未來的隱身戰(zhàn)機(jī),值得花多大代價提升機(jī)動性?
在戰(zhàn)斗機(jī)的設(shè)計(jì)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(zhàn)機(jī)研制過程的核心工作。而一款飛機(jī)的總體設(shè)計(jì)成功與否,極大程度上就取決于各方面性能規(guī)劃,協(xié)調(diào)取舍是否合理。
而隨著技術(shù)的進(jìn)步,很多矛盾可以被緩解、甚至自行消失。而戰(zhàn)場環(huán)境的變化,也會導(dǎo)致作戰(zhàn)效能和生存能力更側(cè)重一些特定的性能——這是不同時代戰(zhàn)斗機(jī)的總體設(shè)計(jì)中,核心側(cè)重方向存在差異的關(guān)鍵。
如果談及未來隱身戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展,這樣一個話題是無法避開的:
(相關(guān)資料圖)
是否值得花費(fèi)更多的力量,在當(dāng)前的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提升飛機(jī)的機(jī)動能力?
隱身為什么會與飛行性能發(fā)生沖突?
為了避免照射過來的雷達(dá)波形成顯著的回波信號,隱身飛機(jī)對于外形的設(shè)計(jì)有著嚴(yán)格的要求:
比如要盡量避免直角的線面相交形成典型的角反射器特征、盡量避免空腔,特別是近似于波導(dǎo)管的深腔反射、盡量避免不連續(xù)的縫隙和凸起、盡量保證外形的簡潔,等等。
F-117隱身戰(zhàn)斗機(jī)
舉例來說,為了避免進(jìn)氣道形成的強(qiáng)烈空腔反射,在技術(shù)能力非常有限的F-117時代,設(shè)計(jì)師采用的方法是用開滿孔洞的格柵封住進(jìn)氣口,通過對雷達(dá)波的堵塞實(shí)現(xiàn)簡化處理。但是,這種設(shè)計(jì)對于進(jìn)氣能力有著極大的損害,根本無法應(yīng)用于高速和高機(jī)動飛機(jī)。
直到電磁計(jì)算能力和吸波材料進(jìn)步之后,可以通過異型截面的扭曲空間設(shè)計(jì),配合吸波材料,讓雷達(dá)波在進(jìn)入進(jìn)氣道后就像掉進(jìn)黑洞一樣,在內(nèi)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(jī)動隱身戰(zhàn)斗機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)。
但是對于高機(jī)動飛機(jī)來說,進(jìn)氣道問題的解決,只是消除了最基礎(chǔ)最前置的動力系統(tǒng)障礙。它必須還要有各種氣動控制面,乃至于矢量推力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的協(xié)同工作,才能在飛行力學(xué)上實(shí)現(xiàn)飛機(jī)進(jìn)行各種機(jī)動動作所需的受力狀態(tài)。
F-22隱身戰(zhàn)斗機(jī)
特別是越高的機(jī)動性要求,必然要求越強(qiáng)的控制效果。而這通常意味著,要在遠(yuǎn)離飛機(jī)重心和氣動力中心的位置,布設(shè)較大面積、而且方向不同的獨(dú)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(shí)是存在沖突的。
在B-2、B-21等對機(jī)動性要求不高的機(jī)種上,設(shè)計(jì)師索性采用了無垂尾和獨(dú)立平尾的飛翼布局設(shè)計(jì),以求將各種凸起、臺階、縫隙等電磁信號散射源的數(shù)量減到最少,實(shí)現(xiàn)隱身效果的最大化。
X-32可以看做無尾三角翼布局的變種,但由于控制能力不足,后期也打算改為常規(guī)布局。控制能力差是它輸給X-35的關(guān)鍵原因之一。
常規(guī)布局版X-32的假想圖
而在戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)中,雖然無尾三角翼布局的控制能力較差,但因?yàn)橥庑魏啙?,一直被公認(rèn)為是隱身潛力最好的方向。
然而為了保障機(jī)動性能(尤其是超聲速機(jī)動性)和短距起降能力,目前全球所有已經(jīng)服役的五代機(jī),都沒有采用無尾三角翼布局。
如何解決高機(jī)動與高隱身困境?
在目前的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)中,確實(shí)存在一些方案,試圖通過取代獨(dú)立的傳統(tǒng)氣動控制面,實(shí)現(xiàn)簡潔外形與高控制能力的兼顧。
BAE與曼徹斯特大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的MAGMA無人機(jī),采用吹氣控制取代傳統(tǒng)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(qiáng)化甚至是取代襟翼等氣動面。
但從實(shí)用角度來講,這種控制方法效率不高,大流量的引氣對于發(fā)動機(jī)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(shù)驗(yàn)證成果是在航模級別的小尺寸無人機(jī)上實(shí)現(xiàn)的——此類飛行器的推重比都非??鋸?,距離能在實(shí)用化的大型載人飛機(jī)上使用還遙遙無期。
至少在可以預(yù)見的未來內(nèi),針對高機(jī)動性的要求,還找不到比傳統(tǒng)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(xiàn)顛覆性進(jìn)步的情況下,新一代戰(zhàn)斗機(jī)要在較近未來內(nèi)實(shí)現(xiàn)隱身性能的顯著提升,很可能需要機(jī)動性指標(biāo)做出一定程度上的妥協(xié)。
未來六代機(jī)的機(jī)動性與隱身性
隱身技術(shù)本身就是雷達(dá)探測技術(shù)的一個發(fā)展分支,兩者共享精密電磁計(jì)算和測量等基礎(chǔ)理論、技術(shù)、設(shè)施,并在研制過程中彼此相互依賴??梢哉f,飛機(jī)隱身性能發(fā)展的另一面,就是雷達(dá)探測技術(shù)的發(fā)展。
隨著雷達(dá)探測技術(shù)的不斷進(jìn)步,其針對微小目標(biāo)的遠(yuǎn)程探測能力越來越強(qiáng),分辨率越來越高,抗干擾能力越來越好。
這也意味著,現(xiàn)階段隱身性能優(yōu)秀的戰(zhàn)斗機(jī),為了高機(jī)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(dá)信號散射特征,在今天和可見未來內(nèi)依然是微弱的、安全的。但在更遠(yuǎn)期的未來,就很有可能是明顯的,危險的。
從長遠(yuǎn)來看,現(xiàn)有隱身水平的戰(zhàn)斗機(jī),在遠(yuǎn)期未來在對抗更先進(jìn)雷達(dá)的過程中,必然面臨這樣的趨勢:在更遠(yuǎn)的距離、更多的照射角度上,不斷形成更大的暴露概率,直至隱身效果顯著下降、最終成為不隱身飛機(jī)。
載人戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)動性受限于人的承受能力極限,即使完全不考慮隱身,也比拼不過導(dǎo)彈的機(jī)動性提升幅度。
而對現(xiàn)有隱身戰(zhàn)斗機(jī)平臺進(jìn)行技術(shù)升級,包括更換電子對抗設(shè)備、更換新的吸波材料,可以使它們在更長的時間內(nèi),延長對抗反隱身體系的技術(shù)壽命,但這種改進(jìn)必然存在巨大的局限性。
能在更遠(yuǎn)期未來實(shí)現(xiàn)對先進(jìn)雷達(dá)最有效對抗的戰(zhàn)斗機(jī),只能是在更遠(yuǎn)期未來完成基礎(chǔ)隱身設(shè)計(jì)的新一代飛機(jī)。而從目前的趨勢看,只有采用比今天苛刻得多的低散射特征外形設(shè)計(jì),才能滿足在未來的戰(zhàn)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(fā),未來的新一代戰(zhàn)斗機(jī),性能發(fā)展重點(diǎn)將更傾向于隱身方向。在飛行性能上,外形簡化帶來的阻力和重量降低,有利于高速等部分性能的進(jìn)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(shí)現(xiàn)共存甚至是雙贏,這將是未來戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)中最大的難題和挑戰(zhàn)之一。
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