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2021年2月2日，美国波音公司宣布，该公司为美空军研制的F-15EX战斗机已于当天完成首飞。这架垂尾编号20001的F-15EX从圣路易斯兰伯特国际机场起飞，飞行90分钟后平稳着陆。按计划，波音公司将于2021年第一季度晚些时候向美空军交付首批2架F-15EX。
F-15EX战斗机完成首飞。该型机配装2台美国通用电气航空集团的F110-GE-129发动机。美空军已于2020年6月30日授予通用电气航空集团紧急采办合同，开展F-15EX第1生产批次发动机生产。该生产批次发动机预计到2022年11月30日完成交付等合同规定的工作。此外，波音公司副总裁兼F-15计划经理普拉特·库玛（Prat Kumar）曾透露：“ F-15EX融合了数字工程、开放式任务系统和敏捷软件开发的优势，可在未来数十年保持其经济可承受和可升级”（美国波音公司图片）
此次首飞由波音公司F-15战斗机首席试飞员马特·吉耶塞（ Matt Giese ）执行，他在飞行过程中对F-15EX的航电和软件等系统进行了检验，波音试飞团队全程实时监测并收集了相关数据，确认F-15EX的表现符合预期。
2020年7月，为了向美空军展示F-15EX，波音公司在正在为卡塔尔总装制造的第4架F-15QA战斗机垂尾上喷涂“F-15EX 0001”字眼以进行展示，如上图所示。中图为波音公司为卡塔尔研制生产的F-15QA首架机于2020年4月13日首飞时的照片。实际上，F-15EX采用的部分技术，例如尺寸达19英寸×11英寸（483毫米×279毫米）的“先进驾驶舱系统大面积显示器”等先应用在了F-15QA上，下午即为F-15QA的前座舱全景，可见“大面积显示器”处于“3+5”分屏显示状态（美国波音公司图片）
波音公司副总裁兼F-15项目经理普拉特·库马尔表示，F-15EX的成功首飞证明了该机的安全性和成熟度，其数字式机体设计和开放任务系统架构便于综合最新型的作战管理系统、传感器和武器。
上图F-15EX的外挂配置展示示意。实际上这是展示沙特皇家空军F-15SA战斗机的外挂配置，但该配置F-15EX也可以采用。图中可见1个AAQ-33“狙击手”侦察瞄准吊舱、1个AAQ-13低空导航吊舱和1套挂架安装的升级型AAS-42“虎眼”红外搜索与跟踪系统，2枚AGM-84H“增敏型斯拉姆”防区外空地导弹，2枚AGM-88“哈姆”反辐射导弹，1枚“杰达姆”GBU-31制导炸弹，6枚“杰达姆”GBU-38制导炸弹，8枚“小直径炸弹”GBU-39制导炸弹，2枚AIM-120中距空空导弹和2枚AIM-9X近距空空导弹，共计26件外挂物（其中AAQ-33吊舱挂装在安装了AAS-42系统的挂架之下）。在为沙特开发F-15SA的过程中，波音公司首次为F-15E系列战斗机开发和应用了数字式电传飞控系统。中图为F-15SA原型机在美国进行试飞时的一种空战外挂配置，可见此时该机携带了1个AAQ-33吊舱、1个AAQ-13导航吊舱和1套挂架安装的升级型AAS-42红外搜索与跟踪系统，以及12枚AIM-120导弹和2个610美国加仑（约合2309升）的副油箱。下图为F-15SA座舱模拟器，可以看到前座舱中的“先进驾驶舱系统大面积显示器”，正采用“3+5”分屏方式进行态势、对空和飞行综合显示。F-15EX的座舱显示与控制系统与之类似（美国波音公司图片）
F-15EX采用的“数字骨干”（digital backbone）意味着该机能够作为未来先进技术的试验平台，其他升级还包括电传飞控系统、全新的数字座舱、新型有源相控阵雷达和目前世界最快的机载任务计算机——“先进显示核心处理机”Ⅱ（ADCP Ⅱ）。该机还将标配AN/ALQ-250“‘鹰’被动／主动告警与生存力系统”（EPAWSS）机载电磁战系统，显著提升其任务效能和在强对抗环境中的生存力。
上图为BAE系统公司对AN/ALQ-250“‘鹰’被动／主动告警与生存力系统”（EPAWSS）机载电磁战系统的简介封面。该系统由英国BAE系统公司在美国设立的BAE系统信息与电子系统集成公司研制生产，采用了为F-35战斗机发展的综合电磁战系统技术，融合了电磁战技术最新发展，2020年已投入初始小批量生产，除配装F-15EX，也将用于美空军F-15C/E战斗机的升级改造。中图为2019年5月，该系统被装在F-15E上，在美国加利福尼亚州爱德华兹空军基地本尼菲尔德微波暗室进行电磁兼容试验。下图为美国雷神技术公司的有源相控阵雷达系列产品，从天线外形等判断，图中最左侧的雷达即为APG-82(V)1，而左数第二个则是用于更早的改进型F-15E系列的APG-63(V)3。该公司于2020年10月1日宣布，其AN/APG-82(V)1有源相控阵雷达被波音公司选为F-15EX的雷达（英国BAE系统公司、美空军、美国雷神技术公司图片）