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穷国之鹰虎鲨诺斯罗普F20战斗机
第三章“虎鲨”——第三代F-5
第一节生不逢时——虎鲨发展历程
在北京和华盛顿关系改善之前,美国国防部曾经考虑为台湾空军提供一种F-5E的先进改型,使之可以发射“麻雀”中距导弹,增强台湾的防空能力。
诺斯罗普为此进行了相关的开发工作。
虽然这一计划最终没有实现,但诺斯罗普的研究成果却保留下来,成为后来“虎鲨”的基础。
F-20的级别与我国的“枭龙”战斗机是类似的
对于诺斯罗普来说,“虎II”的成功销售实在是一支强力兴奋剂,使得公司高层对未来国际战斗机市场充满了希望和信心。
虽然当时第三代战斗机的经典之作F-16已经问世,但诺斯罗普认为,可以通过对F-5E/F进行进一步改进(这样可以省下巨额开发费用,降低成本),推出一种性能可以媲美世界一流战机,而价格要低廉得多的轻型战斗机——特别需要指出的是,在诺斯罗普研究这个方案之时,美国法律仍然不允许将现役一线战机出口,也就是说,理论上这种飞机不会在国际市场面对F-16A的挑战(虽然它瞄准的目标就是F-16A),这实际上为它后来的命运埋下了伏笔。
F-20第一架原型机82-0062
1970年代末,当时的美国总统吉米•卡特废除了不得制造或改装军用飞机以用于出口的禁令。
美国国会随后宣布招标研制中等性能出口战斗机(即所谓的FX),但强调由厂家自筹资金。
对诺斯罗普来说,此举正中下怀,遂于1980年1月正式宣布研制“虎II”的先进改型,按照国会的建议,飞机型号暂定为F-5G“虎鲨”——采用这个编号的部分原因是政治上的,这样看起来就象是F-5E这种专用出口型飞机的改进型,在政治上的影响相对较小,避免遭致一些国家“扩散先进武器”的指责。
至于自筹资金的要求,诺斯罗普并不是特别介意,毕竟两代F-5都有不错的业绩,只要F-5G成功出口,开发费用不过是小意思罢了。
于是,在早期F-5E先进改型方案基础上,诺斯罗普开始设计F-5G的设计。
美国空军对这种小飞机也很有兴趣,和诺斯罗普签下了制造4架原型机(序号82-0062~0065)的合同——美国空军内部一直有一个反轻型飞机的倾向,而且他们自己也有了F-16了,这个兴趣实际是针对盟国空军的。
1983年夏,试飞中的第一架F-20原型机
随着1981里根政府上台,出于其全球战略的需要,美国开始放宽武器出口限制。
对诺斯罗普来说,这并不是它所乐见的。
但该来的还是要来——F-16被允许出口。
其优越的性能立刻对F-5G构成巨大的压力。
原本为政治因素而采用的设计代号现在却起了副作用,于是在诺斯罗普的一再要求下,美国空军于1982年11月重新将F-5G代号指定为F-20A,这样给人一种全新的战斗机的感觉。
而且由于编号靠后,给人感觉上似乎比F-16更先进——当然,也只是感觉而已。
F-20这个代号有没有起到宣传上的效果不得而知,但却造成了另一个后果——很多人由此猜测美国空军还有一种先进的隐身战斗机,即F-19,反应灵敏的商家甚至推出了F-19的仿真模型,可谓轰动一时。
1983年夏参加巴黎航展的F-2082-0062
尽管在外销方面发生重大变故,诺斯罗普仍努力推进F-20的开发进程1982年8月30日,第一架原型机(当时仍称F-5G)即在爱德华兹基地试飞成功,并突破音速,达到M1.04。
1983年,诺斯罗普将仅有的一架F-20A原型机派往巴黎参加巴黎航展。
同时还聘请了著名试飞员查尔斯•耶格尔作顾问,为“虎鲨”大力造势宣传。
由于耶格尔完成了人类航空史上第一次超音速试飞,知名度相当高,诺斯罗普希望他的“现身说法”能够对客户产生微妙的心理影响。
不难看出,诺斯罗普已经意识到F-16参与竞争所带来的威胁,在促销方面可谓不遗余力。
F-2082-0062改为黑色涂装,并在1984年夏参加英国范堡罗航展飞行表演,同年10月坠毁于韩国水原
查尔斯•耶格尔与2号机
1983年4月,第二架原型机(82-0063)出厂。
该机换装了刚刚问世的F404-GE-100发动机,并配齐了航电设备,包括:
通用电气的G-200攻击雷达(即后来的APG-67)和平显,Honeywell的激光惯导,Bendix的下视显示器,Teledyne的任务计算机等。
座舱盖也经过改进,长度加长,并改为水滴型。
第二架F-2082-0063原型机,1984年夏参加英国范堡罗航展地面静展,民用注册号N3986B。
1985年5月14日坠毁
1984年5月12日,第三架原型机(82-0064)首飞成功。
该机是武器系统验证机,主要用于对空/对地武器系统测试。
在该机上进行了“麻雀”空空导弹、“鱼叉”反舰导弹、各类制导/非制导炸弹的投射试验,还试验了GPU-5/A航炮吊舱。
第三架F-2082-0064原型机,民用注册号N44671。
注意视野更好的座舱盖
在试飞过程中,“虎鲨”表现出了良好的性能。
对于买不起F-16的客户来说,“虎鲨”仍是一个相对不错的选择。
尽管这些国家有意采购“虎鲨”,但经济实力弱小决定了它们的采购数量也不多。
事实上巴林空军是第一个表示要采购“虎鲨”的客户,但数量只有4架。
太少的数量使得诺斯罗普无法启动生产线。
而且大部分有兴趣的客户都在观察美国空军的态度——生产国空军的订货比什么保证、宣传都要有效得多。
于是,问题绕了一圈回到美国空军这里:
如果美国空军决定采购“虎鲨”,那么启动生产线所需的订货数以及客户的信心都有了保证。
但现在已不是越战急需飞机的时候,而且F-16投产列装已经违背了空军高层的本意,再要他们点头采购这种小飞机,几乎是不可能的。
F-20具备发射中程空空导弹的能力
在这种情况下,诺斯罗普必须依靠自身实力拉到足够多的启动客户,否则“虎鲨”将面临夭折。
因此,诺斯罗普开始了疯狂的推销表演之旅——多年以后,我们会在苏霍伊和米格身上看到相同的一幕,唯一不同的是,虽然大家都摔了飞机,但“虎鲨”的事故严重影响了它自己的前程。
1984年10月10日,“虎鲨”1号原型机在韩国水原基地进行表演。
试飞员达雷尔•康奈尔在襟翼、起落架全放下的情况下操纵飞机做了一个滚转上升,飞机很快失速坠毁,康奈尔丧生。
1985年5月14日,“虎鲨”2号原型机在拉布拉多鹅湾基地进行表演时做了一个向右急转弯上升并接滚转改平动作,飞机再度坠毁,飞行员大卫•巴恩斯丧生。
事后的调查报告将两起事故原因都归咎于大过载导致的飞行员意识丧失(GLC),并因此成为后来证明F-20A性能优越的证据之一——既然过载增大速度连抗荷服充气速度都跟不上,那么这种飞机的敏捷性、机动性自然是相当不错的了。
但根据美国空军的研究报告,当飞行员首先承受了变化率较大的过载(鹅湾事故中过载变化率最大为6.2G/秒)之后,GLC往往会在随后的小过载机动(小于4G)中毫无预警地发生,而且目前已知的所有对抗载荷的手段(包括抗荷服、抗荷动作等)均对GLC无效。
也就是说,这两次事故不能证明“虎鲨”的机动性水平。
不管怎样,两架“虎鲨”坠毁给诺斯罗普带来极为恶劣的影响,诺斯罗普也为此和空军相互指责一番。
2、3号原型机编队飞行
现在只剩下一架可用的“虎鲨”原型机了。
4号机正在车间加速制造。
实际上,4号机是按照预生产型的标准来制造的,针对前3架原型机试飞中出现的问题进行了相应的改进,包括:
更换推力更大的F404发动机(加力推力8,165㎏);增大机内载油量;重新设计一种新型330加仑副油箱;前/后缘襟翼进行了重新设计,采用新的三点作动器取代了原来的单点作动器。
设计人员希望在对襟翼和发动机进行上述改进后,“虎鲨”的最大盘旋角速度可以增大2°/秒。
典型空战武器配备的2号原型机
尽管诺斯罗普全力推进“虎鲨”计划,并且除了两次事故外,“虎鲨”自身也没有出什么大的纰漏,但整个外销形势还是越来越不妙。
由于里根政府已经批准F-16A外销,几乎在一夜之间就抢占了“虎鲨”预定的市场——以前使用“虎II”的大部分用户将兴趣转向“战隼”,而对于中等性能的“虎鲨”几乎不屑一顾。
这样一来,“虎鲨”可能的客户就只剩下那些没钱买或者因为政治原因买不到F-16A的国家和地区。
2号原型机俯冲投掷MK82炸弹
在这些可能的客户中,最可能、也是最有利可图的就是来自台北方面的订单。
事实上“虎鲨”的前身本来就是为台湾空军准备的方案。
在当时来说,台湾空军正值主战机型换代,在求购F-16A被拒绝后,台北也确实提出了采购150架F-20(以及150架F-16/79)的要求。
相对于巴林空军那可怜的4架订单,台湾空军的订单的确是“肥得流油”。
不过适值华盛顿和北京的蜜月期,所有一切可能破坏双方关系的举措都被禁止,F-20的采购也不例外。
F-20现代化的座舱
台湾方面的希望破灭后,诺斯罗普又抓住一根稻草——1985年国会削减国防预算,空军经费不足,采购飞机的数量无法满足要求。
诺斯罗普于1985年4月3日向空军提交一份建议,表示可以单价1,500万美元向空军出售396架“虎鲨”。
诺斯罗普在提案中表示,“虎鲨”虽然续航能力不如F-16,但在反应速度和盘旋能力方面有优势,比F-16更适合空战格斗。
不过,诺斯罗普的提案错过了1986财年的审议,空军表示会在1987财年对这一提案加以考虑。
不过对空军头头来说,当年被迫采购F-16已经是心不甘情不愿了,好不容易把它变成战斗轰炸机,现在再要采购另一种更轻更小的飞机,无论是从他们的想法还是从后勤保障方面来说都是不可能的。
事实上如果空军有钱,肯定会把所有的F-16换成F-15。
眼看着“虎鲨”装备美国空军一线部队是不可能了,但还有最后一个希望:
空中国民警卫队换装,现役的F-106和F-4已经过于陈旧,需要更换新的飞机以执行空防任务。
在执行拦截任务方面,具备发射“麻雀”中距导弹能力的“虎鲨”显然比只能挂载“响尾蛇”格斗导弹的F-16A更有优势——至少诺斯罗普是这么想的。
但万万没有想到的是,空军却要求通用动力在F-16ABlock15OCU基础上增加了“麻雀”导弹的发射能力,发展出F-16ADF型,装备空中国民警卫队。
这一决定最终粉碎了诺斯罗普的所有希望。
已不复存在的1、2号原型机
1986年1月17日,诺斯罗普正式宣布,耗资超过10亿美元的“虎鲨”研制计划全面终止,第4架原型机即日停止制造并拆毁。
仅存的3号原型机机现在被保存在工业技术博物馆。
博物馆中的3号原型机
F-20三兄弟为数不多的合影
F-20三面图
第二节设计特点
发动机系统
“虎鲨”相对于“虎II”的最大改进之一就是其发动机系统。
两台老式的J85涡喷发动机被一台当时相当先进的通用电气F404涡扇发动机所取代(即使在今天,F404仍然是许多国家梦寐以求的)。
F404
F404是通用电气作为J79涡喷的后继发动机设计的低涵道比、高推重比(7.8)的中等推力涡扇发动机,其加力推力和J79相当,但重量大幅减轻,零件数量减少,具有比J79高得多的可靠性和可维护性。
其主要特点是:
油门响应极好,从慢车到中等推力耗时不到4秒,在同一代发动机中是最值得称道的;无油门操纵限制;低耗油率;启动步骤简单,具有自动启动功能,并有备份的手动控制系统;具有自动再点火功能;无尾烟,低红外特征;可以抗0.34㎏的鸟击;外场可更换件(LRU)设计为6个可独立拆换的部件(无需拆下发动机);采用先进的“视情维修”模式,没有预定的大修时间;设计有发动机状态监控系统。
20多年来,F404的性能已经在F/A-18上得到了充分验证。
虽然一台F404仍然比两台J85重,但由于其总推力增加了60%,而诺斯罗普采取的重量控制措施得力,“虎鲨”空重仅比“虎II”增加17%,其性能得到明显改善。
设计人员预计,得益于推力增大而改善的性能包括:
最大马赫数可以达到M2;海平面最大爬升率超过“虎II”56.7%,达到274米/秒;实用升限16,154米;超音速盘旋角速度比“虎II”增大47%;亚音速稳定盘旋角速度(M0.8,4,572米高度)11.5°/秒,同等条件下F-16A为12.8°/秒。
F-201号机进行发动机地面测试
进气系统
“虎鲨”的进气道略有扩大,并略向前延伸。
进气口前增设了较大的附面层隔板,和机身的间隔也有所加大,这主要是为了适应飞机最大速度提高,附面层厚度增大的结果。
和F-16采用正激波进气道不同,“虎鲨”的进气道虽然也是固定式的,但增加了不可调的压缩斜板,从而成为二波系进气道。
超音速条件下,这种进气道比F-16的进气道下进气效率更高,阻力较小。
由此也可以看出“虎鲨”和F-16在设计重点上的差异:
最初的YF-16,是按照纯粹的昼间格斗战斗机设计,突出高亚音速性能,但高速性能平平,虽然宣称可以平飞最大马赫数达到M2,但实际上早期型必须在小角度俯冲条件下才能飞到M2;“虎鲨”的前身虽然同样不太注重超音速性能,但该机采用二波系进气道却显示了该机设计重点有考虑到高速拦截的要求,这和最早为台湾准备的F-5E先进改型增加“麻雀”导弹发射能力是一致的。
F-20进气口增加了不可调的压缩斜板
燃油系统
“虎鲨”实际就是“虎II”的改进型,在原始设计中并未考虑增加机内载油量。
根据诺斯罗普的计算,由于F404的耗油率远低于J85,即使不增加载油量,其典型作战半径也可增大10%。
这一点本来是相当不错的,但在F-16A加入竞争后,“虎鲨”的续航能力就显得相形见绌了。
“虎鲨”4号机更改设计,增大机内载油量,明显就是针对F-16A在这方面的优势来改进的。
不过随着“虎鲨”计划的终结,没人知道改进后的4号机在续航能力方面会有多大的进步。
F-20的内部结构相当紧凑
机头设计
“虎鲨”的机头和前述“虎II”后期改型的机头类似,都是采用横椭圆截面设计。
由于机头扁圆细长,看起来颇象鲨鱼头,“虎鲨”的绰号正是由此得来。
根据诺斯罗普的试验,这种设计在高达40°迎角下仍可起到提高飞机的方向稳定性的作用,同时可以减小飞机小速度倒飞时的侧滑趋势。
F-20的扁平机鼻设计
后机身设计
由于采用单发设计,“虎鲨”的后机身宽度比“虎II”要小很多。
为了使“虎鲨”的俯仰特性尽可能接近“虎II”,在其后机身底部增设了尾撑,使得后机身底部外形接近双发的“虎II”,在气动力表现方面也尽可能接近,这对于减小研制风险、加快进度是非常有利的。
由于发动机增重,“虎鲨”在后机身采用了复合材料蒙皮,而不是传统的金属材料,一来减轻重量,二来增加强度。
F-20具有明显的后机身尾撑设计
机翼设计
“虎鲨”的机翼设计基本参照“虎II”,但为了适应进气道修改,其前缘边条长度有所增加,边条面积增大了1.6%。
这种新设计的边条增升效果明显,“虎鲨”的机翼最大升力系数因此增大了12%。
在采用放宽纵向静稳定度技术后,“虎鲨”的最大瞬时盘旋角速度可以增大7%,达到20°/秒。
加力爬升中的F-20A,可以清晰看到边条拉出的涡流
尾翼设计
相对于“虎II”,“虎鲨”的平尾面积增大了30%。
这主要是为了改善“虎II”原来俯仰敏捷性不佳的缺点。
加上放宽纵向静稳定度,“虎鲨”在这方面有较明显的改善。
由于后机身气流流场改善,诺斯罗普减小了“虎鲨”的垂尾面积,以减轻重量和减小阻力。
在垂尾根部前缘设计有冲压空气进气口,其外罩向后延伸到垂尾后缘,成为一个长梭形整流罩,将减速伞舱包容在内。
垂直爬升中的F-20,与下方的F-5E机翼轮廓基本同比例对比
座舱和航电
“虎鲨”的座舱比“虎II”增大了近一半,飞行员视界明显改善。
在“虎鲨”问世的时候,座舱显示和控制的设计思想已经由早期的“保证飞行员完成每个任务”向“在完成任务的前提下减轻飞行员负担”转变。
“虎鲨”在设计时也吸取了这些先进设计思想,努力简化操纵,减轻负担。
其航电系统以军标1553B数据总线为基础,通过军标1750A任务计算机进行控制。
主要航电包括:
广角平显,2台单色多功能下视显示器,ASN-144激光惯导系统,AN/APG-67(V)多模攻击雷达,APX-101敌我识别系统,ARC-182甚高频/超高频电台,雷达告警接收机,ALE-40箔条/燃烧弹投放器,ARN-118塔康系统。
F-20一平两下座舱布局
“虎鲨”采用“一平两下”、“双杆操纵”方案,在今天来看不足为奇,不过在当年来说还是比较先进的。
平显可以显示所有飞行模式下必需的数据,左侧的下视显示器用于显示任务数据,右侧下视显示器通常用于显示雷达数据。
在1号机上,“虎鲨”的火控系统基本上沿用“虎II”的设备,但到了2号机则有了明显提高。
前文提到的广角平显、数字式显示/控制装置、APG-67雷达、TDY750任务计算机、ASN-144激光惯导以及数字式大气数据组件构成其火控系统的主体。
平显由通用电气公司研制,其功能包括:
进行航炮对空射击的瞄准计算;提供“响尾蛇”导弹发射控制显示;在对地攻击状态下显示“连续计算命中点(CCIP)”和“连续计算投放点(CCRP,炸弹专用)”;显示武器系统投放的全部信息;显示导航和飞行控制数据。
总视场20°,瞬间视场19.7°×16°。
F-20HUD空空模式
F-20HUD空地模式
AN/APG-67(V)雷达是一种轻型I波段(9.5~9.7GHz)多模PD雷达,仅重122㎏。
具有空对空/空对面/空对海3种状态11种工作模式。
对空探测距离(战斗机大小的目标)上视为47海里,下视38海里;对海面目标探测距离(对巡逻艇大小的目标),海一模式(海面搜索)下为47海里,海二模式(海面动目标指示)下为40海里。
由目前的资料来看,APG-67并不具备制导“麻雀”导弹的能力。
虽然“虎鲨”是基于给台湾的“麻雀”载机方案,但除了台湾以外,“麻雀”导弹的发射能力对其它用户来说不一定是必需的。
因此后来“虎鲨”推出的时候,这一能力是出现在用户选装方案中。
由于该机匆匆下马,整合发射能力的工作很可能没有完成。
AN/APG-67(V)雷达
AN/APG-67(V)雷达绘图模式/边跟踪边扫描模式/地面活动目标显示模式
TDY750计算机是“虎鲨”火控系统的核心,通过军标1553B总线与28个微处理机相连,构成分布式网络系统。
其主要功能包括:
“响尾蛇”的发射计算;航炮对空射击火控计算;CCIP计算;CCRP计算;武器系统显示和管理;推测导航;航电系统自检;多路数据传输的总线控制器。
ASN-144是“虎鲨”的主要导航设备,其精度小于1海里/小时,由于取消了惯性组件,其存储航向地面校准时间仅需22秒,对于执行紧急起飞拦截任务是非常有利的。
其主要功能是计算显示下列数据:
飞机当前位置;磁航向和真航向;姿态基准、速度和加速度;8个目的点和航向点;垂直速度;备用总线控制。
武器系统
“虎鲨”的武器系统和“虎II”基本相同。
固定武器仍为两门M39转膛炮,各备弹280发。
武器挂点数量不变,但翼尖挂架经过改进,除了“响尾蛇”外,还可挂“麻雀”类中距导弹。
根据设计,“虎鲨”可以挂载的武器包括:
空空导弹,如“响尾蛇”、“麻雀”;通用炸弹,227㎏MK82、454㎏MK83、907㎏MK84、340㎏M117;火箭发射器,LAU-68A/A、LAU-68B/A、LAU-3/A、LAU-3A/A、LAU-60/A;照明弹箱;激光制导炸弹;AGM-65A“幼畜”空地导弹;“鱼叉”反舰导弹;以及30㎜航炮吊舱等。
最大载弹量3,630㎏。
挂7枚227㎏炸弹和一个副油箱时作战半径704㎞。
F-20发射AGM-65A“幼畜”空地导弹
飞控系统
“虎鲨”采用双余度数字式电传飞控系统加三轴控制增稳,并有全套机械操纵系统作为备份。
飞控电子组件(FCES)通过综合处理来自飞行员的操纵指令和控制增稳系统(CAS)输出的控制信号,对飞机操纵面加以控制。
在俯仰轴上,飞行员和CAS的控制权限大约为40%和60%。
电传飞控系统的引入,使得经过优化的气动设计的效能可以进一步发挥。
例如,在自动模式下,机动襟翼系统可以根据空速、迎角、俯仰率、加速度、杆位等参数,驱动前后缘襟翼作连续无级调节,以提供最好的增升减阻效果——这比“虎II”的手动控制、4级调节有了阶段性的进步。
F-20机动襟翼系统可以自动连续无级调节
根据设计,当空速大于350节时,每增加1G过载,需要增加1.8㎏的杆力;当空速低于350节时,杆力恒定,飞行员通过杆位移来控制飞机俯仰速率。
为防止飞行员意外地拉出大过载而损坏飞机结构,在飞控系统中设计有一个过载限制系统:
当飞机过载达到设计极限时,杆力将急剧增大(而不再是原来的每G过载1.8㎏力),以提醒飞行员此时飞机已达到极限过载。
但这个系统只是起提示作用,并不妨碍飞行员继续动作——如果飞行员认为确有必要,只需继续增大杆力,就可以超控飞控系统,拉出更大的过载。
总的来看,“虎鲨”的飞控系统仍属于早期的混合权限系统,但电传飞控带来的好处基本上都有了:
减轻飞行员负担;减小机动飞行时的杆力;收起落架加速时保证速度稳定;减小杆位移;协调飞机响应;改善跟随性;增强可操作性;允许重心中性稳定;取消配重。
可靠性和可维护性
“虎鲨”继承并进一步突出了F-5系列可靠性高、可维护性好的优点。
虽然没有定型服役,但在试飞期间,“虎鲨”仍表现出惊人的可靠性。
在试飞计划中,“虎鲨”的任务可靠性超过95%。
按照设计要求,“虎鲨”航电的平均故障间隔时间(MFHBF)为18.07小时,发动机为190小时,机身为9.43小时,全机为6小时。
但统计数据显示,“虎鲨”的可靠性超过预期值159%!
而“虎鲨”所需的维护时间则大幅下降。
根据统计,全机每飞行小时平均维修工时(MMHFH)为11.10人•小时。
对于一种80年代初的战斗机来说,这是一个相当不错的水平。
不妨对比一下典型的第三代战斗机在当时(1983年)的水平:
机型
任务可靠性(%)
MFHBF(小时)
MMHFH(小时)
F-15A(C)
66
(2.34)
38
F-16A(C)
76
1.8(3.0)
17.5(11)
F/A-18A
64
1.5
28
设计思想及失败原因简析
不难看出,“虎鲨”的基本设计思想是:
在“虎II”的基本设计基础上,通过引入第三代战斗机的先进技术,包括发动机、飞控系统、航电及其设计概念、静不稳定设计等,从而实现以较低的费用达到接近第三代战斗机水平的目的。
这个思想其实和达索从幻影III改进到幻影2000的思路颇为相似,而且后者也已经证实了这种思路的成功。
多年后,瑞典“鹰狮”推向市场,而这种飞机同样采用F404发动机,性能水平在第三代战斗机当中也不突出,其卖点和“虎鲨”类似,强调高效费比,销售成绩不俗。
那么为什么偏偏“虎鲨”就失败了呢?
瑞典空军的JAS-39,同样采用F404发动机
有文章认为是美国国内包括空军在内的势力的刻意压制导致“虎鲨”的失败。
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