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前车之鉴:F-35能否避免F-22的命运?

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【导读】本文编译自美军《联合部队季刊》(Joint Force Quarterly)2019年第3期,原文标题为“Can the F-35 Lightning II Joint Strike Fighter Avoid the Fate of the F-22 Raptor?”,作者是美国商务部工业与安全局的斯科特·休宾格(Scott Hubinger)博士。文章通过对比F-22和F-35两款战斗机的研发历程,总结了F-22项目未能达成预期效果的原因,并对F-35项目在研发、采购、列装等环节中所面临的诸多困难进行了剖析。其中,文章重点关注了半导体材料、无人机技术和人工智能等前沿技术对F-35项目带来的挑战和冲击。

美国已成功研发并采购了两款具有隐身性能的第五代战斗机,即F-22“猛禽”和F-35“闪电II”。这两款战斗机充分体现了美国在单用途非联合战斗机(F-22)和多用途联合战斗机(F-35)之间做出的取舍。对F-22项目的回顾不仅引发了诸多反思,而且揭示了两个项目可能共同存在的问题。例如,为什么F-22在仅采购了原定数量的四分之一后就被迫取消?F-22的命运能否让F-35汲取教训,或从中发现失败的风险?此外,美国是否基于自身先进战斗机的国防工业基础做出了正确的选择?最后,诸如通用原子公司(GA)研发的MQ-1“捕食者”和MQ-9“死神”等无人武器更具颠覆性,因为它们代表着一种全新的作战方式和全新的市场竞争者。这种颠覆性的技术,以及半导体与机器人技术的持续进步和市场变化,使长达数十年的设计、研发和采购周期难以为继。本文通过对F-22和F-35两个项目进行比较,就如何适应技术进步和市场变化提出了合理建议。

F-22A

F-22“猛禽”项目

1981年,美国空军正式提出研发一款新型战术战斗机作为F-15后继机的需求,并与7家飞机制造商签订了意向合同。随后,这7个制造商被缩减成2个团队,一支由洛-马、通用动力和波音公司组成,另一支由诺斯罗普和麦-道公司组成。两个团队的设计方案各有侧重,洛-马公司研制的YF-22强调机动性,而诺斯罗普研制的YF-23则突出隐身性和速度优势。在1991年的竞标飞行过后,洛-马公司所在的团队赢得了竞争。团队竞争的方式能够使制造商分担研制原型机的风险,并在减少竞争的同时专注于战机的某些特定需求。最终的设计方案融合了两款原型机的优点,即强调隐身性能,具备超声速巡航能力,同时搭载综合航电系统和矢量推力发动机。

研制新型战机用到的工程技术和制造工艺超出了民用航空的范畴,在材料、航电系统、发动机和系统集成技术等方面已达到或超过了当时技术发展的极限。此外,新型战机的研制和采购对技术变化十分敏感。20世纪60年代,麦-道公司凭借其在航电设备和制导导弹领域的专长确立了领导地位(例如F-4“鬼怪II”和F-15“鹰”)。同样,20世纪80年代,随着隐身技术首次被洛-马公司应用于F-117“夜鹰”,该公司也从麦-道公司手中取得了战机研制的主导权,从而奠定了其作为F-22和F-35主要承包商的地位。

美国空军原计划采购790架F-22,后因冷战后经费削减将这一数字下调至648架。至1997年,国防部预算已经比1985年减少了38%,采购数量也比原计划减少了2/3。预算紧缩给F-22项目带来了不小压力,但即便到2008年,美国空军参谋长还在公开表示至少需要381架F-22才能满足基本作战需求。然而,国防部长盖茨却在2009年宣布,国防部最终只会采购187架F-22,这究竟是怎么回事呢?

国防部1993年发布的《自下而上评估报告》(Bottom-Up Review)将空军战斗机编制压缩至20个联队,同时将F-22的产量削减至442架。对F-22的主要批评是,冷战后的威胁环境没有证明其过高的成本合乎情理,并且《自下而上评估报告》明确指出,国防部的主要职责是遏制重大地区冲突、维持海外存在、进行小规模干预和防范大规模杀伤性武器。其中并不涉及与数量众多的先进苏制战机交战。

技术挑战和资金不足迫使空军在1993年、1994年、1996年和1997年先后4次对F-22项目做出调整,而不断上升的成本在1996年催生了一个联合评估小组(JET),该小组主要负责评估F-22项目的预期成本,以及找到控制成本增长的方法。1998年的《国防授权法》引用了联合评估小组提供的数据,并将生产成本限制在434亿美元。2009年,美国会又将这一数字下调至376亿美元,目的是为了降低通胀预期。因此,采购过程由需求驱动变成了预算驱动,在这种采购模式下,削减的生产数量将不得不用来负担一切额外的生产成本。人们给这种采购模式起了一个形象的名字——“死亡螺旋”(death spiral),因为生产总量的减少导致了单体成本的增加,而单体成本的增加又导致了生产总量的进一步减少,如此反复。

除了预算问题,F-22还面临着政治压力。2001年,拉姆斯菲尔德就任国防部长,受命改革国防部。在国会听证时,拉姆斯菲尔德用“转型”一词来描述他为应对后冷战时代那些全新且多样的威胁所做的努力,他强调有必要加大对重要武器系统的资金投入,例如“战斧”巡航导弹、F-15、F-18和F-16这些上世纪70年代研发的武器。但其中并不包括空军最高优先级项目F-22。成本超支,再加上发生了一起涉及空军高层和波音公司(F-22项目团队成员)的加油机采购丑闻,最终导致第753号总统预算指令的出台。该指令砍掉了F-22项目在2008年以后的全部生产资金,将F-22的产量最终定格在183架(尽管空军用了5年时间努力尝试游说,但也仅仅多生产了4架而已)。

F-35B

F-35“闪电II”项目

F-35“闪电II”战斗机又被称为联合攻击战斗机(JSF),由始于上世纪80年代和90年代初的项目合并而成。当时,有大量项目旨在为美国空军、海军、海军陆战队和英国皇家空军研发新型战术战斗机。从1983年起,美国防部高级研究计划局(DARPA)开始寻求可用于取代海军陆战队AV-8“鹞”式先进短距/垂直起降(ASTOVL)战斗机的下一代超声速战机。该项目最终成为美英两国的联合项目。接下来,在20世纪80年代末,洛-马公司的臭鼬工厂(Skunk Works)参与了美国家航空航天局一项代号“黑色”的秘密项目。该项目利用臭鼬工厂在隐身技术领域的专长,借助国家航空航天局的设施和人力,旨在研究隐身超声速战斗机(SSF)在技术上能否适配短距/垂直起降(STOVL)能力。结果表明这种设想是可行的。然而,当1993年能够满足其他军种需求的改进方案提出后,上述两个项目被合并为“通用低成本轻型战斗机”(CALF)项目,由美国防部高级研究计划局负责管理。通用低成本轻型战斗机项目的目标是研发先进短距/垂直起降战斗机所需的技术和概念,同时用这些技术和概念为美国空军研制一款传统起降型(CTOL)战机。

美国海军在1983年上马了先进战术攻击机(ATA)项目,准备研发一款飞行距离远、隐身效果佳、有效载荷高的攻击机,以取代其由格鲁曼公司生产的A-6“入侵者”舰载机。这款被称为A-12“复仇者II”的远程亚声速攻击机,在设计上强调庞大的载弹量,但由于研发费用高昂,加之存在部分技术难题,最终于1991年被迫中止。在此期间,海军在国会的干预下,同意在其先进战术战斗机(NATF)项目下对空军的先进战术战斗机(即后来的F-22)进行评估,并以之作为F-14“雄猫”的潜在替代机型。反过来,空军也会对海军先进战术攻击机项目的衍生机型进行评估,并将其作为F-111“土豚”的替代机型。然而在1991年初,海军意识到对F-14进行一系列升级完全能够满足其在2015年前保持空中优势的需要,因此放弃了对先进战术战斗机的考虑。同样,在20世纪90年代初,空军发起了一项多用途战斗机计划,目的是以3500万至5000万美元的单价,为F-16“战隼”研发一款低廉的替代品。但冷战的结束使F-16的服役寿命问题变得不再突出,因此空军的这项计划也于1992年8月被束之高阁,并最终于1993年取消。

先进战术攻击机和先进战术战斗机项目接连下马后,海军部长又下令研发全新的A-6替代项目。该项目被称为A-X,计划设计一款先进的双座双发舰载多任务飞机,具备全天时、全天候、隐身能力和航程远等特点,同时还搭载全新的综合航电设备。随着空军的参与(其目的仍是为F-111寻找替代机型),该项目被重新命名为A/F-X,但它也难逃被1993年《自下而上评估报告》取消的命运。然而,A/F-X的努力却为即将出现的联合先进打击技术(JAST)积累了宝贵经验.。该技术项目后来通过整合通用低成本轻型战斗机项目,最终发展为联合攻击战斗机项目。联合攻击战斗机项目的目标是创建一种通用技术平台,该平台从理论上讲能够获取规模经济效益、简化后勤工作流程,因为其零备件能够在三种不同类型的飞机间通用,即F-16多用途轻型战斗机、F-18多用途舰载机和“鹞”式短距/垂直起降战斗机。后冷战时代美国国防工业的整合为该类型飞机的诞生创造了条件;同时,这种变化不仅催生了规模更大、实力更强的公司,而且进一步限制了市场竞争,使这些大公司得以免受市场波动的影响。

设定需求

F-35的设计初衷是一款成本可控的五代机,分为适用空军、海军陆战队和海军的三种不同版本,这三种版本不仅可以满足各军种独特的作战需求,而且在机身、武器系统、航电设备、动力装置和软件等方面具有很高的通用性(70%-90%),从而在理论上有效避免了因研发、采购、操作、维护三款不同战机所产生的额外费用。1996年11月,国防部选择洛-马和波音两家公司作为联合先进打击技术概念演示阶段的竞争方,并分别同两家公司签署合同,使他们能够研制并试飞各自的概念机。此外,国防部还就推进系统和工程支持问题同普-惠公司签署了合同。2001年10月,随着洛-马公司设计的概念机脱颖而出,联合攻击战斗机项目也进入系统研发和演示阶段。国防部也分别同洛-马公司和普-惠公司签署了飞机生产与发动机制造合同。

为美国空军研发的F-35A是一款传统起降型飞机。作为三个版本中技术难度最小的一款,F-35A也是造价最低的一款。F-35A的设计初衷是为了取代F-16、A-10和部分老旧的F-15。据报道,F-35A在空战中的隐身效果和作战能力不如F-22,但在对地攻击时表现优于F-22、隐身效果好于F-16。作为对F-22的补充,F-35A在价格上更有优势,但这种优势却取决于最终采购数量。为美国海军陆战队研发的F-35B是一款短距/垂直起降型飞机,同时也是三种版本中造价最高、技术难度最大的一款。F-35B的设计初衷是为了取代AV-8B“鹞”式短距/垂直起降战斗机、F/A-18A/B/C/D传统起降型攻击机和英国皇家海军的“鹞”式II型战斗机。F-35B具备更复杂的传感器系统和更好的隐身性能,而这正是海军陆战队所希望的。为美国海军研发的F-35C是一款传统起降型舰载机,其造价和技术难度处于F-35A和F-35B之间。海军认为F-35具备的通用性将有效降低研发、采购和操作成本,同时会增强美国空军与盟友伙伴空军之间的互操作性。最后,F-35的综合航电系统能够自动整合来自机载传感器、宙斯盾和其他防空系统的信息,这种设计不仅增强了飞机的作战能力,而且颠覆性地改变了美国战机之间以及美国战机与盟友战机之间的工作方式。

多国联合采购模式与单一军种采购模式

F-22的设计、研发、生产和采购环节表明它是一款单一军种的单用途战斗机。而F-35在上述环节中则体现了其作为联合(多军种)、多用途、多国战斗机的特征。然而,这并没有改变或消除前文所述的基本挑战(正是这些挑战导致F-22未能获批计划采购数量),而且在某些方面F-35还面临着其他挑战。造成这种现象的原因之一是联合采购与单一采购模式相比,虽然通过削减重复研发、测评费用降低了总体成本,但由于要在多军种需求中确保“通用性”,因此降低了设计、生产和维护的复杂性。例如,F-35最初的设计目标是达到80%的通用性,但即便是堪称里程碑的F-35B,其机身通用性也仅为45%-70%;到2008年7月,F-35机身的通用性只有27%-43%。此外,美国主要飞机制造商的数量已从20世纪80年代的8家减少到如今的3家(洛-马、格鲁曼和波音),其中只有洛-马公司是第五代战机的主要承包商。主要承包商数量的减少不利于有序竞争,影响技术革新,从而使政府更难控制生产成本。

F-35项目面临的另一个挑战是同一制造商需要生产三种不同版本的飞机。这种生产模式使员工和管理者的学习过程变得更加复杂,但却更不利于知识的积累。而这种学习过程恰好是飞机制造环节中一个非常重要的步骤,由于高技术劳动力在飞机制造业中占比很大,因此积累的经验越多,生产效率就会越高,而单价也会随之下降,从而达到有效控制总成本的目的。如果这三种版本像最初计划的那样差异不大,可能还不会给经验积累带来太多负面影响。但由于三种版本个体差异明显,导致学习进度放缓、积累经验过时,从而增加了项目成本和风险。

最后,F-35和F-22之间一个重要且显著的区别是,F-35的研发和采购流程体现了国际化。目前,F-35项目有三个层级的国际合作伙伴。英国是唯一一个处于第一层级的国家,其为项目研发投入了约20亿美元。意大利和荷兰处于第二层级,这两个国家分别投资了10亿美元和8亿美元。第三层级国家包括土耳其、加拿大、澳大利亚、挪威和丹麦,这些国家共计投入了7.25亿美元。据估算,美军各军种和美国盟友采购的F-35数量大致如下:美空军1763架F-35A;美海军陆战队353架F-35B和67架F-35C;,美海军260架F-35C;英国138架F-35A;土耳其100架F-35A;意大利60架F-35A和30架F-35B;澳大利亚72架F-35A;挪威52架F-35A;以色列50架F-35A;日本42架F-35A;韩国40架F-35A;荷兰37架F-35A;比利时34架F-35A;丹麦27架F-35A。然而,所有F-35(既供美军使用,也供美国盟友使用)的生产成本是由洛-马公司与美国政府协商确定的。而外国政府采购F-35的价格则是由洛-马公司与各国政府协商确定的。而且,“出口版”F-35可能不包含“美国版”F-35的全部功能,因此需要生产更多的版本,这样一来就增加了生产流程的复杂性。

洛-马公司与各国政府也会就补偿问题进行协商。虽然F-35在全球范围内的销售规模前所未有,但针对国防和非国防产业的补偿现象也相当普遍。这里所说的“补偿”更像是一种协议,指的是买方要求卖方提供对己有利的活动,具体包括合作生产、外包生产、授权生产、技术转让以及类似培训等其他形式的产业合作。以F-35为例,美国政府鼓励洛-马公司提供补偿行为,以换取外国政府的订单,并降低生产、组装及其他成本。同时,外国政府也会因此获得技术进步、创造就业机会等。然而,存在于洛-马公司、美国政府及外国政府之间的复杂协商机制,不但增加了管理成本,而且有可能以牺牲美国纳税人利益为代价让外国买家获利。

项目波动

截至目前,联合攻击战斗机项目已经历了三次重组。最近一次重组发生在2010年初,当时的项目预估成本超过了法定临界阈值。为避免该项目因违反“纳恩-麦克柯迪(Nunn-Mc Curdy)”法案而被迫终止,国防部长于2010年6月亲自向国会作证,称该项目对国家安全至关重要。根据法案要求,国防部撤销了之前的采购批准,建立了全新的采购基线(acquisition baseline),并对项目进行重组以延长测试时间,同时还通过推迟交付日期来减少短期内的飞机采购数量,但采购总数并未因此改变。根据美国政府问责办公室(GAO)2015年4月的报告显示,该办公室认为F-35在成本、进度和性能等方面出现的问题,是由于在关键环节的决策过程中缺乏足够专业知识造成的。具体来说,洛-马公司提出的方案在2001年10月获批,而当时飞机的设计和关键技术还未得到充分发展。

此外,鉴于每架F-35的使用寿命长达60年,因此一架飞机的维护成本可能高达1.12万亿美元。对此,国防部正在努力推行一项能够满足美军和美国盟友伙伴需求的可持续战略,并在F-35长达100年的“研发-生产- 服役”周期内维护超过3100架飞机。然而,该战略在实施过程中也面临着不少挑战,除了产品本身的问题外,还要得到主要承包商洛-马公司的支持,以及国内外所有F-35客户的理解。减少维护成本对避免产量下行压力、支付不断增加的或无资金支持的各类成本至关重要。在采购和维护飞机数量方面,美军和美国的盟友伙伴之间也存在差异,这又导致了各方对F-35项目的依赖程度不同。上述几个因素的叠加,最终导致F-35的采购数量远低于预期,而单价却随着产量的减少不断提升,就像此前的F-22一样。

最后,F-35传感器和武器系统的集成,包括本机内部以及与其他飞机的集成,被认为是该款战机最重要的能力,而这种能力主要通过软件来实现。自20世纪60年代以来,软件在战机中的使用率不断提升。从1960年F-4“鬼怪II”的不足10%,到1964年A-7“海盗II”的10%、1970年F-111“土豚”的20%,再到1975年F-15“鹰”的35%、1982年F-16“战隼”的45%、1990年B-2“幽灵”的65%,最终到2000年F-22“猛禽”的80%。根据美国会研究事务处(CRS)2014年4月的评估报告显示,编写、验证、调试和升级F-35所用软件是该项目面临的最大和最昂贵挑战。在2017年4月的项目审查中,美国政府问责办公室强调了软件的重要性,并对测试延迟和软件开发成本增加等问题表示关切。

项目现状

F-35项目已经取得了很大进展。截至2018年9月28日,有超过320架F-35在全球15个基地服役,总飞行时长超过15.5万小时,约680名飞行员和6100名地勤人员接受过相应培训。2015年7月,美海军陆战队宣布F-35B具备初始作战能力;2016年8月,美空军宣布F-35A具备初始作战能力。此外,主要承包商洛-马公司也在积极提高制造效率,不断积累生产经验。从2012年到2017年,每架F-35的平均交付时间呈明显下降趋势。而且每架飞机的报废、返厂和维修耗时也在不断减少。普-惠公司在提高生产效率和缩短劳动时间方面同样取得了长足进步。F-35项目办公室也在投资有助于降低生产和维护成本的项目,并寻求用某种较为经济的方式采购飞机零备件。因此,计划于2019年开始交付的第11批低速率初期生产(LRIP)F-35A,其单价仅为8920万美元,较第10批单价9430万美元下降5.4%;第11批F-35B的单价为1.155亿美元,较第10批单价1.224亿美元下降5.7%;第11批F-35C的单价为1.077亿美元,较第10批单价1.112亿美元下降11.1%。根据兰德公司对空军项目的统计分析显示,通过改善设计和制造流程来降低单价,以及通过多批次采购等措施,可以有效节约总体成本。

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