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美國科技開發中了什麽魔

2024-10-11科技

美國科技雖然還是世界第一,但這兩年也開始接連出問題,因為美國科技有點走火入魔了,總想著一步到位。

美國科技確實厲害,特別有錢。不僅可以一步到位地追求技術突破,還能承擔得起失敗的代價。這種跨越式發展的好處是可以迅速拉開與其他國家的差距,然後長期享受技術領先的紅利。等其他國家追上來時,美國又已經準備好下一次跨越式發展了。這就是強者的優勢。

歷史上,美國的科技發展經常得益於跨越式發展。當其他國家還在研究模擬電腦時,美國直接進入數位電腦時代,率先邁入數位時代。當其他國家還在糾結於電子管時,美國不僅跳過晶體管,還迅速進入積體電路時代。這種跨越式的發展使美國至今仍能受益於數位技術和積體電路。

在民航發動機領域,歐洲還在為兼顧螺旋槳和噴射式發動機而猶豫不決時,美國直接選擇了渦噴發動機,並在此基礎上進一步發展出了渦扇發動機,至今仍保持著領先地位。

類似的例子還有很多。

實力強的人可以采取漸進的方法,這樣風險小,但優勢也不明顯,競爭對手很快就會追上來,所以需要一直努力,不能停歇。美國則更喜歡集中力量,一次性突破,直接沖向更高的目標。技術差距也是一種威懾,讓不堅定的競爭對手望而卻步。

但是,這樣做風險也大,跨越式發展不一定每次都行得通。

美國在 5G 技術上曾經領先,但現在已經落後了。他們的錯誤在於想要一步登天,直接開發公釐波的 5G。雖然公釐波的頻率高、頻寬大、通訊容量和速度都很大,但是它在空氣中的傳輸損耗也很大,需要高度密集的基站才能實作,而且功率要求很高,穿透力也很差,遇到墻體、樹林等障礙物訊號就會嚴重衰減,這使得公釐波的商業套用價值受到了很大的限制。相比之下,中國選擇了厘米波路線,雖然技術指標沒有公釐波高,但是實作的門檻低很多,因此率先實作了 5G 技術的商用。

指標定得低雖然天花板也低,但厘米波 5G 可比 4G 強太多了,大部份好處都能享受,公釐波的局限卻不用管。5G 也不是終點,直接跳到 6G 就行,用太赫茲波,也就是公釐波甚至更短的波長,把美國卡在公釐波 5G 的問題直接解決。

美國在高超音速領域曾經有過領先地位。太空梭就是高超音速的,其返回過程中的熱管理技術堪稱工程設計的傑作。此外,美國還曾與澳洲合作研究超燃沖壓技術,NASA 的 X-51 高超音速飛行器代表了當時高超音速和超燃沖壓技術的最高水平。然而,美國再次犯了急於求成的錯誤,試圖直接研制超燃沖壓動力的高超音速巡航飛彈,結果遇到了難以克服的技術難題,最終不得不放棄。

高超音速的動力、熱管理和氣動都很重要。太空梭的熱管理系統雖然精妙,但過於特化,無法直接套用於一般的高超音速飛行。高超音速的氣動也與低超音速有很大的不同。中國采取了兩步走的策略,先發展助推-滑翔技術,解決高超音速的氣動和熱管理問題,同時進行超燃沖壓技術的研究。一旦超燃沖壓技術成熟,就可以順利過渡到使用超燃沖壓動力的高超音速飛行器。

中國的高超音速武器技術已經超越了其他國家,在助推滑翔式高超音速飛行器和超燃沖壓發動機領域都處於領先地位。

高超音速與激波關系緊密,超燃沖壓發動機與激波密切相關。但激波就是激波,激波的駕馭是相通的,沒有那麽神秘。美國原本打算先解決超燃沖壓發動機的動力問題,再攻克高超音速氣動和熱管理問題,結果卻進展緩慢。

美國海軍的「朱姆華特」級驅逐艦失敗了,原因很多,比如戰略指導思想錯誤,技術上也過於激進。相比之下,「伯克」級驅逐艦的設計是漸進式的,它在 90 年代初服役時,遙遙領先於其他國家的海軍艦艇。「朱姆華特」級本應是下一個飛躍,但它的全電綜合推進(IEP)系統在實際套用中存在問題,導致其效能並不如預期。此外,該級驅逐艦的電磁炮、雙波段雷達等先進武器系統也存在技術不成熟的問題,無法發揮出應有的戰鬥力。總之,「朱姆華特」級驅逐艦的失敗是多種因素綜合作用的結果。

朱姆華特級驅逐艦的戰鬥系統和動力系統都來自於提康德羅加級,只是做了簡化和成熟處理,只有艦體是全新的。這是一個理念跳躍、技術漸進的成功案例。但朱姆華特級從理念到技術都全面跳躍了,技術風險控制難度大,容易失敗,這一次是真的失敗了。

朱姆華特級采用內傾式艦體,雖然理論上可降低雷達反射面積,但這也導致其橫搖穩定性問題突出,不易靠泊。原計劃采用電磁炮,可攜彈 750 枚,遠超垂發的巡航飛彈數量,對地打擊能力極強。但後來因技術問題,該艦退回到常規裝藥火炮,仍需配備射程 160 公裏的超遠端炮彈,命中誤差不超過 50 米。兩門 155 公釐艦炮采用單炮齊射技術後,火力密度相當於兩個 155 公釐榴彈炮連。不過,該艦的 155 公釐艦炮和陸軍的 155 公釐榴彈炮炮彈不通用,且造一枚炮彈就要花費 80-100 萬美元,因此下馬了。更慘的是,要改造現有 6 門艦炮需耗資 2.5 億美元,這事也只能先擱置了。

哎呀,IEP 這破玩意也太不靠譜了!出故障就全艦停電,動力用電、系統用電全停,這在戰時可就是要命的啊!

在全電推進和主流的柴燃交替(CODOG)之間,還有一種動力形式叫做柴燃電(CODLAG 和 CODLOG)。柴燃交替的軍艦,巡航時使用柴油機作為動力,加速時使用燃氣輪機,同時還有專用的柴油發電機為整個系統供電。這種動力形式是目前軍艦最常見的動力形式。而全電推進則是使用燃氣輪機或柴油機發電站向艦上電網供電,軍艦的動力用電和系統用電都來自電網。這種推進形式雖然效率最高,但可靠性危害也最高,一旦出現故障,整個系統都將受到影響。

CODLOG 利用柴油發電機為馬達提供巡航動力,燃氣輪機則提供加速動力,系統和動力用電可以共享。CODLAG 也是用柴油發電機為馬達提供巡航動力,但燃氣輪機透過離合器和齒輪箱,與柴油發電機和電動力共同為加速提供動力。

CODLAG 和 IEP 就差臨門一腳,燃氣輪機既可以發電,又可以並網,這不就是 IEP 了嗎?但 CODLAG 沒有單點故障的風險,在任何時候都至少能保證有一個驅動動力,可以讓艦艇返港檢修。英國在多型 CODLAG 和 CODLOG 艦船使用方面經驗豐富,但是在 45 型驅逐艦上使用 IEP 時,還是翻船了。美國則是一步到位,直接跳過 CODLAG 和 CODLOG,采用 IEP,結果也翻船了。法國和義大利沒有冒進,在 FREMM 護衛艦上分別采用了 CODLOG 和 CODLAG。美國「星座」級護衛艦基於義大利 FREMM,估計也會采用 CODLAG。

朱姆華特級采用了舷側分散安裝的 Mk57 垂發,這種垂發口徑更大,能搭載更大的艦載武器。而且它還一反傳統,采用了和坦克炮塔彈艙泄壓板一樣的原理,當被飛彈擊中時,垂發會向外爆炸,降低破壞力,避免一發飛彈命中就導致整個垂發被毀。此外,舷側垂發本身還是水密的內層殼體外的額外保護,能增加對掠海反艦飛彈的抗打擊能力。

然而,Mk57 還是不夠大,無法容納高超音速飛彈。美國海軍現役和計劃中的飛彈都與現有的 Mk41 垂直發射系統相容,因此增大 Mk57 垂發系統的體積並無實際意義。為了解決這個問題,美國海軍正在研發先進飛彈模組(APM),它可以在抽出部份 Mk41 垂發模組後插入,用於發射高超音速飛彈。

這些是大家耳熟能詳的案例,但是戰鬥機飛行員頭盔顯示系統的黑歷史可能就鮮為人知了。其實早在二戰時期,英國就發現夜間戰鬥機飛行員和雷達控制員之間僅憑口頭指令很難協調,於是開始嘗試將雷達映像管和轟炸機導航瞄準具相結合,為飛行員指示目標。直到 60 年代,英國的「海盜」式輕型轟炸機才首次套用了平視顯視器技術,將飛行數據和目標數據投射到透明板上。自此,平顯迅速成為戰鬥機的標配,飛行員可以在平視狀態下獲取關鍵資訊和目標引導,無需頻繁擡頭觀察外界和低頭檢視顯示資訊,大大節省了視力調整時間。

在 60 年代,美國海軍不僅迅速普及平顯,還計劃更進一步:直接將平顯裝到飛行員頭盔上,用於 F-4「鬼怪」式戰鬥機。這樣飛行員無論轉頭看向哪個方向,都能在頭盔上看到平顯資訊,還能提示他們威脅來自何方。當時數位技術和 CRT 顯示技術發展迅速,盔顯似乎是個好主意。但技術太超前,最終因難以推進而被放棄,又回到了平顯。

但蘇聯沒有放棄,而是大大簡化了技術,在頭盔視野邊緣處設定一圈 LED 指示燈,透過射控系統控制,提示飛行員威脅方向。這一簡單的工程實作效果顯著,與機動性超強的 R-72 近程空空飛彈相結合,讓戰機具備了指哪打哪的超強能力。東西德合並後,美國接觸到前東德空軍的一批米格-29,在空戰演習中,美國 F-16 戰機屢屢被打得找不到北。

頭盔指示系統曾經在 90 年代風靡一時,但隨著科技的發展,現在的戰鬥機更傾向於使用盔顯作為主要顯示系統,F-35 就是其中的代表。

但頭盔顯視器又成了大麻煩。首先是重量,不管顯示技術多先進,頭盔顯視器的重量都會對飛行員的脖子造成很大壓力,在高 G 飛行時根本無法承受,彈射時甚至可能危及生命。顯示技術本身也存在固有缺陷,固定位置的飛行數據沒問題,但隨著頭部轉動的目標指示光標就麻煩了。頭盔顯視器首先要測量頭部的轉動角度和速度,然後計算光標移動的方向和速度,最後生成光標。就算電腦速度再快,也還是有延遲,人眼和大腦能感覺到延遲,很容易產生眩暈感。測量、計算、顯示是一個反饋系統,具有固有動態響應,光標會有一定晃動,就像電梯到了樓層會有一點晃動才停穩一樣,這進一步增加了眩暈感。

光標、符號和數據的亮度需要根據環境變化進行快速調整,但目前的技術還無法與人類的眼睛和大腦相媲美,因此會對使用體驗產生影響。

最初的設計方案是將雷達、紅外夜視、移動地圖等功能統統整合到頭盔顯視器中。然而,在實際套用中,這種設計在動態環境下存在較大問題。後來,我們對設計方案進行了簡化,成功控制了重量,並極大地簡化了顯示符號,使其回歸到傳統平視顯視器的格局,不再使用實景影像。這樣一來,滯後問題得到了有效緩解,達到了可接受的水平,但同時也引發了維修方面的挑戰。

飛行員腦袋大小、形狀、瞳距、視線各有不同,所以頭盔得「量頭客製」。據悉,這種頭盔價值 40 多萬美元,抵得上 4 輛保時捷 911。而且,這玩意兒日常維修時還得校準,不然後患無窮。F-35 沒有平顯,只有盔顯,是飛行安全的關鍵顯示系統。2020 年 5 月 19 日,F-35A 墜機就跟盔顯有關。

這次夜間著陸,地平線和跑道的指示不一致,地平線明顯低於實際情況,跑道中線也歪了。這個問題在起飛前沒發現,可偏偏這時候出問題了。飛行員憑經驗發現了問題,想進行補償,但錯誤的指示越來越幹擾他,而且越接近跑道,圖示越亮,飛行員被搞得心煩意亂,動作都變形了。著陸迎角只有 5.2 度,正常應該是 13-14 度。接地速度高達 202 節(約 374 公裏/小時),比規定速度高了 50 節(約 93 公裏/小時)。最後,飛行員動作變形,主起落架不是最先接地,而是差不多三點同時接地,造成了彈跳。復飛失敗後,飛行員彈射逃生,飛機沖出跑道後翻滾燒毀。

歷史上,美國領先優勢太明顯了,即使偶爾失敗也不會影響其總體領先地位。然而,坐吃山空,科技領先地位也是如此。美國現在就面臨著這個問題。不過,美國近幾十年在軍工領域過於急於求成,導致出現了很多問題,如波音 737MAX、波音 777X 等,而在民用科技領域,美國則采取了漸進式的發展策略,這是另一個話題了。

中國追趕階段還沒結束,技術和國家實力都有差距,沒得選,只能小步快跑慢慢追,爭取盡快縮小差距。但等中國和美國齊頭並進了,也會面臨是繼續慢慢追還是跳躍式發展的問題。