NGAD a další: Jak by mohla vypadat a dokázat budoucí stíhačka amerického letectva a námořnictva? Pokud byste dostali na starost vývoj dalšího amerického stíhače vzdušné převahy – letounu účelově zkonstruovaného tak, aby ovládlo oblohu i nad těmi nejpalčivějšími válečnými zónami 21. století – jak byste to udělali? Na jakých systémech, schopnostech a špičkových technologiích byste postavili svou novou stíhačku?
To je otázka, která byla ve skutečnosti položena předním americkým dodavatelům obrany v posledních letech v rámci tajných vývojových programů, jako je Air Force’s Next Generation Air Dominance (NGAD) a úsilí námořnictva F/A-XX.
Na rozdíl od F-35 Joint Strike Fighter, který byl široce kritizován za snahu vyhovět potřebám příliš mnoho nesourodých služeb ve svém designu, který šetří rozpočet, jsou tyto nové stíhačky vyvíjeny pod zastřešující nezávislou spolupráci a velmi odlišný proces akvizice. Pro začátek se očekává, že jak letectvo, tak námořnictvo nasadí různá letadla, ačkoli téměř jistě budou sdílet některé subsystémy vyvinuté ve vzájemné spolupráci pod hlavičkou NGAD. Bez ohledu na platformu, která se objeví jako další americký stíhač s královnou vzdušné převahy, se téměř jistě nebude očekávat, že bude také létat na palubě.
Poznámka editora: Následující článek je čistě hypotetický, ale všechny diskutované programy a technologie jsou veřejně dostupné.
NGAD a F/A-XX jsou skutečné stíhací programy ve vývoji
O schopnostech a technologiích, které najdeme v příštích amerických stíhačkách, bylo mnoho dohadů, ale i když se zdá, že některé z těchto dohadů jsou podloženy oficiálními prohlášeními, většina tvrdých detailů zůstala nepolapitelná. Více o programu NGAD si můžete přečíst v našem předchozím zpravodajství zde.
A tak jsem se jako myšlenkové cvičení rozhodl začít navrhovat svůj vlastní stíhač vzdušné převahy, který by mohl nahradit legendární F-22 Raptor jako nový vládnoucí král nebes, sestavující nejnovější a nejmodernější pokročilé systémy, které jsou v současné době buď nasazeny nebo jsou ve vývoji a mohly by potenciálně najít cestu do trupu stíhačky v rozumném časovém rámci. Jinými slovy, protože tento nový proudový letoun bude muset začít létat během příštích 5-10 let, vyčkávání na studenou fúzi v kontejnerech nebo plně dvoucyklový pohonný systém scramjet pro hypersonický let není tak rozumné… ale pokročilé proudové motory jako XA100 od GE, který si nenašel cestu do stíhačky, ale v současné době se testuje, jsou férová hra.
Obrázek F-35 Stealth Fighter. Obrazový kredit: Lockheed Martin.
Budu také vycházet z některých trochu hypotetičtějších konceptů, které by si jistě mohly najít cestu do nového stíhacího letounu technologicky vzato, přestože nejsou předmětem současných veřejně zveřejněných programů (jako je Active Flow Control… kterému se budeme věnovat později ).
Systémy, které si vyberu, budou založeny spíše na potenciálních schopnostech než na prokázané interoperabilitě – jinými slovy, systémy, které spolu nikdy neletěly ve stejném letadle, si mohou najít cestu do mého seznamu, fungující za předpokladu, že přimět je spolupracovat by bylo možné prostřednictvím vývojového cyklu NGAD.
Toto úsilí bude výrazně vycházet ze skutečných programů, skutečné vědy a skutečného výzkumu, ale výsledek samozřejmě není skutečný. Toto není rozpis toho, co přijde v další stíhačce Air Force, ale bude velmi zajímavé sledovat, kolik (pokud vůbec nějaké) nových schopností dostanu, jakmile bude NGAD konečně odhalen.
Vykreslení umělce NGAD (Poznámka: Nejedná se o obrázek vlády USA).
Obrázek možného konceptu NGAD amerického letectva. Obrazový kredit: US Air Force.
Takže bez dalších okolků... jak bych já postavil další stíhačku letectva s využitím nejlepší dostupné technologie? Takto…
Celkový design: Křídlo podobné deltě bez svislých ocasních ploch
Tento nový stíhač bude muset být schopen zcela ovládnout oblohu, ale to nutně neznamená, že to musí dělat způsobem, který jsme od vysoce výkonných stíhaček očekávali. . Dny akrobatických psích soubojů na blízko se všeobecně věří, že jsou pryč díky příchodu senzorů mimo vizuální dosah a velmi schopných zbraní vzduch-vzduch s dlouhým dosahem. Jinými slovy, tato nová stíhačka nemusí být tak schopná zblízka jako Su-35 nebo F-22 Raptor, aby tuto práci zvládla, ale musí být vysoce odolná v vybojovaný vzdušný prostor a zároveň vyhrát souboje proti nejschopnějším stíhačkám, které svět může nabídnout.
Varianty delta křídla zaznamenaly úspěšné použití v řadě moderních evropských stíhacích letounů i experimentální využití ve snaze zvýšit schopnosti F-16 (v F-16XL) a F-22 Raptor (v FB-22). Přidaná plocha delta křídla dramaticky zvyšuje vztlak letadla, zlepšuje schopnosti užitečného zatížení a dolet a zároveň nabízí více prostoru pro skladování paliva, dále zvyšuje dolet nebo dobu lelkování. Jako všechna stealth letadla by se zbraně nosily interně, když upřednostňujete nízkou pozorovatelnost, ale očekával bych o něco větší trup než F-22, aby umožnil větší vnitřní úložiště, i když toto letadlo bude těžit z použití dronů také k doručování munice. .
Využití aktivního řízení toku s pohonným systémem letadla by mohlo eliminovat potřebu mnoha (ne-li všech) tradičních řídicích ploch, na které se stíhací letouny spoléhají – zejména by to umožnilo letadlu zbavit se stojících vertikálních ocasních ploch, které mohou často kompromitovat profil stealth jetu. Zatímco stealth stíhačky jako F-22 a F-35 jsou viditelné na radarových polích s nižším spektrem, které slouží jako účinné systémy včasného varování, konstrukce, která se přiklání k létajícím křídlům B-2 Spirit a B-21 Raider, by mohla pomoci oddálit i z těchto systémů.
Pohon: motory s adaptivním cyklem, jako je XA100 od GE
Pokročilé nové motory s adaptivním cyklem v současnosti úspěšně testují jak GE, tak Pratt & Transparenty Whitney (XA100 a XA101, v tomto pořadí) jsou snadnými favority pro uspokojení potřeb dalšího amerického stíhače vzdušné převahy. Tyto motory produkují větší tah a výkon než předchozí pohonné jednotky a zároveň nabízejí významný skok v spotřebě paliva a tepelném managementu, což umožňuje větší produkci elektrické energie.
XA100 je dimenzován na tah 45 000 liber pod přídavným spalováním, což by mohlo poskytnout dvoumotorové konstrukci neuvěřitelných 90 000 liber na kohoutek (o 20 000 více než dva Pratt & Whitney F119-PW-100 u F-22 Raptor turboventilátorové motory). Ale to je jen začátek toho, čím jsou tyto motory výjimečné.
XA100 interpretuje pilotní vstup tak, aby fungoval v různých „režimech“. Když pilot potřebuje špičkový výkon motoru v boji, může se tvrdě opřít o plyn a řídicí systém motoru se sám přepne do režimu s vysokým tahem. Naopak, když je na hlídce, motor zůstane ve svém režimu s vysokou účinností a nízkým spalováním, aby se prodloužil jeho kilometrový výkon nebo doba prodlení. Nejnovější testy motorů GE nabídly o 20 % vyšší tah ve většině letového profilu a až o 50 % nižší spotřebu paliva než stávající Pratt & Whitney F135-PW-100s. A stejně důležité je, že nabízí dvojnásobnou kapacitu tepelného managementu než předchozí motory.
Teplo produkované moderními proudovými motory je ve skutečnosti limitujícím faktorem jejich schopnosti vyrábět energii pro palubní systémy. Jak se tyto motory zahřívají, vystavují se riziku poškození samotného letadla, ale motory s adaptivním cyklem, jako je XA100 od GE, zvládají teplo lépe, což umožňuje přebytky elektrické výroby, které by byly nezbytné k napájení pokročilých protiopatření a směrovaných energetických zbraní.
Aktivní řízení toku a vektoru tahu pro manévrovatelnost s vylepšeným utajením
Možná největší odklon mého návrhu stíhačky od dnešních stíhaček na obloze je soustředěné úsilí začlenit Active Flow Control spolu s vektorováním tahu, aby se dramaticky snížila potřeba radarově odrážejících řídicích ploch a vertikálních stabilizátorů, aniž by byla obětována manévrovatelnost. Ve skutečnosti tyto systémy umožňují letadlu měnit směr bez tradičních pohyblivých částí, jako jsou klapky a křidélka (v extrémních případech).
Jeden přístup k této technologii diskutovaný v Americkém institutu pro letectví a kosmonautiku je směrování obláček vzduchu z proudových motorů letadla přes specifické otvory v trupu, aby se změnila trajektorie letadla za letu. Je to v podstatě extrémně pokročilá a vysokorychlostní aproximace toho, jak můžete vidět, jak kosmická loď upravuje polohu na oběžné dráze. Použití v letadle by však vyžadovalo mnohem přesnější a výkonnější provedení. Jiný přístup publikovaný v Journal of Applied Physics vyžaduje použití pole elektrod na pokožce trupu a křídel letadla. Tyto elektrody by produkovaly elektrický výboj v určitých intervalech a místech, aby rychle zahřály okolní vzduch, měnily hustotu vzduchu a následně, jak to ovlivňuje let letadla, když prolétá, pod nebo skrz.
Některé koncepty AFC existují doslova desítky let. Jumpjety jako AV-8B Harrier již dlouho používají systém řízení reakce, který funguje na podobném principu během vertikálních vzletů a přistání, ale až donedávna tato technologie umožnila přístup pro tento druh aplikace bez přílišného kreslení. energie pryč od primárních prostředků pohonu letadla. Přebytek energie, který umožňuje vylepšený tepelný management XA100, by také pomohl tyto systémy realizovat.
Řízení vektoru tahu (TVC) umožňuje pilotovi pomocí trysek doslova zamířit proudění tahu z motorů jejich letadla (nezávisle na samotném trupu). F-22 má 180 stupňů TVC (nahoru a dolů), zatímco některé trysky, jako Su-35, mají 360 stupňů TVC. V závislosti na účinnosti systému AFC by 360stupňové trysky TVC mohly doplňovat řízení letadla vedle minimálního počtu konvenčních řídicích ploch.
Protože systémy AFC používají méně pohyblivých částí, znamenalo by to snížení jak nákladů na údržbu, tak i počtu švů a mezer v těle letadla, které mohou ohrozit jeho utajení. Pokud se ukáže, že je ocas nezbytný, mohl by být začleněn nenápadný šikmý ocas podobný YF-23.
Keramické materiály absorbující radar pro lepší utajení a nadzvukový výkon
Moderní stealth letadla využívají konstrukce odrážející radary, jejichž cílem je odrážet elektromagnetické vlny pryč od letadla, spíše než přímo zpět na přijímač. Ale tyto návrhy samy o sobě nestačí k tomu, aby byl moderní tryskáč skutečně „neviditelný“. Jsou také pokryty vrstvami materiálů absorbujících radary (RAM), které dramaticky snižují jejich radarové návraty.
Paměť RAM používaná moderními americkými stíhačkami byla hodnocena tak, že absorbuje více než 70–80 % příchozí elektromagnetické energie (nebo radarových vln). Je však také nákladná a časově náročná na údržbu (součást nesmírných nákladů spojených s provozem F-22 a F-35). Současné materiály absorbující radary jsou také velmi náchylné na poškození způsobené teplem, což je problém při nadzvukových rychlostech. Ve skutečnosti riziko poškození materiálu absorbujícího radar na ocasní části F-35C omezilo nadzvukové schopnosti letadla na krátké sprinty pod 60 sekund.
Minulý rok výzkumný tým ze Státní univerzity v Severní Karolíně vedený Chengyingem „Cheryl“ Xu oznámil vývoj nového materiálu absorbujícího radar na keramické bázi, který by mohl být použit pro aplikace taktických stíhaček. Tato nová forma paměti RAM údajně absorbuje ještě více elektromagnetické energie (až o 90 %), přičemž je také voděodolná, tvrdší než písek a je schopna odolat teplotám až 3 200 stupňů Fahrenheita. Moderní materiály pohlcující radary se začínají rozpadat při 480 stupních. Části SR-71 by při letu rychlostí přesahující Mach 3 viděly teploty až 950 stupňů.
Použití tohoto materiálu by umožnilo udržovat vysoké nadzvukové rychlosti po delší dobu a zároveň dramaticky snížit požadavky na údržbu každého stíhacího letounu. Ve spojení s dalšími nenápadnějšími konstrukčními prvky stíhačky by tento nový proudový letoun mohl nabídnout lepší stealth a výkon než stíhačky předchozí generace.
Radar s vícefunkčním radiofrekvenčním systémem (MFFRS)
Dnes se běžně uznává, že radarový systém řízení palby AN/APG-81 společnosti Northrop Grumman s aktivním elektronicky skenovaným polem (AESA), který se nachází ve stíhačce F-35 Joint Strike Fighter, je nejschopnější na světě. Tento systém poskytuje F-35 bezkonkurenční situační přehled, ale co je důležité, také nese nezbytnou sílu, kterou lze využít jako součást sady elektronického boje, což z F-35 dělá jediné útočné letadlo v americkém arzenálu, které může podporovat své vlastní. EW operace.
Nicméně, stejně jako radar AESA F-35 je nový systém vyvíjený ve spolupráci mezi Spojeným královstvím a Japonskem pro příslušné programy stíhaček 6.
Podobně jako stávající radary AESA, které nahradily radarové antény namontované na přídi stovkami malých radarových modulů, se očekává, že tento nový systém (vyvíjený pod názvem Jaguar) zvýší počet procesorů na modul a zároveň sníží degradaci signálu konverzí příchozího signálu. signály do dat blíže k místu příjmu. Ta věta může být sousto, ale je to také velká věc.
To v konečném důsledku znamená, že tento systém bude schopen absorbovat a zpracovat až 10 000krát více dat než stávající radarové systémy. Podle tvrzení Královského letectva v roce 2020 by tento systém zpracoval tolik dat za sekundu, že by dokázal řídit využití internetu v celém městě.
Vylepšený systém distribuovaných apertur (DAS) pro ještě lepší přehled o situaci
V roce 2018 převzal Raytheon výrobu systému AN/AAQ-37 DAS od společnosti Northrop Grumman, který poskytuje vylepšenou věrnost obrazu a spojování různých zdrojů, a stíhačka nové generace by v tomto směru musela jít ještě dále. V současnosti neexistují žádné veřejně zveřejněné programy na vývoj vylepšeného systému DAS, ale protože od poslední aktualizace DAS uplynuly čtyři roky, je logické, že lepší výpočetní výkon a konstrukce senzorů by mohly poskytnout nové stíhačce s ještě lepším situačním přehledem než současný "čtvrtina oblohy" F-35.
Modulární softwarová a hardwarová architektura
Párování dronů umožní snadné změny v hardwaru mise (více o tom později), ale jak letadla s posádkou, tak drony zapojené do našeho nového stíhacího programu budou muset přijmout modulární přístup k hardwaru a software. Modulární konstrukce umožní různé návrhy draků letadel sdílet systémy, čímž se sníží celkové náklady na vývoj a testování, stejně jako náklady na údržbu po uvedení do provozu.
Modulární architektura designu umožňuje častější aktualizace za nižší ceny než současné návrhy stíhaček. Ale co je důležité, software letadla musí být navržen tak, aby vyhovoval těmto změnám, aby bylo možné plně využít modulárního konstrukčního přístupu.
Tohoto problému se dotkl náčelník štábu letectva generál CQ Brown právě minulý týden, když zdůraznil, jak budou systémy mise NGAD zcela nezávislé na softwaru řízení letu letadla. U stíhaček předchozí generace byly řízení letu a systémy mise propojeny, což znamenalo, že jakákoli změna systémů mise by vyžadovala nákladné a zdlouhavé testování letových systémů, aby se zajistilo, že změny neohrozí bezpečnost nebo bojové schopnosti letadla. Oddělením těchto dvou systémů lze provádět změny v systémech mise letadla, aniž by to mělo jakýkoli vliv na základní funkce letadla.
Tento modulární přístup k hardwaru a softwaru umožní rychlé nasazení nových technologií vyvinutých širším spektrem firem, pokud splňují standardní požadavky na přizpůsobení.
Sortiment vyměnitelných, vysoce schopných křídel dronů
Dlouho se chápalo, že program NGAD nepracuje na postavení jednoho letadla, ale spíše na „rodině systémů“, která bude zahrnovat podpůrná UAV (bezpilotní vzdušná vozidla). Zatímco nízkonákladové drony, jako je XQ-58A Valkyrie, by se v této roli mohly ukázat jako velmi účinné, byl bych spíše nakloněn opřít se o prohlášení ministra letectva Franka Kendalla na začátku tohoto roku, kde si prohlásil cíl. cena pro NGAD a drone wingmen B-21 by byla přibližně poloviční cena letadla s posádkou. Vzhledem k současným odhadům nákladů kolem 200 milionů dolarů na stíhačku pro NGAD, náklady na jednotku dronu jsou přibližně 100 milionů dolarů.
100 milionů dolarů je především více než dnešní cena jednoho F-35A, což znamená, že tyto podpůrné letouny by měly být schopny nabídnout podobné schopnosti stealth jako stávající americké stíhačky, aniž by překročily rozpočet. Tyto drony by měly sdílet co nejvíce společných rysů, pokud jde o řídicí systémy a komponenty karoserie, v zájmu udržení nízkých výrobních a údržbových nákladů a přitom stále nabízí velmi rozdílné užitečné zatížení.
Měly by být vyvinuty alespoň tři iterace těchto dronových křídel s designem pro každou z těchto specializací:
Vzdušný bojový dron by nesl kombinaci vyvíjené střely vzduch-vzduch dlouhého doletu AIM-260 JATM společnosti Lockheed Martin nebo střely Raytheon Long-Range Engagement Weapon (LREW) spolu s řadou střel Raytheon Peregrine. . Peregrines mají nízkou cenu a zabírají mnohem méně místa než AIM-9X, které jsou v současné době v provozu, přestože nabízejí podobné schopnosti. Povrchový bojový dron by musel být schopen nést širokou škálu vzduch-země a protilodní munici, včetně AGM-179 JAGM, nové radarové lovecké střely AARGM-ER a AGM-158C LRASM. (Protilodní střela dlouhého doletu).
Snímač a letoun EW by nesl radar pro řízení palby AN/APG-81 Active Electronically Scanned Array (AESA), který se v současnosti nachází v F-35, a také hardware z modulů Jammer nové generace vyvíjených pro EA. -18G Growler pro povinnosti elektronického boje. Pokud se ukáže, že vybavení vzdušných a pozemních bojových dronů AN/APG-81 je příliš drahé nebo těžké, byla by mnohem lehčí a levnější AESA na bázi nitridu galia od Raytheonu vhodnou záskokem. Zahrnutí radaru řízení palby do každého dronu by bylo proveditelné za vysokou cenu a zajistilo by splnění mise, i když drony byly ztraceny v boji.
Různé specializované konstrukce by umožnily pilotům změnit výzbroj pro misi jednoduše výměnou spárovaných dronů, přidáním schopností vzdušného boje, pozemního boje nebo EW podle potřeby na základě parametrů mise. Tyto drony by přebíraly podněty od pilota přes Skyborg nebo podobný systém a využívaly umělou inteligenci k provádění složitých příkazů přijatých prostřednictvím šifrovaného datového spojení s pilotem.
Holografická a řízená energetická protiopatření raketami
Není jasné, zda nové motory s adaptivním cyklem mohou poskytnout potřebný výkon pro pokročilá protiopatření letadel, jako jsou ta, která jsou popsána níže. Zdá se však téměř jisté, že tyto technologie jsou určeny pro letecké aplikace v nepříliš vzdálené budoucnosti.
I s vylepšeným utajením bude tento nový stíhač stále čelit hrozbám ze strany nepřátelských střel, ať už odpálených z jiných letadel nebo pozemních odpalovacích zařízení, zvláště když jsou stále online pokročilejší multistatické radary a infračervené zbraně. Aby byla zajištěna schopnost přežití ve sporném vzdušném prostoru v bitevních zónách 21. století, bude nový americký stíhač potřebovat pokročilá protiopatření, která posílí nejnovější systémy odpalů a světlic, které se již používají.
Prvním z těchto systémů mohou být řízené energetické zbraně nebo lasery, které mohou přehřívat přilétající střely, dokud nedetonují nebo nejsou příliš poškozeny, aby se přiblížily svým cílům. Tyto systémy byly vyvíjeny po celá desetiletí, přičemž nejpravděpodobnější možností byl program Self-Protect High Energy Laser Demonstrator (SHiELD) z Air Force Research Laboratory. Během pozemního testování v roce 2019 úspěšně sestřelila řadu raket odpalovaných ze vzduchu a očekává se, že letové testy zahájí v roce 2024. Úsilí SHIELD se soustředilo na laserové obranné systémy obsahující podvěsy, ale samotný systém bude integrován do trup naší nové stíhačky.
Další méně známý systém, který by byl standardem v naší nové stíhačce, přichází ve formě patentu námořnictva z roku 2018 s výrazně nesexy názvem „Systém a metoda laserem indukovaného plazmatu pro infračervené protiopatření proti naváděcím střelám“. Tato technologie promítá „laserem indukovaná plazmová vlákna“, což jsou v podstatě plazmové hologramy, které dokážou reprodukovat infračervený podpis letadla na stovky metrů daleko, čímž zmátly přilétající střely hledající teplo.
Ačkoli byl tento patent podán před čtyřmi lety, nejsou v současnosti zveřejněny žádné snahy o vývoj a nasazení tohoto systému pro letecké aplikace... ale protože tato technologie již byla demonstrována v menším měřítku, zdá se být proveditelná pro utajovaný program zaměřený na služby v nadcházejícím desetiletí.
NGAD a závod do budoucnosti
Pokud jste prošli celou touto rozsáhlou diskuzí, jste si pravděpodobně dobře vědomi alespoň dvou věcí: první je, že návrh a nasazení nového taktického letadla, jako je např. NGAD, a druhý je ten, že je prakticky nemožné shrnout toto snažení do jediného článku bez malování nějakými velmi širokými tahy.
Spojené státy vedly svět v oblasti vojenské letecké techniky od samého počátku samotného letectví. První vojenské letadlo na světě, 1909 Wright Military Flyer, patřilo US Army Signal Corps. O méně než čtyři desetiletí později se kapitán amerického letectva Charles „Chuck“ Yeager stal prvním člověkem, který pilotoval letadlo za zvukovou bariérou, a pouhých 14 let poté X-15 majora letectva Roberta Whitea prolomil hypersonální< /em> bariéra, překonávající Mach 6. V roce 1981 zahájil F-117 Nighthawk tajnou revoluci, která změnila samotný přístup Ameriky k vzdušným bojovým operacím, přičemž po pouhých osmi letech následovala celosvětová B-2 Spirit. .
Umělecký koncept NGAD od společnosti Northrop Grumman.
Poté, v roce 1997, F-22 Raptor poprvé vzlétl a nabízel tak neuvěřitelné nové schopnosti, že se stal archetypem pro zcela novou generaci stíhaček, které ani o 24 let později z velké části nedosahují své úrovně. schopnosti.
A jak se s koncem tohoto desetiletí uzavíráme, americké programy NGAD a FA-XX mají skutečný potenciál znovu změnit hru. Pokud se jim podaří naplnit humbuk, je velká šance, že začlení některé z přelomových technologií uvedených výše. Nebo by alespoň udělali, kdybych to měl na starosti já…
Alex Hollings je spisovatel, otec a námořní veterán, který se specializuje na zahraniční politiku a analýzu obranných technologií. Má magisterský titul v oboru komunikace na Southern New Hampshire University a bakalářský titul v oboru podnikové a organizační komunikace na Framingham State University. Poprvé se to objevilo ve zprávách SandBoxx.
