深度剖析J20技术特点!隐身

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导读:飞机隐身基本原理 “令人纠结”的鸭翼?似懂非懂的“专家”? 对于歼-20来说,争议最大,非议最多,质疑最猛的,无疑就是延续了歼-10的鸭翼布局。尽管这种布局如上所述具有升阻比大,气动控制强悍等优点,但大部分似懂非懂的“军事专家”都认为,这也要付出隐身能力下降的代价。   从直观的感觉上来看,似乎确实如此,由于鸭翼安排在主翼之前,从正面看过去是一小块复杂的形状,又不像常规的水平尾翼一样能够为主翼所遮蔽,因此担心其成为雷达回波的主要反射目标是很自然的。因而广大军事迷、众多媒体也都纷纷人云亦云,认定中国

飞机隐身基本原理


“令人纠结”的鸭翼?似懂非懂的“专家”?

对于歼-20来说,争议最大,非议最多,质疑最猛的,无疑就是延续了歼-10的鸭翼布局。尽管这种布局如上所述具有升阻比大,气动控制强悍等优点,但大部分似懂非懂的“军事专家”都认为,这也要付出隐身能力下降的代价。

从直观的感觉上来看,似乎确实如此,由于鸭翼安排在主翼之前,从正面看过去是一小块复杂的形状,又不像常规的水平尾翼一样能够为主翼所遮蔽,因此担心其成为雷达回波的主要反射目标是很自然的。因而广大军事迷、众多媒体也都纷纷人云亦云,认定中国歼-20的性能肯定不如F-22,甚至不如采用了“隐形鸭翼”的T-50。此言差矣!

实际上,在真正洞悉雷达隐身原理的人眼中,这根本就不是问题。一个好的隐身飞机要处理好上百个问题。所谓鸭翼问题,只不过是个极为普通的次要问题而已。要理解这一点,就必须了解雷达和隐身的原理。



雷达眼中的物体特征和物体几何形状完全不同

雷达是靠接收己身发出的电磁波照射到目标上返回的回波来探测目标的,削弱雷达回波的强度和稳定性是隐身处理的入手关键。

理论上说,假如雷达电磁波恰好垂直照射到一块板上又直线返回,这是最理想的雷达工作模式,但实际上这样的机会微乎其微,照射到平面上的电磁波大部分会像光线照射到镜子上一样,按法线折射原则转向其它方向。

从雷达原理来说,雷达实际的反射信号中最强的部分,是当雷达波照射到飞机的、尖锐、缝隙、边缘等突出或凹陷(学名将其称为角形结构和凹腔结构)的外形不连续处时,经过两次反射产生的180度转向返回的反射信号,这种信号才是回波能量的主体。

也就是说,雷达电磁波所“注意到”的物体特征,和实际的物体几何特征差别是很大的。它对“尖锐”、“凹陷”的小构件很敏感,而对大块的平面相对很“无视”(除非恰好垂直)。



从雷达波长看,鸭翼并非重点反射目标

至于何为“外形不连续、尖锐、缝隙”,则与对方雷达的波长量级有关。与雷达波长相近的物体,就是强反射目标。当雷达波束的波长接近于飞机的构件尺寸时,这些构件就像镜子一样,强烈的反射无线电波。而构件尺寸是雷达波长的两倍的时候,产生谐振效应,反射最强。

对于机载的的厘米波(电磁波长为厘米量级)雷达来说,“外形不连续处”指的主要是飞机上的各种舱门(起落架舱、弹舱、维修开口等)缝隙,天线基座,突起状物体等。

目前隐身飞机和半隐身飞机电磁处理的第一要务,就是处理这种效应,而其处理方式也较为简便——尽量简少外置天线、机身舱门即可。

美国海军的F/A-18从没有考虑隐身处理的A/B型,发展到考虑隐身设计的E/F型“超级大黄蜂”,尽管整体外观没有变化,正面雷达信号却下降了一个数量级。当然,更进一步的优化还包括将必不可少的缝隙、舱盖等边缘处理成锯齿状,以求雷达波能折射和散射到其它方向。


物件对不同的雷达有不同的反射特性

而对于地基远程警戒的米波(波长为米一级)雷达来说,鸭翼、机翼、尾翼等翼面的体量与其波长相近,都算是“外形不连续处”,这也就是米波雷达反隐身能力较强的原因。当然,米波雷达的精度较差,只能提供早期预警和方向指引。

从这个视角,控制翼面是在机翼前面(鸭翼)还是后面(常规水平尾翼),对厘米波雷达来说差别不大,因为翼面和波长差别较大,不属于最强的反射特征;对米波雷达而言差别也不大,因为都属于强反射特征,而由于照射角度问题(一般都是从下侧方入射),翼面无论在前还是在后都会被照射到。


鸭翼对战机的意义

鸭式布局:飞机前部两侧有两个较小的前翼,后边是一个大的主翼。早期的鸭式布局飞起来像一只鸭子,“鸭式布局”由此得名。采用鸭式布局的飞机的前翼称为“鸭翼”。

鸭翼的发明


自从1903年莱特兄弟发明第一架飞机以来,飞机设计师们通常将飞机的水平尾翼和垂直尾翼都放在机翼后面的飞机尾部。这种布局是现代飞机最经常采用的气动布局,因此称之为“常规布局”。

但早在二战前,前苏联已经发现如果将水平尾翼移到主翼之前的机头两侧,就可以用较小的翼面来达到同样的操纵效能,而且前翼和机翼可以同时产生升力,而不像水平尾翼那样,平衡俯仰力矩多数情况下会产生负升力。

当飞机做大强度的机动如上仰、小半径盘旋等动作时,鸭式布局的飞机的前翼和主翼上都会产生强大的涡流,两股涡流之间的相互偶合和增强,产生比常规布局更强的升力。


鸭翼的作用


战机的鸭翼有两种,一种是不能操纵的老式鸭翼布局,一种是从80年代以来出现的、由数字化飞控系统操纵的可动鸭翼的战机。目前有欧洲的“台风”、法国的“阵风”、瑞典JAS-39和中国的歼-10等。

这些飞机的鸭翼能通过己身位置的变化对涡流进行主动控制,产生更强的操纵性能,还用于改善跨音速过程中安定性骤降的问题,同时也可减少配平阻力、有利于超音速空战。

鸭式布局和边条都是靠其引发的脱体涡流,对主机翼的翼面气流产生有利影响。它们仿佛汽车技术的“涡轮增压”,投资小,见效快,性能提高显著。而两者的主要问题都是由于使气动力中心大幅度前移,气动焦点产生变化。因此采取此类布局的飞机通常是纵向静不稳定(其实也是优点之一),需采用数字化的主动飞行控制系统来加以解决。


在工程实践中,如果鸭翼整体使用的是吸波材料,隐身就不成问题;而哪怕仍然是金属材料,实际也影响不大。

实际上,主翼前缘襟翼影响隐身的问题,比鸭翼复杂得多。前缘襟翼横跨整个机翼前缘,体量又恰好接近于厘米波雷达,在襟翼变化角度时,与机翼产生的凹腔结构,导致雷达反射大大增强,这个问题处理起来要棘手的多。

要处理襟翼对厘米波雷达的隐身,只有特定波段的吸波涂层或者特种复合材料,才能取得较好的效果。相比而言,鸭翼布置的问题实在是不值一提。

而要满足隐身要求,消除“外形不连续处”,除了要处理好机身表面的开口,更需要处理好机身内部的发动机正面涡扇叶片、尾喷口,以及机载雷达、座舱设备等零碎部件对敌方雷达波的遮蔽问题。

其中发动机涡扇叶片可以用弯曲的S形进气道遮蔽并在进气道涂上吸波材料,尾喷口可以用尾部延伸的尾撑遮蔽,机载雷达遮蔽可以用单向透波材料制作的雷达罩解决,座舱可以用座舱盖镀金的办法解决。

这些特殊材料、工艺和办法,才是制造隐身战斗机真正的、回避不了的难题,这涉及到诸多工业行业的硬实力。

除了角形结构和凹腔结构的强反射信号,雷达隐身处理中还要考虑镜面垂直反射,解决这个问题主要是靠外形设计,也就是大部分隐身飞机的典型特征——外形由尽量少的几块面和线构成,以把飞机的垂直面信号特征控制在几个有限的方向,错开主要威胁角度。而在此基础上,还要通过计算设计出良好的过渡曲面,实现外形隐身的目的。

这一点大家都较为熟悉,不再详述。只不过大部分人都不会料到,这种隐身飞机最为直观的、总体外形上的隐身,在隐身处理的考虑顺序和难度上,其实是被排在较为靠后的位置。

气动特点和升力特性

按隐身原理的要求,我们从整体到细节逐一检视歼-20所采用的隐形措施。首先,整体表面平滑,毫无赘物,甚至到座舱盖,也是和F-22一样的一块玻璃一体成型,没有了前风挡框架的反射。这样一个细节无疑强烈显示了成飞追求隐身性能的决心。而发动机尾部,歼-20也和F-22一样,基本做到了完全遮蔽,与后半部几乎敞露的T-50完全不同。总之,在外形隐身上,歼-20与F-22采取的措施是完全等同的。


首先,歼-20的菱形机头,斜侧而简洁、上下表面非常平直的机身,都是非常明显的隐身设计,这减少了不连续平面带来的雷达反射。机翼、鸭翼前后缘考虑了前后平行的折射考虑。而大外倾,面积较小的V尾和腹鳍,也是有效的隐身措施。

对于非常重要的发动机遮蔽上,首先DSI鼓包就是遮蔽措施,而从机身两侧的进气口到尾部并列紧靠的尾喷口,说明进气道有明显S形设计,可有效阻挡发动机叶片的雷达反射,这比T-50那个直筒状、仅有很少遮蔽的进气道效果有天壤之别。

而在同样重要的减少“外形不连续处”上,歼-20大大减少了维护口盖数目,明显可见的只有采用了锯齿形边缘的起落架舱。而且主起落架舱盖较大,这是一个将必不可少的起落架舱和检修窗口合二为一,减少开口的巧妙设计。


需要注意的是,F-22 的 CARET 进气道的分离隔板恰好是一个标准的凹腔结构,对雷达的强反射远胜于所谓歼-20的鸭翼的影响。虽然可以用吸波涂料加以缓解,但仍是F-22 隐身的软肋。



目前出现的歼-20的颜色是绿灰色的,完全不同于三代机歼10、歼11,以及俄罗斯T-50出厂时的黄皮(金属防锈漆)机,而是复合材料和隐形材料的颜色,表明隐型涂料已经完全喷涂到位、并大量使用了复合材料。可以估计,单向透波雷达罩也将会成为歼-20的隐身措施。


最终隐身值:无法获知的机密,但应与F-22处同一层级

之前所列的种种看得见的隐身措施,可以将战机的雷达反射截面积(RCS)从10平方米以上降至1平方米的量级,但要进一步降低,就进入隐身涂料的比拼范围。根据美国空军内部资料披露的数据,F-22的正面RCS为0.1平方米,这些都仰赖隐身吸波涂料的贡献。

但是,对唯一不能量化评估的,也就正是歼-20的隐身涂料和复合材料的吸波效果究竟如何。对于隐身战机而言,这是不愿为外人所知的高度机密。而且,隐身涂料、隐身材料的敷设使用量,也与战机成本息息相关。如B-2为保证对地基米波警戒雷达也实现隐身,喷涂了厚厚的吸波涂层,整机单价也为此高达20亿美元。

在外形隐身措施和F-22毫无二致,RCS已经降至1平方米的前提下,歼-20在隐身涂料上或许会出于控制成本而减少用量,或许研制功底与美国尚有差异(但也应相去不远。中国对此也有30多年的跟踪研究)。

我们在此只能推测,歼-20的最终隐身效果,应与F-22处于同一量级。若F-22的RCS为0.1平方米,歼-20最佳应能达至0.3平方米,最差也不会大于0.6平方米。无论如何,都会远胜T-50的1-2平方米。




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