美国三代战斗机背后的专利部署竞赛

魏衍亮

国家知识产权局

【摘要】除了在美国本土部署专利，美国军工企业还在中国、日本、欧洲等其他地区申请了很多航空武器系统专利。在我国国内，来自美国企业的专利申请已经覆盖雷达、武器发射、飞机设计、动力系统等许多方面。随着我国“猛龙”、“鹰隼”等三代后战斗机的快速发展，我国自主研发的战斗机也将在国内外市场占据一席之地。如何通过专利部署维护我国航空军工企业的商业利益，这也是一个值得研究的问题。《孙子》云，“兵者，国之大事，死生之地，存亡之道，不可不察也。”同样道理，专利也是商业竞争的利器，是企业长期发展的根本，企业应予以重视。

　　一、美国战斗机行业的大国战略

    美国是全球最大的战斗机制造、出口国。例如，二战时期，美国生产军用飞机20多万架，其中战斗机占一大半，仅向苏联等盟国出口就达数万架。二战以后，美国战斗机继续占领世界军火市场。随着航空技术的发展，美国公司率先推出了第三代战机，拉大了与竞争对手的技术差距。例如，1970年12月21日，格鲁曼公司生产的第一架三代战机——F-14首次升空。此后，F-15、F-16等各种型号的第三代战斗机陆续出世，成为世界战斗机市场的主流装备。在战斗机交战史上，美国第三代战斗机几乎没有被其他战斗机击落的记录。两伊战争期间，伊拉克空军曾率先大规模空袭伊朗，但是，后来依靠苏联战斗机的伊拉克空军闻风丧胆，一度不敢升空迎战伊朗装备的美国第三代战斗机，完全丧失了制空权。在其他数十次著名空战中，美国第三代战斗机继续“先敌发现，先敌锁定，先敌击落”，取得了较为辉煌的战绩。

    为了挑战美国战斗机在世界军火市场的霸主地位，俄罗斯开展了其所谓第五代战斗机的研发工作。为了巩固国防，我国也装备了自主研发的第三代战斗机——“猛龙”，从技术和装备看，其综合战力已全面超越美国生产的F-15、F-16。我国军工行业有“装备一代、在研一代、预研一代”的优良传统。2007年，我国第四代战斗机——“鹰隼”将一飞冲天。不久的将来，我国第五代战斗机也将横空出世。与此同时，我国还推出了“枭龙”等专用于出口的战斗机型。从目前的趋势看，我国新型战斗机将在国内外市场日益普及。

    为了保持竞争优势，美国联合英国、以色列、日本、瑞士等数十个国家，联合研发了F-22“猛禽”、F-35“闪电II”等新型战斗机。2006年年底，“猛禽”开始列装美国空军，并有部分联队布防日本，是西方第四代重型战斗机的主力机型，主要用于取代F-15重型战斗机。F-35联合攻击战斗机则主要用于取代F-16轻型战斗机。随着F-22、F-35陆续问世，二战以来最大规模的一次战斗机制造、更新运动将全面铺开。例如，仅F-35战斗机的合同采购量就已超过5000架。大规模的战斗机采购将为美国公司开发、制造新型战斗机提供充足的资金来源。例如，仅美国国防部就将耗资2700多亿美元装备F-35战斗机。为了拉大与竞争对手的差距，美国还联合许多盟国，加紧研制所谓第五代战斗机。它将具备超隐形能力和超音速巡航能力，甚至可以进入太空，形成针对卫星、洲际导弹、航母、装甲车等各种目标的攻击能力。

    不过，美国战斗机行业一直坚持其“自主研发、全球装备”的大国战略。美国新型战斗机的核心技术主要由美国垄断。其吸收研发合作伙伴的主要作用在于辅导未来客户，扩大美国战斗机的出口和海外驻防规模。美国战斗机的全球市场布局有利于美国强化它对盟国的技术和军事控制。例如，“猛禽”战斗机出口盟国后，能够较好地保障盟国的军事安全。但是，为了正常使用、维护、保障、更新“猛禽”战斗机，盟国会继续依靠美国的技术和军事支持。另一方面，由于美国先进战斗机垄断盟国市场，盟国军工企业没有能力，也没有必要独立开发新型战斗机。这样，盟国将只能继续依赖美国为其研发、设计、生产、维护、升级战斗机。总之，“猛禽”、“闪电II”等三代后战斗机的全球布局是美国大国战略的内容之一。和其他民用工业一样，在三代后战斗机的发展背景中，也隐藏着美国军工企业之间的一场专利部署竞赛。

    二、美国航空企业的战斗机专利部署竞赛

    美国主要的航空科研、制造单位都属于民营企业，彼此间竞争激烈。对某些武器系统、方法、设备申请专利，这也是其重要的商业竞争策略之一。从美国公开的专利文献看，新型战斗机武器技术主要分布在下列领域：

    第一，舱门密封技术。例如，20040113016号文献涉及一种飞行器舱门密封方法和设备，尤其涉及一种用铰链密封舱门的技术。飞行器舱门，尤其战斗机武器舱门封闭技术一直是各国军工企业攻关的技术难点之一。在战斗机中，空间非常狭小、珍贵，如何通过节约重量和空间的设备实施驾驶舱、武器舱等的舱门密封，这一直困扰很多工程技术人员。和现有的大量密封技术相比，该发明简单、易用、效率高，值得推广。

    第二，飞行航母技术。例如，20030183719号文献涉及一种飞行器航母系统及其方法。用飞行器运送其他飞行器，这已经有80多年的历史。早在1920年代，人们就进行了这种尝试。后来，用飞行器运送战斗机的实例也陆续出现。1950年代早期，人们还尝试把F-84战斗机挂载到B-36轰炸机的机翼上，并取得了成功。但是，由于事故频发，这种试验被陆续终止了。空中加油技术取而代之，在实战中得到了普及。不过，随着实战应用的需求日益增强，航空母机技术又出现了新的发展契机。在未来作战系统中，携带大量无人战斗机开展数据链攻击的新型战斗机可望陆续出现。本发明是一种在母机机翼上挂载其他飞行器的新系统、新方法。

    第三，短距起降技术。例如，20030183723号文献涉及一种短距离起飞航空器的推进系统。众所周知，推进系统的效率在如下状态达到最高：废气速度等于飞行器前进速度。因此，在起飞、着陆、盘旋状态，直升飞机的效率比喷气飞机更高。这是因为，直升飞机对大量空气提供了较小的升速，而直升飞机给少量空气提供了较大的升速。然而，直升飞机转体直径太大，前行速度较低，一般不高于200英里/小时。该发明的实质在于：提高航空器短距起飞效率的同时，最大限度地保证飞行器的前进速度。该发明的短距起降技术具有广泛的实战需求。例如，航空母舰是美国主要的作战平台，其最大优势在于舰载机可以实现短距离起飞、降落。战时，美国舰载机基本可以实现必需的高密度、大批量起降。相反，由于不能实现舰载机短距起降，苏联，乃至俄罗斯都没有真正具备实战价值的航空母舰。为了满足作战需求，美国第三代战斗机最早用于航空母舰，能实现短距起降。美国后来发展的F-15、F-16，以及其他三代后战斗机也包含提高起降效率的技术目标，争取使之适合在高速公路上进行短距起降。在其他地区，短距起降战斗机也受欢迎。例如，瑞典“鹰狮”、欧洲“EF2000”等都具备短距起降能力。有些战斗机还有垂直起降功能，例如俄罗斯的“雅克144”、美国的“AV8”等。本发明使用了扇涡轮发动机，包括可变弧扇、燃烧区、压力区、涡轮区等。低压涡轮区与扇区相连，并驱动扇区。高压涡轮区与压力区相连，并驱动压力区。此前，6729575、4474345、4791783、5209428等专利文献已经公开了一些飞行器，尤其战斗机短距起降技术。20030183723号文献对现有技术有所改进，其设计优点使之可以应用于新型战斗机的短距、垂直起降。

    第四，减震技术。例如，20050230534号文献涉及一种降低飞行器抖震的方法和设备。飞行器和其他装置的抖震能对其零部件的正常工作产生不利影响。尤其超音速巡航的三代后战斗机，其飞行速度极快，强烈的机身抖震会严重影响零部件的正常连接与工作，进而出现起落架控制系统失灵、武器挂架失灵、投弹发射系统失灵、机动飞行控制系统失灵等故障。该发明可大大降低飞行器的抖震，适用于高速、重型飞行器的设计制造。[Page]

    第五，飞行控制技术。例如，20050242234号文献涉及一种飞行器控制技术。该发明适用于飞行器控制系统，尤其适用于亚音速、超音速低空飞行控制和飞机制动控制。该发明的设计要点主要在于：飞行器低翼附着至少一个可展开的升降机；每个机翼都有一个上表面、下表面、舱内区域，一个中间区域，一个外舱区域；选择性地在一个机翼上安装副翼和升降机，而在另一机翼安装襟翼和升降机。它能控制高速飞机的低空飞行，以及飞机的快速制动，适用于主要负责对地、对海、对空作战的联合攻击机。

    第六，阻力限制技术。例如，20060006288号文献涉及一种空气异形流动的限制装置，即飞行器挂架系统，尤其涉及战斗机外挂武器的挂架系统。5583312、6009788等专利文献已经涉及到飞行器外挂系统的设计，但是不能满足新型战斗机的快速、机动飞行要求。该发明适合应对战斗机高速、机动飞行中的空气异形流动阻力问题，有广阔的应用前景。20020153454号文献涉及一种飞行器机身设计，它能在亚音速马赫数下降低气体拖力。

    第七，密合技术。例如，20060097110号文献涉及一种复合材料密合、固定工艺。由于具备特殊性能，军用复合材料的应用已经相当普及。在战斗机中，复合材料的应用比例也在上升。例如，F-14战斗机中，0.8%的重量来自复合材料。F-15战斗机中，1.6%的重量来自复合材料。F-16战斗机中，2.5%的重量来自复合材料。F-18战斗机中，9.5%的重量来自复合材料。在“闪电II”战斗机中，复合材料占飞机总重量的比例将超过50%。用工业胶粘牢这些复合材料部件的做法早已出现，但是结合效果不好，一直没有得到普及。主流的技术还是使用钉栓。在传统的铝壳飞机上，每平方英尺的外表面需要25个钉栓。现在的复合材料飞机使用的钉栓有所减少，但是每个平方英尺的外表面还需要大约12个钉栓。传统钉栓技术需要在构件内部设有钉线，还需要改变材料的性能与结构，使之能钉入钉栓。这种技术严重降低了复合材料的寿命。该发明改进了现有技术，提出了新的复合材料密合、固定技术，具有广阔的应用前景。

    第八，回射器技术。例如，6669145号文献涉及一种遥感回射器的液动控制设备、方法和系统。回射器在电磁和光辐射领域是一种众所周知的装置。该发明设计的新回射器可以同时跟踪、确定物体的位置，尤其适合无人战斗机的空中加油操作。此前，6233088等专利文献已经公开LED等回射器信号控制技术。不过，随着战斗攻击机的发展，飞机的人工操作、干预力度在大大降低。如何实施飞行器自动控制，开展空中加油等精细操作，这已经成为一个新的实战需求。该发明公开的技术不但适用于无人战斗机，而且适用于现有的“猛禽”、“闪电II”战斗机。

    第九，雷达技术。例如，6691947号文献涉及一种新型战斗机雷达系统。目前，战斗攻击机使用SAR/GMTI（合成光圈雷达/地面移动目标指示）雷达图像系统捕捉和攻击地面移动目标。雷达图像系统使用覆盖在SAR图形模式的图像数据上的分离的雷达GMTI模式数据。移动目标的覆盖精度会降低，使移动目标在图上偏离其真正的移动轨迹。一般地，仅仅一个地面移动目标能够被已知的战斗机GMTT（地面移动目标跟踪）系统跟踪。但是，现有的GMTT系统的工作精度容易受传感器视觉误差、天线屏蔽器失常、惯性导航数据误差等因素所干扰。这进而降低了GPS辅助作战系统的效率。因此，在跟踪、打击大量地面移动目标的时候，目前的战斗攻击机尚无法保证其雷达工作精度。最近，雷格公司推出了使用SAR/GMTI同时工作模式的AEST（主动电子扫描阵列）雷达系统。它提高了上述覆盖精度，但是在产生、处理移动目标的位置信息方面，它还有一些缺陷，不适合应用于自动制导武器。该发明的要点在于大大提高移动目标的位置信息精度，提高自动制导武器对大量地面移动目标的捕捉、锁定、攻击精度。

    第十，飞行员耐压技术。例如，4895320号文献涉及一种帮助高速战斗机飞行员忍受飞机加速度压力的系统。高速战斗机能在三到四秒钟的加速飞行中产生九个G的压力。原来，这种压力主要靠特种飞行服与飞行员的应急机动操作来应对。该发明中，战斗机可以自动测算、预期加速度的变化，并把数据传递给本发明中的特种飞行服，该服装可以自动实施相关操作，帮助飞行员抵抗加速度压力。

    第十一，动力技术。例如，6840479号文献涉及一种飞行器动力系统，尤其涉及军用飞机的辅助动力系统。目前大多数成熟的战斗机，例如F-15缺乏足够的电能运行许多现代导航设备、武器系统与动力装置。该发明的要点在于一种简单可行的提高战斗机动力的方法。通过改进AMAD（机身爬升辅助推进）系统，它在AMAD上安装一个更大的发电机，从而为战斗机提供更大的动力。

    第十二，弹头适配器。例如，6227096号文献涉及一种通用弹头适配器，使用该适配器的导弹，以及该适配器的使用方法。各国开发了很多适用于战斗机挂载、投放的导弹系统。有些导弹则不适合战斗机投放。例如，AGM-130用一个2000磅的Mk-84弹头作为导弹主体，用包括一个控制系统的尾部附件作为弹头后部。AGM-130导弹能飞行40英里，适合空中远程攻击。但是，由于它的重量，除了F-15，美国大多数战斗机不能携带、使用这种导弹。其他一些导弹包含了Mk-84弹头，并用它作为导弹主体，例如LGB、GBU-15、JDAM等。这些导弹都在弹头后面加了一个尾部附件，使Mk-84从自由抛落炸弹变为更精确的制导导弹。不过，目前各国尚缺乏一种通用解决办法，使各种弹头、炸弹、导弹经过简单装配就适合不同战斗机的挂载、投放，缺乏一种把弹头转变为导弹的通用武器装配系统。因应新型战斗机的发展，该发明提出了一种新的弹头装配、挂载适配器，解决了上述技术难题。

    第十三，散热技术。例如，6612523号文献涉及一种飞行器的热量传导改进结构。飞行器，尤其高速战斗机的热量管理一直是航空界的一个技术难题。例如，Z型销连接是加固组合物结点的一种方法，其中，碳纤维组合物销栓被插入组合薄片。特定装置再用超声波能量和压力加固销栓。由于碳纤维的热传导能力差，上述连接方法不利于航空器散热、导热。目前，有些战斗机的电子武器系统一般用一个热量交换器来散热。但是，这个交换器可能相当庞大、复杂，不利于战斗机性能的提高。该发明公开了一种改进飞行器热传导状况的组合结构。例如，进风口的组合外壳可以改装为热量交换器，使热量被排入那些进入飞机发动机的空气。它还改进了组合物薄壁，使Z型销连接的热传导能力得到提高。

    第十四，武器携带技术。例如，4802641号文献涉及一种方法，它能高速改变战斗机的武器携带方式。在美国，已经有2780422、2958260、3242808、3468501、3611865、3771516、4008645、4106389、4307650、4440365、4448373、4520975等专利文献公开了战斗机的武器装载、武器发射、导弹挂载等技术。但是，适合战斗机快速改变武器携载方式，使之匹配任何空载武器系统的通用技术尚未出现。该发明能使战斗机武器携带由内携武器方式快速转变为外携武器方式，或者由外携武器方式快速转变为外携武器方式。这使战斗机能在短时间内变化如下武器携带方式：外挂大型固定翼武器、携带小型固定翼武器、携带折叠翼武器。它的通用设计适合三代后新型战斗机使用。

    第十五，战斗机设计。例如，5636813号文献涉及一种高速、隐身、机动的战斗机。其设计要点分布在进风口、排气口、武器舱、降落装置、舱盖、前瞻雷达圆线等部分。[Page]6659396号文献涉及一种新型飞行器的拱形机翼和前驾装置，适用于无人驾驶战斗机、超音速飞行器等。5522566号文献涉及一种高速、隐形战斗机。

    除了在美国本土部署专利，美国军工企业还在中国、日本、欧洲等其他地区申请了很多航空武器系统专利。在我国国内，来自美国企业的专利申请已经覆盖雷达、武器发射、飞机设计、动力系统等许多方面。随着我国“猛龙”、“鹰隼”等三代后战斗机的快速发展，我国自主研发的战斗机也将在国内外市场占据一席之地。如何通过专利部署维护我国航空军工企业的商业利益，这也是一个值得研究的问题。《孙子》云，“兵者，国之大事，死生之地，存亡之道，不可不察也。”同样道理，专利也是商业竞争的利器，是企业长期发展的根本，企业应予以重视。

网站编辑：刘友华