理解F-22设计思想之隐身设计一览
拾星勇者
2019年02月02日 18:20
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共5篇

最近在看杨伟院士主编的一本关于美国第四代战斗机F-22猛禽的书,对于理解F-22乃至第四代战斗机的设计思想很有帮助,笔者根据书的内容对此进行了总结与整理,做了笔记,希望有所裨益。

隐身性能作为第四代战斗机机最突出也最关键的技术优势之一,“先敌发现,先敌打击,先敌脱离”的战术优势让其十分难以对付,F-22飞机采用了完全不同于第三代战斗机以及F-117A B-2等隐身飞机的多种隐身技术,下面看一些有代表性的。

一、外形隐身 一般来说,飞机的隐身效果85%由其外形决定,其余约15%由雷达吸波材料与吸波结构等隐身技术完成,F-22的隐身性能主要也由气动布局与结构设计实现。  (1)翼身融合 F-22进气口后的机身上表面、机翼上表面、平尾上表面融合过渡,蒙皮无突起,比较平; 下半部分机身侧壁向内倾斜约35°(一般认为雷达威胁方向主要在30°以内); 采用菱形前机身截面设计,前机身上下两个圆滑曲面相交过渡处形成一条明显的棱线而非弧面,避免雷达波从入射方向反射回去。 整体上机身外形光顺圆润,十分有美感也不容易反射雷达波。 (2)进气口斜切  F-22的进气口在带棱边的机身下侧,并使用了S形进气道,入射电磁波需经过多次反射,配合使用雷达吸波材料,抑制进气道内的散射回波 进气道四边形唇口的四条棱边均向后斜切,在RCS减缩的重点方位角和重点俯仰角范围内,无棱边与电磁波射线垂直、与电场构成平行,减小进气口收集电磁波的有效面积。

(3)双垂尾外倾  通过设计合理的垂尾倾斜角,使侧向入射的雷达波大部分无法沿垂直于表面的方向,减弱雷达回波强度,又使大部分回波反射到雷达接受不到的方向上。  (4)平尾延伸 F-22的平尾前缘延伸到了机翼后缘之前一段距离,与机翼后缘的缺口重合,平尾后缘延伸到尾喷管后方,有效降低了飞机侧向的RCS,因为机翼和平尾对RCS较大的后机身提供了最大限度的占位遮蔽作用(利用具有弱散射源的散射体占据另一强散射源所在部位而形成的组合体,能显著降低RCS)。

(5)波峰合并 F-22的外形设计上,许多结构具有明显的”平行“特征:进气口的上下棱边,平尾的前缘及内侧后缘,锯齿状发动机尾喷口的上下唇边和尾撑后缘,均平行于同侧或对侧机翼的前缘;平尾外侧后缘平行于机翼后缘。这样的设计,使得不同结构在不同方位角上分散产生的众多回波波峰与机翼前后缘产生的回波波峰合并。降低被发现的概率。

(6)锯齿形设计与缝隙斜置 为了降低在飞机前向附近及尾向附近 入射到机身下表面缝隙引起的行波回波,凡是与飞机纵轴垂直的缝隙(口盖、舱门、进气道放气门等处)均设计成锯齿形或将缝隙斜置,发动机尾喷管处的调节也采用锯齿形设计,且每一个锯齿的两边或斜置的缝隙均平行于同侧或对侧机翼的前缘。

(7)内埋式武器系统 F-22取消了外挂物和外露支架,主副武器舱均只在发射时打开,且舱门在弹射发射器不收回的情况下仍能关闭。固定航炮安装在右侧机翼根部、机身内的炮舱内,不使用时,隐藏在机身内,射击时弹壳返回到弹箱中,以免撞坏机翼蒙皮上昂贵的隐身材料。

二、材料隐身 (1)座舱盖镀膜 座舱盖为聚碳酸酯板材整体融合件,表面研磨抛光并镀了一层金属膜,减少雷达回波。 (2)吸波材料与吸波结构并用 在翼面前后缘以及翼尖、进气道管壁及棱边、机身棱边等关键部位涂敷吸波材料或吸波贴片,并且使用先进的复合材料吸波结构,但F-22的吸波结构细节未见报道。大体上,复合材料由基体材料和纤维增强材料组成,易加入吸波剂,从而使复合材料的电磁性能具有可设计性,通过合理的铺层结构,最大限度的吸收、衰减雷达波。(复合材料已经成为先进战机理想的承力-隐身一体化结构) (3)隔栅屏蔽 飞机表面各通气口(进气口、冷却排放孔)均用钛合金网状格栅屏蔽,可将入射电磁波反射到雷达接收不到的方向,另外,在金属格栅表面涂敷吸波材料,或使用复合材料吸波结构制成,安装在发动机进气道处,也可以减弱入射电磁波。

三、红外隐身 除了蒙皮涂敷红外吸波材料减少由空气摩擦形成的热辐射,关键在于抑制发动机金属部件和尾焰产生的红外辐射。 (1)二元收敛-扩张矢量喷管 F-22采用F119-PW100涡扇发动机,其二元喷管可使发动机推力在俯仰方向±20°内偏转,喷管上下的收扩式调节片可单独控制吼道和出口面积,锯齿形的调节片形状也可减少RCS。  在出口横截面积相同的情况下,二元喷管的管壁面积较大,喷口处的吸热材料与尾焰的接触面积较大,吸热效果增强;  F-22使用矩形截面二元喷管可使得尾焰宽而薄,能迅速散热,可大大减少红外辐射;  F-119发动机的尾喷管内装有液态氮槽,可以瞬间降低喷口处高温喷流释放的温度,使F-22在被红外制导格斗导弹追踪时具有瞬间红外隐身性能。

(2)遮蔽 垂尾、平尾、尾撑向后延伸,遮挡尾喷管的红外辐射,前面已经说了,再不赘述。

肆、雷达与电子战系统 (1)AN/APG-77有源固态相控阵雷达 F-22使用的AN/APG-77雷达,其有源相控阵采用了约2000个模块单元,具有极快的扫描速度,且在各种工作模式和雷达波形下都严格满足低截获频率(LPI)要求,AN/APG-77雷达采用的LPI技术包括根据探测目标的需要控制发射功率,通过扩频在很宽的频段上辐射低能脉冲等,使常规的雷达告警接收机很难探测到该雷达辐射的信号。 AN/APG77具有一定的非合作目标识别(NCTR)能力,可以不通过敌我识别装置的闻讯应答进行远距离目标分类。 另外,F-22的雷达罩设计成”频率选择表面(FSS)“,能阻挡某些频率的雷达波透过雷达罩照射到天线,同时保证对本机雷达的透波性能。 (2)复杂传感器阵列 F-22充分考虑了传感器口径的综合设计,将其高水准的隐身与电子战(EM)和电子支援措施(ESM)传感器的复杂阵列结合起来,飞机以保形方式(即在飞机外形包线以内并与表面齐平)布置一系列的EM/ESM传感器和孔径。

参考书籍是杨伟院士主编的《美国第四代战斗机F-22”猛禽“》,图片均来自网络,侵删。