飛行器氣動(dòng)布局與外形隱身設(shè)計(jì)

杜紅軍

摘 要 外形隱身在降低飛行器雷達(dá)可探測(cè)性方面意義重大，對(duì)縮減主要方向上RCS值的貢獻(xiàn)量可達(dá)70%以上。外形隱身需要開(kāi)展一體化設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)與氣動(dòng)布局要求之間的諸多矛盾。本文在對(duì)雷達(dá)散射截面積的概念和影響因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合若干典型隱身氣動(dòng)布局的特點(diǎn)，綜述了飛行器外形隱身設(shè)計(jì)的幾種主要方法。

關(guān)鍵詞 氣動(dòng)布局 外形隱身

中圖分類(lèi)號(hào)：V211. 3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

飛行器的隱身，主要是指利用各種技術(shù)手段縮減飛機(jī)的特征信息，降低飛機(jī)的可探測(cè)性，使敵方探測(cè)系統(tǒng)不能發(fā)現(xiàn)本機(jī)或推遲發(fā)現(xiàn)本機(jī)的時(shí)機(jī)，無(wú)法實(shí)施有效攔截和攻擊，從而提高飛機(jī)的突防能力和生存能力，并增強(qiáng)攻擊的突然性。隱身技術(shù)已成為一門(mén)多學(xué)科綜合的高新技術(shù)，并從雷達(dá)隱身擴(kuò)展到紅外、可見(jiàn)光和聲波隱身等領(lǐng)域。隱身設(shè)計(jì)的方法很多，涉及的技術(shù)也非常復(fù)雜，通常是多種措施綜合運(yùn)用，但一般都要從外形、結(jié)構(gòu)、材料和工藝等方面入手。本文主要研究了通過(guò)外形設(shè)計(jì)縮減目標(biāo)雷達(dá)特征信號(hào)的方法。

1雷達(dá)隱身的基本概念

1991年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍部署在海灣地區(qū)的F-117A“夜鷹”隱身飛機(jī)，以累計(jì)僅占整個(gè)空襲2%架次的出動(dòng)量，成功攻擊了40%以上的重要戰(zhàn)略目標(biāo)，該機(jī)出入巴格達(dá)如入無(wú)人之境，讓世人第一次感受到了雷達(dá)隱身技術(shù)的巨大魅力。在雷達(dá)隱身領(lǐng)域，有一個(gè)重要的概念，即雷達(dá)散射面積（Radar Cross Section）的概念， 它是衡量雷達(dá)隱身性能的主要指標(biāo)，簡(jiǎn)稱(chēng)為RCS。

RCS是表征飛機(jī)雷達(dá)回波信號(hào)強(qiáng)弱的物理量，其定義為“目標(biāo)在單位立體角內(nèi)向接收機(jī)天線散射的功率與入射到目標(biāo)處單位面積內(nèi)功率之比的4倍”。當(dāng)雷達(dá)波照射到目標(biāo)上時(shí)，目標(biāo)將以球體的形式向其周?chē)目臻g散射雷達(dá)波，只是在不同的方向上散射回波的功率不同。那么，在正對(duì)雷達(dá)接收機(jī)天線的方向上，1度球體角的范圍內(nèi)散射回波的功率與入射到目標(biāo)處單位面積內(nèi)功率之比的4倍，即為雷達(dá)散射截面積RCS。由此可以看出，這個(gè)量其實(shí)正比于兩個(gè)功率密度的比值，它應(yīng)當(dāng)是一個(gè)無(wú)量綱的量，但是后來(lái)在雷達(dá)隱身研究領(lǐng)域?yàn)榱硕x和度量使用方便，電子工程師們采用了等效幾何面積和米制的概念，使其有了單位，即“平方米”。影響雷達(dá)散射面積的主要因素有目標(biāo)的幾何外形、電性能、雷達(dá)波照射的方位、雷達(dá)入射波的波長(zhǎng)、入射場(chǎng)的極化形式和接收天線的極化形式。

圖1表示在其他外部條件確定時(shí)，B-26轟炸機(jī)在其機(jī)身水平面內(nèi)各個(gè)方向上RCS值的分布情形。可見(jiàn)，對(duì)于沒(méi)有考慮隱身設(shè)計(jì)的飛機(jī)，其各個(gè)方向上的RCS值大體相當(dāng)，而且是不規(guī)則分布的?，F(xiàn)今的第三代戰(zhàn)斗機(jī)，其主要方向（機(jī)頭正前方30度立體角）上的RCS值為1～2m2，而對(duì)于第四代戰(zhàn)斗機(jī)，其主要方向上的RCS值還要再降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。有資料表明，F(xiàn)-117A在主要方向上的RCS值約為0.025m2，僅相當(dāng)于一只大鳥(niǎo)，而B(niǎo)-2在主要方向上的RCS值約為0.1m2，僅相當(dāng)于一枚常規(guī)有翼導(dǎo)彈。這說(shuō)明，RCS值的大小與飛機(jī)外形的大小實(shí)際上是沒(méi)有必然聯(lián)系的。

2常規(guī)氣動(dòng)布局中的非隱身特征

氣動(dòng)布局是指飛機(jī)外部的總體形態(tài)布局與位置安排，如機(jī)身、進(jìn)氣道、主翼、尾翼等的幾何尺寸和布置形式，它是飛機(jī)飛行性能的主要決定因素之一。氣動(dòng)布局通俗地說(shuō)就是飛機(jī)“長(zhǎng)什么樣”的問(wèn)題，受其影響的飛行性能則涵蓋了飛機(jī)的飛行包線，起降、機(jī)動(dòng)、續(xù)航等各個(gè)方面的性能，這其中又要考慮氣動(dòng)布局帶來(lái)的飛機(jī)操縱性和安定性等重要問(wèn)題。對(duì)于傳統(tǒng)未經(jīng)隱身設(shè)計(jì)的戰(zhàn)斗機(jī)，有許多外部特征都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的雷達(dá)散射回波，主要有以下幾個(gè)方面：

一是垂直正交形成“角反射器”的表面，如單立垂尾與機(jī)身、機(jī)翼與機(jī)身、掛架與機(jī)體的外表面、機(jī)體表面的天線、翼刀、腹鰭等；二是機(jī)翼和尾翼的前、后緣線條及切角、尖端部位；三是進(jìn)氣道唇口、發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管及外露的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片；四是飛機(jī)外部的艙口蓋、臺(tái)階、舵面縫隙等；五是各種外掛配置，如副油箱、導(dǎo)彈、炸彈等，如圖2所示。

飛機(jī)外部這些未經(jīng)隱身處理的高散射特征的部位，將構(gòu)成整機(jī)RCS大小和特征的主要散射源或稱(chēng)為“亮點(diǎn)”。如果采取適當(dāng)?shù)碾[身措施對(duì)這類(lèi)“亮點(diǎn)”進(jìn)行局部改造，降低這些區(qū)域散射能量的水平，綜合起來(lái)就可以顯著降低戰(zhàn)機(jī)整體的可探測(cè)性，達(dá)到在相關(guān)方位角降低雷達(dá)發(fā)現(xiàn)距離和壓縮反應(yīng)時(shí)間，以較低的成本和性能代價(jià)換來(lái)提高戰(zhàn)場(chǎng)生存力的目的。

3外形隱身設(shè)計(jì)的主要措施

外形隱身是指通過(guò)恰當(dāng)設(shè)計(jì)飛機(jī)的外形，將其雷達(dá)散射回波的能量控制在重點(diǎn)方向以外，使飛機(jī)在重點(diǎn)方向上的RCS值大幅減小，從而遠(yuǎn)離雷達(dá)威脅區(qū)域的措施。外形隱身在所有隱身措施中對(duì)縮減RCS的量貢獻(xiàn)最大，通常占總縮減量的70%以上。但是，改變飛機(jī)的外形并不能單純只滿足隱身的需求，還需要綜合考慮氣動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝性、飛行控制、加工制造等諸多因素。從大的方面看，目前趨于成熟的外形隱身措施主要有：

3.1融合

一是翼身融合，比如SR-71“黑鳥(niǎo)”高空高速偵查機(jī)，它是隱身設(shè)計(jì)起步階段的代表作，飛機(jī)機(jī)身到機(jī)翼沿展向是平滑的過(guò)渡。這種設(shè)計(jì)既有利于隱身，又改善了氣動(dòng)性能，是三代機(jī)普遍采用的設(shè)計(jì)技術(shù)之一，如圖3所示，但必須在加工制造技術(shù)達(dá)到一定水平才能實(shí)現(xiàn)。二是外掛物融合，最高級(jí)的形式是將燃油和武器全部置于機(jī)身內(nèi)部，飛機(jī)外部看不到任何外掛物。美、俄的第四代戰(zhàn)斗機(jī)，包括我國(guó)的殲-20均已采用這種設(shè)計(jì)。很明顯，這種設(shè)計(jì)會(huì)增大飛機(jī)的迎風(fēng)面積，加大其飛行的阻力，并帶來(lái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上的巨大困難。其次是采用保形外掛的方案，如美軍F/A-18E/F的最新改進(jìn)型“先進(jìn)超級(jí)大黃蜂”，即在機(jī)翼根部機(jī)身兩側(cè)采用了可拆卸的“肩抗”式保形副油箱，而歐洲的“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)，則采用了機(jī)身掛架內(nèi)置的方案，機(jī)身上的導(dǎo)彈掛裝完畢后形成一種“緊貼”在機(jī)身上的態(tài)勢(shì)，如圖4所示。三是天線共形，取消飛機(jī)外部突起的各種天線，最大限度地使之與機(jī)身外形融合。

3.2斜置

斜置是指在飛機(jī)外形中采用傾斜平面的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)易于控制雷達(dá)散射回波的方向，但如果用在機(jī)身設(shè)計(jì)中，則會(huì)導(dǎo)致浸潤(rùn)面積增大，氣動(dòng)性能下降。本文前已提及的F-117A戰(zhàn)斗轟炸機(jī)，其機(jī)身上半部分采用多個(gè)傾斜的面元組合而成，獲得了良好的隱身性能，但付出了無(wú)法超音速飛行和機(jī)動(dòng)性能差的代價(jià)。目前，斜置的布局措施已成功應(yīng)用于隱身飛機(jī)的尾翼設(shè)計(jì)上。在現(xiàn)代的隱身飛機(jī)上，傳統(tǒng)的垂直尾翼都已經(jīng)不再“垂直”于機(jī)身了，而是對(duì)稱(chēng)地向內(nèi)傾斜或向外傾斜布置，有效地降低了飛機(jī)尾部的RCS值，但導(dǎo)致了飛機(jī)額外重量的增加。當(dāng)然了，外形設(shè)計(jì)過(guò)程中還可以把所有散射雷達(dá)波的翼面都盡量拿掉，只留下必須的主機(jī)翼，并與機(jī)身高度融合而演化出“飛翼”布局，但這必然又要付出氣動(dòng)性能的代價(jià)。隨著主動(dòng)控制技術(shù)和推力矢量技術(shù)的日漸成熟，飛翼布局在滿足了操縱性及隱身特性要求的前提下，以其升力系數(shù)大的突出優(yōu)點(diǎn)，奠定了其在隱身飛行器研究中的地位，并成為了現(xiàn)今高端隱身無(wú)人機(jī)的典型布局。

3.3修形

一是機(jī)頭修形。傳統(tǒng)的機(jī)頭外形無(wú)外乎長(zhǎng)球體和圓錐體兩種形式，其截面均為圓形，而圓形截面的機(jī)頭形狀是雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)的大忌，因?yàn)樗诟鱾€(gè)方向上均有較強(qiáng)的雷達(dá)散射特征，如圖5所示。因此，對(duì)機(jī)頭部分進(jìn)行修形處理成為了雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)的重要任務(wù)。為了兼顧氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，隱身飛機(jī)的機(jī)頭部分基本上都被修成了帶有棱邊的不規(guī)則的橄欖體。圖5表明，修形后可以使機(jī)頭部分主要方向上的RCS值比常規(guī)機(jī)頭縮減3個(gè)數(shù)量級(jí)。二是翼面修形，在水平方向上，將飛機(jī)一側(cè)主機(jī)翼、水平尾翼、前緣邊條、活動(dòng)舵面的線條全部設(shè)置成平行的，使其外形輪廓的方向盡可能一致；在垂直方向上，使兩個(gè)主要的散射源，主機(jī)翼和水平尾翼，安排在同一個(gè)水平面內(nèi)，即高度一致，甚至水平尾翼插入主機(jī)翼的后緣，形成“干涉”的布局形態(tài)，主機(jī)翼在飛機(jī)正前方方向上完全遮擋了水平尾翼，或使二者的散射回波相互干涉而減弱其強(qiáng)度，如圖6所示。三是進(jìn)氣道和尾噴口的修形。修形后的進(jìn)氣道唇口和尾噴口外形也與翼面的方向盡量一致，或采用專(zhuān)門(mén)的隱身化處理，比如把進(jìn)氣道和尾噴口都置于飛翼布局的背部，使地面防空雷達(dá)不能照射到這些外形特征。當(dāng)然了，這樣的隱身化處理，必然要損失發(fā)動(dòng)機(jī)的推力性能，進(jìn)而損失了飛行性能。四是飛機(jī)外部細(xì)節(jié)的修形，比如把飛機(jī)外部的艙門(mén)、口蓋設(shè)計(jì)成鋸齒形，把沖壓引氣口全部置于機(jī)身內(nèi)部等等，如圖6所示。修形以后，飛機(jī)的RCS值會(huì)在少數(shù)很窄的方位內(nèi)出現(xiàn)峰值，但峰值之間的RCS值非常小，與背景噪聲難以區(qū)別，從而使雷達(dá)接收不到連續(xù)的信號(hào)，無(wú)法捕獲和穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，從而大大降低了被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的概率。

4結(jié)束語(yǔ)

隱身技術(shù)的發(fā)展是作戰(zhàn)需求、理論、技術(shù)發(fā)展的綜合產(chǎn)物。氣動(dòng)性能對(duì)飛機(jī)外形設(shè)計(jì)提出的要求，與降低RCS提高隱身能力對(duì)飛機(jī)外形設(shè)計(jì)的要求，一般來(lái)說(shuō)是不一致的、相互矛盾的。因此必須從飛行器概念設(shè)計(jì)就開(kāi)始開(kāi)展隱身與氣動(dòng)的一體化設(shè)計(jì)，妥善處理兩者相互矛盾的要求，進(jìn)行折衷，以最終獲得既有低RCS值又有良好飛行性能的飛機(jī)外形?？v觀國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，新型戰(zhàn)斗機(jī)已經(jīng)成功地將隱身外形設(shè)計(jì)技術(shù)、低超音速波阻技術(shù)、大迎角氣動(dòng)技術(shù)和非定常前體渦控制技術(shù)等融合在一起，在隱身性能和氣動(dòng)性能之間取得了很好的折衷，二者的結(jié)合日趨完美。

參考文獻(xiàn)

[1] 暖風(fēng).隱身那些事（上、下）[J].海陸空天慣性世界，2012（119）.

[2] 馬共軍，趙明波，等.飛機(jī)隱身技術(shù)及雷達(dá)對(duì)抗措施[J].國(guó)防科技，2009（30）.

[3] 桑建華，周海等.隱身技術(shù)推動(dòng)新一代飛行器發(fā)展[J].航空科學(xué)技術(shù) 2012（3）：15-18.

[4] 顧誦芬.飛機(jī)總體設(shè)計(jì)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2001.