浅谈鸭翼对四代机隐形结构的影响


“令人纠结”的鸭翼


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。



鸭翼布置问题实在不值一提


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。



研制隐身材料是真正难题


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。



总体外形隐身其实较为次要


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。





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