最前沿隐身外形的下一步: 从“毫无希望的菱形”到“曲面风筝”

“毫无希望”的菱形

自从美国开始致力于缩减RCS以来,工程师们一直努力使侧向和后向的雷达特征最小化。就侧向而言,在美国中情局的A-12侦察机(公认为是SR-71“黑鸟”的前身)上实现的突破是在先前的*弹子**形机身上增加机身边条。而后向的解决方案是,在无法对飞机巨大喷管的圆形外形进行处理的年代,只好靠使用燃油添加剂电离尾流,以期待能降低RCS。A-12是运用低可探测性设计重塑战斗机外形的第一个标志。

A-12从未被用于突破华约组织的空防,而F-117则是专为这一目的而生。20世纪70年代中期,飞行速度达到Ma3已不足以保证飞机的生存能力,而且根据“回声1号”项目的经验表明,使RCS最小的最优外形是平底菱形。洛克希德公司的空气动力专家怀疑这种外形是否能飞起来,给其取绰号为“毫无希望的菱形”(Hopeless Diamond)。不过他们并没有放弃,通过切割出尽可能少的结构面,让“毫无希望的菱形”变为了现实,正式名称为DARPA“海弗蓝”(Have Blue)隐身演示验证机,于1977年首飞。

最前沿隐身外形的下一步:从“毫无希望的菱形”到“曲面风筝”

将机体分割为结构面的做法可以把所有镜面回波都集中到少数几个角度上。边缘设定尽可能偏离天线孔径,并和后缘一起对准镜面回波。在雷达回波达到峰值时,这些镜面回波会因方位角的变化又迅速跌落。平整的机腹防止了镜面回波返至那些尚未直接仰视飞机的雷达,而机背平板都向内倾,向上发射镜面回波和部分旁瓣。“海弗蓝”的尾翼向内倾,与机身两侧对齐,不过之后两架原型机的坠机凸显了该设计的不稳定隐患。因此,在生产型F-117上将尾翼改为外倾。

在后向上,F-117采用“鸭嘴兽”布局降低了红外特征,同样也保证了后向实现低RCS。尾喷口狭窄,连缘唇边前伸盖过,角度稍微向上,阻止位于飞机下方的雷达探测到飞机喷管。F-117机载后视搜索雷达也可能会被尾喷口的短窄部件部分遮挡,这是因为雷达的无线电波不能进入孔径,除非其最小尺寸至少满足半个波长长度。

F-117采用完全多面体外形的原因在于,“回声1号”程序不能计算曲面RCS。直到研制B-2时,计算机具有更高计算能力后发现,曲面和隐身并非无法兼容,而是互为补充的关系。洛克希德公司为了赢得“先进战术战斗机”项目竞标(最终以F-22中标),实际上早在获知如何对曲面目标特征建模之前就启动了曲面外形飞机的飞行项目。

更先进的建模技术和RCS测试手段证明,用半径连续变化的曲面连接结构面更加有效。这种做法拓宽了在两个表面连接处的镜面回波而不会增大该角度的RCS,原因可能是降低了连接处的边缘波。与此同时,曲面减少了传回翼尖的行波,降低了方位面上的RCS,降低程度达到10 dB。

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和F-117不同的是,F-22的机身侧面处于机翼下方,但由于侧面机身以一定角度对齐垂尾,镜面反射仅会将回波发射到远距离的地基雷达。边缘处理可能减小了对前缘大后掠的需要,而综合建模和测试的结果也可能证明了虽然作动器和起落架舱上有小鼓包,但其目标特征在可接受的范围之内。

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虽然F-22的高机动能力设计要求需要使用推力矢量喷管,但由楔形组成的矩形喷口能对镜面反射有所限制。飞机涂层也可以抑制行波,而边缘处理能抑制衍射波和边缘波。最后,尾翼延伸盖过喷口,沿方位平面方向进行遮挡。

体形较小的F-35也吸收了F-22的一些隐身修形技术。在系统密集扎堆的机体周围配置了更多带复杂曲面的整流罩。不过从建模和测试结果来看,这些配置对关键角度上的RCS影响很小。得益于RCS建模技术的进步,普惠公司制造出非对称喷管,其雷达目标特征接近F-22的二维尖劈。

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宽频带隐身

当频率减小而波长增大时,雷达反射的主要变化是镜面回波减弱加宽,同时非镜面机制增强。来自扁平平板的镜面回波以波长的平方减小,但主瓣变宽。行波强度以波长的平方增大,最强回波的角度以平方根增大。

曲面边缘的衍射随波长增大,而直楔的衍射以波长的平方增大。一个15m(50ft)长、后掠45°的尖劈前缘在X波段前部可能测得-49dBsm,但在VHF波段测得高出很多的-13dBsm。尖顶的衍射也是以波长的平方增大。在100MHz(UHF波段),一个锐角翼尖本身在每个方向都超过-10dBsm。从平板上的边缘波产生的旁瓣以波长的平方增大,但双曲面表面产生的边缘波非常弱,因为电流在边缘逐渐变小。

当结构尺寸达到5~10个波长时,这些影响更显著,而且目标开始表现出谐振现象,RCS呈波动增大,持续增大到结构尺寸为0.5~1个波长为止。由于只需要移动一个波长,这时平面波达到最大,随后以波长的四次方减小。

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宽频带隐身平台设计的第一步是要在主结构确定之前,去掉可能出现这类谐振现象的平面,B-2正是基于这一原因设计为无尾。尾翼在许多角度上都会增大RCS,因为会在切角处产生行波、边缘波,大角度下镜面反射会加宽,以及在多个角度都会发生衍射。因此,双尾翼平面的战斗机(如YF-23)比四尾翼平面的战斗机(如F-22和F-35)在所有波长上都更具隐身性。

为了控制行波并使RCS的方位峰值最小,B-2的边缘仅存在于水平平面,并与前缘严格对齐。B-2的大体型可提供大量区域进行涂层以衰减表面电流,甚至对那些长的雷达波长也能应对。为使正侧方镜面回波和边缘波回波最小,飞翼布局的机体为侧向隐身提供了新颖的方法:完全没有侧向回波。

从剖面看,B-2是由两个曲平面以非常小的夹角连接起来的。曲面在多个方向上不断改变半径但都尽量平滑,同时避免形成极度呆板的横截面,机身中部有足够深的空间容纳发动机、*器武**舱,以及充分满足飞行员视野的座舱盖,机头下方的雷达天线倾角满足对正前方160km(约100mile)地面目标成像的要求。除了飞机的正上方或正下方,几乎没有其他能产生强镜面回波的角度。

B-2的平滑曲面限制了镜面反射发生的角度,并将表面电流反射控制到最小。虽然曲面仍然会反射电流,使表面波加剧,但不如有夹角的连接处严重。半径在1m以上的曲面造成的表面波一般可忽略。

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为了限制发动机回波,B-2采用敷有雷达吸波材料(RAM)的S形进气道和窄喷口,避免雷达发现旋转风扇和涡轮。进气道和尾喷口位于上表面,边缘插入飞机的前后缘内。雷达若要观察到这些特征,必须和飞机间有一个非常小的相对角度,即雷达必须处在距离很远的位置。

使飞机的RCS在所有雷达波段都保持较低值是这一设计特征的关键。抑制发动机进气道回波的基本方法是在进气口上涂覆一层薄的RAM,并使之成为曲面,这样不管RAM厚度如何,入射波在内壁上多次反射后都会被抑制。这种办法对于X波段效果很好,因为波长比进气道形成的腔体小很多,薄层RAM足以抑制回波。

波长较短时,覆有RAM的S形进气道能按照设计要求起作用,雷达波反复反射直到衰减为止。而当雷达波长是进气道最小尺寸的两倍以上时,也不用担心进气道的隐身问题,因为这时孔径会像固体表面那样反射信号。需要担心的是当波长处于这两者之间时的情况。

当波长增加到超过腔体尺寸的1/5时,进气道就从“自由空间”转变为“腔体谐振”,并开始出现类似波导的现象,强烈地反射入射波。此外,随着波长增大,RAM的减弱程度也变轻。当入射波波长为进气道最大尺寸的1~2倍时,进气道的RCS将达到最大值。这或许解释了F-35在其进气道加厚涂覆RAM的原因,但更好的解释是避免雷达发现目标特征。

最前沿隐身外形的下一步:从“毫无希望的菱形”到“曲面风筝”

B-2机身上仍存在一些能产生衍射并反射表面电流的棱边(这些表面电流抵达飞机边缘时仍未消失)。一般认为,可以通过采用尖顶角最小的凸喙形来使边缘外形的RCS最小。这些棱边当中绝大部分都覆盖了两种RAM:一种是磁性RAM,能使VHF雷达波衰减20dB,使UHF雷达波衰减10dB以上,而涂覆厚度不到0.006m(0.25in);一种是导电RAM,厚度估计超过0.3m(1ft),足以使Ku波段到L波段甚至UHF波段的反射减少20dB。

关于B-2的RCS,唯一提及的官方说明来自1990年美国空军参谋长的参议院证词。美国空军曾提交过一份列有数种鸟类及昆虫RCS的册子,其中昆虫RCS的例子有0.001m2、0.0001m2和0.000063m2等。当被问及B-2在这份表中的位置时,参谋长只回答“在昆虫类”,拒绝进一步指明。分析人士据此估算B-2的RCS在0.001~0.0001(-30~40dBsm)之间。但20世纪90年代末,负责B-2项目的官员暗示:RAM的进步使得RCS缩减,而且这一趋势将继续下去。

结束语

时至今日,原本用来解决全向宽频带隐身问题的无尾飞翼或“曲面风筝”外形仅在大载荷、长航时的轰炸机和无人机上才能看到,尚未在有敏捷性需求的战斗机上实现。不过,洛马公司最新的“下一代空中优势”(Next-Generation Air Dominance)概念,表示正在为美国空军和海军研究的“第六代”战斗机,这一概念采用的正是平滑曲面的无尾构型设计。这意味着未来战斗机的外形可能再次出现转向。