份初始规格草案控制了ATF的研究方向。随着研究的深入和方案的评估，我们在演示/验证阶段中每年都要调整一次规格。在我们的评论中，我们根据作战分析、测试结果以及其他信息来确定要求是过高还是过低，然后进行相应调整。如果其中一个团队认为无法实现新要求时我们就不做修改，不过他们会意识到另一个团队也许能满足。所以一般在我们修改要求后两个ATF团队会全力以赴。”


　　比如空军一开始要求主武器舱可容纳8枚导弹。阿贝尔说：“一个团队认为可以实现但并不确定，我们就没有改变原先六枚导弹的要求，最后两支ATF团队都确定弹舱装不下8枚导弹。还有一个例子，我们取消了用于短距降落的喷管反推要求，因为该装置太过昂贵，费效比不佳。”

　　莫兰补充说：“构型的进化始终伴随着ATF系统项目办公室和战术空军司令部对系统要求的历年锤炼。每年的设计修改都要导致重新估算重量、成本、性能和效能，估算结果又会导致相应的规格变化，而对规格的修改又需要新的设计工作，如此反复不已。”

　　因此美国空军在演示/验证阶段对设计过程的参与是间接的。阿贝尔说：“我们对项目施加的最大影响是允许公司针对特定系统进行理论和动机研究，在技术方面更倾向于理解两支团队的设计理念和采用的方法。我们总是问‘你为什么要那样做呢？’而不是‘你为什么不这样做呢？’。我们更感兴趣的是设计过程和背后的动机而不是细节。如果在我这边里有人说‘应该这样做’，我会枪毙他，因为我们不能给研究定方向。”

设计挑战

　　ATF在设计上的基本挑战是把隐身、超音速巡航、高度集成化航电和敏捷性都集中在一架飞机上，还要求该机的作战航程高于F-15，F-22还必须要有F-15两倍的可靠性和一半的支援要求。

　　哈迪说：“我们经常遇到的一个问题就是在尝试把部件塞进飞机时，这东西就想占据重心位置。弹药当然要位于重心，这样在投放时就不会改变飞机的稳定性。主起落架想占据紧靠重心后的位置，这样在降落时就不需要坐着尾巴上接地，起飞时也更容易抬起机头。油箱也想占据此位置，这样在油箱变空时重心就不会移动，否则因燃油消耗导致的重心移动会降低稳定性和操控性。此外出于隐身的原因我们也不得不遮掩发动机正面，所以两根巨大的进气道就必须以正确方式从上述设备中间穿过。设计的复杂性导致专门负责这一块的工程师们为空间安排争论不休，这种情况从1986年一直持续到1988年。”

　　随着设计的进展，重量变成了最困难的设计挑战。穆林承认：“我们从来没能设计出一架接近空军要求的50000磅（22680千克）起飞全重的飞机。经过两年的努力后，我们说服空军这是不可能的，于是空军修改了重量要求。”

　　穆林继续说：“进气道的匹配设计也是非常困难的，气动、结构、低可探测性和可生产性要求互相之间严重冲突。我们花了大约三年进行大量的分析和风洞测试，实现了一个完全可以接受的进气道设计，最后的性能非常好。”

　　1987年2月，洛克希德-波音-通用的构型迎来了第一个重大变化，更节省空间的扁平弹舱取代了090P上的旋转弹舱。095构型第一个采用新弹舱上，旋转弹舱的取消使两台发动机能更加靠近，减少了波阻。

　　095构型还缩窄了边条以减少重心前的投影面积，并后推了涡流分离的位置，这些改变对大迎角飞行至关重要。工程师们还重新设计了前机身以减少截面积，提高大迎角性能并减少波阻和重量，发动机进气口也经过了重新设计。095构型仍保留了090P的梯形机翼和尾翼。

　　此时构型演变为两个家族，第一个家族编号带1000前缀，代表原型机设计（也就是所谓的“原型飞行器”）。第二个家族编号带500前缀，代表首选系统概念设计——也就是最终并能进入项目下一阶段的方案（即生产型设计）。095构型因此演变为1095（原型）和595（生产型）。

　　构型经过次要修改后会在编号后加上短横和数字，例如1987年7月的首选系统概念是595-6构型。随着演示/验证阶段的进展，这两个设计家族渐行渐远，为了制造和试飞原型机，原型机设计被冻结。首选系统概念则继续为项目的下一个阶段（全面发展阶段，也就是之后的工程和制造发展阶段）继续进化。

　　1987年5月美国空军进行了第一次要求审查，前后持续了一个星期。穆林回忆说：“首次审查就是一场确保我们正沿着正确轨道前进的沟通交流会，我觉得大家在审查后都对设计感觉良好，人们的乐观情绪高涨，没人愿意承认我们的ATF达不到50000磅的重量要求。我们在详细设计和重量分析上做的还不够，还没得到一组准确的重量数据。”



1092构型的三种设计方案，其中两种具有来自通用动力ATF方案的弹舱设计


构型进化

　　1987年6月下旬，在三公司7月10日沃思堡常务会议之前工程师们得到了重量数据。肯特回忆道：“我们几乎超重9000磅（4080千克），单价超支500万美元。但我们在所以机动性参数上仍然达标，除重量和成本外我们有了一架相当不错的飞机。我们希望能放宽最大过载时的载油量，还希望能调低其他几项总重量指标，去掉几个任务，并通过简化航电来降低成本。”

　　在这些妥协还没有落地前，团队决定退后一步对设计进行更根本性的修改。穆林说：“经过一场激烈的争论后，我们认为需要扔掉现有设计重新来过。我们在那个周末启用新设计工程主管迪克·坎特雷尔，他飞过来带领大家开始了为期90天的紧急修改。工作开始于7月13日（星期一），标志的在战斗机概念设计期间最富有创造力一段日子的开始。我们研究了不同进气口、机翼、尾翼的组合，其中一个构型具有两个大蝶形尾翼，看上去有点像F-117。由于当时F-117仍然高度保密，所以人们不知道这点。构型探索范围很广，但最后带来的最大变化是菱形机翼。”

　　集中构型探索从大量可行性设计研究开始，对大量可行设计进行排列组合。在1987年夏团队对菱形机翼、双尾翼（V尾），各种形状的进气口，各种外形的前机身同时进行了反复考量。

　　具有梯形机翼和四尾翼的595-7构型成为这些研究的起点。608A构型是等效的基准设计，外形和595-7类似，只是主弹舱挂六枚而不是八枚导弹。

　　608构型具有梯形机翼和双尾翼。607-0构型引入了与通用动力ATF方案相似的菱形机翼，但配之以四尾翼而不是单垂尾。607-11A构型具有菱形机翼和双尾翼。611A构型同样具有菱形机翼和双尾翼，但大机背使人联想到090P。609A构型看起来很像波音的ATF方案，具有梯形机翼、双尾翼和单颌下进气口。

　　610A构型混合了波音和洛克希德方案的特点，具有梯形机翼、双尾翼和双侧面进气口。计算机辅助设计在这些构型的研究中起到了至关重要的作用，ATF是最早使用电脑进行辅助设计的战斗机之一。一开始团队使用的是CADAM二维绘图软件包。

　　在伯班克参加了数月ATF设计工作的通用动力构型设计师约翰·霍夫施威勒解释说：“CADAM更适合设计细节部分而不便于对设计概念进行反复修改。我们很快意识到需要ACAD和Perq电脑来加快设计进程。我们从沃斯堡调出了设备并通过了洛克希德的安检，这是个不小的壮举。我们六个来自沃斯堡的工程师有一间被称为大壁橱的小办公室。ACAD软件允许我们有更多的想法，并让每个想法更详细。”

　　ACAD是通用动力公司研制的三维软件包，可用于概念和初步设计（该软件的后续版本至今仍在使用）。该小组还把ACAD和CATIA配合使用，后者是达索开发的高保真三维软件，可以把数据直接输出给数控加工设备。ATF设计师用ACAD做出第一代线形数据库以便能够快速反复推敲修改，随后这些文件会被编译成CATIA数据库。

　　穆林补充道：“我们也通过数据链把设计数据和其他数据在三个公司中互相传输。这个网络建于1987年项目的早期，我们花了几天时间在大型机而不是工作站上搭建网络。数据链是加密的，这样沃思堡的工程师可以与伯班克或西雅图共享设计相关数据。”到1987年8月中旬，供选择的构型已经缩减至5个，分别是595-7构型（梯形翼、四尾翼、和8枚导弹基准构型）、612构型（6枚导弹的基准设计）、613构型（梯形机翼和双尾翼）、 614构型（菱形机翼和四尾翼）、615构型（菱形机翼、双尾翼和双侧面进气口）。八月下旬，菱形机翼四尾翼的614构型胜出。

　　穆林说：“采用菱形机翼的根本原因就是在获得最轻的重量和最好的结构效率时还能满足控制力要求，其中最大的因素还是重量，重量决定了一切。”

　　伦肖补充说：“菱形翼不仅有更大的面积，而且结构更高效。较长的翼根弦长提供了更加分散的机身负载路径，多舱壁设计可承受弯曲载荷。该设计为围绕内部设备布置舱壁提供了更多的空间，同时也增加了载油量。”

　　哈迪指出：“结构工程师想要菱形翼，因为可以提供较大的翼根弦长且弯曲力矩承受性能更好。 而气动专家想要梯形翼，因为该机翼可以提供更大的展弦比，空气动力学性能更好。洛克希德加州公司总裁迪克·黑珀最后拍板选择了菱形翼，他做出了正确的决定。菱形翼的气动性能也不是那么糟，而且结构和重量性能都有显著改善，所以我们选择了菱形翼。但是更大的翼根弦长把平尾后推，最后我们不得不在机翼后缘内侧开了一个缺口来容纳平尾，否则再把平尾后移，就要掉出机身了。”

尾翼探索

　　614构型确定了机翼后，后续构型就要开始研究尾翼布置了。洛克希德发动机集成总工程师娄·班格特回忆：“我们花了大量风洞时间研究尾翼。我们从1987年到1988年初都在致力于被称为‘伟大的尾翼探索’的研究。我们知道肯定会采用四尾翼，但如何布置就是个大问题了，一个细微的位置变动就能导致巨大的差异。我们必须同时考虑尾翼对性能、隐身、稳定性和操控性、阻力的影响，所以尾翼布置和机尾设计都是非常重要的研究。”

　　风洞试验结果表明，垂尾位置和前机身设计之间存在超敏感的关系，而且这种相互作用并不能通过气动分析或流体动力学计算准确预测。在某些迎角下经过前机身的气流会影响方向舵的操控力，所以让气流正确流动是至关重要的。

　　由于会增加雷达反射信号，所以垂尾的外倾角和后掠角度并不能改变太多。在寻找尾翼布置的过程中，控制系统设计师因隐身方面德尔限制只能平移或纵移尾翼，并在基本外形不变的前提下下对垂尾进行放大或缩小。在演示/验证阶段结束时，团队已经进行了约20000小时的风洞测试，其中很多专门用在了尾翼布置研究上。

　　具有梯形平尾和垂尾的614-6构型成为1987年12月开始的尾翼探索的起点。经过许多中间构型后，1988年2月的630构型的垂尾也进化成菱形，同时缩小了机翼面积。631构型每侧垂尾的面积增加了0.65平方米，方向舵尺寸也稍稍增加，垂尾倾斜角度从28度增加到30度。1988年3月原型机设计也被冻结于该构型（1131构型）。

　　美国空军取消了反推要求后，原型机设计在1988年5月的最后一分钟解冻。团队以对围绕反推设计的后机身和尾喷管的外形进行修改，结果使尾部阻力显著减小。穆林说：“直到5月我们才获得了一种具有正常超音速阻力的飞机。我们在这么晚的时候做出解冻原型机设计的决定吓坏了空军。但对于超音速巡航来说此时设计的超音速阻力仍太高，首席飞行科学工程师Ed·格拉斯哥率领一队人马重新设计了前后机身，使超音速阻力降到可以接受的水平，确保飞机能超音速巡航。”

　　1988年5月原型机设计被最终冻结在1132构型，除了前后机身的修改外，平尾也由1131构型的梯形改为菱形。




最终YF-22原型机被冻结在了631构型


原型机

　　1988年4月1日YF-22的第一批生产图纸正式出图，4月27日沃斯堡工厂开始粗略切削一块中段机身的钛631壁板，标志着第一架YF-22开始动工。通用动力在沃斯堡主工厂F-16总装线的北端保密区制造了这个中段机身，很快洛克希德也在伯班克开始制造带起落架舱前舱壁的前机身。同时波音也开始在西雅图制造后机身和机翼，他们先从襟副翼扭矩臂组件着手。原型的制造将持续两年。








设计团队进行了数千小时的风洞测试，图中这个模型名为V5B，用于测量弹舱在飞行中的气动受力

　　原型机的各组件最后汇集到加州帕姆戴尔进行总装。1990年1月12日一架洛克希德C-5A“银河”把第一架原型机的中段机身运到西海岸，就在该机从卡斯威尔空军基地起飞后不久就被雷电击中，好在机身于当晚被安全运抵目的地。几天前前机身已经被卡车从伯班克运到帕姆戴尔，同一天波音的后机身也被卡车从西雅图运来了。

　　穆林回忆道：“这些主结构组件的装配过程很顺利且迅速，这是三地都用CADAM软件设计飞机和工装的成果。”

　　1990年8月29日YF-22在帕姆戴尔的臭鼬工厂公开，9月29日首飞，洛克希德试飞员戴维·弗格森驾驶YF-22从帕姆戴尔飞到附近的爱德华兹空军基地，10月30日第二架原型机首飞。随之而来的YF-22试飞项目成为航空史上最辛苦的工作之一。





两架YF-22原型机，安装了不同的发动机

　　试飞密度逐步提高，10月份13架次、11月份22架次、12月份38架次，团队在74架次的试飞中积累了90飞行小时，YF-22的飞行包线也扩展超过了2马赫、7g、60度迎角。YF-22还实弹发射了AIM-9M“响尾蛇”和AIM-120先进中程空空导弹。

　　安装普惠和通用电气发动机的YF-22都进行了不使用加力的超音速飞行——也就是超音速巡航的演示。肯特说：“在我们完成首飞后，YF-22的试飞频率迅速增加，我们只有不到三个月的试飞时间。在空军轻型战斗机项目的YF-16和YF-17之争中，通用动力YF-16的试飞频率就远高于诺斯罗普的YF-17，我们想在YF-22试飞中再现这一情景并做到了。我们有来自洛克希德、波音和通用动力公司的经验丰富的试飞员，同样还有很多经验丰富的现场服务人员。洛克希德的迪克·艾布拉姆斯作为我们爱德华兹试飞团队负责人表现出色。”

　　空军要求ATF原型机能展示出符合ATF要求的性能和操纵品质，其中包括超音速巡航。不过对推力矢量不做要求，因为这只能通过过失速机动才能展示。此外各团队还需要在雷达测试场对全尺寸模型进行评估，看是否满足低可探测性要求。

　　莫兰说：“诺斯罗普-麦道团队的原型机早我们一个月下地，并开始了一个完全正常且成功的短期试飞项目。我们起步晚了，只能寄希望于更密集的试飞来争取时间，最后我们做到了。”



编队飞行的YF-22与YF-23


生产型设计的进化

　　生产型设计在原型机被冻结后仍不断进化。1132之后的构型逐步表现出F-22和YF-22之间的外形差异。1988年7月，发展自632构型的634构型开始具有前移的座舱和缩短的进气口，同时还改进了结构布置，更重要的是该构型还对航电规定了900万美元飞离成本上限，这将对F-22项目产生深远影响。

　　穆林说：“由于航电成本的不断增长，1989年1月美国空军高级官员规定了航电成本上限。当时我们航电系统的图纸设计成本已经超过了单机160万美元。上限导致的冲击波影响了整个项目，这对空军和两个团队来说都是如此。红外搜索与跟踪系统以及其他很多系统（如侧视合成孔径雷达）不得不被摈弃。实际上航电成本上限可能是项目中做出的最明智决定之一，在此之前航电成本的疯长已超出控制，空军提出一个简单的数字就解决了很多问题。”

　　到1989年秋，634构型已让位于637构型，后者具有不同的前机身外形、新的弹舱设计和和新的系统布置。1990年初又出现了638构型，机翼前缘后掠角从48度变为42度、进气口进一步后移而座舱进一步前移、垂尾变小、机翼后缘切尖、总长度从19.50米缩短至18.90米，638构型的变形进入下一阶段继续发展。1990年的最后一天，该方案被提交给俄亥俄州的美国空军赖特-帕特森空军基地。





F-22生产型与YF-22原型机的外形差异

最终获胜

　　1991年4月23日空军部长唐纳德·赖斯宣布洛克希德团队成为ATF项目的赢家。赖斯指出洛克希德和普惠的设计“显然以更低的成本提供了更好的性能，从而能为空军提供最好的价值。”最初的全面研发合同包括9架单座、2架双座和2架地面测试F-22。

　　由于在宣布结果后美国空军没有向承包商提供方案详细评估报告，人们对洛克希德-波音-通用动力团队获胜的原因有着各自的解释。谢尔姆·穆林是这样解释的：“我们的目标是在各方面击败诺斯罗普-麦道团队，而不是仅在某些特定领域获胜。我们团队花掉了6.75亿美元来实施一个全面战略，我们的生产型具有平衡的设计，我们原型机的性能几乎和向空军预测的完全一样，我们的全尺寸模型显示出能以低风险方式来满足雷达信号要求，我们用地面和飞行实验室演示了综合航电，实时运行了大量航电软件且效果良好。F-22非常注重自持作战能力，在设计中融入了许多可靠性、可维修性和保障性功能。我们严格遵守空军工程和制造发展阶段方案需求书中的每个细节。”

　　随着当年秋天美国空军授予首批生产型飞机的长周期生产合同，F-22“猛禽”项目开始从研发阶段转入生产阶段。生产型的制造始于645构型，其外形和1990年12月提出的638构型基本相同。F-22的生产数量一开始为750架，预订于2005年交付。不过在演示/验证阶段末期，数量削减到648架，但由于冷战后国防资金和威胁的减少，F-22的生产数量进一步被削减至339架，谁知最终仅生产了187架。在F-22的生产期间，三家公司一直没有放弃向美国空军推销可最终取代F-15E的F-22对地改型，并大力游说政府开放向盟国出口F-22。

[ 本帖最后由 bbs12345 于 2016-5-23 11:39 编辑 ]

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• gytools +2 感谢分享，论坛有您更精彩！ 2016-5-23 16:32

haoqideren

谢谢楼主的这个长篇介绍，我也是个军迷，到现在还感觉f22目前来说还是个超不过去的经典，哪怕是已经过去了这么多年，它的电子技术设备方面可能有些过时，但机体设计还是个经典，当然了，是符合美国国家制造能力的经典，因为这款隐身设计必须依靠强大的发动机，而我们国家发动机是个短板

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• gytools 金币 +3 认真回复，奖励！ 2016-5-23 16:33

ericcartmen

介绍的很详细，很多以前不知道的知识都得到了解答，F22果然是国之利器，多谢楼主分享了！

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• gytools 金币 -5 无意义回复，扣5金币。 2016-5-24 16:58