Warum ist die Höchstgeschwindigkeit aktueller Kampfflugzeuge niedriger als in den 1960er und 1970er Jahren?

Geschwindigkeit war bis zum Jet-Zeitalter das Leben im Luftkampf. Die Piloten, die in den fünfziger Jahren Generäle der Air Force wurden, hatten ihr Handwerk in den dreißiger Jahren gelernt, als Geschwindigkeit die begehrteste Eigenschaft eines Jägers war. Natürlich war ihnen die Fähigkeit, schneller als jeder Gegner zu sein, sehr wichtig. Als in den fünfziger Jahren die Anforderungen für neue Kampfflugzeuge geschrieben wurden, sorgten diese Generäle dafür, dass eine höhere Höchstgeschwindigkeit Teil der Spezifikation war.

Als diese überschallfähigen Flugzeuge in echten Konflikten eingesetzt wurden, geschah etwas sehr Überraschendes und Unvorhergesehenes: Sie flogen kaum jemals Überschall. Als die Air Force Ende der sechziger Jahre die Flugdaten aus mehreren Jahren des Vietnamkriegs sammelte, stellte sie fest, dass alle Flugzeuge bei Mach 1,4 nur Minuten und bei Mach 1,6 nur Sekunden von mehr als 100.000 Kampfeinsätzen angesammelt hatten¹. Noch nie wurde Mach 1,8 in Flugzeugen geflogen, die für Mach 2,4 optimiert waren (F-104, F-105, F-106A, F-4D/E und F-111).

Um aus dieser Studie zu zitieren, warum die Geschwindigkeit größtenteils Unterschall blieb:

Der erste dieser Gründe liegt in der Form der Beziehung zwischen Wendegeschwindigkeit und Machzahl für ein Flugzeug. […] Im Kampf hat jeder Pilot die Tendenz, sein Flugzeug so zu fliegen, dass er seine Wenderate maximiert. Dadurch gewinnt er eine Winkelposition zum Feind, die wiederum einen Raketenstart oder einen Kanonenschuss ermöglichen kann. […] Es ist ersichtlich, dass der Drang des Piloten, seine Wendegeschwindigkeit zu maximieren, seine Machzahl unfehlbar auf etwa 0,7 treibt. Wenn also der Pilot in den Kampf eingreifen will, […] wird seine Geschwindigkeit unweigerlich auf Unterschallgeschwindigkeit fallen. […] Beachten Sie auch, dass, selbst wenn die Wendegeschwindigkeit konstant gehalten wird, während die Geschwindigkeit erhöht wird, […] der Wenderadius und der Lastfaktor zunehmen, was zunehmende Probleme mit sich bringt, den Feind in Sicht zu halten.

Der zweite in der Studie angegebene Grund ist der dramatisch kleinere Kampfradius (die maximale Entfernung, die das Flugzeug von seiner Basis zurücklegen, ein Ziel erreichen und zurückkehren kann), sobald das Flugzeug beginnt, mit Überschallgeschwindigkeit zu fliegen. Selbst beim Einfliegen in die Kampfarena war Überschallgeschwindigkeit selten von Vorteil. Northrop untersuchte eine Vielzahl von Abfangfällen und stellte fest, dass Geschwindigkeiten über Mach 1,1 fast nie hilfreich waren, da sie den Kampfradius stark einschränkten.

Jetzt müssen Sie wissen, dass die Höchstgeschwindigkeit ein wichtiger Treiber beim Design von Flugzeugzellen ist. Das Fliegen mit Mach 2+ erfordert schwere und komplexe Einlässe , eine hitzebeständige Struktur, einen hohen Flügelschwung und schwere Motoren mit niedrigem Bypass . Dies alles verschlechtert die Kampfqualitäten bei hoher Unterschallgeschwindigkeit, wo diese Flugzeuge am häufigsten eingesetzt wurden. Der Einbau der Kapazität für Mach 2+ machte sie schlechter für das, wofür sie tatsächlich verwendet wurden.

Ab den späten sechziger Jahren wurde diese Lektion in die neueren Designs wie die F-16 integriert . Stealth verringerte erneut die Bedeutung der Überschallfähigkeit, und die maximale Dauergeschwindigkeit des F-22 wurde tatsächlich von Mach 1,8 auf Mach 1,6 reduziert, um die Wärmebelastung der Verbundflügelvorderkante zu verringern.

¹ Quelle: Northrop F-5-Fallstudie zum Flugzeugdesign , AIAA Professional Study Series

Denn obwohl Geschwindigkeit eine der wichtigsten Eigenschaften ist, ist sie nicht die einzige wichtige Eigenschaft (oder heute nicht die wichtigste) eines Kampfflugzeugs.

Eine wichtige Sache, die zu beachten ist, ist, dass die Bedingungen, unter denen die Höchstgeschwindigkeit erreicht wird, ziemlich restriktive Bedingungen sind – große Höhe, saubere Konfiguration und Nachbrenner – die selten, wenn überhaupt, zusammen im Kampf verfügbar sind.

Die Entwicklung der Geschwindigkeiten von Kampfflugzeugen im Allgemeinen und von Kampfflugzeugen im Besonderen war ein direktes Ergebnis der Erfahrungen verschiedener Luftstreitkräfte in Kampfsituationen im Laufe der Jahre.

• Der Hauptgrund für die Betonung der Geschwindigkeit von Kampfflugzeugen (zumindest in den Anfangsfällen) lag an den Lehren aus dem Zweiten Weltkrieg, wo zusätzliche Geschwindigkeit über Leben und Tod entscheiden kann.

• Nachdem die Jets Überschallgeschwindigkeit erreicht hatten, war der Hauptgrund für hohe Geschwindigkeiten das Abfangen feindlicher Flugzeuge. Geschwindigkeit war vor einem halben Jahrhundert die wichtigste Anforderung bei Kampfflugzeugen (Abfangjägern), da der Abfangjäger den Eindringling in seine Reichweite bringen musste (egal ob Kanonen oder Lenkflugkörper). Die (Abfang-)Flugzeuge flogen jedoch selten Überschall, und als die Radargeräte und Raketen fortgeschrittener wurden, nahm die Bedeutung der Geschwindigkeit ab.

• Ein weiterer wichtiger Grund war die Flucht vor den Raketen, insbesondere den Boden-Luft-Raketen. Die Idee war, dass das Flugzeug der Rakete zumindest in einer Höhe entkommen kann. Dies war jedoch von Anfang an ein aussichtsloser Fall, da die Raketen viel schneller flogen als das Flugzeug. Beispielsweise haben die S300-Raketen eine Höchstgeschwindigkeit von > Mach 7, mehr als das Doppelte der Flugzeuge, für deren Abschuss sie entwickelt wurden. Während die Kampfflugzeuge jahrzehntelang im Einsatz sein müssen, können die Raketensysteme viel schneller entwickelt und eingesetzt werden, wodurch alle erzielten Geschwindigkeitsgewinne zunichte gemacht werden. Infolgedessen wechselten die meisten Flugzeuge, die ursprünglich für Angriffe mit hoher Geschwindigkeit und großer Höhe konfiguriert waren, auf Penetrationstaktiken in geringer Höhe.

• Als die USAF die in den sechziger Jahren gelernten Lehren aufnahm, wurde es schmerzlich offensichtlich, dass die Kampfflugzeuge immer weniger Zeit bei sehr hohen Geschwindigkeiten (> Mach 1,5) verbrachten, während sich der größte Teil des Kampfes in Nahkämpfe verwandelte (teilweise aufgrund von Einsatzregeln), bei denen Manövrierfähigkeit statt Geschwindigkeit wichtiger ist.

• Auch die Erfahrungen der Vietnam- und Yom-Kippur-Kriege, in denen westliche Flugzeuge gegen ausgeklügelte sowjetische Luftverteidigungssysteme antraten, bestärkten die Tatsache, dass die Unterdrückung der feindlichen Luftverteidigung wichtiger ist als Geschwindigkeit.

• Das Design des Flugzeugs für Geschwindigkeit fügt dem Flugzeugdesign erhebliche Nachteile hinzu - die Notwendigkeit komplexer Lufteinlässe (die das Gewicht erhöhen), Hochtemperaturmaterialien (die die Kosten und den Wartungsaufwand erhöhen), leistungsstarke Low-Bypass-Triebwerke (die normalerweise nicht treibstoffeffizient sind). ). Dies verschlechtert die anderen Leistungsparameter des Flugzeugs im Bereich niedriger Geschwindigkeit (hoher Unterschall), wo die meisten Operationen stattfinden.

• Als klar wurde, dass die Kampfflugzeuge ein Luftverteidigungssystem nicht aufgrund ihrer Geschwindigkeit (oder ihrer Manövrierfähigkeit) besiegen werden, änderte sich die Strategie erneut – von dem System überhaupt nicht entdeckt zu werden. Diese Betonung auf Stealth reduzierte die Bedeutung der Geschwindigkeit weiter (Sie können die Verbundflugzeugzelle nur so stark erhitzen, und Nachbrenner für Geschwindigkeit sind wie das Anzünden einer Fackel im Dunkeln für IR-Sensoren) und verstärkten die der Avionik und der Sensoren. Heute liegt die Betonung darauf, den Feind zu finden, bevor er entdeckt wird und den ersten Schuss abfeuert.

• Ein weiterer Grund für hohe Geschwindigkeit ist, dass Kampfflugzeuge auch zur Aufklärung eingesetzt wurden, wo Geschwindigkeit wichtig ist (wiederum um Raketen zu entkommen). Allerdings haben Satelliten die meisten dieser Aufgaben übernommen, wodurch der Bedarf an Geschwindigkeit weiter reduziert wird.

Der Inbegriff eines schnellen Kampfflugzeugs ist die sowjetische Mig-25, die Geschwindigkeiten von über Mach 3 erreichen konnte. Diese Geschwindigkeit hatte jedoch ihren Preis – die hohen Temperaturen (~300 °C) bedeuteten, dass Stahl verwendet werden musste Flugzeugzelle, die komplexe Isolations- und Kühlsysteme für die Avionik erforderte, und das Flugzeug flog aufgrund von Motorüberhitzung und Steuerungsproblemen selten mit dieser Geschwindigkeit.

Die bisherigen Ergebnisse (von Training und Simulation) scheinen darauf hinzudeuten, dass die modernen Flugzeuge (fünfte Generation) (wie F-22) in den meisten Situationen besser abschneiden als ihre Gegenstücke der vierten Generation (wie F-15), indem sie sie zuvor „abschießen“. sogar entdeckt werden.

Ein wichtiger Faktor ist, dass sich das Bedrohungsmodell änderte, als ICBMs im Laufe der 1960er Jahre Bomber als primären Trägermechanismus für Atomwaffen ersetzten.

Beim Abfangen eines Bombers mit mehreren Tonnen konventioneller Bomben ein paar Sekunden zu spät zu sein, ist nicht gut und könnte leicht zu ein paar hundert Toten führen. Es gibt einen großen Unterschied zwischen dem und ein paar Sekunden Verspätung beim Stoppen eines Bombers mit Atomwaffen, wo eine einzige Bombe Zehn- oder Hunderttausende von Menschen töten kann.

Von besonderer Bedeutung für Ihre Frage ist, dass die Mach 3,2-Geschwindigkeit der MiG-25 durch die Bedrohung durch das Mach 3,0 B-70- Atombomberprogramm angetrieben wurde. Die USA stornierten Pläne zur Massenproduktion und zum Einsatz von B-70-Bombern, aber die Sowjets hielten die MiG25 am Leben. Während die MiG25 einige Jahre nach der Einstellung des XB70-Programms erstmals eingesetzt wurde; Die USA bauten weiterhin zwei XB-70 und nutzten sie in den 60er Jahren zu Forschungszwecken. Die Bedrohung durch einen zukünftigen Überschallbomber auf der Grundlage der Forschung konnte nicht ausgeschlossen werden; und ein deutlich schnellerer Abfangjäger als der Mach 2 B58 wäre ein wertvoller Bestandteil ihrer nuklearen Verteidigungspläne geblieben, bis der B58 1970 ausgemustert wurde.

Höchstgeschwindigkeit ist nicht die beste Geschwindigkeit zum Kämpfen. Zwei Hauptfaktoren bei einem Kämpfer müssen berücksichtigt werden:

1. Flügelbelastung .
2. Schub-Gewichts-Verhältnis (T/W-Verhältnis).

Die Flächenbelastung ist das Gewicht des Flugzeugs, das auf die gesamte Fläche der Tragfläche verteilt ist. Dies zeigt die Fähigkeit des Flugzeugs an, nachhaltig zu drehen.

Das T/W-Verhältnis ist die vom Motor entwickelte Schubkraft dividiert durch das Gewicht des Flugzeugs, und dies gibt die Beschleunigung an, die das Flugzeug im Horizontalflug erreichen kann. Wenn beide Dinge berücksichtigt werden, erhält man einen zweiten Parameter, nämlich die Fähigkeit des Flugzeugs zu steigen ( Steigrate ).

Als sich der Luftkrieg im 1./2 . Weltkrieg entwickelte, lautete eine Faustregel für Kampfpiloten, dass Geschwindigkeit/Höhe das Leben ist. Wenn Sie das Flugzeug als physikalisches Energiesystem betrachten, stehen Ihnen zwei Arten von Energie zur Verfügung: Kinetische Energie (die tatsächliche Geschwindigkeit der Flugzeugbewegung) und potenzielle Energie, die Höhe des Flugzeugs. Beim Tauchen wandelst du potentielle Energie in kinetische Energie um. Wenn Sie steigen, wandeln Sie kinetische Energie in potentielle Energie um, bis zu dem Punkt, an dem Ihr Motor das einzige ist, was Energie in das System eingibt (so erreichen Sie das Stadium, in dem die sofortige Steigrate endet und Sie beginnen, die anhaltende Steigrate des Flugzeugs zu sehen). .

Wenn Ihr Flugzeug wendet, wird es ein wenig verlangsamt, und die durch die Wende erzeugte Zunahme des induzierten Widerstands verringert Ihre verlangsamte Geschwindigkeit. Im Jargon der Kampfpiloten verbrennst du Energie. Es gibt (wieder) zwei Arten von Wendungen, augenblicklich und anhaltend.

Die Kampfstile wurden in zwei Arten unterteilt: Turn and Burn und Boom and Zoom .

Turn and Burn bedeutet, dass beide Kämpfer versuchen, jeden Befehl zu übertreffen, um in ihre Sechs-Uhr-Position zu gelangen, um zu schießen, es ist ein horizontaler Kampf im Kreis. Boom and Zoom ist ein Steigkampf, bei dem das höher positionierte Flugzeug in das andere taucht, um einen Pass zu machen, zu schießen und dann wieder zu steigen, um die Fluggeschwindigkeit (und damit Energie) nicht zu verlieren.

Schnell wurde der Boom- und Zoom-Stil übernommen. Erfahrene Piloten traten nur dann in den Kampf ein, wenn sie sich sicher waren, eine höhere Höhe als ihre Feinde zu haben, da die Höhe ein Energiereservoir war, das im Kampf ausgenutzt werden konnte.

Ein Kampfflugzeug / Pilot im Turn-and-Burn-Stil würde schnell langsamer werden und ein höher positioniertes Flugzeug weder angreifen noch davon fliehen können.

So weit, ist es gut.

Nach dem Krieg wurden alle Anstrengungen unternommen, um immer schnellere Flugzeuge und Flugzeuge zu produzieren, die schnell große Höhen erreichen konnten. Dies hat den doppelten Vorteil, dass es eine bessere Position in großer Höhe bietet und es solchen Jägern ermöglicht, ankommende Bomber anzugreifen.

Alles änderte sich, als bessere Raketen und Bordradare verfügbar wurden. Nicht, dass aktuelle Kämpfer nicht in der Lage sein müssten, Luftkämpfe zu führen, sondern weil die Rakete zum wichtigsten Kampfelement wurde. In diesem Stadium fallen mir zwei Arten von Raketen ein. AAMs und SAMs .

Die immer leistungsfähigeren Radargeräte (sogar an Bord) bedeuteten, dass Flugzeuge sehr wohl Dinge angreifen könnten, die sich darüber befinden, was bedeutet, dass die Boom- und Zoom-Taktiken schief gehen könnten. Zweitens ermöglicht ein Radar, den Feind zu sehen, bevor Sichtkontakt hergestellt wird, was mehr Zeit gibt, auf eine ähnliche Höhe zu steigen usw.

Wenn Sie sehr hoch fliegen, werden Sie weit entfernt auf feindlichem Radar gesehen, und Raketen, die von diesen Radaren gelenkt werden, kommen aus verschiedenen Richtungen. Um in den feindlichen Luftraum einzudringen, müssen Sie niedrig bleiben, wo der Luftwiderstand größer ist und die meisten Flugzeuge die angegebenen Geschwindigkeitswerte nicht erreichen können. (Siehe zum Beispiel F-111 oder Su-24 ).

Bomber werden aus den gleichen Gründen nicht mehr auf Stratosphärenniveau wie B-29 fliegen. Sie müssen in geringer Höhe in den feindlichen Luftraum eindringen, um eine Überlebenschance zu haben. Wenn sie Abstandswaffen verwenden, fliegen diese auch tief. Wenn Sie also eine Gruppe Bomber in einer Mission eskortieren oder versuchen, diese abzufangen, werden sie nicht sehr hoch sein.

Wenn ein Bordradar versucht, ein niedrig fliegendes Flugzeug zu erfassen, gibt es ein Problem. Frühere Radargeräte waren dazu überhaupt nicht in der Lage. Modernere Versionen (als Look-Down/Shot-Down bezeichnet) können ein Ziel gegen das Gelände sperren, jedoch nicht mit der gleichen Leistung wie beim Blick nach oben. Clutter (falsche Echos) werden per Software entfernt. Infrarotdetektoren funktionieren besser in großer Höhe (wo die Luft kälter und ein heißer Jäger besser sichtbar ist) als auf dem heißen Boden darunter und so weiter.

Alles in allem werden Kämpfe in intensiven Theatern auf mittlerem oder niedrigem Niveau ausgetragen, wo die Geschwindigkeit aufgrund des höheren Luftwiderstands langsamer ist. Selbst dann haben alle Kampfflugzeuge eine sogenannte Kurvengeschwindigkeit, bei der das Flugzeug seine engsten Kurven aushalten kann, und diese Geschwindigkeiten sind normalerweise weit von der Höchstgeschwindigkeit entfernt.

Ein weiterer Faktor ist der Motorverbrauch. Erst kürzlich wurden Supercruiser-Flugzeuge in Betrieb genommen. Flugzeuge der vierten Generation waren nicht in der Lage, die Schallmauer zu durchbrechen, ohne Nachverbrennungen zu verwenden, die sowohl die Erkennbarkeit des Flugzeugs (aufgrund der erhöhten Wärmesignatur) als auch den Kraftstoffverbrauch erhöhen.

Dasselbe Flugzeug, das 1000 km ohne Verwendung von Nachbrennern zurücklegen könnte, ist möglicherweise nicht in der Lage, mehr als 300 km zurückzulegen, während es die ganze Zeit über nachbrennt.

Alles in allem wird ein Flugzeug mit mehr Raketen, besserem Radar und längerer Verweildauer Kampfflugzeugen wie der British Lightning oder der F-104 vorgezogen , die eine sehr hohe Geschwindigkeit und Steigrate hatten, aber kurzbeinig und nur geschleppt waren Paar Raketen.