[原创]雷达隐身之F-117和B-2

PS这里只讨论雷达隐身问题

1966年苏联学者发表的“在物理折射理论中的边缘波方法”论文,提出预测某种简单形状的物体如何散射或反射电磁辐射的方程,阐述了编制计算机软件来精确地计算某些两维结构雷达截面的方法。可惜的是苏联人并没有重视他们的发现倒是一个在洛克希德马丁工作的计算机工程师完成了这个程序,其直接产物——洛克希德的大趋势和have blue 技术验证机——f-117的直系祖先

F-117 案例


F-117 是第一架以隐身为主要设计准则的作战飞机。由于计算能力的限制,F-117 只能采用二维隐身设计,机体表面呈多面体形状。最初的设计按隐身要求进行最优化,结果是一个像梭镖一样的扁平、尖利的菱形的升力体,没有常规意义上的机翼,进气道在机体的背部,扁平的进气口和尾喷口都是斜切的,避免与前进方向形成直角,同时扁平的尾喷口可以尽快地把炽热的喷流和周围的冷空气混合,降低红外特征。但是气动分析和风洞试验表明,这个形状根本飞不起来,所以被戏称为“毫无希望的方块”(Hopeless Diamond,diamond 也指扑克牌中的方块或一般的菱形)。没有办法,只好把菱形的两个高度后掠的前缘延长,形成机翼。这样,后半机身就呈锯齿状。为了增加飞机的操纵性,双垂尾也加上去了。当然,隐身的原则不能忘,双垂尾是高度内倾的,垂尾顶端几乎要碰头了。这样一可以避免和机翼形成互成 90 度的平面,二可以对炽热的发动机喷口有所遮挡(减小红外特征,也减小喷口的腔体反射),三可以增加从侧面入射的雷达波的角度,减少回波。试验机的代号 Have Blue,整个飞机的样子就像用纸折出来的,棱是棱,角是角的。Have Blue 飞起来了,隐身性能不错,但飞行操控还是不好,被形容为“会飞的猪”,高度后倾的座舱盖前风挡也严重影响了飞行员的前方视界,给起飞、着陆控制带来不小的困难。工程开发时,除了增大基本尺寸,增设机内弹舱和电子设备外,机翼前缘的后掠角被减小,以增加机翼在大迎角下的升力和总体气动性能;座舱盖前风挡的后倾也减小,以改善飞行员的视界;内倾的双垂尾后移,变成外倾的双垂尾,以增加垂尾的控制效果。最后产品当然就是大名鼎鼎的 F-117。

铁血网提醒您:点击查看大图


铁血网提醒您:点击查看大图


hopeless diamond,Have Blue,F-117,向美国海军提议的舰载型


铁血网提醒您:点击查看大图 铁血网提醒您:点击查看大图


Have Blue,F-117 的技术验证机

F-117采用双梁式下单翼,由下表面和上表面的三个平面构成,机翼下表面前部与前机身融合。后掠角67.5°,菱形翼剖面,F-117采用这一翼形主要是为了将前方的雷达波反射到接收不到的地方。机翼有两块副翼,与全动尾翼一起来操纵稳定。尾翼呈V字形,彼此夹角85°,后掠角65°,可减小角反射器效应。

机身。是一个两端尖削的飞行角锥体,机身框架上覆盖有平板形蒙皮,光滑融合过渡。F—117A机身表面和转折处设计成使反射波集中于水平面内的窄波束,而不是象常规飞机那样全向散射。这样就能使两波束之间的“微弱信号”与背景躁声难以区别。这种波束很窄,以致于雷达不能够得到足够连续的回波信号,而难以确定是飞机目标,还是瞬变噪声。在对待一些小部件的设计上,设计师也作了周密考虑。如座舱盖接缝、起落架舱门和发动机维修舱门,以及机头处的激光照射器边缘都设计成了锯齿状,并让这些锯齿边缘与上述某窄波束方向垂直,这样其反射波就不会形成另外的波束,而与该窄被束方向一致。


F-117 的多面体外形除了加大雷达波的入射角外,还可象迪斯科舞场的镜面球一样,使残存的雷达回波闪烁不定,粗看起来象不规则的白噪声一样。为了减少平直缝隙所造成的正面回波,F-117 将舱盖的边缘做成锯齿形。为了将不可避免的回波能量集中在几个方向,给敌方雷达的回波造成一闪而过的效果,而不是稳定的回波,F-117 将所有机翼、尾翼和舱盖的锯齿前后缘平行。


F-117 不光将进气道布置在机背,避免地面雷达的直接照射。F-117 还在进气口加装格栅,进一步加强对入射雷达波的遮挡,避免敌方雷达直接“看到”在雷达波下像镜子一样反光的压气机叶片。


铁血网提醒您:点击查看大图


F-117 进气道的防雷达格栅,座舱盖的锯齿状边缘也清晰可见

铁血网提醒您:点击查看大图

飞行员和座舱内的设备没有办法作隐身处理,于是座舱盖涂敷高导电透明材料,将入射的雷达波引导到机身上,由机身的隐身特性来处理。


铁血网提醒您:点击查看大图

投弹中的F-117要是这时候投弹舱卡住了。。。。



B-2 案例

铁血网提醒您:点击查看大图

YB-49 B-2的先祖后来因为某些官商勾结的原因下马



铁血网提醒您:点击查看大图


高度保密的 B-2“首映式”,百密一疏,让航空杂志 Aviation Week & Space Technology 的一个记者雇了一架小赛斯纳,闯入禁区,拍下了这张照片。本来神神叨叨的不让看这个角度,不让看那个角度,这下子,最重要的角度彻底“春光乍泄”


铁血网提醒您:点击查看大图


你要是空军的作战计划人员,看到这张照片会不会口水狂流?


诺思罗普公司在和洛克希德竟标 F-117 失败之后,转攻隐身要求更高的隐身轰炸机。B-2 设计之初是按全向宽频带隐身、高空、远程设计的,要求可在开战之初穿越完好的苏联防空体系攻击核目标并安全返航;可不用空中加油就从美国本土出发攻击苏联境内的纵深目标。雷达吸波材料的有效频段有限,F-117 那样的多面体隐身技术达不到全向隐身的要求。在诺思罗普公司为这个全向隐身焦头烂额的时候,诺思罗普的电磁学怪才 Fred Oshira 带一家人到迪斯尼乐园游玩。随身带着一团橡皮泥,坐在板凳上看孩子兴高采烈地转“转转茶杯”时,随手捏出一个上圆下平、像二战时期英国的锅盖式钢盔一样的形状,圆滑的上表面向周边展沿开来,一直到尖锐的周边。这样,入射的电磁能量的散射大量减少,而是变成表面波,沿弧面向周边“流散”。尽管最终遇到边缘还是要远路返回,但如此劳师远征,来回一跑,在流动的过程中一路按指数规律衰减,形成回波的时候也是强弩之末了。这个隐身原理比 F-117 的多面体要先进很多,既达成全向隐身,又减少对气动设计的影响。这决定了 B-2 的基本形状:上圆下平——飞翼构造。其实飞翼是诺思罗普公司创始人诺思罗普的梦想在诺思罗普先生的第一个飞翼设计诞生后78年B-2终于出世。

铁血网提醒您:点击查看大图


诺思罗普为研究全向隐身而研制的 Tacit Blue 研究机,被戏称为“鲸鱼”,像不像?别看样子奇奇怪怪的,这一条边可是作用大大的,把电磁波的能量像水银泻地一样地化为无形



铁血网提醒您:点击查看大图


B-2 也遵循 Tacit Blue 上开发出来的设计原理,上圆下平


隐身要求外观尺寸最小,高空飞行要求展弦比、翼展、翼面积最大,远程突防要求机内载油量最大。自然,如果所有的机身结构都用来产生升力和用来装载人员、燃油和有效载荷,就可以省却既不产生升力、又产生阻力的传统的筒形机身,这就是飞翼了。飞翼最大的问题是尾翼(或等效的控制面)和机身重心之间的距离减小,控制力矩减小,飞行控制难度大大增加。诺思罗普在 40 年代就开始研究飞翼,就是因为飞控过不了关而放弃,直到 80 年代线控增稳的出现,才成功地实现了实用的飞翼。飞翼和一般概念上的飞机的形象差别实在太大了,B-2 通体乌黑,又喜欢在若暗不明的夜空出没,孤陋寡闻的人看到 B-2 在的黑暗的天空中悄无声息地滑过时,一定以为见到鬼了。飞翼的结构效率是显著的,B-2 的翼展和波音 707 差不多,长度只比 F-15 稍长,但是载弹量和航程和 B-52 相当。


铁血网提醒您:点击查看大图

比较 B-2 和 KC-10 加油机的尺寸差别




早期 B-2 的方案模型,上为有双垂尾的方案,中为双垂尾向外移动并减小,配以翼尖控制喷嘴的方案,下为最终方案,喷口后为气动控制面


铁血网提醒您:点击查看大图


但注意和 B-2 的差别:在风洞研究中发现,气动控制面的控制力矩实在太小,结果把控制面后移,B-2 的后半部形成了独特的双 W 形


B-2 的另一个重要特征是无垂尾。B-2 没有用矢量推力,但它的副翼其实是上下两片,可以分别向上下打开。需要时,将一侧的副翼上下同时打开(以避免不需要的横滚力矩),而另一侧保持关闭,就形成不对称的阻力,达成偏航控制。这样的偏航设计从二战开始就一直在无尾翼设计上被不断采用。两边同时打开时,就作为减速板使用。一面打开上面的一半,另一面打开下面的一半,就达成横滚控制。据说在“战斗状态”时,为了最大限度地减小雷达特征,B-2 改用两侧发动机的差动推力来控制偏航。

B-2 也将发动机深深地埋入机体内,从外界入射的雷达波不可能从任一方向直接照射到压气机的叶片,进气口前缘也作了锯齿处理,角度和机翼前后缘都是对齐的。座舱风挡前可以看到一排排的圆东西,这是测量空速用的压力传感器,用上下左右不同压力传感器的差压,测量空速和航向、姿态的变化。一般飞机都用一根尖尖的伸出来的探针一样的空速管,B-2 为了隐身,在这么小的细节上也不放过。


铁血网提醒您:点击查看大图


B-2 风挡前的压力传感器


B-2 时代更为先进的计算能力使连续可变曲率的复杂大弧面成为可能,在隐身和气动性能之间达到完美兼顾。

本文内容为我个人原创作品,申请原创加分

猜你感兴趣

更多 >>

评论

评 论

更多精彩内容