susubobo 2011-11-7 00:40
飛機的隱形技術
現代戰場上散亂的電磁波到處都是，為了避免受雜亂回波的干擾，雷達用各種先進的信號處理手段，把穩定的電磁波回波分離出來，用來探測、鎖定目標。這既是雷達聰明的地方，也是隱身可以鑽的地方。如果飛機能夠削弱回波的強度，並使回波閃爍不定，這效果就出來了。隱身手段不能使飛機從敵方雷達上徹底消失，但可以推遲敵方雷達發現並鎖定我方目標的時機，或減少我方目標暴露於敵火之下的時間。這樣，隱身的目的就達到了。
雷達發射的電磁波照射在目標上，除鏡面反射外，還形成散射。鏡面反射是指入射角等於反射角的光學意義上的反射。在實際情況中，雷達靠鏡面反射捕捉住目標的情況很少，雷達一般是靠散射形成的回波來發現和鎖定目標的。
入射波的波長遠遠大於目標的幾何尺度時，散射的強度和散射的方向有關，散射更和波長的四次方成反比，也就是說，電磁波中，波長越短，散射越強。入射波的波長和目標尺度相近時，入射波的相位會沿目標的長度方向變化，目標的複雜幾何形狀之間的互相作用會對回波的性質有很大的影響，回波的性質很難預測。入射波的波長遠遠小於目標的幾何尺度時，散射符合光學定律，目標的複雜幾何形狀之間的交互作用可以忽略不計，回波就是各個部分散射的矢量疊加。由於雷達天線的尺寸和雷達的波長成正比，防空火控雷達和機載雷達都用分米波和釐米波的波段，所以以阻撓敵方火控雷達鎖定為主要目標的隱身研究都集中在入射波波長遠遠小於目標幾何尺度的情況。
雷達回波強度也和反射面的形狀有很大關係。就一塊方板來說，假定電磁波長為板邊長的十分之一（此亦防空飛彈火控雷達的典型波長選取法），一塊正對著雷達直立起來的方板和一個具有同樣截面積的圓球相比，前者的雷達回波要強一千倍；方板後傾 30 度時，兩者的回波強度相當；方板完全放平時（如果厚度不計），則方板的回波強度反而要小 50 倍。注意，儘管方板的厚度已經忽略不計，方板的截面積在理論上是零，但方板的線性尺度還是在那裡，雷達照樣可以「看到」它。 如果把方板轉 45 度，也就是把方板的一個角衝著雷達，則後傾八度時，回波強度已經和圓球相當；放到接近水平時，還可進一步降低一萬倍。也就是說，若要隱身，不光要減少和雷達入射方向成直角的平面，還要減少和雷達入射方向成直角的縫隙和邊緣。
雷達的探測距離和雷達反射面積成四次根關係，也就是說，如果雷達反射面積小十倍，雷達探測距離只縮短一半都不到。所以，雷達反射面積必須縮小很多，才能達到隱身目的。換句話說，除非採取隱身措施，簡單地縮小飛機的物理尺寸對減小雷達反射面積沒有太大的實際效果。這裡，雷達反射面積不是目標的幾何截面積，而是一個與目標產生同等回波的金屬圓球的等效截面積，幾何截面積、材質和形狀對雷達的反射率和反射的方向性都對雷達截面積有影響，所以雷達反射面積可以比幾何截面積大，也可以比幾何截面積小，就好像在黑夜裡手電照射下，一塊小鏡子可以遠比一個蒙面黑衣大漢顯眼。作為參照，美國的 F-15 的雷達反射面積為 405 平方米，B-1B 為 1.02 平方米，SR-71 為 0.014 平方米，F-22為 0.0065 平方米，F-117 為 0.003 平方米，B-2 為 0.0014 平方米。 除了光學意義上的散射造成的回波，雷達波以較小的角度照射在光滑的表面上，還會產生表面波。表面波沿目標表面行進，雖然波的強度按指數規律衰減，但還是一路上還是按「入射角等於反射角」形成散射，但這是波動的方向已經偏離了雷達的方向，所以雷達接受不到這些散射的回波。但是到了表面波無路可走的時候，表面波回原路返回，這時的回波可以被雷達接受到。對於一架飛機，表面波行進到機頭或機尾時，只能原路返回，從而形成回波。
除了表面波，入射的雷達波還可以形成爬行波。爬行波是繞射的一鐘。繞射是指波動遇到目標邊緣時，繞過邊緣，繼續前進的情況。在戶外窗邊照樣能聽到屋裡的聲音，就是繞射的緣故。爬行波是波動在繞射後繼續沿「背陰面」前進的情況，也按指數規律衰減。爬行波在遇到縫隙和邊緣的時候，回原路返回，最終形成回波。在目標尺寸大於爬行波的波長 10-15 倍時，爬行波現象可以忽略不計。
對於一架典型大小的戰鬥機，表面波和爬行波的雷達反射面積達到 1-1.5 平方米，對於隱身飛機來說，已經達到不可忽略的地步了。 雷達回波和另外兩個主要來源是角反射和腔體反射，前者是兩個互成 90 度直角的平面形成的折角，入射的雷達波的雷達波在這兩個平面之間可以形成正對入射源的回波，極大地加強了雷達反射信號。如果三個互成 90 度的平面形成一個角落，反射更強烈，除材質對雷達波的少許吸收外，基本上就是鏡面反射。腔體反射就是一個又深又長的有底開孔的情況，在多次反射後，入射的能量基本上全部反射回入射方向，而和孔內的形狀大體無關，只是內部反射次數的多少而已。這個問題對發動機進氣道和座艙尤為嚴重。所以，隱身飛機的外型就應該：
1、減小單一連續的平面的面積
2、增加表面的平滑度，減少開口和縫隙
3、加大開縫和邊緣與雷達入射方向的夾角
4、避免互成90度的平面F-117 案例 SR-71 在設計時已經對隱身有所考慮，但設計的重點是雙三（三倍音速，三萬米升限），隱身主要是有雷達吸波塗料和圓滑的機體表面來實現的。F-117 是第一架以隱身為主要設計準則的作戰飛機。由於計算能力的限制，F-117 只能採用二維隱身設計，機體表面呈多面體形狀。最初的設計按隱身要求進行最優化，結果是一個像梭鏢一樣的扁平、尖利的菱形的升力體，沒有常規意義上的機翼，進氣道在機體的背部，扁平的進氣口和尾噴口都是斜切的，避免與前進方向形成直角，同時扁平的尾噴口可以盡快地把熾熱的噴流和周圍的冷空氣混合，降低紅外特徵。但是氣動分析和風洞試驗表明，這個形狀根本飛不起來，所以被戲稱為「毫無希望的方塊」（Hopeless Diamond，diamond 也指撲克牌中的方塊或一般的菱形）。沒有辦法，只好把菱形的兩個高度後掠的前緣延長，形成機翼。這樣，後半機身就呈鋸齒狀。為了增加飛機的操縱性，雙垂尾也加上去了。當然，隱身的原則不能忘，雙垂尾是高度內傾的，垂尾頂端幾乎要碰頭了。這樣一可以避免和機翼形成互成 90 度的平面，二可以對熾熱的發動機噴口有所遮擋（減小紅外特徵，也減小噴口的腔體反射），三可以增加從側面入射的雷達波的角度，減少回波。試驗機的代號 Have Blue，整個飛機的樣子就像用紙折出來的，棱是棱，角是角的。Have Blue 飛起來了，隱身性能不錯，但飛行操控還是不好，被形容為「會飛的豬」，高度後傾的座艙蓋前風擋也嚴重影響了飛行員的前方視界，給起飛、著陸控制帶來不小的困難。工程開發時，除了增大基本尺寸，增設機內彈艙和電子設備外，機翼前緣的後掠角被減小，以增加機翼在大迎角下的升力和總體氣動性能；座艙蓋前風擋的後傾也減小，以改善飛行員的視界；內傾的雙垂尾後移，變成外傾的雙垂尾，以增加垂尾的控制效果。最後產品當然就是大名鼎鼎的 F-117。
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hopeless diamond，Have Blue，F-117，向美國海軍提議的艦載型
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Have Blue，F-117 的技術驗證機 F-117 的多面體外形除了加大雷達波的入射角外，還可像迪斯可舞場的鏡面球一樣，使殘存的雷達回波閃爍不定，粗看起來像不規則的白噪聲一樣。為了減少平直縫隙所造成的正面回波，F-117 將艙蓋的邊緣做成鋸齒形。為了將不可避免的回波能量集中在幾個方向，給敵方雷達的回波造成一閃而過的效果，而不是穩定的回波，F-117 將所有機翼、尾翼和艙蓋的鋸齒前後緣平行。
F-117 不光將進氣道佈置在機背，避免地面雷達的直接照射。F-117 還在進氣口加裝格柵，進一步加強對入射雷達波的遮擋，避免敵方雷達直接「看到」在雷達波下像鏡子一樣反光的壓氣機葉片。
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F-117 進氣道的防雷達格柵，座艙蓋的鋸齒狀邊緣也清晰可見飛行員和座艙內的設備沒有辦法作隱身處理，於是座艙蓋塗敷高導電透明材料，將入射的雷達波引導到機身上，由機身的隱身特性來處理。
在F-117上實現的很多隱身原理在很多後來的飛機上都得到了應用。雷達吸波材料已經在現役戰鬥機的現代化改裝中廣泛採用。在新型戰鬥機設計中，即使不強調終極的隱身性能，邊緣對齊也已經是基本的了。用塗覆雷達吸波材料的格柵屏蔽發動機的正面、減少雷達回波的技術已經用於 F-18E 和落選的波音 JSF 技術驗證機 X-32。扁平和有下部遮掩的尾噴口被用於 B-2 和落選的麥道 ATF 技術驗證機 YF-23，F-22 的矩形噴口也有類似作用。F-117 在當時的歷史條件下，無疑是成功的。但是多面體外形對氣動性能十分不利。B-2 案例
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高度保密的 B-2「首映式」，百密一疏，讓航空雜誌 Aviation Week & Space Technology 的一個記者雇了一架小賽斯納，闖入禁區，拍下了這張照片。本來神神叨叨的不讓看這個角度，不讓看那個角度，這下子，最重要的角度徹底「春光乍洩」
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你要是空軍的作戰計劃人員，看到這張照片會不會口水狂流？
諾思若普公司在和洛克希德竟標 F-117 失敗之後，轉攻隱身要求更高的隱身轟炸機。B-2 設計之初是按全向寬頻帶隱身、高空、遠程設計的，要求可在開戰之初穿越完好的蘇聯防空體系攻擊核目標並安全返航；具有和 U-2 相仿的巡航高度，以超過幾乎所有戰鬥機的實用升限，並且增加武器投放的距離；可不用空中加油就從美國本土出發攻擊蘇聯境內的縱深目標。雷達吸波材料的有效頻段有限，F-117 那樣的多面體隱身技術達不到全向隱身的要求。在諾思洛普公司為這個全向隱身焦頭爛額的時候，諾思洛普的電磁學怪才 Fred Oshira 帶一家人到迪斯尼樂園游玩。隨身帶著一團橡皮泥，坐在板凳上看孩子興高采烈地轉「轉轉茶杯」時，隨手捏出一個上圓下平、像二戰時期英國的鍋蓋式鋼盔一樣的形狀，圓滑的上表面向周邊展沿開來，一直到尖銳的周邊。這樣，入射的電磁能量的散射大量減少，而是變成表面波，沿弧面向周邊「流散」。儘管最終遇到邊緣還是要遠路返回，但如此勞師遠征，來回一跑，在流動的過程中一路按指數規律衰減，形成回波的時候也是強弩之末了。這個隱身原理比 F-117 的多面體要先進很多，既達成全向隱身，又減少對氣動設計的影響。這決定了 B-2 的基本形狀：上圓下平。B-2 時代更為先進的計算能力使連續可變曲率的複雜大弧面成為可能，在隱身和氣動性能之間達到完美兼顧。
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諾思洛普為研究全向隱身而研製的 Tacit Blue研究機，被戲稱為「鯨魚」，像不像？別看樣子奇奇怪怪的，這一條邊可是作用大大的，把電磁波的能量像水銀瀉地一樣地化為無形
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B-2 也遵循 Tacit Blue上開發出來的設計原理，上圓下平隱身要求外觀尺寸最小，高空飛行要求展弦比、翼展、翼面積最大，遠程突防要求機內載油量最大。自然，如果所有的機身結構都用來產生升力和用來裝載人員、燃油和有效載荷，就可以省卻既不產生升力、又產生阻力的傳統的筒形機身，這就是飛翼了。飛翼最大的問題是尾翼（或等效的控制面）和機身重心之間的距離減小，控制力矩減小，飛行控制難度大大增加。諾思洛普在40年代就開始研究飛翼，就是因為飛控過不了關而放棄，直到80年代線控增穩的出現，才成功地實現了實用的飛翼。飛翼和一般概念上的飛機的形象差別實在太大了，B-2 通體烏黑，又喜歡在若暗不明的夜空出沒，孤陋寡聞的人看到 B-2 在的黑暗的天空中悄無聲息地滑過時，一定以為見到鬼了。飛翼的結構效率是顯著的，B-2 的翼展和波音 707 差不多，長度只比 F-15 稍長，但是載彈量和航程和 B-52 相當。
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比較 B-2 和 KC-10 加油機的尺寸差別
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早期B-2的方案模型，上為有雙垂尾的方案，中為雙垂尾向外移動並減小，配以翼尖控制噴嘴的方案，下為最終方案，噴口後為氣動控制面
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但注意和 B-2 的差別：在風洞研究中發現，氣動控制面的控制力矩實在太小，結果把控制面後移，B-2 的後半部形成了獨特的雙 W 形 B-2 的另一個重要特徵是無垂尾。B-2 沒有用矢量推力，但它的副翼其實是上下兩片，可以分別向上下打開。需要時，將一側的副翼上下同時打開（以避免不需要的橫滾力矩），而另一側保持關閉，就形成不對稱的阻力，達成偏航控制。兩邊同時打開時，就作為減速板使用。一面打開上面的一半，另一面打開下面的一半，就達成橫滾控制。據說在「戰鬥狀態」時，為了最大限度地減小雷達特徵，B-2 改用兩側發動機的差動推力來控制偏航。無垂尾佈局對於隱身的重要性不言而喻，已有多種未來隱身飛機的方案採用無尾飛翼的佈局。 B-2 也將發動機深深地埋入機體（機翼）內，從外界入射的雷達波不可能從任一方向直接照射到壓氣機的葉片，進氣口前緣也作了鋸齒處理，角度和機翼前後緣都是對齊的。座艙風擋前可以看到一排排的圓東西，這是測量空速用的壓力傳感器，用上下左右不同壓力傳感器的差壓，測量空速和航向、姿態的變化。一般飛機都用一根尖尖的伸出來的探針一樣的空速管，B-2 為了隱身，在這麼小的細節上也不放過。
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B-2 風擋前的壓力感應器
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這肯定是哪個人吃多了撐著了，閒來無事、打發時光的作品，但對於深入重兵防守的敵後、攻擊重要目標來說，B-2 確實可以節約很多護航和電子戰支援的飛機，使出擊更及時，而不必等待調集支援飛機才能出動。從這個角度講，一架 B-2 確實可以頂一隊 F-16
F-22 案例
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以老帶新，還是承前啟後？ B-2 的例子比較極端，高機動性戰術飛機很難照搬 B-2 的技術思路，至少就不能用背部進氣道，不然拉一個大攻角的機動，發動機就斷氣了。F-22 作為美國下一代的主力戰鬥機，必須保持優異的機動性，同時可以適當降低全向隱身的要求。F-22 同樣採用連續可變曲率的複雜大弧面，但飛機的基本佈局還是比較常規的。為了減少機頭錐和機身的圓截面的較強雷達反射特徵，F-22 首創近似菱形的機頭錐截面和機身，達到「以角代面」，機頭錐側面尖利的折縫在氣動上起到了類似 F-18 的前緣邊條的作用，整個機身側面地折縫在電磁上也起到類似 B-2 的扁平、尖利邊緣的作用。
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F-22 的前機身呈現明顯的菱形截面，機身側面這條棱線和 Tacit Blue 的那條邊是一個意思 就垂尾而言，無垂尾或 V 形尾佈局的隱身效果最好，但機動性受損失。無垂尾佈局可以實現轉彎、升降和橫滾，但高機動性就談不上了。V 形尾要好很多，但控制面動作時，不可避免地同時產生偏航力矩和橫滾力矩，必須由副翼做反向橫滾，加以補償。這種進兩步、退一步的控制方式效率低，機動性也不及常規的垂尾和平尾分開的佈局。所以，用 V 形尾的 YF-23 出局了，而入選的 F-22 採用外傾的雙垂尾和平尾的組合，以保證優異的機動性。
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採用雙垂尾加平尾 4 尾翼佈局的 F-22
F-22 是自 F-111 以來第一個採用機內武器艙的戰鬥機。F-111採用機內武器艙的目的是減少外掛阻力，增加速度和航程。F-22 的目的則是隱身。機內武器艙儘管隱身性能好，但有容量較小、對武器的尺寸和形狀有較大限制的缺點。由於貼近機身，氣流流場複雜，而不是在氣流流場相對幹淨的翼下，武器的發射和分離技術要求比較高。如果一件武器沒有正確地彈射出去，後面的武器可能也無法彈射出去，對艙門的動作可靠性也要求較高。在隱身要求不高時，F-22可以在機翼下增加可拆卸的掛架，增加武器的掛載量。
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要是艙門卡住了，或者一件武器投放不成功，麻煩就大了
F-22採用彎曲的進氣道，以增加入射雷達波的反射次數，並在每次反射中吸收掉一點能量，最終的回波就會削弱很多。採用彎曲進氣道的戰鬥機很多，但 F-16 的 S 形進氣道只能遮擋發動機正面的 60%，而颱風的「駝峰」形進氣道則可遮擋幾乎 100%，F-22 的同樣如此。F-35 案例
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麥道的 JSF 最先出局，直接導致了麥道的關門，毛病還是出在技術上不夠成熟，太超前，用淺 V 形尾高機動性無法保證 F-22 是取代 F-15 的重型戰鬥機，F-35 就是取代 F-16、F-18、AV-8 的輕型戰鬥機。說它輕型，其實在別的國家都是中型了。F-35 是波音的 X-32 和洛克希德-馬丁的 X-35 之間競爭的結果，X-35 獲勝。就隱身技術而言，JSF 的最大特色是對進氣口的處理。X-32 另闢蹊徑，採用三角翼、雙垂尾佈局，最引人注目的是那張大嘴巴，形容醜陋就不說了，那不是直接違反隱身最基本的原理，把發動機的正面暴露在入射雷達的面前了嗎？也是，也不是。發動機的正面確實有一半在入射雷達的視線內，但波音在發動機前面增加了一個「雷達屏障」，用塗覆吸波材料的整流片把發動機的正面遮住，迫使雷達波拐彎抹角地通過整流片的間隙進入進氣道，一旦進入，就只能在裡面來回反射，每反射一次，就在塗覆吸波材料的壁上被吸收掉一點，最後只有極少的入射能量得以返回，形成回波。
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波音的 X-32 採用無尾三角翼和外傾雙垂尾的佈局，在結構和氣動上效率最高，但得不到軍方的信任，軍方對沒有得到時間考驗的東西，不會拿性命和有限的國防開支幫你去試驗、完善的
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波音臨時抱佛腳，給 X-32 加了一個尾巴，既破壞了設計的初衷，又沒有得到入選，
整流片當然對進氣效率有影響，但通過適當設計和增加發動機的推力，飛機性能不至於受到影響。同時，整流片也能起到「理順」氣流的作用，不是對發動機工作一無好處的。雷達屏障首先在 F-18E 上得到使用，在 F-18E 上，整流片是固定的。在 X-32 上，整流片是可動的，在起飛或超音速加力時，可以打開以增加空氣流量，在巡航時，可以關小，以提高隱身效果。波音聲稱雷達屏障足以滿足軍方對隱身的要求。波音最後落選的原因有很多，但對雷達屏障的效果的懷疑不是主要原因。X-32 落選的最主要原因有幾個：1、大型三角翼難以摺疊，不能適合上艦要求；無尾三角翼的低速大攻角機動性能得不到海軍的信任，其高機動性能也被空軍所懷疑，波音臨時抱佛腳推出的有尾 X-32 已經晚了；3、「鷂」式戰鬥機那樣的推力轉向對飛機的重心變化很敏感，不利於靈活掛載各種武器和適應各種任務。
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可以看出，F-18E 的進氣道也有一點彎曲，發動機的正面只有 1/4 多一點直接暴露
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雷達波最重「看到」的就是這麼一個東西，不容易「看透」的 X-35 大體就是 F-22 的單發縮小版，但 X-35 採用的比 F-22 更先進的無分離板進氣道（diverterless supersonic intake，DSI）。噴氣發動機的壓氣機在進氣的流速較高而且流場均勻的時候效率最高，然而由於空氣的粘性，在進氣口前機身表面附近的空氣相對於機身的流速很低，而「乾淨」的氣流的相對流速就很高，因此，發動機最好「伸到」乾淨的氣流中，像民航機的翼下吊掛發動機一樣。戰鬥機做不到這一點，發動機只能在機身內，於是用這塊邊界層分離板，或在進氣口和機身之間形成一個間隙，把低流速的「邊界層」分離掉，然後再通過「洩流道」把它洩放掉，不影響發動機的最優工況，即使 F-22 也有這個間隙。但在雷達的照射下，這塊板或間隙著實惹眼，必除之而後快。DSI 用一個複雜外形的鼓包代替分離板，然後在內部吸收掉低流速的邊界層，既解決了了邊界層分離的問題，又避免了突出的方板造成的強烈雷達回波。具體的機理沒有見到詳細的描述，猜測起來，大概是用固定的鼓包和進氣的壓力，將邊界層向鼓包的兩側壓縮，進氣唇口的中間向前延伸，但兩側向後退縮，正好銜接上鼓包的邊緣，形成「洩流道」，唇口的形狀自然地成為鋸齒狀。DSI 首先在 F-16 技術驗證機上得到驗證，然後用於 X-35。X-35 入選後，代號更改為 F-35。
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F-22進氣口後上方的格柵，靠前的是洩放邊界層的出氣口，靠後的是調節進氣量的出氣口（超音速時，進氣太多，要放掉一點）
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這裡可以清楚地看到F-35的DSI進氣口，邊界層被鼓包從中間「破開」，被迫向鼓包的兩側分開，最後從後縮的進氣口唇口和機身連接處洩放
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F-16 DSI 驗證機