未來的隱身戰機,值得花多大代價提升機動性?

2023-03-28   看航空

原標題:未來的隱身戰機,值得花多大代價提升機動性?

在戰鬥機的設計中,各方面性能常常相互矛盾、彼此掣肘。如何平衡它們,是貫穿戰機研製過程的核心工作。而一款飛機的總體設計成功與否,極大程度上就取決於各方面性能規劃,協調取捨是否合理。

而隨著技術的進步,很多矛盾可以被緩解、甚至自行消失。而戰場環境的變化,也會導致作戰效能和生存能力更側重一些特定的性能——這是不同時代戰鬥機的總體設計中,核心側重方向存在差異的關鍵。

如果談及未來隱身戰鬥機的發展,這樣一個話題是無法避開的:

是否值得花費更多的力量,在當前的基礎上,進一步提升飛機的機動能力?

隱身為什麼會與飛行性能發生衝突?

為了避免照射過來的雷達波形成顯著的回波信號,隱身飛機對於外形的設計有著嚴格的要求:

比如要儘量避免直角的線面相交形成典型的角反射器特徵、儘量避免空腔,特別是近似於波導管的深腔反射、儘量避免不連續的縫隙和凸起、儘量保證外形的簡潔,等等。

F-117隱身戰鬥機

舉例來說,為了避免進氣道形成的強烈空腔反射,在技術能力非常有限的F-117時代,設計師採用的方法是用開滿孔洞的格柵封住進氣口,通過對雷達波的堵塞實現簡化處理。但是,這種設計對於進氣能力有著極大的損害,根本無法應用於高速和高機動飛機。

直到電磁計算能力和吸波材料進步之後,可以通過異型截面的扭曲空間設計,配合吸波材料,讓雷達波在進入進氣道後就像掉進黑洞一樣,在內部反射過程中不斷被吸收衰減,才有了催生類似F-22超聲速高機動隱身戰鬥機的技術基礎。

但是對於高機動飛機來說,進氣道問題的解決,只是消除了最基礎最前置的動力系統障礙。它必須還要有各種氣動控制面,乃至於矢量推力調節機構的協同工作,才能在飛行力學上實現飛機進行各種機動動作所需的受力狀態。

F-22隱身戰鬥機

特別是越高的機動性要求,必然要求越強的控制效果。而這通常意味著,要在遠離飛機重心和 氣 動力中心的位置,布設較大面積、而且方向不同的獨立控制面——比如水平尾翼、鴨翼、垂直尾翼

而這與隱身飛行器的基本原則之一:「外形整潔光滑」確實是存在衝突的。

在B-2、B-21等對機動性要求不高的機種上,設計師索性採用了無垂尾和獨立平尾的飛翼布局設計,以求將各種凸起、台階、縫隙等電磁信號散射源的數量減到最少,實現隱身效果的最大化。

X-32可以看做無尾三角翼布局的變種,但由於控制能力不足,後期也打算改為常規布局。控制能力差是它輸給X-35的關鍵原因之一。

常規布局版X-32的假想圖

而在戰鬥機設計中,雖然無尾三角翼布局的控制能力較差,但因為外形簡潔,一直被公認為是隱身潛力最好的方向。

然而為了保障機動性能(尤其是超聲速機動性)和短距起降能力,目前全球所有已經服役的五代機,都沒有採用無尾三角翼布局

如何解決高機動與高隱身困境?

在目前的實驗室技術中,確實存在一些方案,試圖通過取代獨立的傳統氣動控制面,實現簡潔外形與高控制能力的兼顧。

BAE與曼徹斯特大學聯合研發的MAGMA無人機,採用吹氣控制取代傳統的氣動面控制。

比如,相對較為成熟的一種思路,就是通過在特定的位置噴射出高速氣流,強化甚至是取代襟翼等氣動面。

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但從實用角度來講,這種控制方法效率不高,大流量的引氣對於發動機動力的損耗很大,而獲得的控制效果則比較有限。目前的技術驗證成果是在航模級別的小尺寸無人機上實現的——此類飛行器的推重比都非常誇張,距離能在實用化的大型載人飛機上使用還遙遙無期。

至少在可以預見的未來內,針對高機動性的要求,還找不到比傳統氣動控制面和矢量推力更為高效的控制手段。

在不考慮其他因素——比如吸波材料出現顛覆性進步的情況下,新一代戰鬥機要在較近未來內實現隱身性能的顯著提升,很可能需要機動性指標做出一定程度上的妥協。

未來六代機的機動性與隱身性

隱身技術本身就是雷達探測技術的一個發展分支,兩者共享精密電磁計算和測量等基礎理論、技術、設施,並在研製過程中彼此相互依賴。可以說,飛機隱身性能發展的另一面,就是雷達探測技術的發展

隨著雷達探測 技術的不斷進步,其針對微小目標的遠程探測能力越來越強,解析度越來越高,抗干擾能力越來越好。

這也意味著,現階段隱身性能優秀的戰鬥機,為了高機動性能而在氣動外形上形成的各種凸起、斷階、縫隙,它們形成的雷達信號散射特徵,在今天和可見未來內依然是微弱的、安全的。但在更遠期的未來,就很有可能是明顯的,危險的。

從長遠來看,現有隱身水平的戰鬥機,在遠期未來在對抗更先進雷達的過程中,必然面臨這樣的趨勢:在更遠的距離、更多的照射角度上,不斷形成更大的暴露機率,直至隱身效果顯著下降、最終成為不隱身飛機。

載人戰鬥機的機動性受限於人的承受能力極限,即使完全不考慮隱身,也比拼不過飛彈的機動性提升幅度。

而對現有隱身戰鬥機平台進行技術升級,包括更換電子對抗設備、更換新的吸波材料,可以使它們在更長的時間內,延長對抗反隱身體系的技術壽命,但這種改進必然存在巨大的局限性。

能在更遠期未來實現對先進雷達最有效對抗的戰鬥機,只能是在更遠期未來完成基礎隱身設計的新一代飛機。而從目前的趨勢看,只有採用比今天苛刻得多的低散射特徵外形設計,才能滿足在未來的戰場生存和突防能力要求,這必然意味著氣動外形的顯著簡潔化。

從這個角度出發,未來的新一代戰鬥機,性能發展重點將更傾向於隱身方向。在飛行性能上,外形簡化帶來的阻力和重量降低,有利於高速等部分性能的進一步提升;但其他方面的飛行性能,如何與越來越高的隱身性能要求實現共存甚至是雙贏,這將是未來戰鬥機設計中最大的難題和挑戰之一。

排版:郭雯斐

策劃 | 文案:候知健

編審 | 監製:武晨、王蘭

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