网上关于F22的讨论已经是多的不能再多了,关于F22被“击落”的消息也是时不时的浮出水面,惹得各路神仙纷纷出来发表高见。在F22被“击落”的消息和讨论中,大家探讨的相当部分集中在F22的“隐形”能力上,有不以为是认为目前已经有了反隐形的利器的,也有认为F22隐形无敌根本不可能被击落的。
近来对空气动力学有点点兴趣,随带着就把隐形技术也稍稍看了点,就在这里结合F22做案例,简单谈谈自己的看法。当然了,本帖肯定是技术贴了,有点枯燥,而且肯定是有错误的,各位大侠见谅并多多赐教了!此贴也是看了啮齿兄的文章后才有了写的动力,在此感谢下。下面文归正题。
首先要明确的是,隐形技术不是让飞机从雷达屏幕上消失,而是降低飞机对雷达的可见性,所以隐形技术又叫“低可见技术”或“低可探测技术”。雷达发现目标是依靠从接收到的各类电磁波中将目标的回波分拣出来,那么在分拣时雷达的信号处理手段会将一些不稳定的回波过滤掉(存在一个阈值)。而隐形技术的作用就是将雷达接收到的飞机回波强度降低到一定程度(低于正常的阈值),使得雷达在正常距离上将目标回波判断为杂波而过滤掉,那样就可以推迟雷达发现飞机的时间,也就达到了隐身的目的。
雷达的工作原理:
电磁波照射在目标上时会发生镜面反射和散射,而雷达主要是靠散射形成的回波来发现和锁定目标的(镜面反射的方向一般很难达到雷达,除非在入射角很大的情况下)。那么隐形技术就是使飞机对电磁波的散射强度降低。由于飞机面临的最大威胁来源于火控雷达,而火控雷达的主要工作波段是分米波和厘米波。雷达波长远小于飞机的几何尺寸时,目标的复杂几何形状之间的交互作用可以忽略不计,回波就是各个部分散射的矢量叠加。
雷达回波强度也和反射面的形状有很大关系。简单的说,若要隐身,既要减少和雷达入射方向成直角的平面,也要减少和雷达入射方向成直角的缝隙和边缘。
雷达的探测距离和雷达反射面积成四次根关系,也就是说,如果雷达反射面积小十倍,雷达探测距离只缩短一半都不到。雷达反射面积RCS不是目标的几何截面积,而是一个与目标产生同等回波的金属圆球的等效截面积,几何截面积、材质和形状对雷达的反射率和反射的方向性都对雷达截面积有影响,所以雷达反射面积可以比几何截面积大,也可以比几何截面积小。作为参照,美国的 F-15 的雷达反射面积为1~3 平方米,B-1B 为 1.02 平方米,SR-71 为 0.014 平方米,F-22 为 0.0065 平方米,F-117 为 0.065 平方米,B-2 为 0.0014 平方米。这个数据一般都是通过专门的RCS特性测试来获得。
除了光学意义上的散射造成的回波,雷达波还会产生表面波、爬行波,都会在飞机的机头、机尾以及缝隙处形成回波。对于一架典型大小的战斗机,表面波和爬行波的雷达反射面积达到 1-1.5 平方米,对于隐身飞机来说,已经达到不可忽略的地步了。
表面行波的存在可能会增大飞机的雷达反射截面积。尽量避免表面开口(特别是在前机身)是当前隐身飞机设计必须遵循的原则。
雷达回波另外两个主要来源是角反射和腔体反射,前者是两个互成 90 度直角的平面形成的折角,入射的雷达波的雷达波在这两个平面之间可以形成正对入射源的回波,极大地加强了雷达反射信号。当三个互成 90 度的平面形成一个半箱体时,反射更强烈,除材质对雷达波的少许吸收外,基本上就是镜面反射。腔体反射就是一个又深又长的有底开孔的情况,在多次反射后,入射的能量基本上全部反射回入射方向,而和孔内的形状大体无关,只是内部反射次数的多少而已。这个问题对发动机进气道和座舱尤为严重。
所以我们可以简单总结出隐身飞机的几个特点:
1、减小单一连续的平面的面积,也就是降低散射信号。
2、增加表面的平滑度(尤其是在前机身),减少开口和缝隙,降低由表面波、爬行波引起的回波
3、加大开缝和边缘与雷达入射方向的夹角,降低回波强度。
4、避免互成90度的平面,降低角反射。
F22
我们回来来看看F22。其实从ATF的要求是必然有隐身和机动性兼顾的特点,但是各个制造商在飞机设计时的侧重点不同。如果大家了解到F22的设计时是把超机动性和超音速巡航放在隐身性能前的话,不知道有何感想。其实当时YF23的设计思想确是把隐身性能放在了超机动性之前,当然这也导致了其最后落败,但是要清楚的了解到F22的隐身性能是在考虑了超音速巡航性能级超机动性妥协后的结果,这也就导致了F22很难想B2一样追求全向隐身。
气动外形:
F22并没有想大多数三代机或三代半一样才用鸭翼/多翼面控制,而采用常规布局,很大一部分是出于对隐身性能的考虑,由于鸭翼的位置、大小、平面形状很难和隐身要求统一起来。对于隐身设计来说,一个重要原则是尽量减少(但不可避免)机体表面(特别是迎头方向)的不连续处,而鸭翼设计恰恰难以做到这一点。表面波在遇到鸭翼时会引起二次回波,从而增大了雷达反射面积。不采用鸭翼还有气动的考虑,这里就不展开了,不过利用良好的气动+飞控+推力矢量技术,F22还是实现了优越的超机动性,尤其在大迎角(负迎角)、超音速机动等方面的优势。呵呵,有点偏题了。
由于前面我们说到了,飞机外形要减小单一连续的平面的面积,于是F22采用了连续可变曲率的复杂大弧面,B2就是个成功案例。最早的隐形飞机F117采用的是多面体结构加大雷达波的入射角。而从B2开始连续可变曲率的复杂大弧面在隐身和气动性能之间达到完美兼顾(当然飞翼的特点很关键),这个原来据说是诺思罗普的工程师在迪斯尼乐园里面从一团橡皮泥中找到的灵感。为了减少机头锥和机身的圆截面的较强雷达反射特征,F-22的机头锥截面和机身近似菱形,机头锥侧面尖利的折缝在气动上起到了类似 F-16/F18的前缘边条的作用,形成边条涡来达到对主翼的增升作用。而整个机身侧面地折缝在电磁上也起到类似 B-2 的扁平、尖利边缘的作用。
诺思罗普为研究全向隐身而研制的 Tacit Blue 研究机
F-22 的前机身呈现明显的菱形截面,机身侧面这条棱线和 Tacit Blue 的那条边是一个意思
就垂尾而言,无垂尾布局的隐身效果最好,但机动性受损失,像B2那样的飞翼如果即使有着非常优秀的飞控,其机动性也就那样,不过他也不需要做什么大过载动作。但战斗机就不一样。YF23的V 形尾要好很多,为了保证 4 波瓣雷达反射特性,其平尾前后缘在水平面内的投影分别和机翼前后缘平行。考虑到大部分雷达反射发生在与水平面成 ±30°的范围内,YF-23A 采用了将尾翼外倾 40°的设计,以确保雷达波不会被反射回接收机,但相应的尾翼效率也降低了,对飞机的过失速性能影响不小。相比之下,F22 采用外倾 27°的设计,处于隐身设计的边缘,属于隐身和机动综合权衡的结果。所以,用 V 形尾的 YF-23 出局了,而入选的 F-22 采用外倾的双垂尾和平尾的组合,以在平衡了隐身性能的同时保证优异的机动性。
YF-23A 的V形尾翼
采用双垂尾加平尾 4 尾翼布局的 F-22
进气道:
进气道是飞机最大的雷达反射面,高速旋转的涡轮叶片加上长长的腔体反射,就像是黑夜中用手电照向一面大镜子,想看不见都难。最早的F117采取了将进气口置于飞机上表面,并采取格栅形成雷达屏障。由于F117对发动机的进气要求不高,因此格栅虽然影响了进气效率,置于上表面导致飞机在大迎角时进气效率极低,但仍然不影响总体设计。同样,B2也将扁平的进气道置于上表面,飞翼的上表面的扁平的进气口和弯曲的进气道可以保证入射的雷达无法从上方直接照射到发动机的正面,从下方就更不可能了。
F-22 和 F-117、B-2 不一样,超机动性和超音速巡航性能的要求高于了隐身性能,所以上置的方案并可行(大迎角时进气效率极低)。进气口的设计包括里外两部分,里指进气口以内到发动机的这一段。F22采用了弯曲的进气道(但弯曲程度比B2、YF23都不如),使发动机涡轮叶片能够不直接暴露在入射的雷达视线之中,增加入射雷达波的反射次数,并在每次反射中吸收掉一点能量,最终的回波就会削弱很多。采用弯曲进气道的战斗机很多,最狠的就是YF23和X32。YF23从前面看根本看不见涡轮叶片,而X32不惜牺牲进气效率,采用整流片一样的一组可动叶片作为雷达屏障来达成隐身。
YF23A的进气道
FA18E的进气道雷达屏蔽,X32的是从这个发展而来的。
外指进气口本身,这要求尽量避免边界层分离板和进气口唇部和前进方向(一般假定为最主要的雷达入射方向)不成直角。F-22采用了介于机侧和翼下进气口之间的所谓 Caret 进气口(和F18E的进气道有点类似)。这个 Caret 进气口不光在水平和垂直方向同时向后斜切一刀,还将矩形的进气道截面扭转成斜菱形的,避免了侧面的直立平面。Caret 进气口在垂直方向的向后斜切一刀可以和 F-15 的楔形进气口相比,在大迎角时具有将迎风气流兜住的作用,有利于发动机稳定供气。在水平方向向后斜切一刀则避免了唇部和前进方向成直角。同时,Caret 进气口整个侧悬于机身,和机身的空隙正好作为边界层的泄流道,在机翼上表面开口泄放。
F-22 的 Caret 进气口适合于高机动和超巡,在性能上超过 DSI,更是遥遥领先于X32雷达屏障,但是由于还存在着去除边界层的问题,所以效果比YF23还是要差那么一点点。
F-22 的 Caret 进气口和机身之间有明显的空隙,这就是分离边界层的地方
机内武器舱:
F-22 是第一个采用机内武器舱的战斗机(F117虽然用了战斗机的编号,但实质是攻击机而已)。机内武器舱尽管隐身性能好,但有容量较小、对武器的尺寸和形状有较大限制的缺点。而且在武器舱打开时,会瞬间增大飞机的雷达反射面积。从目前了解到的情况看,AIM120C和AIM9X在发射时都采用了悬臂升出至机外的发射方法,而悬臂的反射面积和正常的挂架相当。在隐身要求不高时,F-22 可以在机翼下增加可拆卸的挂架,增加武器或副油箱的挂载量。
F22武器舱
F22的隐身设计实际上继承了洛克希德以前研制的隐身飞机。YF-22A 身上能找到很多 F-117 的特点,只是F22 将隐身要求与气动要求作了折中,放弃了全向隐身性能而保证了最重要的前向雷达反射特性。换句话说,F22最依靠的是其超音速巡航和超机动性,隐身能力并不是其第一位所追求的。但是我们也有看到,依靠在隐身技术上的积累,F22很好的兼顾了超机动性和隐身性能,实现了系统性能、技术风险及综合成本的完美统一。因此我们要更清醒的认识到对付F22是一个系统工程,需要我们更多的努力和更深入的分析。








