引言

雷達的發明, 其第一個獵物就是飛行器。飛行器工程師們一直在進行著不懈的努力, 以避免飛機在飛行時被雷達發現, 從而催生了飛行器隱身技術的發展。從U-2、SR-71偵察機到F-117A和B-2轟炸機, 再到F-22、F-35等戰斗機, 隱身技術不斷成熟。隱身技術的出現及其在作戰中所表現出來的巨大威力, 使之成為新一代作戰飛機所必備的重要標志之一, 并不斷推動著飛機設計和制造技術的進步。從雷達隱身、紅外隱身到射頻隱身, 針對探測器的不斷發展和新型傳感器的出現, 隱身的內涵及相關性能要求也在不斷得到豐富和提高。

雷達隱身要求對飛行器總體氣動設計帶來的影響

在傳統的氣動力設計方面, 研究的重點是得到一個高升阻比、易于控制且敏捷的氣動力布局和外形。雷達隱身外形設計要求的引入, 給飛行器氣動力設計帶來了新的約束, 導致許多傳統的氣動力設計準則做出讓步。

在傳統的設計中, 為了降低阻力, 要求盡量減小飛行器的浸潤面積。因此, 飛行器的機身截面通常都設計成為接近于圓形, 因為圓形浸潤面積最小 (圖1) 。但圓形截面是雷達隱身最不希望采用的形狀, 因為從任何方向看, 圓形截面都有很強的雷達散射。理想的雷達隱身外形希望采用傾斜的平面設計, 將強散射集中在某個方向上, 這個方向對隱身而言不太重要或威脅較小 (圖2) 。

同時, 隱身要求采用斜置的雙垂尾使氣動效率變差、浸潤面積進一步加大、并導致額外的重量增加。為了有更好的隱身性能, B-2飛機更采用了飛翼布局, 取消了常規的垂直尾翼和水平尾翼, 導致其飛行性能和機動性大幅度降低 (只能亞聲速飛行) , 飛機的飛行控制系統難度大幅度增加。

此外, 為了滿足隱身要求, 所有的武器必須內置在武器艙內, 導致飛機的尺寸進一步加大 (常規飛機大多為外掛武器) ;發動機壓氣機是飛行器前方最大的散射源, 為了有效降低其影響, 進氣道必須采用大彎度內管道的氣動力流道設計, 以便形成對發動機壓氣機的有效遮擋并有效提高雷達吸波材料的效率, 導致進氣道的重要設計參數總壓恢復系數下降, 氣動效率降低。

雷達隱身涂料的使用導致重量和成本增加、飛機維護性能下降, 但其對飛行器飛行性能的影響相比前述的影響還是要小得多。

圖1 圓形截面浸潤面積小但隱身特性差

圖2 傾斜平面設計浸潤面積大但隱身特性好

雷達隱身要求對飛行器結構設計帶來的影響

傳統的結構設計的研究重點是在滿足總體氣動外形要求和結構強度/剛度要求的前提下, 得到最小的飛行器結構重量, 且要求構造簡單、成本低、壽命長。雷達隱身設計要求的引入, 給飛行器結構設計帶來了新的約束, 導致許多傳統的結構設計準則做出讓步。

首先是大型武器艙開口對結構完整性的破壞。碩大的艙門, 其剛度/強度設計、變形控制等要求非常高, 使設計變得非常困難。

單從力學和結構設計角度考慮, 曲面結構更有利于承受飛行器表面的氣動力, 而平面結構承載能力較差, 易失穩。為保證結構的強度和剛度, 一般情況下平面結構要付出更多的重量代價。但好在大多數常規飛機表面也多是曲面的, 在過去的結構設計中并未出現太多矛盾。現在為了滿足隱身要求, 氣動外形已基本為平面, 導致結構設計必須為之付出必要的重量代價 (圖3) 。

同樣的問題表現在座艙透明件的設計和制造上, 為保證強度/剛度和隱身外形, 導致座艙玻璃厚度和重量成倍增加, 從而導致成本增加, 同時給救生系統的設計帶來新的極大的挑戰。

飛機表面的蒙皮分塊和對縫階差控制也給結構設計帶來挑戰。過去的飛機結構設計大多采用直對縫蒙皮分塊, 簡單、可靠、重量輕。但數以千計的任何一條縫隙如果處理不善都將導致飛行器重要方位的RCS大幅度增加 (圖4) 。因此, 隱身飛機的蒙皮分塊必須是鋸齒對縫, 而且必須是全部朝向一個方向, 一般要求與飛機機翼后掠角平行, 更大的難度是要求鋸齒盡可能大, 數量盡可能少, 由此導致為保證結構強度/剛度付出更多重量代價。

圖3 曲面結構有利于承受表面載荷, 平面結構承載能力較差, 易失穩, 重量代價大

數以萬計的鉚釘和緊固件是飛機上不可忽視的散射源。因此, 必須提升飛機表面質量, 要有新的設計和工藝要求, 研制新型鉚釘和緊固件。而新型緊固件的使用往往會受到大范圍的抵制:新可能就意味著不成熟, 易出問題;新的鉚釘和緊固件要求新的工具和新的操作程序導致成本上升;大量庫存的傳統緊固件需要處理等。如圖5是一種新型緊固件, 可減少鉚釘數量, 這些快黏帶肩螺母用來將可拆卸部件固定在飛機上, 拔出中間的塑料棒, 里面的黏合劑就能迅速將其固定在金屬部件上。這種緊固件帶來的另一好處是改善了結構的疲勞特性, 容易被結構設計工程師接受。

圖4 一條縫隙處理不善導致飛行器重要方位的RCS大幅度增加

由于邊緣等隱身設計要求, 傳統的蜂窩夾層復合材料設計方案也必須做出改變, 必須按隱身要求進行新的定義和設計, 而大部分結構工程師并不擅長于此。

雷達隱身要求對飛行器系統設計帶來的影響

如果說總體、氣動力和結構的隱身設計要求已經給飛機設計帶來了巨大的壓力, 那么, 飛機系統的隱身設計要求所帶來的挑戰則更為嚴峻。因為前者一般還處于一個或兩三個研制單位 (經濟體) 內部, 尚有行政管理的強制性約束可以加以利用, 可以在單位內部強制推行某些“不合理”的要求;而后者大多數是分散在幾十個承制單位 (或經濟體) , 相互之間無行政上的制約可以利用, 基于成本、進度等壓力, 導致隱身要求所帶來的新的約束很難得到徹底的理解和接受。

大量不同類型的探測器、傳感器, 包括:所有機載天線、外露的燈具、大氣傳感器等, 都是飛機上的雷達散射源。如果不對這些雷達散射源采取措施, 飛行器不可能有一個良好的隱身性能。一般情況下, 這些探測器或傳感器在隱身飛機上的命運只有兩種:一是取消 (如F-117A飛機的就未裝雷達, 因為當時還沒有很好的技術措施能使其實現有效隱身) , 或被其他傳感器綜合;二是按隱身設計要求重新研制新一代的探測器 (傳感器) 。

圖5 為減少鉚釘數量研發的新型螺母

第一種情況對探測器或傳感器的研制單位來說是痛苦的。因為這意味著沒有“蛋糕”或你的“蛋糕”給別人了。

第二種情況對探測器或傳感器的研制單位和總體研制單位來說同樣也是痛苦的。因為過去是沒有隱身要求的, 這就意味著過去成熟的成品將過時, 必須重新投入經費和人員, 研制出滿足隱身要求的探測器或傳感器。在今天這個競爭激烈的市場經濟中, 即使付出了也不一定能保證獲勝。對總體研制單位而言, 則意味著在研制周期、成本、質量控制等方面增加了更多的不定因素, 意味著研制風險的大幅度增加。為控制風險, 總體研制單位必須制訂相應的備份措施和降低風險的工作計劃, 從而大幅度增加設計和管理的難度和工作量。

對于飛機上最大和最昂貴的系統——動力系統, 按隱身設計要求來進行設計, 可能遇到的阻力要遠遠大于前面所述的所有系統的總和。看一下F-22飛機的發動機尾部 (圖6) 就可知其難度:巨大的二元可調噴口、耐高溫的吸波材料 (高于1000℃) 、為降低紅外輻射而精密制造的數以萬計的形成冷卻氣膜的微孔清晰可見。為了實現隱身要求, 重量工程師們也不得不對此做出讓步。

雷達隱身要求對飛行器制造帶來的影響

同樣, 在隱身飛行器的制造和工藝方面, 表現為制造成本大幅度提高, 新的制造設備、工具、初期大量零件的返工和報廢、大量的過去從來沒有過的形狀怪異試驗件等。

隱身飛機對表面質量的要求使傳統飛機制造廠的大部分設備和傳統工藝流程都需要更新升級, 施工人員也需要重新培訓, 以滿足飛機表面對鉚釘、縫隙、臺階、表面光潔度的制造要求 (見圖7、圖8) 。

圖6 F-22飛機發動機的二元可調噴口、耐高溫的吸波材料、降低紅外輻射的冷卻氣膜孔

圖7 F-22飛機上每一條縫隙均平行于特定角度

圖8 F-35飛機光潔如鏡的復合材料平尾

當美國最后一架F-22“猛禽”戰斗機下線時, 其項目團隊辦公室的一位資深管理人員非常感慨地說到:“從編號4001的第一架試驗機出廠起, 這一機型的生產工藝產生了巨大的變化!與剛剛走下生產線的這架最新機型相比, 他們制造的第一架飛機就像一架特制的飛機或是唯一的樣機!”

雷達隱身對飛行器隱身性能測試系統的要求

隱身飛機從設計之初, 就必須經常性地對其目標特征進行評估, 這些評估在經過必要的理論分析之后還必須以實物測試來加以決斷。測試的目標小到一個傳感器、一條縫隙, 大到一個結構部件乃至整機 (圖9) , 這些測試會貫穿隱身飛機的整個研制歷程, 并持續到飛機交付后的外場保障。

為保障隱身飛機的研制, 美國興建了大小不等的多個專門用于隱身試驗的微波暗室和室外RCS測試場, 夜以繼日地測試那些經過多次改進但性能仍然改善不大的試驗件。這些試驗和試驗件是非隱身飛機所不需要的。小塊的機身部件在安裝之前, 要先在一間小型實驗室里對其隱身性能進行檢測, 每一架F-22戰斗機交付之前都要進入雷達反射截面試驗室 (RCSVF) 進行試驗, 根據嚴格的規范對其隱身特性進行評估。

圖9 隱身部件試驗件進行試驗

圖10 隱身測試場中的全尺寸F-35飛機

這些花費數以億計的專用試驗場地 (或試驗設施) 的正常運轉除了需要大量的經費支撐以外, 還需要一支專業的、并且是穩定的技術隊伍。成本的提高還遠不止于此, 必須生產一架專門用于隱身測試和性能改進的試驗飛機, 進行整機數千小時的地面性能評估、數百小時計的空中試飛, 并配以相應的地面和空中測試系統(圖10、圖11) 。

結束語

實際上的影響和困難還不止于此, 如為了滿足隱身要求, 所有的武器都要求內置, 為了避免飛機尺寸變得太大, 要求盡可能減小武器的尺寸, 老一代的武器難以滿足新一代的飛機要求, 必須發展新一代的武器。

以上討論的僅為雷達隱身要求導致的對飛行器設計的部分影響, 如果再考慮飛行器的紅外隱身和射頻隱身問題, 設計難度、制造難度、試驗難度都將成倍地增長。而再考慮新的設計系統、新的軟件系統、新的設計工具等, 所涉及的研制經費可想而知是上一代飛機研制所不可比擬的。正如一位美國隱身工程師在討論隱身技術時說過的話:“隱身技術不是一件可以輕易給戰斗機披上的斗篷”, “隱身設計時, 任何一個細節的失誤, 就像一束光線就會破壞整個城區的燈火管制”, “隱身技術是一整套工業標準——你必須在每一個細節上都下足工夫, 從每一個口蓋到每一條接縫!”

圖1 1 F-22飛機研發過程中進行的重要試驗項目

飛行器工程師都學過電磁場, 也都知道麥克斯韋爾方程, 但真正理解麥克斯韋爾方程的不多, 懂得雷達和RCS的就更少, 在過去, 幾乎沒有工程師知道如何減縮和控制RCS。因此, 在傳統的飛行器研制團隊中, 要將隱身技術要求融入飛機設計非常困難。隱身工程師面對的是成百上千的希望固守自己領地的傳統設計師和工藝師。但是, 當工程師和決策者們經過艱苦努力找到了解決問題的途徑并在飛機上實現了隱身性能要求后, 他們將會發現, 隱身技術已推動飛行器設計和制造技術向前跨出了一大步

文章來源：飛機設計視界