AA82276761 2014-11-23 01:22
從ATF到F-22“猛禽”的艱難誕生
洛克希德•馬丁戰術飛機系統分公司的工程大樓內有一間神秘的儲藏室，裡面堆放著歷年保存下來的小木箱子。人們說這些小木箱保存著F-22“猛禽”戰鬥機研製史的精華部分，因為裡面裝的是F-22各研究階段的設計研究模型，其中最早的可以追溯到先進戰術戰鬥機（ATF）項目的最初階段。我們可以通過這一系列的模型，清晰地了解到“猛禽”的艱難誕生過程。
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我們可以通過這一系列的模型，清晰地了解到“猛禽”的艱難誕生過程
ATF的早期概念研究
通常說來ATF項目的正式啟動時間是1981年，當時美國空軍航空系統部（ASD，現在的俄亥俄州賴特-帕特森空軍基地航空系統中心）正式發布了先進戰術戰鬥機概念的信息需求書（ RFI），標誌著ATF項目的零點。但很少有人知道，在近10年前的1972年，“先進戰術戰鬥機”這一詞彙以及其縮寫“ATF”就出現在了ASD一份總體作戰需求書（GOR）中，ASD在這份GOR中要求各承包商研究一種用於補充F-15空中優勢戰鬥機的新型空地戰鬥機，這種ATF將取代已經老化的F-4和F-111機隊。
ASD向通用動力公司和麥道公司授予了ATF概念研究合同，要求這種空地戰鬥機的最大速度為2.5馬赫（中空至高空），並能投射防區外武器來摧毀坦克和其他地面目標。但最後這架ATF並沒有變成現實，其空缺被原本僅被設計用於白天空戰的F-16“戰隼”戰鬥機填補。ASD將要等待近十年後才會啟動下一個新戰鬥機研究項目，名稱也叫ATF。
隨後ASD把ATF的後續研究移交給同樣位於賴特-帕特森的美國空軍飛行動力實驗室（現在的空軍研究實驗室飛行器分部）。每當ASD展開新飛機研究項目時，該實驗室就會開始相關的技術研究。
飛行動力實驗室在整個70年代一直在推動著ATF的研究，持續資助概念研發合同。通用動力公司和麥道公司在1975年進行了名為“先進技術對地攻擊戰鬥機”的研究，此後六家公司又參加“空面技術研究”。1980年實驗室又開展了兩項研究：一項是針對未來空地戰鬥機的“戰術戰鬥機技術方案”和針對未來空空戰鬥機的“1995年戰鬥機技術研究”，其中波音和格魯曼公司進行了空地研究，通用動力和麥道公司進行了空空研究。
洛克希德公司也參加了一些早期研究，不過是為海軍幹的。已退休的巴特•奧斯本曾是1972年洛克希德戰術戰鬥機系統分公司的項目經理，他解釋道：“洛克希德在70年代初為美國海軍的'超級隱身'空地攻擊飛機進行了研究。”洛克希德用“超級隱身”一詞來表示飛機的隱身特性將有顯著改善。奧斯本在80年代中期成為洛克希德ATF項目演示/驗證階段的總工程師。
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1973年洛克希德公司的ATF方案CL-1309-34，此時還沒有融入隱身設計
“洛克希德公司先是完成了海軍先進戰術飛機項目的方案。”奧斯本繼續道：“然後我們略微修改了一下就獲得了美國空軍空地型，這也是一個'超級隱形'的設計，但在那時我們還不知道如何去實現。我們在隱形技術上有一些想法，但並沒得到驗證。通過這些早期研究，我們了解了'超級隱形'可讓戰機變得多麼強大。”。很快洛克希德就專注於F-117項目，該公司的ATF早期研究進入了休眠狀態。
波音公司在70年代研究了多種先進空地戰鬥機概念，波音當時的初步設計團隊負責人迪克•哈迪回憶道：“我們的方案涵蓋了從較小的單發飛機到大型雙發飛機的多種設計，其中既有超音速也有亞音速飛機，既有傳統的非隱形飛機也有隱形飛機，甚至還出現了類似B-2轟炸機那樣的飛翼設計。”。哈迪後來成為波音公司F-22的項目經理。
通用動力公司同樣研究了多種先進戰鬥機概念，並且也對現有戰鬥機進行了研究，F-16、F-15和F-111的先進改型方案和全新的先進戰鬥機概念同台競技。先進概念戰鬥機包括有被稱為“平凡女孩” （Plain Jane）的常規飛機、超音速隱形飛機、小型低成本“游擊隊員” （Bushwhacker）戰鬥機、能掛載許多遠程空對空飛彈的“飛彈手” （ Missileer）大型戰鬥機、以及高度隱形的“劣酒” （Sneaky Pete，最終演變成海軍短命的A-12“復仇者II”）飛翼戰鬥機。
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小型低成本“游擊隊員”（Bushwhacker）戰鬥機
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能掛載許多遠程空對空飛彈的“飛彈手”（Missileer）大型戰鬥機
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高度隱形的“劣酒”（Sneaky Pete，最終演變成海軍短命的A-12“復仇者II”）飛翼戰鬥機
上述政府資助的研究，再加上波音、通用動力、洛克希德，及其他公司的自行研究，最終奠定了他們參加ATF項目正式角逐的基礎。
所有這些ATF早期概念研究的基本動機是為了確定最有前途的設計，並發展下一代戰鬥機所需的關鍵技術。蘇聯新一代戰鬥機的發展也推動了美國的ATF研究.蘇聯在70年代初開始研製米格-29和蘇-27戰鬥機，1977年10月米格-29原型機首飛，1981年4月蘇- 27原型機（更接近最終設計的T-10S原型機）首飛，同時蘇聯人也在迅速推進對空和空對空飛彈技術，美蘇新型戰鬥機之間的模擬空戰交換比逐漸變得讓美國空軍不能接受。
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1981年4月蘇-27原型機（更接近最終設計的T-10S原型機）首飛，同時蘇聯人也在迅速推進對空和空對空飛彈技術，美蘇新型戰鬥機之間的模擬空戰交換比逐漸變得讓美國空軍不能接受
對大量設計概念進行快速評估的最有效方法就是計算機建模分析，通用動力公司為此發展出一套行之有效的流程：先是在概念設計階段定義出飛機的總體佈局、氣動、結構、航電、武器裝備、發動機，然後通過調整其計算機模型的構型和尺寸，獲得一系列具有不同機動性、速度、航程和其他性能特性的設計家族。
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對大量設計概念進行快速評估的最有效方法就是計算機建模分析，通用動力公司為此發展出一套行之有效的流程：先是在概念設計階段定義出飛機的總體佈局、氣動、結構、航電、武器裝備、發動機，然後通過調整其計算機模型的構型和尺寸，獲得一系列具有不同機動性、速度、航程和其他性能特性的設計家族
然後這些更具體的設計家族被逐一進行壽命週期成本模型計算和作戰效能模型分析，以確定每種設計在對空和空對空威脅中的易損性，以及對預定目標的殺傷效能。作戰效能模型獲得的數據也被用於戰役模型的分析，後者綜合了設計的基本概念、受力結構、任務分配、威脅分佈、戰略以及戰區細節方面的數據。每種設計在戰役模型發動的模擬戰爭中只是空中力量的一部分，而且其數量和成本成反比。
這個完善的流程使工程師能夠看到每一種設計的性能和特性是如何影響其軍事用途的，然後再根據設計在模擬戰爭中的表現來進行調整。該流程還強調了設計需要最大限度發揮其成本效益。
隱形
許多分析指出隱形是未來戰鬥機的一個非常可取的設計特性。通用動力公司在《1995年戰鬥機技術研究》的最終報告（1980年發布）中認為隱形是實現空中優勢的卓越特性。比爾•莫蘭當時作為通用動力公司的項目經理為飛行動力實驗室做了許多這樣的分析，他解釋道：“戰鬥機總是會被塗上偽裝色，而飛行員也一直在利用隱形戰術進行作戰。 ”。莫蘭後來成為沃思堡F-22項目副主任。
莫蘭說：“美國空軍在越戰時開展了'紅男爵研究'對空戰進行實時分析，結果發現超過一半的被擊落飛行員和約80%的遭受攻擊的飛行員是在毫無預警的情況下受到襲擊的，一戰、二戰和韓戰爭的空戰也是這種情況。歷史上的王牌戰鬥機飛行員總是能做到先敵發現，他們經常背對太陽向敵人發起攻擊。
隱形就意味著能夠先敵發現，從狹義來講，該術語也適用於能夠顯著降低飛機可探測性的各種材料和技術。
隨著一種探測技術的出現，也必然會隨之出現相應的反探測技術。例如實用化的雷達在二戰初期出現後，也隨之出現了雷達隱形技術，德國在40年代最先開始在U艇潛望鏡和通氣管上貼敷吸波材料，之後又設計出了結合隱形外形和吸波材料的霍頓Go 229噴氣式飛翼戰鬥轟炸機。
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霍頓Go 229被認為是現代隱形飛機的鼻祖
美國也在戰後大力發展雷達隱形技術，不久就應用在了無人機和飛彈上，例如採用了吸波材料的瑞安Q-2“火蜂”和洛克希德D-21無人機。波音公司在60年代設計近程攻擊飛彈AGM-69 SRAM時大量採用隱形技術，當時在波音公司參與了項目的哈代說：“這種飛彈有著嚴格的雷達反射面積要求。”。這種超音速的SRAM飛彈在B-52和B-1轟炸機上一直服役到1990年。
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洛克希德D-21無人機
通用動力公司也是隱形技術早期發展的主要推動者，他們在新墨西哥州的白沙為美國空軍建造了第一代雷達天線目標散射設施（RatScat），該設施被用於精確測量飛機的雷達反射面積。除了 在70年代為美國空軍建造並操作RatScat外，通用動力公司還於80年代在德州莫瑞迪建立了自己的雷達測量設施
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通用動力公司也是隱形技術早期發展的主要推動者，他們在新墨西哥州的白沙為美國空軍建造了第一代雷達天線目標散射設施（RatScat）
通用動力公司曾在50年代末為中央情報局進行過一種高度隱形的偵察機的研究，這種超音速高空偵察機原定被用於取代洛克希德的U-2。設計起始於被稱為“超級盜賊”的B-58的寄生方案，隨後進化成一個能在38000米高空進行6.25馬赫巡航的“石首魚”獨立飛機，該機將大量採用耐高溫陶瓷材料（一種耐熱並能衰減雷達波能量的陶瓷材料）製造。“石首魚”在起飛和加速階段使用兩台可伸縮的通用電氣J85渦噴發動機，負責把飛機加速到沖壓發動機的點燃速度，在巡航中使用兩台馬夸特沖壓發動機。
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“石首魚”在起飛和加速階段使用兩台可伸縮的通用電氣J85渦噴發動機，負責把飛機加速到沖壓發動機的點燃速度，在巡航中使用兩台馬夸特沖壓發動機
1959年8月，通用動力公司激進的“石首魚”方案被洛克希德的A-12打敗，後者也就是著名的SR-71“黑鳥”雙座偵察機的前身。A-12採用了隱形外形設計，並且大量使用雷達吸波結構與材料，是第一種在設計時就高度融合隱形技術的飛機。該機的內傾垂尾、鋸齒狀結構、前後緣扇形蒙皮、翼身融合設計、再加上雷達吸收結構和塗料使該機的雷達截面積大大低於同時代的其他飛機。
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A-12採用了隱形外形設計，並且大量使用雷達吸波結構與材料，是第一種在設計時就高度融合隱形技術的飛機
洛克希德在70年代把隱形技術推向一個更高高度，該公司把計算雷達反射的晦澀數學公式和計算機相結合，設計了一款被稱為“迴聲” （Echo）的計算機程序，能夠準確計算出一個多面體物體的雷達截面積。洛克希德在為美國國防部高級研究計劃局進行的一項研究中就用“迴聲”軟件設計出了“擁藍” （Have Blue），這是一架垂尾內側的多面體小飛機，也是F -117“夜鷹”的前身。很快洛克希德就獲得了F-117的研製合同，F-117非常成功，具有前所未有的隱形性能，該機也將對ATF產生重大影響。
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“擁藍”（Have Blue）是一架垂尾內側的多面體小飛機，也是F-117“夜鷹”的前身
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F-117非常成功，具有前所未有的隱形性能，該機也將對ATF產生重大影響
速度
為飛行動力實驗室進行的ATF概念研究還揭示速度是空中優勢戰鬥機的另一個重要特性。高速不僅能縮短敵人的反應時間，還能使己方戰鬥機更自由地接敵和脫離，只有更快的戰鬥機才能擁有這種主動優勢。
速度在上述研究的表現形式是超音速巡航，即不開加力進行的超音速飛行，這不僅能降低油耗，還能大幅降低對隱形不利的紅外輻射。為超音速巡航優化的方案具有細長機身和大後掠短翼展機翼，以及大型高核心溫度的發動機。
不過ATF並不是第一種能夠超音速巡航的軍用飛機，這個殊榮屬於B-58“盜賊”。不過B-58需要打開加力或進行俯衝才能突破音障，後來的F-16XL和F-16後期型也能以這樣的方式進行超巡。
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超音速巡航即不開加力進行的超音速飛行，這不僅能降低油耗，還能大幅降低對隱形不利的紅外輻射。圖為F-22進行超巡
機動性
機動性也被認定是空中優勢戰鬥機的一個重要特性。不同於隱形和超音速巡航，高機動性經常被列入防禦戰術而不是進攻戰術的需要。莫蘭解釋說：“儘管《捍衛戰士》這樣的電影或書籍都把戰鬥機描繪成具有很高的機動，但一般來說在激烈機動中向敵機射擊並不是個好主意，不僅耗時而且還讓對手能預測你的行動。”
莫蘭繼續說：“縱觀歷史，成功的空戰飛行員一般都盡量避免機動交戰。但有時他們會忘了這一點，著名的'紅男爵'——曼弗雷德•馮•里希特霍芬在一戰中取得了創紀錄的83次擊墜，但最後因為違反這一守則而被擊落殞命。戰鬥機飛行員一般會選擇在飛行包線內利於發揮自己機動性的區域內作戰，並避開敵機機動性優勢區域，所以高機動的包線區域越大，就越能增加戰術靈活性。”
60年代約翰•博伊德提出了量化機動性的能量機動理論，F-15在設計時應用了博伊德的理論，F-16成為第一架按能量機動理論設計的飛機。能量機動理論最常用的評價指標有：持續過載（不損失空速和高度的急轉彎能力）、瞬時過載（不考慮降低速度時的機頭指向能力）、單位剩餘功率（衡量飛機在任何飛行條件下的潛在爬升、加速、轉向性能），還有一個重要參數是跨音速加速時間（從0.8馬赫加速到1.2馬赫的耗時）。通過對比兩種戰鬥機的上述參數，就能判斷出哪一架會在機動交戰中獲得戰術優勢。
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按能量機動理論設計的F-16與上一代的F-4比較轉彎半徑
短距起降/短距起飛垂直降落/垂直起降
在七八十年代的早期ATF研究中，能從被損壞的跑道上起降成為ATF的另一個經過評估的特性。此類設計可被分成三大類：短距起降、短距起飛垂直降落、垂直起降（英文縮寫分別是STOL、STOVL、VTOL），但短場起降能力帶來的好處不如隱身、速度和機動性那樣明顯。
短場起降能力會大大提高飛機的成本，並且確定短場起降的具體需求也很複雜。莫蘭說：“到底需要何種程度的短場起降能力取決於敵方進攻性防空（把敵機摧毀於地面）和反跑道武器的實施規模和效果，也取決於破壞多少條跑道才能顯著影響我機的起飛迎戰，還有我方的跑道快速修復及恢復作戰的能力。當然還有一個最重要的前提，那就是我方防空力量在第一時間能打掉多少敵機。
敵機要炸跑道還是炸飛機使問題進一步複雜化。炸飛機時，要考慮掩體堅固度和飛機位置情報準確性的因素。莫蘭繼續說：“美國及北約盟國正忙於開發各種能破壞大塊混凝土的空地武器，我們有理由相信華約也在這麼做。”
通用動力的“一飲而盡”和“蟋蟀傑米尼”是兩種更直接解決短距起降問題的設計。“一飲而盡”通過把噴管佈置在機翼上方使其對跑道的要求縮短為區區一二百米，這個設計通過複雜的管道和歧管把發動機排氣從翼展方向分佈的噴管中排出，在很低的速度下能產生很大的升力。不過這套管道系統非常沉重，最終被證明無法使用在高性能超音速戰鬥機上。
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“一飲而盡”通過把噴管佈置在機翼上方使其對跑道的要求縮短為區區一二百米，這個設計通過複雜的管道和歧管把發動機排氣從翼展方向分佈的噴管中排出，在很低的速度下能產生很大的升力
“蟋蟀傑米尼”則用多發動機實現短距起降，飛機的一台主升力-巡航發動機提供正常飛行和短距起降所需推力，垂直安裝的輔助發動機僅在起降時產生垂直升力。根據發動機大小的不同，飛機可具備短距或垂直起降能力。
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“蟋蟀傑米尼”則用多發動機實現短距起降，飛機的一台主升力-巡航發動機提供正常飛行和短距起降所需推力，垂直安裝的輔助發動機僅在起降時產生垂直升力
從另一方面看，針對超音速飛行和高機動性優化的戰鬥機先天就是高推重比和低翼載的，具備一定的短場起降能力。並且該能力還能通過加強起落架（適應修復後的跑道），加強剎車和增加反推裝置得到加強。不過這些改進要付出重量代價，會降低空戰中的可用推重比。
ATF項目在最初的確有短距起降要求，這需要各公司使用上面提及的一些技術，其中最引人注意的就是反推和推力矢量裝置。不過到了ATF項目的演示/驗證階段，美國空軍放寬了對起降距離的要求，所以各公司就去掉了反推裝置來降低重量和成本。由於推力矢量能在多個方面提高飛機性能，所以洛克希德團隊保留了YF-22的推力矢量尾噴管。與傳統尾翼相比，尾噴結合推力矢量能使飛機在更低的滑跑速度下抬頭，有助於縮短起飛距離。在巡航時，推力矢量又能進行配平操作，降低了用尾翼配平增加的阻力。所以使用推力矢量技術後，飛機能用面積更小的平尾，或在巡航中把平尾設定在阻力更小角度。推力矢量還能增強飛機進行大迎角機動和進攻機動時的操控力。
挑戰
ATF項目的根本挑戰在於要綜合隱形、速度和機動性，之前從沒人嘗試做如此複雜的設計。F-117已經表明隱形會大大影響飛機各方面的設計。隱形飛機必須採用內置彈艙，這會大大增加飛機的橫截面積（看看F-35），而這又會增加超音速阻力，不利於超音速巡航。哈迪解釋道：“隱形飛機需要一個大彈艙，這會擠占了原本用於安排起落架和進氣道的空間。如果你設計出一架圓滾滾的飛機的話是不能超音速巡航的（再看看F-35），除非你把飛機拉長並裝上巨大的發動機，但這種做法是不可取的，因為飛機會非常昂貴。”
機動性往往會要求飛機加大機翼和尾翼的尺寸，並採用比超音速巡航所需的體積更大的發動機（推力也更大），這些都使隱形更難以實現。為了隱形，F-117在速度、機動性、載彈量等方面都做了妥協，而ATF的飛行員們是絕對不會同意這樣做的。
ASD在1981年重回遊戲並發布了ATF的信息需求書，9家飛機製造商和3家發動機製造商回應了這次挑戰。在該項目的早期階段，美國空軍還沒有決定新飛機是偏重空對空還是空對地任務，於是邀請工業界來提供想法。
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當時YF-12A在24380米高空以大於3馬赫的速度發射了7枚休斯AIM-47飛彈對50公里之外的空靶進行攻擊，結果非常成功
這些公司提交的答案五花八門。洛克希德公司提出一種YF-12A （大多數人認為該機是SR-71單座型）的衍生型，該機專為空地任務設計，中央彈艙可掛載多枚雷射導引的動能侵襲彈，在高空以超音速投射。這一概念在1982年春完成設計，利用了60年代後期YF-12A空對空飛彈試射收集的數據，當時YF-12A在24380米高空以大於3馬赫的速度發射了7枚休斯AIM-47飛彈對50公里之外的空靶進行攻擊，結果非常成功。順便說一下，洛克希德在參加FX項目競爭時也提交了高空高速方案，但敗於F-15。
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洛克希德公司提出一種YF-12A的衍生型，該機專為空地任務設計，中央彈艙可掛載多枚雷射導引的動能侵襲彈，在高空以超音速投射
波音公司和洛克希德一樣，提交的概念也以超音速為賣點，這些設計偏重於空地任務。哈迪回憶道：“在研究了很多佈局，包括飛翼、鴨翼、四尾翼、V尾、兩側進氣、機頭進氣之後，波音很快就完成了設計。我們認為飛機需要很高的速度，所以這些設計都有很高的細長比。”
哈迪繼續說：“很明顯，我們需要的是一架機動性良好的飛機。當後來飛機的主要任務轉到空空上時，我們很快就去掉了那些對操控性不利的東西。”波音的設計還具有巧妙的內部佈置和半埋式彈艙。
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我們認為飛機需要很高的速度，所以這些設計都有很高的細長比
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波音的設計還具有巧妙的內部佈置和半埋式彈艙
通用動力公司提出的兩個方案演變自該公司在1976-78年間為飛行動力實驗室完成的4個設計。第一種叫Model 21的設計衍生自“平凡女孩”，並將成為通用動力在ATF項目下一階段中傳統佈局探索的先驅。Model 21是一種中規中矩的現代戰鬥機，但也並非完全傳統，該機具有能減少雷達反射面積的正面外形和結構，梯形後掠翼，安裝了雷達與紅外搜索/跟踪系統的可旋轉機鼻。複合材料約佔Model 21結構的40%，其空地彈藥包括一種方形截面的滑翔炸彈。
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第一種叫Model 21的設計衍生自“平凡女孩”，並將成為通用動力在ATF項目下一階段中傳統佈局探索的先驅
另一種方案發展自“劣酒”。由於“劣酒”的保密級別很高，所以通用動力被禁止向美國空軍官員展示方案的真實圖紙，只能提交了一份被空軍官員稱為“棉花糖”假圖紙，而真正的設計將成為公司在項目的下一階段中飛翼研究的起點。
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由於“劣酒”的保密級別很高，所以通用動力被禁止向美國空軍官員展示方案的真實圖紙，只能提交了一份被空軍官員稱為“棉花糖”假圖紙
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一種方案發展自“劣酒”，將成為公司在項目的下一階段中飛翼研究的起點
ASD給工業界一年時間進行研究和撰寫報告，然後把各公司方案分成四大類進行任務分析。這四類飛機分別被打上N、SDM、SLO和HI的標籤，“N”代表數量，也就是能大規模採購的小型廉價飛機；“SDM”代表超音速沖刺與機動，這類設計強調速度和機動性；”SLO”代表亞音速低可觀測，都是些飛翼設計；“HI”代表大馬赫和高空，都是大型的導彈發射平台。最後SLO飛翼設計得分最高，較傳統的SDM戰鬥機位列第二，導彈平台和廉價戰鬥機獲得了較差的評價。
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各公司五花八門的方案
推動力和資金
隨著信息需求書評判結果的揭曉，ATF項目也獲得了推動力和資金。1981年末ASD發布了一份任務需求書，即描述特定任務的一份需求文檔。隨後戰術空軍司令部（TAC，後來成為美國空軍作戰司令部的一部分）也撰寫了另一份相應的ATF需求書，內容包括威脅處理、戰區，及完成任務所需的性能。邁克•羅上校編寫了TAC需求書的大部分內容，他當時是TAC總部需求分部的副指揮官（他後來擔任作戰司令部司令，上將軍銜）。1982年夏這份五十頁的文件被分發給工業界徵求意見，美國空軍在該文件中正式把ATF作為F-15空中優勢戰鬥機的後繼機。1983年ATF系統項目辦公室在賴特-帕特森空軍基地成立，首任主任是阿爾伯特•皮奇里洛上校。
1983年5月軍方發布了ATF發動機的方案需求書（RFP），通用電氣和普惠公司獲得了製造和測試競爭原型發動機的合同。通用電氣發動機的編號為F120，普惠發動機編號為F119。與此同時，美國空軍也為ATF發布了一份概念定義研究方案需求書。
波音、通用動力、格魯曼、洛克希德、麥道、諾斯羅普和羅克韋爾做出回應，在1983年6月中旬前準備好了各自的方案。但就在截止日期前，ASD宣布把截止時間後推一個星期，並通知各公司等待進一步指示。6月底，各公司被要求到在方案文檔中增加一篇關於本公司在隱形方面的技能和經驗的內容，但為了保密，其中任何關於隱形技術的詳細說明都要迴避開ATF項目。原方案文檔的篇幅被限制為僅三十頁，隱形章節需作為單獨的高度機密文件提交，篇幅被限制在5頁。
時任ATF系統項目辦公室主任的是阿爾伯特•皮奇里洛解釋道：“ATF項目在一開始並沒有隱形要求。”他後來成為華盛頓特區政府諮詢公司ANSER技術部門的經理。皮奇里洛繼續說：“參與項目的人都知道F-117和B-2是怎麼回事，而我們卻打算非常愚蠢地研製一種不能隱形的先進戰鬥機。如果不能隱形的話，我都不知道空軍怎樣來為ATF進行辯護。”
在80年代初，隱形技術在美國還是絕密的，ATF項目納入隱形要求後就產生了前所未有的保密問題。由於原始的方案需求書密級不高，所以不能寫入關於方案的任何隱形細節。各公司可以說在設計中將考慮低可探測性技術，但不能引用任何具體的現有隱形經驗和技術。在當時，隱形技術被認為是“黑”色的，隱身飛機對於局外人來說是不存在的。所以軍方在最後時刻讓公司們把方案文檔分成兩部分提交就使他們能橫跨“黑”“白”兩道了。
大多數概念定義方案顯示這些公司是如何提煉之前工作的成果的，其中的努力將決定誰能勝出進入演示/驗證階段，而在這一階段獲勝者必須完善自己的設計，證明自己的技術。洛克希德的概念定義方案徹底放棄了高空高速性能，更像是F-117的一種衍生型。
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洛克希德的概念定義方案徹底放棄了高空高速性能，更像是F-117的一種衍生型
奧斯本解釋道：“顯然ATF會是超級隱形的，而不應該是YF-12或SR-71的表親。於是我們停止了YF-12衍生型的工作，開始設計一種F-117版ATF 。”結果洛克希德方案看起來就像一架加大並拉長的變異F-117，機翼從下單翼改為上單翼，尾翼從兩片改為四片，進氣口移到機翼前緣後下方。這架多面體外形的飛機約重36噸，和F-117一樣與空氣動力學背道而馳。
奧斯本回憶說：“我們知道這個設計存在嚴重的超音速問題，我們的設計可以超音速飛行，但一定蠢笨如豬。只要推力大，板磚也能飛上天。那時我們並不知道如何分析曲面外形的隱形特性，軟體還不夠成熟，電腦的計算能力也不足，只能靠雙手去分析。洛克希德相信如果我們不能確定一種設計是隱形的，那麼它就不可能隱形。直到1984年我們才在曲面分析上獲得突破。”美國空軍對於洛克希德方案評價不高，它在7個項目中的得分都是倒數第一。
在概念定義階段提交方案的七家公司，包括洛克希德在內都獲得了一份100萬美元的資金。概念定義階段從1984年9月一直持續到1985年5月，美國空軍收到了各公司的許多簡報以及幾千頁的報告，而這將決定哪些公司能進入演示/驗證階段。演示/驗證階段的四家獲勝公司每家會獲得約1億美元資金來演示自己的ATF技術。1985年9月空軍發出了演示/驗證階段方案需求書，截止日期為當年12月。
洛克希德的設計
在經歷了概念定義階段的不佳表現之後，洛克希德不得不在ATF項目的下一階段前轉變設計思想。該公司剛剛在先進技術轟炸機（ATB）的競爭中輸給了諾斯羅普的飛翼設計（後來成為B-2），也被海軍從先進戰術飛機項目（ATA）中淘汰。這兩個項目中獲勝的方案都是飛翼，而洛克希德還拿著過時的多面體方案參加競爭。美國空軍對洛克希德方案的評價迫使該公司重新考慮其多面體隱形設計。
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洛克希德ATB方案（圖中的模型是肚皮朝上的），沿用了F-117的多面體隱形外形，還拖著一個小尾巴
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洛克希德ATB與B-2的對比
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如出一轍的洛克希德ATA-B
奧斯本回憶說：“即使我們的軟體還無法分析曲面，我們還是開始設計曲面外形飛機。隨著曲面外形設計的逐步完善，其超音速和機動性也逐漸變得可以接受。我們不依賴軟件製造了模型後在雷達測試場進行測試，結果曲面外形的雷達測試表現相當不錯。
洛克希德的設計很快就從多面體變成了光滑的曲面外形，公司最初的演示/驗證階段方案是084構型，飛機除一個多面體機鼻外具有光滑流暢的外形。奧斯本回憶說：“我們只會設計一個隱形的多面體雷達罩，在1985年初之前我們不知道如何設計曲面隱形外形的雷達罩。1984年底我們設計084構型之後才知道如何對其進行隱形分析。
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公司最初的演示/驗證階段方案是084構型，飛機除一個多面體機鼻外具有光滑流暢的外形
洛克希德的最終方案被稱為090P構型，該機具有流線形機鼻，前後緣都是正後掠角的梯形翼，4尾翼（兩片平尾和兩片垂尾）。090P的大型垂尾向外傾，飛機表面所有前緣和後緣的後掠角都相同。090P還有一個很寬的邊條，從機鼻沿直線通過進氣口外側並一直延伸到機翼前緣。
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洛克希德的最終方案被稱為090P構型，該機具有流線形機鼻，前後緣都是正後掠角的梯形翼，4尾翼（兩片平尾和兩片垂尾）
ATF還需要安裝尖端的傳感器，方案需求書要求ATF機鼻每側的雷達視場範圍達120度，此外還要安裝有前視紅外搜索和跟踪系統。洛克希德通過在機鼻安裝3塊雷達天線整列來滿足雷達的視場要求（一面天線朝前兩面向著側面），並在每側翼根安裝了一套紅外搜索和跟踪系統，配有多面體視窗。
該機的旋轉飛彈發射架可掛載6枚空對空飛彈，發射架可整體拆下方便裝彈（洛克希德衍生設計了一個用於機場防空的獨立發射架）。彈艙關閉時，發射器底部就成為了機腹蒙皮。
洛克希德製造了一個090P的大尺寸模型並在公司的雷達測試場進行測試，測試數據被一併列入公司提交的方案書中。奧斯本說：“現在的真正問題是美國空軍是否認為洛克希德能夠設計出一種曲面外形的隱形飛機。我們向空軍展示了測試模型以表示我們的能力。”洛克希德在演示/驗證階段競爭最大的優勢是其工程能力和豐富的隱形設計經驗，洛克希德之前的各種項目中也贏得了原型機製造快手的良好聲譽，最近的例子就是“擁藍”項目。
波音的設計
波音公司的設計比洛克希德和通用動力的都大，保留了之前設計中的高速特性。該設計最顯著的特點是後機身梯形機翼之後的雙垂尾，垂尾尺寸足夠大以提供與四尾翼相同的垂直和水平控制力。迪說：“設計師爭論最多的問題就是選擇雙尾翼還是四尾翼，整個波音公司都被捲入了爭論，於是我們成立了一個特別小組來研究這個問題，最後兩尾翼勝出。更高的飛行速度導致我們飛機的機身較長，於是就有著更大的尾翼力臂，所以無需更複雜的尾翼設計。我們認為兩尾翼能夠滿足所有要求，並且給設計帶來更低的信號特徵和更輕的重量。”
波音設計師是圍繞彈艙進行基本設計的，然後他們根據風洞測試結果——特別是大迎角測試——調整尾翼的排列、大小、傾斜角度以及位置。該設計有一個機腹進氣口，分成兩路通向兩台發動機。進氣口內有一個可調斜坡（結合有附面層隔板）以滿足較高的速度要求。波音設計師在後期設計修改時把前起落架後移到進氣口之後。波音在七八十年代一直在為美國空軍實驗室以及一些秘密項目研製先進複合材料，所以該設計的機翼將採用獨特的熱塑性複合材料和工藝製造。
波音的設計把空對空飛彈都裝在彈艙內部，紅外導引空對空飛彈容納在獨立的前機身彈艙中，較大的空地武器則半埋掛載。波音也為主彈艙設計了一種快速裝彈托架，也在機鼻安裝了三面雷達天線陣列來滿足視場的要求，包括一個較大的前向陣列和兩個較小側向陣列。此外在機鼻周圍還安裝了兩套紅外搜索和跟踪傳感器。
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波音的ATF彈艙設計專利
前一階段，波音的設計在7個項目中都拿了高分，完善度很高並經過了充分的風洞測試。此外該公司在航電集成方面也具有豐富經驗，比如美國空軍的預警機項目，最近還參加了B-2轟炸機項目的細化設計。波音的商用飛機生產能力也讓人印象深刻。
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波音設計師是圍繞彈艙進行基本設計的，然後他們根據風洞測試結果——特別是大迎角測試——調整尾翼的排列、大小、傾斜角度以及位置
通用動力的設計
通用動力公司為演示/驗證階段提交的設計是從多個設計演變而來。該公司在上一階段將重點放在三種不同的設計上：常規、飛翼和半無尾（分別以C、W和T來表示）。傳統設計衍生自之前的Model 21；飛翼設計繼承“劣酒”的低可探測性能但加入了超音速要求；無尾設計是單垂尾，是兩個極端設計之間的折中。經過一系列的內部設計競賽和交 流後，通用動力最後提交了半無尾設計（無平尾）。
通用動力在機翼平面外形和翼型設計上註重減重的同時提供最好的轉彎能力和超音速巡航能力。但單垂尾會出現全向隱形問題，所以通用動力公司進行了大量風洞測試，為半無尾設計測試雙傾垂尾的外形和安裝位置，但發現前機身和三角翼產生的脫體渦會與雙垂尾相互作用而出現不穩定的俯仰力矩，沒有平尾也就無法產生足夠的配平力矩來抵消這些不穩定運動。最後該公司認為儘管存在側面雷達反射面積過大的缺點，但在整體上單垂尾無尾佈局仍然是最佳的設計，設計編號是T-330。
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但單垂尾會出現全向隱身問題，所以通用動力公司進行了大量風洞測試，為半無尾設計測試雙傾垂尾的外形和安裝位置，但發現前機身和三角翼產生的脫體渦會與雙垂尾相互作用而出現不穩定的俯仰力矩，沒有平尾也就無法產生足夠的配平力矩來抵消這些不穩定運動
通用動力公司採用了獨特的設計來滿足傳感器方面的要求，為飛機配備了兩面雷達陣列和一個紅外搜索和跟踪傳感器（波音和洛克希德都是三面雷達陣列和兩個紅外傳感器）。紅外搜索和跟踪傳感器安裝在機鼻，兩面雷達陣列安裝在座艙後方兩側，每面天線的視場覆蓋從前方到側面的120度。
通用動力的設計非常詳盡，甚至製造了一個全尺寸模型以及一個1:2的雷達反射面積測試模型。該公司還進行了初步結構設計、確定與潛在合作夥伴分工協作的生產地點。通用動力公司在項目的概念定義階段表現出色，在7個項目中都獲得了高分，該公司的優勢是在F-16項目中獲得的設計和製造戰鬥機的豐富經驗，此外該公司在原型機製造速度上也有很好的聲譽，YF-16就是無與倫比的例子。
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經過一系列的內部設計競賽和交流後，通用動力最後提交了半無尾設計（無平尾）
需求書修訂
在演示/驗證階段方案提交截止前的幾個月，美國空軍修訂了方案需求書，提高了隱形的權重。洛克希德的090P隱形方案不做任何修改就能滿足新要求，波音對進氣口設計稍微做了些修改以滿足增加的隱形要求，該公司認為雙尾翼設計將能滿足要求。
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洛克希德的090P隱形方案不做任何修改就能滿足新要求
隱形要求的提高迫使迫使通用動力公司重新考慮了不同雙垂尾佈局，其中一種甚至安裝在機翼短艙上。此外他們還把機翼和控制面後緣切成與前緣平行的V形，看起來就像是蝙蝠翅膀。最終該公司沒有找到理想的雙垂尾安裝方式，提交了具有單垂尾和鋸齒後緣的T-333。
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隱形要求的提高迫使迫使通用動力公司重新考慮了不同雙垂尾佈局，其中一種甚至安裝在機翼短艙上
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最終該公司沒有找到理想的雙垂尾安裝方式，提交了具有單垂尾和鋸齒後緣的T-333
截止日期的再次推遲
和上一階段一樣，美國空軍再次推遲了演示/驗證階段方案提交的截止日期，這連次原型機製造的截止日期也做了相應推遲。修訂後的方案需求書要求承包商製造兩架原型機：一架安裝F119發動機，另一架安裝F120發動機。這個變化緣起於80年代初電子行業先驅戴維•帕卡德關於五角大樓採購改革的一份國會委員會報告，報告受最近F-16項目成功的影響，贊成在新型軍用飛機的研製中採用原型機競爭體制。
皮奇里洛解釋道：“最初的方案需求書中並沒有原型機要求，ATF沿用了沒有原型機的F-15項目流程。美國空軍五十多年以來對原型機價值的認識一直反反复复。60年代的F-15項目並沒原型機時，我們也完成了研究、地面測試和風洞試驗，然後就開始全面研製工作。我們的確製造了測試機，但是其規格都非常接近生產型。經修訂後的方案需求書要求為演示/驗證階段獲勝的方案製造驗證原型機，用意是讓承包商展示其ATF概念的關鍵技術，重中之重是超音速飛行和低可探測外形設計。
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F-15並沒有原型機，測試機在其規格非常接近生產型。圖為第一架F-15A 71-0280
通用動力的莫蘭回憶說：“我們實際上已經完成設計，當我們收到方案需求書的MR-006修改請求時只需幾天就能提交方案。與原定授予4家獲勝公司每家約1億美元的合同不同，空軍這次只選出兩家獲勝公司，每家公司會獲得約7億美元合同來製造飛行原型機。我們被要求在文檔中增加一篇描述如何設計、製造和測試兩架飛行原型機的章節，這兩架飛機一架將安裝普惠F119發動機，另一架安裝通用電氣F120發動機。我們還需建立一個地面航電測試實驗室。如果必要我們還可以提供一個航電飛行試驗平台。”公司們獲得了額外的60天來修改各自的方案。
1985年底美國空軍在修訂過的演示/驗證階段方案需求書中附帶了一封鼓勵各競爭公司組隊的信。皮奇里洛回憶：“修訂後的方案需求書中帶有有一封鼓勵公司組隊的信函。空軍鼓勵組隊是想使項目獲得最好的工業界資源。項目將變得昂貴且龐大，我們從工業界獲得的承諾越多，項目就越有可能成功。”
承辦商間立即開始跳起復雜的交誼舞，1986年6月波音、通用動力、洛克希德代表簽署了一項合作協議，兩個月後諾斯羅普和麥道公司宣布了組成另一個團隊，剩下的兩家公司沒有選擇組隊。
波音、通用動力、洛克希德達成的協議：獲勝公司將領導團隊。組隊是在“三盲”狀態下進行的，沒有一個參與者能在合同授予之前看到其他競爭者的設計或項目計劃。波音、通用動力、洛克希德公司在結果宣布後將向獲勝公司各派駐一組二十人的高層管理人員。
1986年10月31日美國空軍宣布洛克希德和諾斯羅普成為前兩名競爭者，各自獲得7億美元的合同。11月2日週日波音和通用動力公司的代表以合作夥伴身份在加州伯班克的洛克希德臭鼬工廠首次會見了洛克希德同行，該團隊將和諾斯羅普和麥道公司同台競技競爭美國空軍的下一代戰鬥機。
美國空軍部副部長阿爾德里奇的萬聖節公告意味著洛克希德和諾斯羅普各獲得一份ATF項目演示/驗證階段6.91億美元的合同。兩家獲勝企業牽頭組建團隊，每個團隊將製造兩架安裝不同發動機的飛行原型機，並製造地面航電原型機和一個用於演示的飛行航電實驗室。演示/驗證階段的競爭將決定哪支團隊能進入項目的下一階段，最終製造出ATF的生產型。
在演示/驗證階段結果宣布後，ATF項目重回保密狀態，其信息在1990年8月原型機下線前很少公開，這段時間將近4年。雖然這4年在保密的掩護下顯得很平靜，但因為ATF競爭的加劇，參加項目的人們都感到了巨大的壓力。
演示和解說
演示/驗證階段競爭結果是在星期五下午宣布的，在接下來的周一早上，來自洛克希德、波音和通用動力公司的代表在加州伯班克的洛克希德工廠內第一次作為一個團隊開了會。大約有100名工程師和管理人員擠在360號樓的大型保密會議室裡，聽取三家公司代表對各自ATF概念的陳述。每家代表都獲得兩小時的陳述時間，洛克希德代表先開始，波音代表在午飯後開講，最後是通用動力代表。
這一整天的演示和解說會議對於到場的每個人來說都是前所未有的，之前三家公司從未進行過如此徹底的交流活動，而就在一星期前，聽眾們還互視為競爭對手。雖然三家公司之前就有合作協議，但由於協議簽署和合同授予之間的間隔很短再加上保密檢查規定，所以無法交換信息，所以交流會開得非常有必要。
1985-1991年間通用動力公司的ATF項目主管蘭迪•肯特項回憶說：“那個週一是我飛機業務生涯中最迷人的一天。通常情況下我們不知道其他公司近幾個月來做了些什麼，有也是在合同授予之後的事。這次為了ATF項目，每家公司都在伯班克進行了曾為空軍做過的演示和解說。我們都把各自的模型、佈局和圖紙放在台上，每個人都能看到各公司在項目當前階段所做的詳細工作，大家都獲得了驚人的體驗。”
通用動力公司的總工程師格里•馬夫補充說：“這些方案的多樣性令人驚訝，深度和性能都令人印象深刻。洛克希德公司的實力表現在信號特徵上，他們的工程師知道如何使用一組固定角度來設計飛機，他們了解所有相關細節和設計技術，他們的作戰分析也表明為什麼隱身是關鍵要素，這也是他們能勝出的原因。他們看重ATF的操縱品質，所以有了四尾翼設計，他們的方案非常好。”
洛克希德方案的重要性進一步加強。在首次團隊會議後，美國空軍主任技術評估師里克•阿貝爾向這三家公司匯報了各自方案在演示/驗證階段得到的評價。阿貝爾使用的評估圖表系統和F-22系統項目辦公室後來在二進一競爭中使用的相同，他為每種方案都列出了約七十項優點和三十項缺點。
洛克希德項目主管和團隊領隊謝爾姆•穆林回憶說：“這是我在職業生涯中唯一一次看到在同一競爭中官方對各競爭方案進行評價，而且評價直接來自一位官方權威人士而不是流言。方案書中的系統工程篇在空軍做出決定時佔了很大比重。大部分競爭方案受挫於崇尚目標設計和單一答案。空軍官員在1986年末就明確表示希望能看到平衡各方面性能的權衡研究，希望提出的每個要求都能受到挑戰。他們機會考慮了所有方面。
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洛克希德項目主管和團隊領隊謝爾姆•穆林
洛克希德的方案還有一個關鍵的獲勝因素。後來成為ATF項目空軍首席工程師的阿貝爾解釋道：“演示/驗證階段的所有方案都能滿足空軍的要求。我們評估中最大的單一重要因素就是降低生產型的研製風險，也被稱為'首選系統概念'。我們並不關注原型機和原型航電能夠做什麼或能夠達到怎樣的性能，我們希望獲得項目能沿著降低風險和充分技術開發的方向展開，這樣當我們開始下一個階段時將得到一個低風險項目。我們並沒有花很多時間來瀏覽各方案書中原型機性能。
分工協作
加州會議後不久，三個公司的人員被分成兩個基本設計組。一組負責解決原型機的接口、成本和協作問題，並且在演示/驗證階段後期負責首選系統概念。分工後，三家公司為每個小組成員都進行了困難且複雜的費用估算，計算需要考慮很多因素（例如不同的勞動力價格和各公司獨特的估算流程）。
另一組人員致力於確定合作協議中各公司德爾工作配額，這將成為三家公司的基本關係。他們在一份五十頁的文件詳細規定了領隊公司的任務和職責、成員公司之間的分工和任務、未來方案的預備工作、專有信息和專利的處理、爭論解決程序、成本分攤、成本報告、宣傳協調、以及協議本身的終止程序。
每家公司之前都提交了假設自己獲勝成為領隊公司後的任務分配清單。這些任務被分成六大類：武器系統集成、機身設計/系統、航電、系統測試、製造、保障性，在演示/驗證階段合同被授予後又增加了第七類：系統工程。
洛克希德作為領隊公司獲得了最多的工作份額：負責製造前機身和起落架、所有特殊處理邊緣和低可觀測性天線的集成、座艙、控制器和顯示器、航電系統的核心處理部分、飛機總裝和檢測，並主導試飛。
波音公司得到了後機身和機翼、滅火系統、生命支持系統、輔助動力系統、制動裝置、雷達、紅外搜索和跟踪系統、任務軟件、飛行航電實驗室，並且作為主導公司獲得了培訓系統的最大份額。
通用動力公司獲得了中段機身和其中的所有子系統、主起落架、水平和垂直尾翼、飛行控制系統、通信-導航-識別系統、電子戰系統、慣性參考系統、彈藥管理系統、低可觀測性能的紅外部分，並作為主導公司獲得了支持系統的最大份額。這些基本分工經過細微修改後一直延用到F-22項目。
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F-22項目的分工，表格中的瑪麗埃塔、沃斯堡、西雅圖分別是洛克希德、通用動力、波音的工廠所在地。在洛克希德收購通用動力飛機部門後，洛克希德的份額一家獨大
合作協議還規定以演示/驗證階段的獲勝方案作為原型機方案的設計起點，協議中寫道：“方案可經過修改後融入其他合作夥伴方案的特點，這樣的修改可以在空軍要求後，也可以在當事方同意並經過空軍批准後進行。”簡單來說，團隊鼓勵結合三家公司的優勢來贏的ATF競爭。
波音ATF項目主管迪克•哈迪說：“合同被授予後我們花了兩年時間進行設計。我們決定在確定生產型構型後再開始製造演示原型機。而諾斯羅普團隊走的是先製造原型機再確定生產型配置之路，假如他們能進入項目的下一階段，就不得不就行大量修改，例如重新安排彈艙的位置。而我們希望把在製造和測試演示原型機中收集的數據直接使用在生產型上。這樣做的全部目的是為了讓原型機為最終生產型的設計產生提供有用的數據。”
當團隊在伯班克第一次碰面時，工程師們看到了一幅帶內部佈局的洛克希德方案線圖，上面寫著090P構型，此外還有一幅寫著090P/092構型的詳細三視圖。090P構型就是洛克希德為ATF演示/驗證階段提交的方案，090P/092構型是洛克希德在由空軍評估期間進行的改進設計，修改了進氣口、小幅調整了機翼和尾翼後掠角，垂尾向外側移動，機背稍稍收窄。
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092構型與090P構型之間的區別（黑色輪廓為090P）
從090P向1132構型——也就是YF-22的進化過程，涉及了一些堪稱飛機設計史上最密集的工作。團隊成員開始了緊張的090P構型修改工作，公司們分析了各自的相對優勢和劣勢並對各種設計特點提出了支持或反對意見。當時擔任洛克希德技術和設計副總工程師的保羅•馬丁說：“那時的氣氛很激烈，我們花很多時間來說服彼此，要知道在場的所有人都是強硬的工程師。”
所有三家公司都拿出了海量資料供人翻閱，每個公司的方案都有自身的問題和優勢。但作為官方的起點方案，洛克希德的設計受到了最多的關注與批評。
馬夫回憶說：“研究了090P構型的設計之後，我們很快意識到這架飛機根本飛不起來，巨大的前翼身融合體在俯仰軸上根本不可控。內部佈置也不合理，大型旋轉彈艙把發動機和進氣口推向兩側，從而產生了過大的激波阻力。向後收起的起落架也不適合戰鬥機。”
通用動力構型設計主任凱文•倫肖回憶說：“通用動力團隊在伯班克待了大約兩個星期後向總部發回了一套洛克希德方案的設計圖紙。沃思堡工程師們的第一個任務是飛機圖紙輸入計算機來建立分析模型。洛克希德設計的不成熟性變得顯而易見，其平面圖、剖面圖和截面圖之間只有一個粗略的相互關係。在分析了設計之後，通用動力的工程師們發現其氣動和重量數據和圖紙幾乎沒有關係，只是個'目標'數字。該設計只是由圍繞飛機各子系統的圖紙組成，並且互相之間沒有關聯。洛克希德提交的是一個飛機的概念而不是一個目標設計，但正式這種做法贏得了競爭。
090P在設計細化上可能比不上波音和通用動力提交的方案，但洛克希德辯解說這是因為其設計起步相對較晚，公司是在最後階段才決定推翻之前設計提交新方案的。但正是這個決定使洛克希德從上階段的最後一名一躍成為演示/驗證階段的第一名。相反，在空軍對能減少演示/驗證階段風險的設計更感興趣時，波音和通用動力公司卻在目標設計上投入了太多精力。
肯特說：“通用動力在歷史上一直專注於構型設計。我們會進行大量結構和氣動細節設計，並進行風洞測試來讓設計能夠實現我們的承諾。我們認為空軍評估師對演示/驗證階段方案的構型和概念一樣重視，還認為有效的權衡研究只能以一個堅實的構型為起點。看來我們誤讀了空軍的意圖，他們更感興趣的概念而不是具體的構型。”
穆林解釋說：“090P構型並不是一個目標設計方案。這不是偶然的，我們的方案因為能實現客戶想的和我們要做的而贏得競爭。如果客戶想用兩年時間好好進行系統工程而且沒有規定太多目標設計的話，那麼就體現出了這個方案的優點了。”
穆林繼續說：“我們的團隊在系統工程一開始就遇到了大問題，很多工程師想設計一架只能滿足既定要求的飛機，而不是一種能繼續讓空軍官員調整要求的權衡設計。1987年的研究主題之一就是讓每個人都認識到空軍的每條要求都不是最終要求，權衡研究和降低風險更重要。
哈代回憶說：“一開始所有人都有一點抵觸情緒。現在回想起來，我們的團隊最終聚攏在一起，達成一項協議，完成了一項偉大的工作。其中穆林居功至偉，他讓每個人都專注於項目和設計，他讓爭論遠離個人情緒，他始終專注於對項目最有利的東西。”穆林成為洛克希德-波音-通用動力團隊在演示/驗證階段的領導者，他把來自三種不同企業文化的工程師們擰成了一股繩。
穆林說：“我想我在所有方面都做到了合理公平。幾乎每週我都被三家公司的工程師們弄得心煩意亂，每個人都認為自己的設計是聖經。我不得不說服波音和通用動力的工程師們相信我是正大光明的，並沒有偏袒洛克希德公司。這很不容易，不過我與哈代、肯特還有其他許多人都建立一種富有成效的關係。我們最終成為一個有凝聚力的團隊，這是贏得競爭的一個關鍵因素。我們並沒有對彼此的企業文化做太多干涉，我們只是學會彼此接納，攜手合作。作為系統工程團隊主管的AL•普魯登為此進行了艱苦的努力。”
出席過1986年首次會議的比爾•莫蘭說：“三家公司的項目經理——穆林、哈代和肯特組成了一個互補的班子。穆林興奮、熱情洋溢＼沉迷迷於技術；哈代在財政方面很敏感，腳踏實地，具有簡單明快的幽默感，和穆林的熱情形成完美互補；肯特含蓄、聰明，致力於為試飛和最終作戰製造出一架真正的飛機；三人齊心協力向項目的終極目標努力——製造出真正用於作戰的武器系統。這些領導人的互動總是令人興奮並能受到啟發的，學習他們如何相處，如何求同存異。與任何有著幾千人的龐大集團一樣，三家公司的合作總是會有些磕磕絆絆的事情，但管理層把握住了通向成功的正確方向。我沒在其他團隊任過職，但我聽說過其他團隊的一些故事，同樣需要有強力領導人才能成功。
莫蘭補充道：“吉姆•費恩是演示/驗證階段ATF系統項目辦公室的負責人，他也對團隊的協作貢獻良多。他比我們大多數人最初認為的更聰明，而且是位無所畏懼的創新者。他在演示/驗證階段之初加入項目是還是一名上校，他就宣佈如果不能讓項目按照設想的情況運轉，他就永不當將軍。費恩最終在演示/驗證階段中期被提升成準將，後來以中將軍銜退休。他利用兩支團隊間的競爭而不是指手畫腳來獲得想要的東西。在里克•阿貝爾和湯姆•布赫爾上校的幫助下，他引入了許多年後才被國防部正式採用的採購革新。
設計過程
穆林、哈代和肯特成為設計過程的最終仲裁者，這需要克希德-波音-通用動力團隊在應變力、效率和決斷上達到一個新水平。
肯特解釋道：“工程師們將通過各自公司的總工程師進行分歧溝通，總師直接對各自的項目主管負責。也就是說如果工程師們不能達成一項決議，他們就把問題推給各自的總師，如果仍不能決定，問題就會被踢給穆林、哈迪和肯特。無論多麼優秀的工程師都必須學會坐下讓他人說話，對他人的意見表現出尊重而不是挖苦。我們開除了無法與他人相處的傢伙，一些頂尖工程師們渡過了一段學習如何與同行相處的艱難時期。最後這些有著不同行事方式和不同背景的工程師們終於能坐在一起工作。在三家公司的空氣動力學專家們開始投票反對他們三家公司結構工程師們做出的決定時，我開始感到我們正成長為一個更具凝聚力的團隊。
整個設計過程不斷受到與美國空軍代表定期接觸和更正式的空軍評論的影響。阿貝爾解釋說：“空軍通過一份初始規格草案控制了ATF的研究方向。隨著研究的深入和方案的評估，我們在演示/驗證階段中每年都要調整一次規格。在我們的評論中，我們根據作戰分析、測試結果以及其他信息來確定要求是過高還是過低，然後進行相應調整。如果其中一個團隊認為無法實現新要求時我們就不做修改，不過他們會意識到另一個團隊也許能滿足。所以一般在我們修改要求後兩個ATF團隊會全力以赴。”
比如空軍一開始要求主武器艙可容納8枚飛彈。阿貝爾說：“一個團隊認為可以實現但並不確定，我們就沒有改變原先六枚飛彈的要求，最後兩支ATF團隊都確定彈艙裝不下8枚飛彈。還有一個例子，我們取消了用於短距降落的噴管反推要求，因為該裝置太過昂貴，費效比不佳。”
莫蘭補充說：“構型的進化始終伴隨著ATF系統項目辦公室和戰術空軍司令部對系統要求的歷年錘煉。每年的設計修改都要導致重新估算重量、成本、性能和效能，估算結果又會導致相應的規格變化，而對規格的修改又需要新的設計工作，如此反復不已。”
因此美國空軍在演示/驗證階段對設計過程的參與是間接的。阿貝爾說：“我們對項目施加的最大影響是允許公司針對特定係統進行理論和動機研究，在技術方面更傾向於理解兩支團隊的設計理念和採用的方法。我們總是問'你為什麼要那樣做呢？'而不是'你為什麼不這樣做呢？'。我們更感興趣的是設計過程和背後的動機而不是細節。如果在我這邊裡有人說'應該這樣做'，我會槍斃他，因為我們不能給研究定方向。
設計挑戰
ATF在設計上的基本挑戰是把隱形、超音速巡航、高度集成化航電和敏捷性都集中在一架飛機上，還要求該機的作戰航程高於F-15，F-22還必須要有F-15兩倍的可靠性和一半的支援要求。
哈迪說：“我們經常遇到的一個問題就是在嘗試把部件塞進飛機時，這東西就想佔據重心位置。彈藥當然要位於重心，這樣在投放時就不會改變飛機的穩定性。主起落架想佔據緊靠重心後的位置，這樣在降落時就不需要坐著尾巴上接地，起飛時也更容易抬起機頭。油箱也想佔據此位置，這樣在油箱變空時重心就不會移動，否則因燃油消耗導致的重心移動會降低穩定性和操控性。此外出於隱形的原因我們也不得不遮掩發動機正面，所以兩根巨大的進氣道就必須以正確方式從上述設備中間穿過。設計的複雜性導致專門負責這一塊的工程師們為空間安排爭論不休，這種情況從1986年一直持續到1988年。”
隨著設計的進展，重量變成了最困難的設計挑戰。穆林承認：“我們從來沒能設計出一架接近空軍要求的50000磅（22680千克）起飛全重的飛機。經過兩年的努力後，我們說服空軍這是不可能的，於是空軍修改了重量要求。”
穆林繼續說：“進氣道的匹配設計也是非常困難的，氣動、結構、低可探測性和可生產性要求互相之間嚴重衝突。我們花了大約三年進行大量的分析和風洞測試，實現了一個完全可以接受的進氣道設計，最後的性能非常好。
1987年2月，洛克希德-波音-通用的構型迎來了第一個重大變化，更節省空間的扁平彈艙取代了090P上的旋轉彈艙。095構型第一個採用新彈艙上，旋轉彈艙的取消使兩台發動機能更加靠近，減少了波阻。
095構型還縮窄了邊條以減少重心前的投影面積，併後推了渦流分離的位置，這些改變對大迎角飛行至關重要。工程師們還重新設計了前機身以減少截面積，提高大迎角性能並減少波阻和重量，發動機進氣口也經過了重新設計。095構型仍保留了090P的梯形機翼和尾翼。
此時構型演變為兩個家族，第一個家族編號帶1000前綴，代表原型機設計（也就是所謂的“原型飛行器”）。第二個家族編號帶500前綴，代表首選系統概念設計——也就是最終並能進入項目下一階段的方案（即生產型設計）。095構型因此演變為1095（原型）和595（生產型）。
構型經過次要修改後會在編號後加上短橫和數字，例如1987年7月的首選系統概念是595-6構型。隨著演示/驗證階段的進展，這兩個設計家族漸行漸遠，為了製造和試飛原型機，原型機設計被凍結。首選系統概念則繼續為項目的下一個階段（全面發展階段，也就是之後的工程和製造發展階段）繼續進化。
1987年5月美國空軍進行了第一次要求審查，前後持續了一個星期。穆林回憶說：“首次審查就是一場確保我們正沿著正確軌道前進的溝通交流會，我覺得大家在審查後都對設計感覺良好，人們的樂觀情緒高漲，沒人願意承認我們的ATF達不到50000磅的重量要求。我們在詳細設計和重量分析上做的還不夠，還沒得到一組準確的重量數據。
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1092構型的三種設計方案，其中兩種具有來自通用動力ATF方案的彈艙設計
構型進化
1987年6月下旬，在三公司7月10日沃思堡常務會議之前工程師們得到了重量數據。肯特回憶道：“我們幾乎超重9000磅（4080千克），單價超支500萬美元。但我們在所以機動性參數上仍然達標，除重量和成本外我們有了一架相當不錯的飛機。我們希望能放寬最大過載時的載油量，還希望能調低其他幾項總重量指標，去掉幾個任務，並通過簡化航電來降低成本。”
在這些妥協還沒有落地前，團隊決定退後一步對設計進行更根本性的修改。穆林說：“經過一場激烈的爭論後，我們認為需要扔掉現有設計重新來過。我們在那個週末啟用新設計工程主管迪克•坎特雷爾，他飛過來帶領大家開始了為期90天的緊急修改。工作開始於7月13日（星期一），標誌的在戰鬥機概念設計期間最富有創造力一段日子的開始。我們研究了不同進氣口、機翼、尾翼的組合，其中一個構型具有兩個大蝶形尾翼，看上去有點像F-117。由於當時F-117仍然高度保密，所以人們不知道這點。構型探索範圍很廣，但最後帶來的最大變化是菱形機翼。”
集中構型探索從大量可行性設計研究開始，對大量可行設計進行排列組合。在1987年夏團隊對菱形機翼、雙尾翼（V尾），各種形狀的進氣口，各種外形的前機身同時進行了反復考量。
具有梯形機翼和四尾翼的595-7構型成為這些研究的起點。608A構型是等效的基准設計，外形和595-7類似，只是主彈艙掛六枚而不是八枚飛彈。
608構型具有梯形機翼和雙尾翼。607-0構型引入了與通用動力ATF方案相似的菱形機翼，但配之以四尾翼而不是單垂尾。607-11A構型具有菱形機翼和雙尾翼。611A構型同樣具有菱形機翼和雙尾翼，但大機背使人聯想到090P。609A構型看起來很像波音的ATF方案，具有梯形機翼、雙尾翼和單頜下進氣口。
610A構型混合了波音和洛克希德方案的特點，具有梯形機翼、雙尾翼和雙側面進氣口。計算機輔助設計在這些構型的研究中起到了至關重要的作用，ATF是最早使用電腦進行輔助設計的戰鬥機之一。一開始團隊使用的是CADAM二維繪圖軟件包。
在伯班克參加了數月ATF設計工作的通用動力構型設計師約翰•霍夫施威勒解釋說：“CADAM更適合設計細節部分而不便於對設計概念進行反復修改。我們很快意識到需要ACAD和Perq電腦來加快設計進程。我們從沃斯堡調出了設備並通過了洛克希德的安檢，這是個不小的壯舉。我們六個來自沃斯堡的工程師有一間被稱為大壁櫥的小辦公室。ACAD軟件允許我們有更多的想法，並讓每個想法更詳細。
ACAD是通用動力公司研製的三維軟件包，可用於概念和初步設計（該軟件的後續版本至今仍在使用）。該小組還把ACAD和CATIA配合使用，後者是達索開發的高保真三維軟件，可以把數據直接輸出給數控加工設備。ATF設計師用ACAD做出第一代線形數據庫以便能夠快速反复推敲修改，隨後這些文件會被編譯成CATIA數據庫。
穆林補充道：“我們也通過數據鏈把設計數據和其他數據在三個公司中互相傳輸。這個網絡建於1987年項目的早期，我們花了幾天時間在大型機而不是工作站上搭建網絡。數據鍊是加密的，這樣沃思堡的工程師可以與伯班克或西雅圖共享設計相關數據。”到1987年8月中旬，供選擇的構型已經縮減至5個，分別是595-7構型（梯形翼、四尾翼、和8枚飛彈基準構型）、612構型（6枚飛彈的基准設計）、613構型（梯形機翼和雙尾翼）、 614構型（菱形機翼和四尾翼）、615構型（菱形機翼、雙尾翼和雙側面進氣口）。八月下旬，菱形機翼四尾翼的614構型勝出。
穆林說：“採用菱形機翼的根本原因就是在獲得最輕的重量和最好的結構效率時還能滿足控制力要求，其中最大的因素還是重量，重量決定了一切。”
倫肖補充說：“菱形翼不僅有更大的面積，而且結構更高效。較長的翼根弦長提供了更加分散的機身負載路徑，多艙壁設計可承受彎曲載荷。該設計為圍繞內部設備佈置艙壁提供了更多的空間，同時也增加了載油量。”
哈迪指出：“結構工程師想要菱形翼，因為可以提供較大的翼根弦長且彎曲力矩承受性能更好。 而氣動專家想要梯形翼，因為該機翼可以提供更大的展弦比，空氣動力學性能更好。洛克希德加州公司總裁迪克•黑珀最後拍板選擇了菱形翼，他做出了正確的決定。菱形翼的氣動性能也不是那麼糟，而且結構和重量性能都有顯著改善，所以我們選擇了菱形翼。但是更大的翼根弦長把平尾後推，最後我們不得不在機翼後緣內側開了一個缺口來容納平尾，否則再把平尾後移，就要掉出機身了。
尾翼探索
614構型確定了機翼後，後續構型就要開始研究尾翼佈置了。洛克希德發動機集成總工程師婁•班格特回憶：“我們花了大量風洞時間研究尾翼。我們從1987年到1988年初都在致力於被稱為'偉大的尾翼探索'的研究。我們知道肯定會採用四尾翼，但如何佈置就是個大問題了，一個細微的位置變動就能導致巨大的差異。我們必須同時考慮尾翼對性能、隱身、穩定性和操控性、阻力的影響，所以尾翼佈置和機尾設計都是非常重要的研究。”
風洞試驗結果表明，垂尾位置和前機身設計之間存在超敏感的關係，而且這種相互作用並不能通過氣動分析或流體動力學計算準確預測。在某些迎角下經過前機身的氣流會影響方向舵的操控力，所以讓氣流正確流動是至關重要的。
由於會增加雷達反射信號，所以垂尾的外傾角和後掠角度並不能改變太多。在尋找尾翼佈置的過程中，控制系統設計師因隱身方面德爾限制只能平移或縱移尾翼，並在基本外形不變的前提下下對垂尾進行放大或縮小。在演示/驗證階段結束時，團隊已經進行了約20000小時的風洞測試，其中很多專門用在了尾翼佈置研究上。
具有梯形平尾和垂尾的614-6構型成為1987年12月開始的尾翼探索的起點。經過許多中間構型後，1988年2月的630構型的垂尾也進化成菱形，同時縮小了機翼面積。631構型每側垂尾的面積增加了0.65平方米，方向舵尺寸也稍稍增加，垂尾傾斜角度從28度增加到30度。1988年3月原型機設計也被凍結於該構型（1131構型）。
美國空軍取消了反推要求後，原型機設計在1988年5月的最後一分鐘解凍。團隊以對圍繞反推設計的後機身和尾噴管的外形進行修改，結果使尾部阻力顯著減小。穆林說：“直到5月我們才獲得了一種具有正常超音速阻力的飛機。我們在這麼晚的時候做出解凍原型機設計的決定嚇壞了空軍。但對於超音速巡航來說此時設計的超音速阻力仍太高，首席飛行科學工程師Ed•格拉斯哥率領一隊人馬重新設計了前後機身，使超音速阻力降到可以接受的水平，確保飛機能超音速巡航。”
1988年5月原型機設計被最終凍結在1132構型，除了前後機身的修改外，平尾也由1131構型的梯形改為菱形。
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最終YF-22原型機被定案在了631構型
原型機
1988年4月1日YF-22的第一批生產圖紙正式出圖，4月27日沃斯堡工廠開始粗略切削一塊中段機身的鈦631壁板，標誌著第一架YF-22開始動工。通用動力在沃斯堡主工廠F-16總裝線的北端保密區製造了這個中段機身，很快洛克希德也在伯班克開始製造帶起落架艙前艙壁的前機身。同時波音也開始在西雅圖製造後機身和機翼，他們先從襟副翼扭矩臂組件著手。原型的製造將持續兩年。
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設計團隊進行了數千小時的風洞測試，圖中這個模型名為V5B，用於測量彈艙在飛行中的氣動受力
原型機的各組件最後匯集到加州帕姆戴爾進行總裝。1990年1月12日一架洛克希德C-5A“銀河”把第一架原型機的中段機身運到西海岸，就在該機從卡斯威爾空軍基地起飛後不久就被雷電擊中，好在機身於當晚被安全運抵目的地。幾天前前機身已經被卡車從伯班克運到帕姆戴爾，同一天波音的後機身也被卡車從西雅圖運來了。
穆林回憶道：“這些主結構組件的裝配過程很順利且迅速，這是三地都用CADAM軟件設計飛機和工裝的成果。”
1990年8月29日YF-22在帕姆戴爾的臭鼬工廠公開，9月29日首飛，洛克希德試飛員戴維•弗格森駕駛YF-22從帕姆戴爾飛到附近的愛德華茲空軍基地，10月30日第二架原型機首飛。隨之而來的YF-22試飛項目成為航空史上最辛苦的工作之一。
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兩架YF-22原型機，安裝了不同的發動機
試飛密度逐步提高，10月份13架次、11月份22架次、12月份38架次，團隊在74架次的試飛中積累了90飛行小時，YF-22的飛行包線也擴展超過了2馬赫、7g、60度迎角。YF-22還實彈發射了AIM-9M“響尾蛇”和AIM-120先進中程空對空飛彈。
安裝普惠和通用電氣發動機的YF-22都進行了不使用加力的超音速飛行——也就是超音速巡航的演示。肯特說：“在我們完成首飛後，YF-22的試飛頻率迅速增加，我們只有不到三個月的試飛時間。在空軍輕型戰鬥機項目的YF-16和YF-17之爭中，通用動力YF-16的試飛頻率就遠高於諾斯羅普的YF-17，我們想在YF-22試飛中再現這一情景並做到了。我們有來自洛克希德、波音和通用動力公司的經驗豐富的試飛員，同樣還有很多經驗豐富的現場服務人員。洛克希德的迪克•艾布拉姆斯作為我們愛德華茲試飛團隊負責人表現出色。”
空軍要求ATF原型機能展示出符合ATF要求的性能和操縱品質，其中包括超音速巡航。不過對推力矢量不做要求，因為這只能通過過失速機動才能展示。此外各團隊還需要在雷達測試場對全尺寸模型進行評估，看是否滿足低可探測性要求。
莫蘭說：“諾斯羅普-麥道團隊的原型機早我們一個月下地，並開始了一個完全正常且成功的短期試飛項目。我們起步晚了，只能寄希望於更密集的試飛來爭取時間，最後我們做到了。
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編隊飛行的YF-22與YF-23
生產型設計的進化
生產型設計在原型機被凍結後仍不斷進化。1132之後的構型逐步表現出F-22和YF-22之間的外形差異。1988年7月，發展自632構型的634構型開始具有前移的座艙和縮短的進氣口，同時還改進了結構佈置，更重要的是該構型還對航電規定了900萬美元飛離成本上限，這將對F-22項目產生深遠影響。
穆林說：“由於航電成本的不斷增長，1989年1月美國空軍高級官員規定了航電成本上限。當時我們航電系統的圖紙設計成本已經超過了單機160萬美元。上限導致的衝擊波影響了整個項目，這對空軍和兩個團隊來說都是如此。紅外搜索與跟踪系統以及其他很多系統（如側視合成孔徑雷達）不得不被擯棄。實際上航電成本上限可能是項目中做出的最明智決定之一，在此之前航電成本的瘋長已超出控制，空軍提出一個簡單的數字就解決了很多問題。”
到1989年秋，634構型已讓位於637構型，後者俱有不同的前機身外形、新的彈艙設計和和新的系統佈置。1990年初又出現了638構型，機翼前緣後掠角從48度變為42度、進氣口進一步後移而座艙進一步前移、垂尾變小、機翼後緣切尖、總長度從19.50米縮短至18.90米，638構型的變形進入下一階段繼續發展。1990年的最後一天，該方案被提交給俄亥俄州的美國空軍賴特-帕特森空軍基地。
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F-22生產型與YF-22原型機的外形差異
最終獲勝
1991年4月23日空軍部長唐納德•賴斯宣布洛克希德團隊成為ATF項目的贏家。賴斯指出洛克希德和普惠的設計“顯然以更低的成本提供了更好的性能，從而能為空軍提供最好的價值。”最初的全面研發合同包括9架單座、2架雙座和2架地面測試F-22。
由於在宣布結果後美國空軍沒有向承包商提供方案詳細評估報告，人們對洛克希德-波音-通用動力團隊獲勝的原因有著各自的解釋。謝爾姆•穆林是這樣解釋的：“我們的目標是在各方面擊敗諾斯羅普-麥道團隊，而不是僅在某些特定領域獲勝。我們團隊花掉了6.75億美元來實施一個全面戰略，我們的生產型具有平衡的設計，我們原型機的性能幾乎和向空軍預測的完全一樣，我們的全尺寸模型顯示出能以低風險方式來滿足雷達信號要求，我們用地面和飛行實驗室演示了綜合航電，實時運行了大量航電軟件且效果良好。F-22非常注重自持作戰能力，在設計中融入了許多可靠性、可維修性和保障性功能。我們嚴格遵守空軍工程和製造發展階段方案需求書中的每個細節。”
隨著當年秋天美國空軍授予首批生產型飛機的長周期生產合同，F-22“猛禽”項目開始從研發階段轉入生產階段。生產型的製造始於645構型，其外形和1990年12月提出的638構型基本相同。F-22的生產數量一開始為750架，預訂於2005年交付。不過在演示/驗證階段末期，數量削減到648架，但由於冷戰後國防資金和威脅的減少，F-22的生產數量進一步被削減至339架，誰知最終僅生產了187架。在F-22的生產期間，三家公司一直沒有放棄向美國空軍推銷可最終取代F-15E的F-22對地改型，並大力遊說政府開放向盟國出口F-22。
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F-22“猛禽”