隱身制空戰鬥機先行者—F-22

導讀

在如今這個信息爆炸的年代，智慧財產權問題越來越受到普遍重視，在某些場合甚至可以作為攻擊潛在對手的最佳武器。時間撥回到半個世紀之前，1962年蘇聯物理學家彼得 烏菲姆採夫（Pyotr Yakovlevich Ufimtsev）發表了Method of Edge Waves in the Physical Theory of Diffraction一書，而該研究被認為沒有重大軍事/經濟價值，得以在國際上公開發表。1971年，該書被美國空軍外國技術部（國家空中情報中心）的懷特 帕特森翻譯成英文，該書概述的方程式量化了飛機的形狀對雷達的可探測性的影響。20世紀年代，美國國防部啟動了Lockheed Have Blue計劃，項目目的是開發隱身戰鬥機，洛克希德 馬丁公司在與諾斯羅普 格魯曼的競爭中勝出。從此，美國在隱身技術領域一馬當先，F-117、B-2、F-22相繼問世，美國F-22隱身戰鬥機代表著繼F-117A隱身攻擊機和B-2隱身轟炸機之後的第三代隱身技術，即在不損失機動性和飛行速度的情況下實現隱身。F-22作為集大成者服役十多年來一直都是美軍空基力量的典型代表。

《衍射物理理論中的邊波方法》（翻譯版）奠定了雷達隱身技術工程應用的理論基礎

F-22是美國空軍高級戰術戰鬥機（Advanced Tactical Fighter）計劃的結果。上世紀70年代末80年代初，基於美國空軍的空戰研究和蘇聯新型制空戰鬥機MiG-29/Su-27即將服役的情報分析，美國空軍對高級戰術戰鬥機提出了新的空中優勢的要求，並計劃用來取代全部F-15。1983年5月，美國空軍發布了名為「聯合先進戰鬥機」（JAFE）的戰鬥機發動機的招標書（RFP），普惠公司和通用電氣公司於1983年9月獲得了開發和生產原型發動機的合同。1986年7月，波音，通用動力，洛克希德，諾斯羅普和麥克唐納 道格拉斯提出了提案。1986年10月，美國空軍選擇了兩個承包商——洛克希德 馬丁公司和諾斯羅普 格魯曼公司進行了為期50個月的演示/驗證階段，最終對兩種技術原型機YF-22和YF-23進行了飛行測試。根據洛克希德公司、通用動力公司和波音公司之間的協議，如果只選擇了一家公司的設計，則剩餘兩家公司同意共同參與開發。諾斯羅普 格魯曼和麥克唐納 道格拉斯也有類似的協議。

飛行演示階段的YF-23與YF-22

1991年8月，洛克希德團隊獲得了開發和製造「先進戰術戰鬥機」的合同，後續YF-22被修改為F-22「猛禽」生產型。僅從隱身角度而言，YF-23比YF-22有著較為明顯的優勢，比如和B-2一脈相承的內埋式噴管、四個方向高度一致的外形設計和取消的水平尾翼。但在機動性、彈艙設計和項目管理（B-2的前車之鑑）上的劣勢可能是導致空軍最終選擇YF-22的原因。出於成本考慮以及當時世界空軍力量的分析判斷，美軍於2011年關閉了F-22的生產線，迄今為止F-22一共生產了195架，其中8架為技術驗證機。

飛行測試中的最後一架F-22，於2012年5月2日交付美國空軍

外形隱身設計

與飛機總體設計密切相關的是外形隱身技術。具有相同幾何界面的目標，由於電磁散射機理不同，導致RCS差別很大。通過改變飛機外形來減縮飛機RCS時，應遵循以下原則：改善飛機的總體布局以減少散射源；變強散射源為弱散射源；對強散射源進行遮擋；控制散射方向，使散射能量集中在雷達波威脅區域之外；消除角反射器效應；將飛機的雷達回波的主要能量控制在很窄方位內。

F-22的平面對準設計，特別是F119-PW-100發動機上安裝的推力矢量噴嘴的仔細邊緣對準

例如，飛機的側面、進氣道以及雙垂尾均以同一角度傾斜。機翼前緣以及平尾前緣分別與後緣相平行。機身的全部艙門，如起落架、機炮（藏於機身進氣道上方）武器艙、維修口蓋，還有駕駛艙玻璃框架，均沿兩個相同的方向進行了鋸齒修形處理，以便側向反射雷達波。

彈倉的鋸齒修形

起落架的鋸齒修形

與F-117明顯不同的是，F-22採用了所謂的連續曲率設計。例如，從正面看，機翼機身連接處不形成強烈的雷達反射源角度，下翼面沿一連續變化曲率半徑線置於飛機側面。在副翼舵面、擾流器以及尾翼整流罩上也能看出連續曲率技術應用的痕跡。

該圖直觀顯示了F-22翼身融合及垂尾舵面的連續曲面設計

所有的腔體都應謹慎處理，因為它是雷達反射的主要來源，進氣道及尾噴管是大型腔體，在它背面有工作葉片，而葉片作為大型反射源很容易被雷達探測。洛克希德馬丁公司的工程人員對進氣道形狀進行了處理，進氣道沿機身高度溯流而上，而在該處又重新接合，並在該處留出內置彈艙空間。其結果是從進氣道的任何角度都不能直接看到壓氣機的第一級（S彎進氣道），如下圖所示。這樣設計的優點是前向雷達波入射後經過多次的反射，在反射重點區域配合雷達吸波塗層可以大幅度地降低前向雷達截面積（RCS）。與S彎進氣道作用相似的是無邊界層隔道超聲速進氣道（DSI），該進氣道在F35戰鬥機上採用。

進氣管道的S形設計原理圖

戰鬥機機的座艙也是不可避免的散射源，其中有飛行員和各種儀表設備，座艙結構比較複雜，形成一個空腔體。入射波經座艙蓋後，必然構成強反射。為了減弱其回波強度，可以在座艙蓋表面蒸鍍上一層不透波的金屬膜。遮擋住雷達波，使其不能進入座艙內。這樣的鍍膜不影響艙蓋的透明度，既保證了飛行員的視野又降低了RCS值。

F-22座艙特寫

在外形設計上，對輻射特徵源進行遮擋的思想不僅僅體現在雷達隱身技術方向，在紅外隱身上也有使用用。F-22的尾部結構就使用了類似的紅外抑制技術。它們在噴嘴設計上的差異最明顯。兩種飛機的水平尾翼都遠遠超出了噴嘴，從而限制了從側面到後象限的方位平面內的排氣口和羽流芯的視野。兩者的引擎也都有隱形的增強器，低壓渦輪機的後部是厚而彎曲的葉片，當抬高排氣管時，它們會擋住熱旋轉的渦輪機部件的任何直接視線。噴油器集成在這些葉片中，代替了傳統的加力燃燒器噴杆和火焰保持器。葉片遮蓋渦輪機的同時，包含可引入較冷空氣的微小孔。

F-22水平尾翼與噴嘴的相對位置

戰鬥機的熱紅外輻射主要包括被加熱的金屬尾噴管的熱輻射、發動機排出的高溫尾噴焰的熱輻射以及飛行時氣動加熱所形成的蒙皮熱輻射。除了利用外形設計進行遮擋外，在F-22上也能看見針對這三個方向進行紅外隱身的技術應用。

對於發動機尾噴管而言，目前紅外隱身技術採取的措施包括發動機隔熱、異形噴管、發動機及噴管結構的布局優化、排氣出口調整與遮蔽以及噴射冷卻劑等，以達到減小、變向、遮蔽尾噴管紅外輻射的目的。隱身飛機的目標紅外特徵如下：在飛機尾部，紅外輻射在方向和強度上出現變化；在全機身上，輻射強度發生變化。所以進行尾噴管探測時，首先要考慮到飛機尾部輻射的方向性。

尾噴管決定了尾部輻射的方向，而發動機的工作狀態和所用燃料決定了尾部輻射的強度。與傳統的尾噴管設計不同，美國F-22隱身戰鬥機使用的F119型發動機採用二元矢量收斂-擴張噴管，可在一定角度內進行偏轉（角度可達到俯仰±20°）利用這種尾噴管使排出的尾焰與大氣摻混，這有利於大氣迅速耗散前者排出的高溫燃氣。研究結果表明，噴管出口平面到後半球的最大輻射強度位於它的偏轉方向上；偏轉角度在高低角方向上越大，輻射強度越低。這種特性使得採用矢量噴管的飛機的尾部輻射在各個方向上的輻射強度不同，且具有一定的方向性，進而也有一定的機動性。若從飛機前方進行探測，飛機機身則容易遮擋住尾噴管的輻射，所以只有後向探測才能較好地探測到尾噴管輻射。由於二元矢量尾噴管具有前文所述的可偏轉機動性，後向探測時尾部產生的輻射具有極大的隨機性。這不利於紅外系統視場的探測，從而減小被探測到的概率。

惠普F119發動機及二元矢量噴管對尾焰輻射也有抑制作用

由於蒙皮輻射與機體本身的材料息息相關，採用低發射率的紅外隱身材料製作機身蒙皮是抑制蒙皮紅外輻射的主要措施。紅外隱身材料可以減小飛行器與環境之間的紅外輻射差別，使飛行器融入到背景的紅外輻射中。因此隱身材料的核心技術就是如何使其與背景的紅外對比度變小。

材料的選取很重要，同時紅外塗層在飛行器表面上的結構處理技術也是不可忽視的一方面。在不同的蒙皮區域所塗敷的塗層需要逐個根據性能挑選，塗層面積及方式也要加以考慮。下圖所示為美國F-22戰鬥機的表面塗層。基於TopCOAT材料，F-22採用了一種獨特的塗層方法有效降低了機身蒙皮的紅外輻射。

F-22機身蒙皮塗層

材料隱身技術

隱身材料按使用形式可分為塗覆型吸波材料和結構型吸波材料。塗覆型吸波材料以覆蓋形式施加於目標表面，包括吸波塗料、貼片、泡沫、薄膜等，在飛行器上應用較多的為塗料和貼片。結構隱身複合材料兼有承載和隱身的雙重功能，成為目前隱身材料的主要技術手段。結構型吸波材料的吸波功能是通過微波吸收劑對電磁波進行損耗而實現的。微波吸收劑按照吸收機理可以分為電阻型、電介質型和磁介質型。

2019年7月，美國威斯康星州奧什科什舉行的EAA Airventure航空展上，參展的F-22存在的吸波材料腐蝕問題引起了媒體的關注。隱身材料的使用與維護是一直困擾F-22與B-2等隱身戰機的「阿喀琉斯之踵」。材料隱身技術的先進與否直接影響著隱身戰機的性能和成本，同樣值得我軍重視。

F-22隱身塗層腐蝕局部

隨著F-22的不斷成熟，洛克希德 馬丁公司致力於進一步提高飛機的可用性，減少維護時間，提高可靠性和診斷能力，同時提高效率並降低成本。F-22上進行的維護的大約50％與低可觀測性（LO）隱形塗層有關，這些塗層在飛機執行任務時會損壞。洛克希德 馬丁公司目前正在進行以下維護項目，以減少該領域的維護工作：

進氣口塗層維修（ICR）快速線：2016年8月，美國空軍與洛克希德 馬丁公司籤訂合同，在喬治亞州瑪麗埃塔建立F-22 ICR快速線，第一架F-22於2016年11月到達。洛克希德 馬丁公司與在總共12架飛機上執行ICR工作和相關的支持服務，並有望獲得後續合同。

洛克希德 馬丁公司在喬治亞州瑪麗埃塔的入口塗層維修（ICR）快線工廠

「強韌皮靴」：該產品將增加塗層或飛機面板之間接縫的強度。洛克希德馬丁公司F-22副項目經理表示：「飛機上的縫隙提高了飛機的隱身性能，因此，通過這些塗層或這些縫隙填充物在飛機上的使用可以幫助降低其可觀察性。」

就地成型（FIP）：FIP建立在「強壯硬靴」項目的基礎上，通過改進飛機的面板，使其在維護過程中更易於拆卸，而不會損壞LO隱形塗層。通過消除維護後無需重新塗覆飛機的需求，可以減少維護時間。

射頻隱身技術

射頻隱身設計包括無源目標特徵減縮與有源目標特徵減縮兩個方面，無源目標特徵減縮技術一般稱為低可探測性（LO），有源目標特徵減縮技術通稱為低截獲概率（LPI）技術。低可探測性要求不斷加強天線罩、天線腔和天線設計的開發，以此作為共用子系統的交互式元件，使帶內、帶外雷達散射截面（RCS）更小。低可截獲性要求在滿足通信要求的前提下，儘量減少本機輻射信號的特徵，以減少敵方無源探測系統對飛機的探測、跟蹤、識別概率。

機載通信數據鏈系統是載機與友機、地面臺或指揮中心信息交互的通道。在整個指揮作戰過程中會頻繁用到，如果其隱身效果不好，很容易被敵方偵查定位，進而暴露載機的位置、運動軌跡，乃至作戰意圖，使載機戰場生存力受到極大地威脅。

F-22機載航電系統分布簡圖

諾斯羅普 格魯曼公司負責AN/APG-77雷達系統的總體設計，包括控制和信號處理軟體。諾斯羅普 格魯曼公司還負責雷達系統的集成和測試活動。雷達傳感器的主要組件是高度可靠的有源電子掃描陣列（AESA），它具有快速的波束敏捷性，低的雷達橫截面和目標檢測能力，使空中優勢戰鬥機能夠實現「先看先殺」能力。該系統的雷達橫截面非常低，符合F-22的隱身設計。

傳統天線設計只注重天線的電性能，一般安裝在機體外部，這必然會造成飛機蒙皮上產生凸出物，不僅改變了飛機的氣動特性，而且增大了飛機局部雷達散射截面積，嚴重影響了飛機整體隱身性能。天線共形設計是結合飛機隱身及氣動性能要求，根據蒙皮形狀對天線進行共形設計，使天線與飛機融為一體。

F-22各系統天線的共形設計

飛機通常配備通信、偵察、導航、雷達、電子戰、航管應答、敵我識別等多種射頻傳感器，如繼續按照以往獨立、分立式設計思路，必然會導致天線數量眾多，增大了飛機暴露的概率。孔徑綜合設計要求綜合考慮全機各天線工作頻段、工作時間、輻射空域、極化方式、調製方式等因素，對各類天線進行全面綜合設計，在保證各系統功能正常、性能滿足要求的情況下，最大限度地實現孔徑共享或復用，有效減少全機天線數量，將天線對飛機RCS的貢獻壓縮到最小。F-22飛機天線孔徑排布如圖所示，通過孔徑綜合設計，天線數量由傳統40多副減少到了21副，後在F-35飛機上進一步綜合後減少到了13副，大大減小了天線對飛機隱身性能的影響。

F-22飛機天線孔徑排布示意圖

定向天線是指天線輻射覆蓋一定空域，在其它區域輻射為零或者很小的天線，其應用於通信數據鏈系統，通過限制天線輻射方向，將能量集中在小範圍有用的空域，降低了數據鏈在其它空域被發現和截獲的概率，從而提高了數據鏈隱身性能。F-22戰鬥機的機間數據鏈（IFDL）就採用了定向天線技術，基於協同作戰的實際需求，近年來美國空軍重啟了對F-22的數據鏈升級，2019年8月，美國空軍將開始對新網絡技術進行現場測試，包括在其兩架隱形戰鬥機之間建立的長時延的安全數據鏈路。F-22使用的IFDL和F-35使用的（MADL）都是低檢測概率/低攔截概率（LPD/LPI）通信典型代表。

不同性能需求導致的通信數據鏈不通用是必然結果

小結

F-22雖然服役已經十多年，但至今仍是世界上最先進的制空戰鬥機之一。儘管就隱身能力而言可能未必如YF-23一般極致，但隱身性能作為先進戰機的指標之一最終服務的是戰鬥機的設計思想與戰略任務，F-22作為美國空軍的最終選擇體現了其多指標下的優秀綜合能力，而這種設計和選擇本身也值得我國技術/決策人員參考，從而為我國下一代空基力量的發展打下基礎，鋪平道路。

主要參考文獻

1.Joe Anselmo. State of stealth,2017

2.DAVID R. KING and JOHN D. DRIESSNACK.ANALYSIS OF COMPETITION IN THE DEFENSE INDUSTRIALBASE: AN F-22 CASE STUDY，2007

3.陳益.F-22及F-35的高水平隱身，2007

來源：高端裝備產業研究中心