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歼20未抄袭F-117:隐身设计高出一代

归档日期:12-03       文本归类:弹头反射面积      文章编辑:爱尚语录

  进行微波暗房测试中的F-22。准确分析、计算和测量飞机的雷达散射截面就是整个飞机隐身设计的基础。

  雷达隐身技术就是飞机雷达散射截面的减缩技术,因而准确分析、计算和测量飞机的雷达散射截面就是整个飞机隐身设计的基础。雷达散射截面也成为飞机隐身设计中最为重要的概念,其英文为Radar cross section,缩写就是我们常见的RCS。雷达散射截面是度量目标在雷达波照射下所产生的回波强度的一种物理量。从直观的角度来讲,任何目标的RCS都可以用一个各向均匀辐射的等效反射器的投影面积来定义,这个等效反射器与被定义目标在接收方向单位立体角内具有相同的回波功率。

  在讨论如何减缩RCS之前,首先要分析飞机目标RCS的构成和强度。目标产生电磁场散射的机理,按照其强度顺序排列主要包括:角形结构反射、凹腔结构反射、表面镜面反射、边缘和尖端绕射、表面行波反向散射、爬行波绕射,二次或多次散射以及表面不连续或表面曲率不连续的散射等。

  其中,由两个或三个平面相互正交所构成的角形反射器是最强的散射源,角反射器经常用于增强靶船和靶机的雷达反射强度。飞机的机身和机翼之间,垂尾和水平安定面之间都可以构成这种角形反射结构。凹腔结构是飞行器头部方向的强散射源,它是入射波在腔内经过多次反射后再返回雷达的结果。

  雷达、座舱及进气道是飞机前向RCS的主要组成部分。它们构成了所谓的“三大谐振腔”。

  飞机的迎头RCS有很大部分由所谓的“三大谐振腔”构成,包括机头雷达舱、座舱和进气道。由雷达罩、雷达天线和高频部件构成的雷达舱系统,会由于雷达罩本身的透波作用(便于本机雷达波发射)而进入敌方雷达的来射波,再经过雷达舱内复杂的反射、叠加和谐振作用形成很强的雷达回波。座舱与雷达舱产生强散射的机理类似,也是由于来射雷达波透过座舱盖,然后在座舱内反复进行反射、叠加和谐振。

  进气道的RCS由唇口、进气道壁和发动机叶片的RCS共同形成。进气道唇口的雷达反射特征类似于飞机的一般翼面。进气道壁构成的空腔结构会导致进入进气道口的来射雷达波在腔内壁多次反射和谐振。进气道末端的发动机压气机叶片对于来射雷达波除了具有直接反射机理之外,高速旋转的压气机叶片还会导致雷达回波产生明显的多普勒频移,从而可以让雷达更容易对回波特征进行识别。

  边缘和尖端绕射、表面行波反向散射和行波绕射的散射机理更加复杂,但是与上述角反射器、腔体和平面相比属于相对较弱的反射源。当来射雷达波入射到目标的边缘棱线或者尖端的时候,散射波主要来自于目标边缘或者尖端对于来射电磁波的绕射。其机理主要是来射雷达波作用于目标边缘或者尖端后,在目标内产生了电磁场的波动从而又重新将入射的能量再次发射出来。

  当飞机的反射和谐振作用被抑制之后,边缘和尖端绕射就会成为飞机主要的散射源。表面行波反向散射指入射雷达波一些入射线正好与目标曲面相切,在相切部分的目标表面会产生行波,行波沿着目标表面传播,一边传播一边向外辐射电磁波。行波绕射主要指的是电磁波沿目标上较为细长的物体头端方向入射时,会在细长物体上产生行波,在物体表面的不连续处、不同电介质交界处以及细长体的头端会产生电磁波的再辐射。

  歼20采用了菱形前机身,未来还将采用机载有缘相控阵雷达(AESA)以有效的降低前向RCS。

  目前,飞机减缩RCS的主要途径基本有两种:第一,通过改变目标外形来降低雷达散射强度,称之为外形隐身技术;第二,采用雷达吸波涂料来消耗雷达波散射功率从而降低飞机RCS,称之为材料隐身技术。在两个途径中,外形隐身技术占飞机隐身设计90%左右的权重,材料隐身技术占10%左右的设计权重,也就是说隐身飞机设计主要靠的是外形。而外形隐身设计的主要难点在于如何同时满足飞机的气动和隐身要求。歼20整机设计成功的解决了飞机气动和隐身双约束条件的要求,达到了与世界最先进隐身飞机相当的水平,

  飞机雷达舱的RCS减缩主要依靠雷达舱内的雷达天线布置来实现回波的定向反射和散射,以降低回波强度。歼20未来将采用中国自行研制的有源相控阵火控雷达(AESA)。由于相控阵雷达采用固定天线,并且可以倾斜放置,这就可以把雷达舱内入射的雷达波反射到敌方雷达接收机无关方向。

  而且相控阵雷达天线上存在上千个收/发阵元,这些阵元组成的“粗糙”表面经过隐身设计可以加剧入射雷达波的漫反射,从而更加削弱了来射雷达波的回波。歼20的前机身隐身设计主要工作是消除敌方雷达接收机方向的平面/曲面反射。歼20的前机身横截面类似棱形,机身两侧的折线能够将前向和侧向来射的雷达波向上/向下反射到的无关方向,导致位于飞机迎头方向的敌方雷达接收机接收到的反射回波信号功率大大降低。

  从上图可看出歼20采用了与F-35类似的DSI进气道(红圈处)。在下图中可看出并采用了整体式座舱盖,并且在座舱盖上布置了雷达波反射涂层。目前仅有F-16和F-22有采用整体式座舱盖。

  歼20的座舱盖采用了整体式座舱盖,飞行员环视视野相当优良。在歼20的前机身清晰照片上可以明显看到其座舱盖呈现出略微暗黄色的色调,基本可以确定那就是座舱盖雷达波反射涂层的颜色。与飞机雷达舱必须具备透波能力不同,飞机座舱可以直接在座舱盖上布置反射涂层以将来射雷达波直接反射,从而直接避免了来射雷达波在座舱内的强散射效应。

  歼20采用的是无附面层隔道超音速进气道,即DSI鼓包进气道。新世纪以来中国继美国在F-35战斗机使用鼓包进气道之后,陆续在枭龙、歼10B和歼20上使用该类型进气道。歼20采用的鼓包进气道是进气道技术发展的最新成果。

  它取消了现在大多数超音速战斗机进气道设计中必不可少的附面层隔道、泄放系统和旁路系统,根据锥型流理论,采用乘波原理将超音速气流降低为亚音速,使得飞机在性能、机动性、隐身、结构和重量等方面获得了较好的平衡。即便是F/A-22进气道也存在不利于隐身的设计,最关键的是还保留附面层隔道,有可能形成一定程度的空腔谐振和集中反射效应。而歼20鼓包进气道则在利用鼓包生成锥形激波面的同时,也成功的对进气道内部进行了遮挡。鼓包在进气道唇口缩小了进气道迎风截面积,减少了入射雷达波功率。入射雷达波在进气道内反复反射并且被进气道内壁的吸波涂料反复吸收,从而减缩了进气道内腔RCS并且遮挡了发动机叶片的直接反射。

  歼20的鸭翼前缘、主翼前缘和垂尾前缘平面投影都彼此平行(红线),鸭翼后缘与对侧主翼后缘平行(绿线)。白线为鸭翼前的边条。

  飞机外形隐身的一个设计策略就是将飞机上的边缘都进行平行设计,从而将来射雷达波集中反射到雷达接收机的无关方向。飞机将雷达波反射到几个方向和特定方向的设计被称为飞机的反射波瓣设计。

  歼20的鸭翼前缘、主翼前缘和垂尾前缘平面投影都彼此平行,鸭翼后缘与对侧主翼后缘平行,这样整机可以通过数组平行缘边将来射雷达波集中反射到雷达接收机的无关方向。歼20外倾的全动垂尾除了满足了气动要求之外也导致侧向入射雷达波也被向下反射。

  特别值得一提的是,歼20鸭翼后缘需要设计为后掠形式,而主翼后缘为了照顾升力中心采用了前掠设计,这样鸭翼的后缘就无法与自己同侧的主翼后缘平行。歼20首创性地将鸭翼的后缘与对侧主翼后缘设计成平行的。细心的读者可能注意到歼20鸭翼之前还有一小段并不明显的边条。这一小段边条一方面成功的遮挡了后面鸭翼与机身的接缝和转轴保证了飞机的隐身性能,一方面对于前面机身折线产生的涡流有补充能量的作用。F/A-22战斗机采用了八波瓣设计,也就是将入射雷达波集中反射到八个主要方向,歼20在反射波瓣控制上基本与之相当。

  歼20的机身采用翼身融合升力体设计,有效的降低了RCS并且提供了更好的整机升力系数。歼20机身上的舱门和缝隙皆采用的锯齿设计也加剧了入射行波的散射。

  飞机是一个很复杂的雷达散射体,由很多部件组成,每个部件都会产生散射波,有的部件甚至可能同时产生散射机理不同的散射源,形成多个散射区。歼20采用减少飞机散射源数量的策略降低RCS。歼20的机身采用翼身融合升力体设计,将机身与机翼之间的生硬折角改为光滑的融合设计,有效的降低了雷达散射强度并且提供了更好的整机升力系数。

  歼20采用弹舱内挂武器设计,不存在任何挂载散射问题;尽量减少了机身表面的开口、缝隙、凸起、凹陷和台阶,并且保持了机身的光滑和连续;歼20机身上的舱门和缝隙皆采用了锯齿设计,这样可以加剧行波向雷达接收机方向散射,降低回波方向的散射强度。

  F-117隐身主要依靠多面体外形。由于受到早期技术限制,F-117在气动性能设计方面并不出色,只成为了一款亚音速的攻击机。

  分析了歼20的隐身设计之后,这里我们再来分析一下F-117使用的隐身设计技术。

  F-117是美国前洛克希德公司研制的隐身攻击机,是世界上第一种可正式作战的隐身战斗机。1981年6月15日预生产型飞机在绝对保证秘密的情况下试飞成功,1982年8月23日向美国空军交付了第一架飞机,共向空军交付59架。F117A服役后一直处于保密之中,直到1988年11月10日,空军才首次公布了该机的照片,1989年4月F117A在内华达州的内利斯空军基地公开面世。据介绍F-117A飞机的迎头RCS值只有0.001平方米。如此小的RCS值,部分是由于F-117A采用了各种吸波(或透波)材料和表面涂料,但更主要的是由于它采用了独特的多面体外形。

  实际上,F-117只是隐身作战飞机的一个成功的早期实践。从设计角度来讲,由于当时技术条件限制,无法将气动外形设计与隐身设计综合起来。其中,最大的限制就是进行飞行器RCS估算需要极大的计算量,尤其是对连续曲面外形进行电磁特性估算和设计更是需要超级计算速率的计算机。依照当时计算机处理能力和速度,进行一次连续曲面外形的电磁特性粗略计算恐怕需要数天或者数月的时间,这还是在假设能够将曲面RCS计算理论算法用计算机能够识别的代码实现的条件下讨论。

  实际上,当时还未出现能够实用化的曲面RCS理论算法。也就是说若采用连续曲面隐身设计,即便是有很理想的有计算程序可用,考虑到计算完毕后,进行修改,再设计,再计算的设计周期,隐身飞机的诞生恐怕就遥遥无期了。无奈之下,设计人员采取了折中的设计思路,将适用于气动特性的连续曲面用多块曲面代替进行设计和计算,从而尽量满足气动设计和隐身设计两者性能兼顾的要求。当然,此时设计出来的夜鹰也无法在气动隐身双重要求下“双顾双全”,成为一款气动并不优秀但是独具特色的亚音速隐身攻击机。

  1999年科索沃战争中被南联盟击落的F-117残骸,有外媒报道中国从F-117的残骸中获取了美国的隐身技术。实际上F-117对中国歼20设计几乎没有产生影响。

  因此F-117本身由于受当时技术条件所限,尚不能实现战斗机气动和隐身设计的双约束外形设计,最终只能实现亚音速攻击机的作战能力。而中国自主研制的歼20则是采用了鸭式边条升力体先进气动布局,具备超音速巡航、大迎角机动性和隐身性能的重型歼击机。歼20与F-117在外形设计上的本质区别是并未由于隐身要求而抛弃曲面外形设计,而是在保留飞机优秀的机动性能的同时,实现了飞机的RCS减缩。

  而且即便我们假设中国获得了当年南联盟击落F-117的残骸,因为残骸中的部件尺寸大多已经损害,因此也只可能从残骸中分析得出可能使用的雷达吸波材料和表面涂料,而无法获取F-117有效的外形设计参数。根据前面的论述,隐身飞机实现雷达隐身主要是依靠外形而并非吸波涂料,那么取得F-117残骸对中国隐身飞机设计产生的作用可以说是非常有限。

  从隐身飞机发展阶段来看,歼20是与美国F/A-22类似的成熟产物,而F-117只是飞机隐身设计一个具有较大性能缺陷的初始型号,两者根本不是相同技术时代的水平。由此可见,某些国外媒体在歼20首飞之后,宣称该机是“抄袭”或者“山寨”美国隐身技术的结果并不妥当,也显示出这些媒体的作者编辑缺乏基本的飞机隐身设计方面的基础知识。

  目前尽管中国官方并未公开歼20的设计指标和具体性能,但通过公开图片,已能通过外形设计来对歼20的隐身性能和气动性能进行理性分析。而在此之前的专题[详情参见:世界五代机横向评测]中,笔者认为中国歼20通过独特的外形设计已具备了优异的隐身性能和气动性能。

  实际上目前西方专业的军事观察家和媒体,也多是对歼20给予了正面评价。比如著名的美国《航空周刊》就认为不能因为歼20前机身与F-22相似就把它当成F-22的克隆型号[详情参见:斯卫特曼:不应以旧的偏见分析歼20]。就连一贯对中国武器装备持尖刻批评态度的《汉和》杂志创办人平可夫也认为歼20是相当成熟、有创造力的设计[详情参见:平可夫:胜利者不应受到责备]。

  歼20在设计上至多只能说部分参考了美俄五代机,而在整体设计上则是独树一帜,而对于不处于同一技术时代的F-117,就更没有了参考需要。

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