金九酒店:开创辉煌—《现代兵器》—2011年第3期—龙源期刊网

来源:百度文库 编辑:九乡新闻网 时间:2024/03/29 01:18:31
近日,我国研制的具备明显隐身技术特征的第四代战斗机歼-20首次试飞成功,这标志着中国已经成为继美国、俄罗斯之后第三个拥有隐身战斗机的国家。第四代战斗机的性能可以用4S来概括,即隐身、超音速巡航、超级机动性能和近距起降。其中,最重要的就是隐身性能。可以说第四代战斗机的革命性进步,很大程度上是依靠隐身性能提供的。

  现代战机的隐身技术

  我们知道,二战以后,雷达已经成为各国对空指挥引导系统主要的探测设备。现代对空指挥引导系统已经是一个由空中预警机、地面防空雷达及指挥自动化系统组成的综合性系统,实现了对战区的空域从高到低、从远到近的全面覆盖。相控阵雷达及指挥引导系统的计算机化可以让系统同时探测、跟踪更多的目标,并引导更多的战斗机拦截更多的目标。一架在现代战场上空飞行的飞机,可能会受到数十、上百部雷达的探测,电子探测系统最多每秒可以接收到数百万个电子脉冲信号。所以,现代空战已经日益体系化,拥有完善的指挥引导体系才能在空战中抢占先机。同样,作战飞机要尽量避开对方空战指挥引导体系的探测才能更好地保存自己,消灭敌人。这也是为什么第四代作战飞机把隐身放在第一位来考虑的根本原因。

  由于雷达是目前探测飞机的最重要的手段,所以隐身的主要手段也是针对雷达的。而目前雷达隐身只有两种实用方法可以完成:一种是涂覆雷达波吸收涂料,这些材料能把入射到内部的电磁波转换成热能吸收掉,从而减少反射回去的电磁波能量,达到隐身的目的。还有一种就是整形,即通过改变物体的表面形状,让雷达电波最大限度地偏离入射方向,从而使照射本机雷达接收到的回波降低到最小限度。第一种方法比较简单、实施起来也更容易,但是其效果有限。目前,雷达波吸收涂料覆盖的频率也比较狭窄,涂料本身也会增加作战飞机的重量,降低作战性能,只用于一些辅助性场合。整形的效果就要好得多,可以对付目前大多数对空雷达,所以第四代作战飞机普遍采用整形手段提高自己的隐身能力,即通过合理设计机身外形达到控制飞机雷达截面积(RCS)的目的。由于批量生产的作战飞机外形很难再做大的改动,所以整形并不适合对现役作战飞机的隐身改进。

  第四代作战飞机整形隐身设计的基本原则就是波束控制,即通过合理设计外形,让照射飞机的电磁波集中在少数几个方向,其他方向回波很弱。这样对于照射雷达来说,只会形成闪烁的信号,不容易探测、识别和跟踪,其具体措施包括:

形成了美国对隐身作战飞机的垄断。另外,研制作战飞机的时候,达到什么程度的隐身是一个值得慎重研究的问题。

  前面说过,作战飞机的性能取决于多种因素,隐身只是其中非常重要的一个方面,但并不是全部。考虑到隐身设计对于飞机其他性能如机动性能、武器装载的灵活性以及制造成本都有不利的一面,过分强调隐身最终反而可能对作战飞机的效能造成损害。所以,各国在研制隐身作战飞机的时候更多根据实际作战环境,结合自己的经济技术实力来做相应的要求,而不是隐身能力越强越好。这里有一个最明显的例子:在美国ATF项目选型中,从隐身角度来讲YF-23比YF-22要好,前者采用V形尾翼,在平面投影中前后缘与机翼前后缘分别平行,较好地实现了波束控制。所以,YF-23能把波束控制在4个角度以内;而YF-22机翼后缘前掠角与前缘后掠角不一致,并且尾翼后缘前缘的角度也与其他边缘角度不相同,只能实现8个角度的反射波束,所以隐身能力逊于YF-23。但是,YF-22的好处是增加了机翼面积,降低了翼载荷,从而提高了机动性能。所以,YF-22的综合作战能力要高于YF-23,最终美国空军选择了前者。

  美、俄第四代战机的隐身技术特点

  F-22是世界上第一种真正实用的隐身战斗机,也正是该机确立了隐身战斗机的4S标准和一系列原则。所以,后来的隐身战斗机如T-50,甚至中国歼-20都能看到F-22的影子。F-22采用双发、双垂尾带边条翼的常规气动布局,由于考虑到隐身、超音速巡航和格斗等多种因素,该机最终选择了较为复杂的梯形翼,前缘后掠42°,后缘前掠17°。F-22机翼选择的后掠角较大,展弦比和尖削比都较小,这主要是因为后掠角大可以有效偏离雷达照射电波,展弦比小可以降低飞

  机的横向尺寸,而尖削比小的机翼根弦长,可以对机身侧面有较好的遮挡。实际上,YF-22机翼的最初后掠角为48°,正式量产后的F-22为42°,这意味着翼展的增加,其目的在于降低诱导阻力,提高在高亚音速的机动和续航能力,也是在隐身和机动性能方面做的又一个平衡。

  F-22采用常规尾翼布局,双垂尾向外倾斜27°,可以避开侧面的雷达波。平尾和机翼在同一个水平面上,可以一起形成对飞机侧面的遮挡。F-22机翼、尾翼的前后缘基本上平行,垂尾前缘俯视投影的后掠角也与机翼前缘平行,这样有助于飞机把雷达波束控制在几个方向上。但是,F-22机翼的后缘与前缘角度不一致,垂尾后缘也与其他翼面不平行,所以只能保持8个波束隐身性能,比起YF-23的4波束还是要逊色几分。F-22的边条从机头开始延伸,然后利用进气道上表面与机翼融为一体,这样做的好处是可以从机头就把涡拉出来,然后利用机身边条继续进行加强,最终对机翼气流进行加强和补充,以推迟分离。这样的设计不但可以保持大迎角时的升力,与外倾的垂尾结合还可以改善飞机大迎角时的横侧稳定性,进一步提高机动性能。F-22的机翼采用了弯扭和机动襟翼等措施,这些都力求兼顾隐身和机动性能等各方面的要求。

  F-22的机身呈现菱形,上、下分别向内倾斜35°,这主要是避开主要威胁方向的雷达波。根据有关资料,飞机侧面所受到的威胁主要集中在上、下30°以内。F-22的机身腹部较为平坦,主要是为了便于布置内部弹舱,同时也有助于提高飞机的隐身性能。平坦的机腹表面可以把大角度照射的雷达波折射开,这样雷达接收到的反射信号就很弱,除非入射波接近垂直的法线方向,从而增加飞机的RCS,但是这种机会和延续的时间一般都很小。F-22采用固定式进气道,进气道唇口在水平和垂直方向后掠,这样做的好处是可以提高飞机大迎角时进气的稳定性,同时在俯视时唇口的后掠角与机翼完全平行,侧视时唇口和垂尾后掠完全平行,大幅减弱雷达反射波。进气道内部则采用S形设计,避免了雷达波直接照射到发动机。F-22采用的是二元喷口,固定侧壁和喷管横截面积可以

  调节,上、下调节板可以上、下俯仰20°偏转推力矢量。由于两个矩形喷口可以紧密的靠在一起,同时表面分离也小,这样就减少了底部面积和中间整流,有助于减少喷口机体的阻力。同时,喷口上、下缘做成锯齿形,加上矩形的喉道可以阻挡入射的雷达电波,有助于减少后向RCS。F-22的其他隐身措施还包括:机载武器内部挂载:武器舱门及其他外部开口填补导电材料,同时采用锯齿状边缘;采用整体式舱盖,取消金属风档,舱盖玻璃上采用金沉积镀层以阻挡雷达波照射到仪表板、座椅等处形成镜面反射等。

  正是通过上述设计,让F-22成为具备高隐身性能、机动性能和敏捷性以及超音速巡航能力于一身的超级战斗机。根据有关资料,F-22的超音速机动性能比F-15高90%左右,高亚音速性能机动性能比F-15高30%左右,特别是F-22可以超音速巡航500公里以上。凭借推力矢量和先进气动布局,让F-22可以稳定进行60°左右的过失机动,这是第三代作战飞机所不具备的能力。而隐身布局设计让F-22在超视距空战中面对第三代作战飞机占据绝对优势。国外曾经做过RCS对空战影响的模拟,结果表明,RCS降低一个数量级,空战效能可以提高3倍左右,其效能是相当明显的。所以,F-22在模拟空战中对三代机能够取得较大的交换比绝非偶然。

  T-50(亦称PAK-FA未来前线歼击系统)是俄罗斯在新世纪研制的隐身战斗机,该机因酷似F-22而被戏称为“猛禽斯基”。从俯视和仰视来看,T-50几乎与F-22相同:采用后掠角前缘的梯形翼,机翼有大边条,V形全动垂尾,机翼和尾翼实现了边缘平行,有助于控制波束反射,飞机有折线,呈现菱形。从隐身设计和气动布局来说,T-50的确与F-22相近,但是如果仔细观察,该机也有自己的缺点。首先,T-50保留了苏-27的升力体结构,边条、机身和机翼形成一个统一的升力结构,从而让飞机具备较好的升力特点,但与苏-27不同的是,T-50将进气道由机身改变到肋下,这样边条就可以为进气道提供预先压缩,以提高进气的可靠性,同时在两个发动机舱之间还可以比较方便的布置武器弹舱。这样做的结果就是T-50的机身腹部并不平坦,发动机舱与机身形成空腔结构,而这恰好就是雷达波的良好反射结构。所以,T-50对于仰视的雷达来说,其隐身处理就不如机腹平坦的F-22。

  从机翼来看,T-50的机翼前缘后掠角明显大于F-22,这样其展弦比较小,高速性能较好,但是机动性等性能就较差。作为弥补,T-50采用尺寸较大的边条,以获得较大的升力。同时,T-50使用的还是可动边条,形成一种近似三翼面布局的设计。可动边条与固定式边条相比,其优点是可以主动控制涡的发生,从而提高飞机的升力:与鸭式前翼相比,又可以减少飞机前视的不连续性,从而降

低飞机的雷达RCS。从目前来看,T-50采用类似于F-22的CRAT进气道,对进气道唇口进行了一定的隐身处理,但是进气道本身似乎并没有进行采用s形这样的弯曲设计。这样就会造成雷达波直接照射发动机的情况,从而影响前向RCS。没有经过处理的还有尾部。

  从目前的原型机照片来看,T-50的尾部几乎没有经过隐身处理,有一个与苏-27相当的大型尾锥,其作用可能是平滑机身,让其更加符合面积律,同时降低阻力。T-50没有考虑到隐身处理的其他地方还有:座舱前可以清晰地看见一部传统的鼓包型前视红外搜索与跟踪系统(IRST),这是俄罗斯战斗机的标准装备。这个鼓包可以造成比较强烈的雷达波散射,在飞机整体经过隐身处理的情况下,这个散射就比较明显了,这也是为什么F-22没有装备IRST的原因。F-35由于技术的进步,采用分布式孔径系统,就是把红外器件窗口分布在机身不同的地方,然后由数据处理系统对器件获得的图像进行融合,得到整体的战场态势。这样做的优点是最大限度地避免了机体表面的突起,以降低RCS。如果我们不仔细看,很难找到F-35座舱前的IRST的窗口。还有就是T-50仍旧采用带金属风档的座舱,并且座舱上面还有一具金属骨架横穿整个舱盖,这些都会不可避免地造成RCS的增加。苏霍伊设计局似乎无意于对这些部件进行隐身设计,原因可能是为了降低飞机设计的难度,同时减少成本。但是,这样造成的结果就是T-50的隐身能力大打折扣,尤其是关键的前向RCS,比起F-22恐怕还有较大差距。

  歼-20隐身设计特点

  当我国歼-20型战斗机亮相以后,连最挑剔的西方评论也认为该机是中国自行研制的隐身战斗机,与目前已知的F-22或者T-50在外形上几乎没有相似之处。从网络上流传图片来看,歼-20采用了单座、双发、带边条的鸭式布局,体现了设计者力图在隐身和机动性能之间寻找平衡的思想。许多人认为鸭式布局影响飞机隐身,实际上根据波束控制理论,只要飞机主要边缘平行,就会把波束反射控制在几个主要方向上。歼-20的鸭翼和机翼在同一个平面上,这样就比较容易做到飞机的主要边缘平行,从而控制波束的反射方向。

  从图片上看,歼-20的机翼与F-20、T-50相同,都是后缘前掠的梯形翼。显然,这个设计可以较好地兼顾隐身、机动和航程等方面的性能,已经得到广泛的认可。歼-20采用的是后掠式鸭翼,前缘与机翼前缘平行以实现波束控制。由于平面形状不同,所以两者的后缘不平行。歼-20之所以这样设计,可能是因为对于鸭翼来说,其处于机翼的上洗气流之中,在大迎角时存在配平和操纵问题。同时,鸭翼本身对于垂尾也有干扰,所以采用较小机翼面积设计,以降低这些不利的影响。

  歼-20的机头和机身呈菱形,垂尾也向外倾斜,以偏离侧面照射的雷达波。同时,机身上下比较平坦,容易布置内部弹舱,还可以折射大部分角度入射的雷达波,降低RCS。此外,歼-20的座舱较为靠前,进气道显得较长,并且采用了DSI设计。这表示歼-20的进气道可能为S形设计,以屏蔽发动机这个主要的雷达波反射源。S形进气道对总压恢复系数会造成一定的影响,从而影响发动机的推力,所以把进气道拉长,以最大限度降低这种影响。歼-20的后机身隐身处理比较少,但是尾喷口可以清楚看到锯齿边缘的存在,这表示设计者重视后向RCS的控制,不过考虑到飞机推力可能的损失,并没有采取进一步的措施。歼-20的其他隐身设计包括:没有采用传统的鼓包形IRST,同时起落架舱门边缘也可以看见锯齿形设计。前者是为了消除飞机外形一个主要的雷达波散射源,后者的锯齿边缘与飞机主要外形边缘平行,将散射源纳入到主要反射波束中去。

  令人惊喜的是,歼-20采用了与F-22类似的整体式舱盖,由于消除了金属风档,加上采用镀层来反射雷达电波,有效降低了飞机的RCS。这个设计与T-50满是金属骨架的座舱形成鲜明对照。可见,设计者在设计歼-20的时候,的确把隐身能力放在一个较高的位置上来考虑。采用整体式舱盖的当今战斗机只有F-16和F-22两种,连欧洲“三剑客”都没有做到,这充分反映了我国工业基础的提高和进步。

  前面说过,隐身性能和机动性能有时候会出现矛盾。比如,当鸭翼与机翼在一个平面的时候,提高了隐身性能,却降低了鸭翼的作用。我们知道,鸭式布局原理是利用涡升力,也就是鸭翼先把涡拉起来,进行加强,对机翼表面气流进行补充,以推迟分离,从而增加主机翼升力,提高机动性能。所以,传统的鸭式布局中鸭翼一般在主机翼上方,这样可以加大两者之间的距离,有助于涡的生成和加强。但是其缺点就是增加一个反射面,并且雷达波在两者之间多次反射后,可能有一部分会反射回去。那么,如何弥补鸭翼效能的损失?从目前来看,歼-20采用了鸭翼加边条的办法,就是鸭翼先把涡拉起来,然后边条再对箕进行加强,这样就较好地解决了这个问题。从图片上看,歼-20的气动系统非常复杂,首先利用机头和机身棱边把涡生成,然后鸭翼对这个涡进行加强,与机翼边条拉出来的涡一起对主机翼表面气流进行补充和加强,以最大程度地利用涡的升力。根据相关资料,这种设计不但能提高飞机在大迎角条件下的升力,还有效地降低了阻力。

  菱形的机头棱边还有另外一个作用,就是控制大迎角条件下机头涡的分离,以提供更好的俯仰和方向稳定性。这实际上表示设计者对于过失机动性能的加强。另外,歼-20的鸭翼存在上反角。对于鸭翼而言,大迎角状态下上反鸭翼的升力较小。之所以采用这个设计,可能还是希望鸭翼与主翼的距离能够更大一些,提高涡的强度。涡的强度提高也有不利的一面,就是对垂尾有一定的影响,从而降低飞机的纵向稳定性。为了降低这种不利影响,歼-20采用了较小的双垂尾,衍生的结果就是垂尾效率降低,所以将其设计为全动垂尾。这个设计的优点就是通过与飞控及电传操纵系统的联动,实现对航向的主动纠偏和控制。这显然需要研制单位在飞控系统方面有深厚的功底,因为这种设计会增加飞机的气动控制面,如何协调各控制面的工作是一件非常复杂的事情。歼-20采用这样的气动外形设计,体现出研制单位对于飞控系统的自信。

  设计者重视机动性能还体现在整体式舱盖的设计上。对于在视距内进行的近距格斗空战而言,飞行员主要使用红外空空导弹和航炮等机载武器,因此需要有良好的视野。过去,由于材料及工艺不足,我国战斗机多采用带曲形风档的座舱盖,限制了飞行员的视野,在瞬息万变的现代空战中非常不利。如今,歼-20也采用了整体式舱盖,无疑是我国航空工业制造水平的一次飞跃。另外,鸭式布局还体现了对超音速巡航等能力的要求。从图片上看,歼-20的机身较长,长细比较大,速度性能较好。而鸭式布局比正常布局有更好的光滑和均匀的纵向面积分布,可以得到较低

 

  控制飞机的尺寸和体积通常来讲,飞机尺寸越小,RCS也就越小。但是在许多情况下要求飞机有较大的航程和作战半径,具备较强的载弹量,所以其尺寸和体积很难大幅缩小。这时就不妨另辟蹊径,通过控制飞机部件尺寸的办法来降低RRCS,比如采用小展弦比机翼,这样就由于展长的减少,降低了雷达反射信号强度。

  排除飞机的垂直面飞机的垂直面——特别是直角相交部件,都属于雷达的强反射体,可以用圆弧面过渡以避免雷达的强反射。

  以一个部件来遮蔽另外一个部件喷气式发动机高速旋转的压气机叶片是强电磁波反射源,现代雷达甚至可以通过“读”出对方发动机叶片数量来识别出目标的型号,因此要用进气道对其遮蔽。而进气道本身是一个空腔结构,也是良好的雷达波反射体,所以现代隐身飞机多采用S形进气道,通过弯曲的进气道来遮蔽发动机。通过S形进气道的曲面也会让雷达波多次反射后偏离原来的照射方向,结合在进气道采用涂料、遮蔽结构等措施,还会进一步降低进气道的RCS。除了进气道外,雷达波从尾喷管也有可能照射到发动机,所以有的作战飞机采用了S形喷口,入射波不能直达涡轮,进出都受到阻挡,让喷管的RCS大为降低。但是,这样做的后果就是要损失推力,所以大多数作战飞机对此并没有做太多的处理。

  将所有翼面边缘设计为少数几个平行方向以形成波束控制这是隐身飞机外形设计中最重要的隐身措施比如将机翼前、后缘均斜掠45°,这样只在这个方向形成反射波束,最大限度地提高飞机的隐身性能。同时,将机身设计成菱形,垂尾外倾,以避开侧面的雷达探测。机载雷达是作战飞机最主要的探测设备,同样也是对方雷达的强烈反射源。这是因为传统雷达天线受机械扫描限制,天线都是垂直安装在机头内,加上雷达罩为透波材料,这样雷达天线本身也成了一个强烈的反射源,解决的办法就是采用有源相控阵雷达(AESA)。由于AESA是电子扫描天线,可以俯仰安装,这样就可以偏离照射雷达电波。

  除了机身的隐身措施,战机还有众多的系统、设备,有些不可避免地要突出机体,从而形成鼓包、缝隙,这样都会形成雷达散射源。在飞机外形实施了波束控制后,这些散射源的控制也变得十分重要。解决的办法就是尽量消除外露设备和天线,采用埋入式设备,同时把飞机舱门等处的缝隙设计成锯齿状,让其平行于飞机的主要边缘,以符合波束控制原理。将飞机缝隙的散射源纳入到飞机少数几个反射波束中去,以降低RCS。

  飞机的外挂载武器是另外一个强电磁波反射源,这是因为机载武器不仅仅自己有一定的RCS,外挂和机体还会发生互反射效应,从而提高RCS。最彻底的办法就是机载武器全部采用装载到内部弹舱中,利用机身遮蔽机载武器,这样就可以大大降低飞机的RCS。从以上我们可以看出,隐身设计是一个非常复杂的过程,往往一个细节没有考虑到,就可能造成整体隐身能力的下降。比如F-117是雷达RCS最小的隐身飞机之一,但试飞时仅仅加装了一个数英尺长的空速管,就被E-3预警机探测到了。

  隐身设计的复杂性不仅在于其本身,还在于隐身设计要和其他性能综合到一起来考虑。比如超音速巡航要求飞机具备一定的长细比,并且机身设计要符合面积律。但是,如果机载武器内挂的话,就会造成飞机横向尺寸的增加,同时给机身设计带来困难。再比如,飞机为了降低RCS,采用小展弦比设计,机翼后掠角较大,这样的结果就是飞机机翼面积的减少,翼荷增大。同时,小展弦比虽然具备激波阻力小、易于超音速巡航的优点,但是诱导阻力同时增大,不利于高亚音速时的格斗和增大航程,采用S进气道和喷口会造成发动机推力的损失等。所以,我们看到隐身技术首先运用在轰炸机和攻击机上,然后才用在隐身战斗机上。就是因为前两种飞机对于空战性能没有要求。

  由于隐身飞机设计的复杂性,让其研制和装备部队需要大量的人力、物力作为支撑。例如JSF项目的研制费用超过2000亿美元,导致F-35的最新报价超过1亿美元。如此高昂的费用不但一般国家,甚至连美国也感觉不堪重负。而在JSF研制中引入伙伴国的概念,说白了就是让盟国分担研制费用。由于所需要的经济技术投入太过庞大,所以在相当长一个时期内,

形成了美国对隐身作战飞机的垄断。另外,研制作战飞机的时候,达到什么程度的隐身是一个值得慎重研究的问题。

  前面说过,作战飞机的性能取决于多种因素,隐身只是其中非常重要的一个方面,但并不是全部。考虑到隐身设计对于飞机其他性能如机动性能、武器装载的灵活性以及制造成本都有不利的一面,过分强调隐身最终反而可能对作战飞机的效能造成损害。所以,各国在研制隐身作战飞机的时候更多根据实际作战环境,结合自己的经济技术实力来做相应的要求,而不是隐身能力越强越好。这里有一个最明显的例子:在美国ATF项目选型中,从隐身角度来讲YF-23比YF-22要好,前者采用V形尾翼,在平面投影中前后缘与机翼前后缘分别平行,较好地实现了波束控制。所以,YF-23能把波束控制在4个角度以内;而YF-22机翼后缘前掠角与前缘后掠角不一致,并且尾翼后缘前缘的角度也与其他边缘角度不相同,只能实现8个角度的反射波束,所以隐身能力逊于YF-23。但是,YF-22的好处是增加了机翼面积,降低了翼载荷,从而提高了机动性能。所以,YF-22的综合作战能力要高于YF-23,最终美国空军选择了前者。

  美、俄第四代战机的隐身技术特点

  F-22是世界上第一种真正实用的隐身战斗机,也正是该机确立了隐身战斗机的4S标准和一系列原则。所以,后来的隐身战斗机如T-50,甚至中国歼-20都能看到F-22的影子。F-22采用双发、双垂尾带边条翼的常规气动布局,由于考虑到隐身、超音速巡航和格斗等多种因素,该机最终选择了较为复杂的梯形翼,前缘后掠42°,后缘前掠17°。F-22机翼选择的后掠角较大,展弦比和尖削比都较小,这主要是因为后掠角大可以有效偏离雷达照射电波,展弦比小可以降低飞

  机的横向尺寸,而尖削比小的机翼根弦长,可以对机身侧面有较好的遮挡。实际上,YF-22机翼的最初后掠角为48°,正式量产后的F-22为42°,这意味着翼展的增加,其目的在于降低诱导阻力,提高在高亚音速的机动和续航能力,也是在隐身和机动性能方面做的又一个平衡。

  F-22采用常规尾翼布局,双垂尾向外倾斜27°,可以避开侧面的雷达波。平尾和机翼在同一个水平面上,可以一起形成对飞机侧面的遮挡。F-22机翼、尾翼的前后缘基本上平行,垂尾前缘俯视投影的后掠角也与机翼前缘平行,这样有助于飞机把雷达波束控制在几个方向上。但是,F-22机翼的后缘与前缘角度不一致,垂尾后缘也与其他翼面不平行,所以只能保持8个波束隐身性能,比起YF-23的4波束还是要逊色几分。F-22的边条从机头开始延伸,然后利用进气道上表面与机翼融为一体,这样做的好处是可以从机头就把涡拉出来,然后利用机身边条继续进行加强,最终对机翼气流进行加强和补充,以推迟分离。这样的设计不但可以保持大迎角时的升力,与外倾的垂尾结合还可以改善飞机大迎角时的横侧稳定性,进一步提高机动性能。F-22的机翼采用了弯扭和机动襟翼等措施,这些都力求兼顾隐身和机动性能等各方面的要求。

  F-22的机身呈现菱形,上、下分别向内倾斜35°,这主要是避开主要威胁方向的雷达波。根据有关资料,飞机侧面所受到的威胁主要集中在上、下30°以内。F-22的机身腹部较为平坦,主要是为了便于布置内部弹舱,同时也有助于提高飞机的隐身性能。平坦的机腹表面可以把大角度照射的雷达波折射开,这样雷达接收到的反射信号就很弱,除非入射波接近垂直的法线方向,从而增加飞机的RCS,但是这种机会和延续的时间一般都很小。F-22采用固定式进气道,进气道唇口在水平和垂直方向后掠,这样做的好处是可以提高飞机大迎角时进气的稳定性,同时在俯视时唇口的后掠角与机翼完全平行,侧视时唇口和垂尾后掠完全平行,大幅减弱雷达反射波。进气道内部则采用S形设计,避免了雷达波直接照射到发动机。F-22采用的是二元喷口,固定侧壁和喷管横截面积可以

  调节,上、下调节板可以上、下俯仰20°偏转推力矢量。由于两个矩形喷口可以紧密的靠在一起,同时表面分离也小,这样就减少了底部面积和中间整流,有助于减少喷口机体的阻力。同时,喷口上、下缘做成锯齿形,加上矩形的喉道可以阻挡入射的雷达电波,有助于减少后向RCS。F-22的其他隐身措施还包括:机载武器内部挂载:武器舱门及其他外部开口填补导电材料,同时采用锯齿状边缘;采用整体式舱盖,取消金属风档,舱盖玻璃上采用金沉积镀层以阻挡雷达波照射到仪表板、座椅等处形成镜面反射等。

  正是通过上述设计,让F-22成为具备高隐身性能、机动性能和敏捷性以及超音速巡航能力于一身的超级战斗机。根据有关资料,F-22的超音速机动性能比F-15高90%左右,高亚音速性能机动性能比F-15高30%左右,特别是F-22可以超音速巡航500公里以上。凭借推力矢量和先进气动布局,让F-22可以稳定进行60°左右的过失机动,这是第三代作战飞机所不具备的能力。而隐身布局设计让F-22在超视距空战中面对第三代作战飞机占据绝对优势。国外曾经做过RCS对空战影响的模拟,结果表明,RCS降低一个数量级,空战效能可以提高3倍左右,其效能是相当明显的。所以,F-22在模拟空战中对三代机能够取得较大的交换比绝非偶然。

  T-50(亦称PAK-FA未来前线歼击系统)是俄罗斯在新世纪研制的隐身战斗机,该机因酷似F-22而被戏称为“猛禽斯基”。从俯视和仰视来看,T-50几乎与F-22相同:采用后掠角前缘的梯形翼,机翼有大边条,V形全动垂尾,机翼和尾翼实现了边缘平行,有助于控制波束反射,飞机有折线,呈现菱形。从隐身设计和气动布局来说,T-50的确与F-22相近,但是如果仔细观察,该机也有自己的缺点。首先,T-50保留了苏-27的升力体结构,边条、机身和机翼形成一个统一的升力结构,从而让飞机具备较好的升力特点,但与苏-27不同的是,T-50将进气道由机身改变到肋下,这样边条就可以为进气道提供预先压缩,以提高进气的可靠性,同时在两个发动机舱之间还可以比较方便的布置武器弹舱。这样做的结果就是T-50的机身腹部并不平坦,发动机舱与机身形成空腔结构,而这恰好就是雷达波的良好反射结构。所以,T-50对于仰视的雷达来说,其隐身处理就不如机腹平坦的F-22。

  从机翼来看,T-50的机翼前缘后掠角明显大于F-22,这样其展弦比较小,高速性能较好,但是机动性等性能就较差。作为弥补,T-50采用尺寸较大的边条,以获得较大的升力。同时,T-50使用的还是可动边条,形成一种近似三翼面布局的设计。可动边条与固定式边条相比,其优点是可以主动控制涡的发生,从而提高飞机的升力:与鸭式前翼相比,又可以减少飞机前视的不连续性,从而降

低飞机的雷达RCS。从目前来看,T-50采用类似于F-22的CRAT进气道,对进气道唇口进行了一定的隐身处理,但是进气道本身似乎并没有进行采用s形这样的弯曲设计。这样就会造成雷达波直接照射发动机的情况,从而影响前向RCS。没有经过处理的还有尾部。

  从目前的原型机照片来看,T-50的尾部几乎没有经过隐身处理,有一个与苏-27相当的大型尾锥,其作用可能是平滑机身,让其更加符合面积律,同时降低阻力。T-50没有考虑到隐身处理的其他地方还有:座舱前可以清晰地看见一部传统的鼓包型前视红外搜索与跟踪系统(IRST),这是俄罗斯战斗机的标准装备。这个鼓包可以造成比较强烈的雷达波散射,在飞机整体经过隐身处理的情况下,这个散射就比较明显了,这也是为什么F-22没有装备IRST的原因。F-35由于技术的进步,采用分布式孔径系统,就是把红外器件窗口分布在机身不同的地方,然后由数据处理系统对器件获得的图像进行融合,得到整体的战场态势。这样做的优点是最大限度地避免了机体表面的突起,以降低RCS。如果我们不仔细看,很难找到F-35座舱前的IRST的窗口。还有就是T-50仍旧采用带金属风档的座舱,并且座舱上面还有一具金属骨架横穿整个舱盖,这些都会不可避免地造成RCS的增加。苏霍伊设计局似乎无意于对这些部件进行隐身设计,原因可能是为了降低飞机设计的难度,同时减少成本。但是,这样造成的结果就是T-50的隐身能力大打折扣,尤其是关键的前向RCS,比起F-22恐怕还有较大差距。

  歼-20隐身设计特点

  当我国歼-20型战斗机亮相以后,连最挑剔的西方评论也认为该机是中国自行研制的隐身战斗机,与目前已知的F-22或者T-50在外形上几乎没有相似之处。从网络上流传图片来看,歼-20采用了单座、双发、带边条的鸭式布局,体现了设计者力图在隐身和机动性能之间寻找平衡的思想。许多人认为鸭式布局影响飞机隐身,实际上根据波束控制理论,只要飞机主要边缘平行,就会把波束反射控制在几个主要方向上。歼-20的鸭翼和机翼在同一个平面上,这样就比较容易做到飞机的主要边缘平行,从而控制波束的反射方向。

  从图片上看,歼-20的机翼与F-20、T-50相同,都是后缘前掠的梯形翼。显然,这个设计可以较好地兼顾隐身、机动和航程等方面的性能,已经得到广泛的认可。歼-20采用的是后掠式鸭翼,前缘与机翼前缘平行以实现波束控制。由于平面形状不同,所以两者的后缘不平行。歼-20之所以这样设计,可能是因为对于鸭翼来说,其处于机翼的上洗气流之中,在大迎角时存在配平和操纵问题。同时,鸭翼本身对于垂尾也有干扰,所以采用较小机翼面积设计,以降低这些不利的影响。

  歼-20的机头和机身呈菱形,垂尾也向外倾斜,以偏离侧面照射的雷达波。同时,机身上下比较平坦,容易布置内部弹舱,还可以折射大部分角度入射的雷达波,降低RCS。此外,歼-20的座舱较为靠前,进气道显得较长,并且采用了DSI设计。这表示歼-20的进气道可能为S形设计,以屏蔽发动机这个主要的雷达波反射源。S形进气道对总压恢复系数会造成一定的影响,从而影响发动机的推力,所以把进气道拉长,以最大限度降低这种影响。歼-20的后机身隐身处理比较少,但是尾喷口可以清楚看到锯齿边缘的存在,这表示设计者重视后向RCS的控制,不过考虑到飞机推力可能的损失,并没有采取进一步的措施。歼-20的其他隐身设计包括:没有采用传统的鼓包形IRST,同时起落架舱门边缘也可以看见锯齿形设计。前者是为了消除飞机外形一个主要的雷达波散射源,后者的锯齿边缘与飞机主要外形边缘平行,将散射源纳入到主要反射波束中去。

  令人惊喜的是,歼-20采用了与F-22类似的整体式舱盖,由于消除了金属风档,加上采用镀层来反射雷达电波,有效降低了飞机的RCS。这个设计与T-50满是金属骨架的座舱形成鲜明对照。可见,设计者在设计歼-20的时候,的确把隐身能力放在一个较高的位置上来考虑。采用整体式舱盖的当今战斗机只有F-16和F-22两种,连欧洲“三剑客”都没有做到,这充分反映了我国工业基础的提高和进步。

  前面说过,隐身性能和机动性能有时候会出现矛盾。比如,当鸭翼与机翼在一个平面的时候,提高了隐身性能,却降低了鸭翼的作用。我们知道,鸭式布局原理是利用涡升力,也就是鸭翼先把涡拉起来,进行加强,对机翼表面气流进行补充,以推迟分离,从而增加主机翼升力,提高机动性能。所以,传统的鸭式布局中鸭翼一般在主机翼上方,这样可以加大两者之间的距离,有助于涡的生成和加强。但是其缺点就是增加一个反射面,并且雷达波在两者之间多次反射后,可能有一部分会反射回去。那么,如何弥补鸭翼效能的损失?从目前来看,歼-20采用了鸭翼加边条的办法,就是鸭翼先把涡拉起来,然后边条再对箕进行加强,这样就较好地解决了这个问题。从图片上看,歼-20的气动系统非常复杂,首先利用机头和机身棱边把涡生成,然后鸭翼对这个涡进行加强,与机翼边条拉出来的涡一起对主机翼表面气流进行补充和加强,以最大程度地利用涡的升力。根据相关资料,这种设计不但能提高飞机在大迎角条件下的升力,还有效地降低了阻力。

  菱形的机头棱边还有另外一个作用,就是控制大迎角条件下机头涡的分离,以提供更好的俯仰和方向稳定性。这实际上表示设计者对于过失机动性能的加强。另外,歼-20的鸭翼存在上反角。对于鸭翼而言,大迎角状态下上反鸭翼的升力较小。之所以采用这个设计,可能还是希望鸭翼与主翼的距离能够更大一些,提高涡的强度。涡的强度提高也有不利的一面,就是对垂尾有一定的影响,从而降低飞机的纵向稳定性。为了降低这种不利影响,歼-20采用了较小的双垂尾,衍生的结果就是垂尾效率降低,所以将其设计为全动垂尾。这个设计的优点就是通过与飞控及电传操纵系统的联动,实现对航向的主动纠偏和控制。这显然需要研制单位在飞控系统方面有深厚的功底,因为这种设计会增加飞机的气动控制面,如何协调各控制面的工作是一件非常复杂的事情。歼-20采用这样的气动外形设计,体现出研制单位对于飞控系统的自信。

  设计者重视机动性能还体现在整体式舱盖的设计上。对于在视距内进行的近距格斗空战而言,飞行员主要使用红外空空导弹和航炮等机载武器,因此需要有良好的视野。过去,由于材料及工艺不足,我国战斗机多采用带曲形风档的座舱盖,限制了飞行员的视野,在瞬息万变的现代空战中非常不利。如今,歼-20也采用了整体式舱盖,无疑是我国航空工业制造水平的一次飞跃。另外,鸭式布局还体现了对超音速巡航等能力的要求。从图片上看,歼-20的机身较长,长细比较大,速度性能较好。而鸭式布局比正常布局有更好的光滑和均匀的纵向面积分布,可以得到较低

的超音速阻力,加上机翼展弦比较小,激波阻力较小,因此超音速性能较好。同时,由于鸭翼位置远离重心,较小的面积就可以起到较好的气动力矩效果,从而降低了飞机的重量和体积。这一点对于航空发动机研制基础尚不雄厚的我国来说,显然有着非常现实的意义。

  中、美、俄第四代战机横向对比

  F-22、T-50和歼-20作为当今世界仅有的3种第四代双发重型战斗机,都反映了设计者力图在隐身和机动等性能方面确定的平衡点,尽管三者采取的措施不尽相同,却是各国综合国力的最好反映。

  F-22是目前世界公认的作战能力最强的作战飞机,它所创立的第四代战机标杆至今仍旧无人超越,其背后是美国强大的经济、技术实力的支撑。F-22采用固定边条式布局,在大迎角时的升力特点并不低于鸭式布局,同时也减少了飞机前视的不连续性,有助于降低前向RCS。但是其缺点就是由于边条固定不动,不能主动控制涡的发生,在不同情况下的适应能力就较低。该机还有一个不容忽视的缺点:由于第四代作战飞机应具备超音速巡航能力,因此机身需要一定的长细比,这样飞机尺寸就较大,加上采用大后掠小展弦比机翼,造成重心后移,加上发动机重量也随之增加,进一步加大了重心后移程度。这样一来,飞机平尾到重心的距离减少,导致气动力矩减小。为了保证稳定性和操纵性,就必须加大平尾面积,进而造成平尾重量的增加,对于控制飞机的重量和重心都非常不利。但对于F-22来说,凭借F119这样先进的大推力涡扇发动机,可以接受这样的代价。

  同样道理也发生在进气道:F-22采用了固定式进气道,高速条件下总压恢复系数较低,影响了发动机的推力。但由于F119推力够大,损失这点也没有关系,固定式进气道带来的隐身及重量上的好处也可以弥补部分推力损失。同样因为发动机推力够大,能够让F-22减少机翼后掠角,增加展弦比,以提高亚音速时的机动性能,从而性能更加全面。所以说F-22的作战能力不仅仅来源于其气动外形设计本身,还有其配套的F119提供的强大动力。对于其他国家来说,研制F119这个级别发动机的难度并不亚于F-22本身。从这里我们可以看出那句至理名言;决定一个国家设计什么样飞机的,不是飞机设计师,而是发动机设计师。有了先进的发动机,可以让F-22从容选择更佳的方案,从而得到更全面的性能,这是其他国家研制飞机所无法具备的物质基础。

  面对冷战后期美国ATF项目的压力,前苏联也曾研制MFI多用途战斗机,其直接产物就是从未飞上过蓝天的米格1.44原型机。从公开的原型机来看,MFI采用了鸭式布局。鸭式布局的一大优点就是鸭翼远离重心,可以得到较大的气动力矩,因此较小的鸭翼也可以得到较好的操纵性和升阻比。利用鸭翼对前翼产生的有利干扰,加上在机翼采用机动襟翼结合推力矢量等措施,可以得到更大的升力体系数,获得良好的高亚音速机动性能。超音速飞行时由于配平阻力低而得到更大的升阻比,这样在同样的条件下,鸭式飞机可以在重量和体积上比正常布局飞机有一定的优势。实际上,洛克希德在ATF和JSF两个项目的竞争中都曾经考虑过鸭式布局,但最终还是选择了常规气动布局,主要还是因为鸭式布局对隐身有一定的影响。另外,ATF由于有超短距起降要求,采用了较大的后缘机动襟翼,会让鸭翼产生难以克服的低头力矩。

  从原型机来看,MFI在隐身和机动性能的选择上更多地偏重了机动性能。其鸭翼位于机翼上方,并且有锯齿用于涡的发生,这些措施可以提高机动性能,但是对隐身极不利。尽管MFI也采用了s进气道、V形垂尾和吸波涂料等措施,但其隐身性能明显低于F-22。实际上,MFI的作战背景是在前苏联完善的防空指挥引导体系下作战,利用外部信息支援逼近F-22,在格斗空战中战胜对方。但是随着前苏联的解体,这一套体系已经不存在,而北约的战区空中指挥引导体系日益完善。特别是随着F-35的成熟,从北欧的挪威到南欧的土耳其,俄罗斯面临隐身战斗机的包围。所以,俄罗斯空军新一代作战飞机需要较强的隐身能力,这也是为什么俄罗斯要把MFI推倒重来,重新研制PAK-FA的根本原因。

  从外形上看,T-50在隐身和机动方面明显向前者倾斜,以确保能够在北约严密的战区空中指挥引导体系中生存。同时,该机采取可动边条等措施,最大限度地提高机动性能,以实现在空战中对抗西方第四代作战飞机的要求。不过,T-50在大方面保持较好的隐身性能,但在细节问题并没有处理,甚至进气道这个关键问题也没有过多的关注。笔者认为,这主要受限于俄罗斯目前的经济技术实力,细节处理过多,飞机的重量、体积和成本都会随之猛增,还有就是设计者对于发动机信心不足。从目前的资料来看,T-50配套的117S发动机在各方面性能比F119还是有较大的差距,这实际上限制了设计者可能的选择,比如S进气道对推力带来的损失,进一步影响飞机的推重比,从而影响机动性能等等。

  歼-20给人的第一印象就是,这架飞机几乎把所有能够利用涡升力的手段都用上了,包括机头、机身边条、鸭翼等。显然,这架飞机有着非常良好的升力特点,可用升力系数应该较大,高亚音速度条件下的机动性能非常好。同时,结合鸭式布局良好的纵向分布以及较小的配平阻力,该机在超音速条件下也可以得到较好的升阻比,从而具备较好的飞行性能。其代价是飞机气动控制面较多,飞控系统软件代码的编制将非常复杂,难度也很高。另外,鸭式布局对隐身还是有一定的影响的。笔者认为,歼-20之所以采用如此复杂的气动设计,可能还是设计者对发动机的信心不足。该机的设计立足点应该是预想到在发动机推力可能不足的情况下,实现对抗F-22的目标。另外,从歼-20的气动布局来看,设计者强调了隐身和机动两者的平衡,鸭翼和机翼安装在一个平面上就是一个例子。这意味着设计者不但注重大方面的隐身处理,还对细节问题进行了关注。

  对于歼-20来说,作为我国空军新世纪主力作战飞机,将承担我国空军“打出去”尖刀的重任。众所周知,美国利用设备、通信系统的通用性,通过Link16数据链,将韩国、日本及中国台湾地区的新一代指挥自动化系统纳入到自己的指挥自动化系统中,形成了从朝鲜半岛到台湾地区的一体化对空探测与指挥引导体系,构成对中国的“C形包围圈”。因此,对于我国新一代战斗机来说,只有避开这些探测系统的探测,才能在空战中更加有效地保存自己、消灭敌人。良好的隐身性能还可以让歼-20突击对方的关键信息节点,从根本上动摇对方的指挥引导体系。从东南战区的地理情况来看,未来战场将位于海上,对方只能通过预警机来维持对较大空域的空情掌握。歼-20可以凭借较完备的隐身能力,利用新一代“霹雳”系列远程空空导弹扫荡敌方预警机,从而从整体上削弱敌方的作战能力。

  从中、美、俄三种隐身战斗机的气动布局来看,都可以看到设计者力求在隐身和机动性能得到较好的平衡。笔者认为,这可能是设计者认为第四代战斗机之间的空战很可能将回归格斗空战时代。从目前来看,尽管有资料称米波雷达和双基地雷达可以有效探测隐身飞机,但是实际上,探测第四代隐身战斗机仍然是个难题,特别是火控系统探测与跟踪。具体的例子就是目前超视距最主要的空战武器——主动雷达制导空空导弹,由于受弹体空间、重量所限,难以配备较大的末制导雷达,实现较大的功率与孔径之积,以提高对隐身飞机的探测能力。根据雷达探测距离与RCS四次方根成正比的计算关系,目前主动雷达制导空空导弹的末制导雷达对于RCS为5平方米目标的探测距离为20~30公里:如果RCS面积缩小到1/10,那么探测距离降低到原来的一半;缩小到1/100,距离降低到原来的1/3;缩小到1/1000,探测距离就只有原来的1/5。如果与电子干扰等手段配合使用,让末制导雷达的探测能力进一步缩小,其结果就是隐身飞机不得不延长对导弹的控制时间,不可避免地增加飞机暴露的概率。所以,四代战斗机之间的空战,双方很可能不使用雷达制导武器,而是使用红外制导空空导弹这样所谓的“安静空战武器”进行格斗。这也是为什么三个国家都强调隐身和机动兼顾的原因。

  歼-20的出现,标志着世界隐身作战飞机的发展进入“三国鼎立”的局面。这是我国航空工业以及综合国力日益提高的体现,无疑也会对当今的世界格局产生深远的影响。

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