隐身那些事儿(下)——讲述隐身技术发展及应用的故事

续言【蝶恋花•答李淑一】：“我失骄杨君失柳，杨柳轻飏直上重霄九。”——当美国人在隐身领域一路领先高歌猛进的时候，俄罗斯在新一代战机研制进展方面却连遇挫折，在国家动荡和经济衰退的影响下，其近20多年来的发展历程可谓是一波三折、曲折坎坷。同一时期，我国正深陷于薄弱基础之上，引进、消化、吸收和自主开发三代战机举步维艰的泥潭之中，先进的隐身战机与我们现实中二代当家的窘境看起来是那么的遥远。然而就是在这样的困境中，经历了痛苦和磨难，俄、中两个难兄难弟最终都挺了过来，各自研发出了独具特色的五代战机，同时也跨入了隐身大时代的门槛。“谁无暴风劲雨时，守得云开见月明”，从“望尘莫及”到“望其项背”，如今甚至已经盘算着什么时候可以“并驾齐驱”——虽然未来仍然充满变数，但是——我们已经上路了。在本文上篇中，讲述了隐身技术在军事航空领域的发展和截止到上世纪80’s~90’s年代前的主要应用。由于这一时期也是隐身技术步入大成阶段的一个分水岭，本文将延续上篇的内容，对美国在隐身战机设计上的另外两款巅峰之作F-22和F-35进行分析，然后讲述俄罗斯、中国等在此项技术方面的追赶进展。本文后半部分将尝试从隐身无人机、电子对抗、战机生存力和隐身战术等方面作综合性论述和探讨，以引领读者略窥隐身技术涉及领域的全貌。在开始讲述之前，有必要同时关注的一个现象是，上世纪80’s~90’s年代是计算机和雷达技术突飞猛进的一段时期，计算能力的提高使得隐身和气动设计仿真更为高效精细，但同时也促成了雷达特别是相控阵雷达等技术的大幅提升。尤其是80年代伴随着微机和高速处理芯片技术的飞速进步而形成的数字化波束技术（DBF），为现代雷达发展带来了一次革命性的变革。这项技术从多波束控制和自适应波形变换等方面极大地拓展了雷达的性能和功能，也使得雷达系统的升级能够更方便地与微处理器技术的进步同步，结合后续新体制的双基地雷达、现代中低频雷达、无源相干探测等技术发展，对隐身战机构成了新的全方位威胁，由此也将促进电子对抗手段和隐身战术的进一步发展演变。本文虽不会重点讲述这方面内容，但军事爱好者们有必要对其中的重要性和关联关系有所认识。一、隐身时代的“绝代双骄”F-22和F-35是隐身技术与气动设计、机动性等完美结合的典范之作，也是美国隐身战机设计到目前为止的巅峰之作，其特点在于对超机动性、低可探测性（LO）、超巡、先进综合航电和态势感知、高可维护性等方面取得了较好地平衡和全面突破，一改F-117这类低性能亚音速超低可探测性（VLO）战机的诸多设计缺陷，为高生存力和高性能“鱼和熊掌得兼”树立了模版。其中F-22具备的4S特征——Stealth（隐形）、SuperSonicCruise（超音速巡航）、SuperManeuverability（超机动）、SuperiorAvionicsforBattleAwarenessandEffectiveness（超级战场感知和效能综合航电），已成为其他各国隐身战机设计上跟踪仿效的标准，同时F-22也是后来者PAK-FAT-50和J-20的主要设计对抗目标，以其为代表的这一代战机被统称为第四代战机，俄版分法为第五代，后来为国际市场竞争目的，美国在F-35服役时也以五代标称，为方便起见，本文后续也统称为五代机。F-22、F-35等的隐身技术措施主要针对当前主要装备的S、X波段搜索、跟踪雷达，在毫米波和L波段的部分相邻段内也有一定的降低可探测性效果。在隐身外形设计上，凹凸曲面菱形机身、兼顾隐身和气动边条作用的全线长棱边、菱形机翼和V形垂尾是五代战机的共同特征。相对而言，在目前已出现的五代战机中，只有F-22真正贯彻了全向隐身设计要求，并较好地兼顾了红外和视觉隐身性能，其他几款或多或少都存在侧面和尾部隐身性能设计方面的各种缺陷和取舍折衷。另一方面，在隐身技术光鲜亮人的前景背后，其设计、制造和地面维护的综合成本仍然十分高昂，远超此前的三代战机，因此在性价比方面一直存在比较多的争议。相比F-117、B-1B、B-2等较早期的隐身战机在空-面攻击实战中已经取得的优势和成功，在制空任务中隐身战机的作用和价值还缺乏实战考验。虽然隐身技术存在的意义已经毋庸置疑，但就其技战术本身的缺陷和完善而言，仍有待在将来可能发生的有质量、有份量的战争中进行更为全面的检验和改进。图1、F-22在具有高隐身性能的同时兼顾了高机动性，是隐身与气动设计结合的典范F-22“猛禽”F-22的研制源自于美国20世纪70年代早期开始的先进技术战斗机（ATF）计划，是美国战术空军司令部TAC-85研究计划的一部分，该研究通过预测1970~1985年战术空军面对的作战环境，明确指挥与控制、侦察、特种空军、空运和战斗机领域的能力要求。受越南战争期间地面雷达网、地-空导弹和雷达制导的防空火炮构成的防空体系对战术空军的巨大威胁影响，并考虑到同期F-15制空战机已在研发，因此TAC-85对ATF的研究强调的是具有高生存力的战术攻击机以应付中高强度冲突，以空-面任务为主，有一定的空战自卫能力，计划取代对象是F-4、F-105、F-111这类机型。后续陆续开展的先进战斗机技术综合（AFTI）、目标截获与武器投放（TAWD）、空-面技术评估与综合（ATS）、进攻性空中支援任务分析（OASMA）等系列研究，一直到1976~1977年的战术攻击系统研究（S3）均以空-面攻击为主要研究方向，其中在ATS研究中提出了隐身和机内/保形武器挂架的必要性。1977~1979年间，西方利用卫星侦察等各种手段发现前苏联正在发展几种新型战机（即后来的Mig-29和Su-27），根据收集的情报分析这些战机的性能尤其是空战能力有了很大提升，很可能已经具备了与F-15、F-18和F-16等战机匹敌的能力，即使发展中的F-15在面对这些战机时也不能确保取得空中优势。在这样的背景刺激下，1979年末开始，ATF的研究作了重新规划，空-空任务被放在了与空-面任务平等的地位。这两项任务研究均由空军飞行动力实验室管理，其中空-空任务研究以“1995战斗机研究”的名义展开，在1981年完成。期间承包商验证了“从超音速巡航状态下的高空突防到低空突防再到隐身技术的最大突防距离”，也包括了短距/垂直起落的优化设计。根据修改后的ATF计划还进行了先进战术攻击系统任务分析（ATASMA）研究，涉及到了低可探测性和电子对抗技术研究以及“质量对数量”的性能分析，强调以质取胜。1981年7月6日发布的ATF新的任务需求书（MENS）中，使用低可探测性（LO）等新技术来实现高生存性被明确列为其中一项关键任务。实际在稍早一些的5月21日，美国空军航空系统部就已经给波音、洛克希德、诺斯罗普等9家公司提出了ATF的信息征询书（RFI），要求各公司提供概念设计进行评估。同年11月23日，美国政府批准ATF计划正式进入方案论证阶段。图2、早期ATF计划中洛克希德（大图）和波音（小图）提出的两种概念方案在1981~1982年期间对RFI和ATF初始设计方案的讨论分析中形成了一些有共识的结论，比如：理想的空-空平台将把低可探测性和超音速巡航、高机动性等结合起来，Ma1.4~1.5的巡航速度和15,240~21,336米的升限是比较合理的设计目标范围，通过隐身和远程空-空攻击能力压制包括苏联正在研制的AWACS（A-50）和Mig-29、Su-27等空中力量。由于空-面战斗机不一定能完成空-空战斗机的任务，而空-空战斗机相对较容易改装完成空-面战斗机的作战任务，因此在1982年12月空军发布的最终RFI报告中，明确了以空-空任务为主，空-面任务为次要地位的空中优势战斗机目标，并在20世纪末取代F-15以应对下世纪早期将面对的空中威胁。1983年5月，美国空军提出了ATF方案开发招标书（RFP）的调查需求，低可探测技术是其中一项重要内容，对洛克希德和诺斯罗普这样的已经在隐身飞机设计和应用中取得长足经验的公司来说无疑是占据了一定优势。经过近两年的方案论证和评估，以及对新战斗机单价成本的控制要求讨论，最终美国空军在1985年9月确定并发布了正式招标书，计划于1986年1月完成招标，后来推迟到4月。此后在美国国会施压下，美国海军也同意在90年代末期采购海军型ATF（NATF），全尺寸研制、首飞和初始作战能力形成（含52架飞机）计划时间分别定为1989年、1991年末和1995年。图3、较为难得的YF-22与YF-23比翼齐飞的照片，只是如今YF-23已芳踪渺渺初期方案设计包括结合先进计算机能力，以相对低成本制造全尺寸和缩比模型进行风洞、RCS计算和航电等子系统试验，从而大幅降低昂贵的飞行试验成本。在后续方案研究中还对演示验证阶段的RFP进行了修改，增加了战斗机后部低可探测性的要求（主要是喷口设计）。1986年5月，空军宣布对RFP作一项重大改变，将不再从初期演示验证的理论方案中选定最终承包商，而是将演示验证扩展至原型机飞行试验阶段，让两种最有希望的设计方案竞争，并各制造两架原型机用于评估，同期，两家发动机制造公司通用电气GE和普•惠PW也将进行原型机竞争。为确保各自利益，波音、洛克希德和通用动力公司宣布达成联合协议，一旦其中一家方案被选中，另外两家将作为主转包商分包部分设计开发合同，随后诺斯罗普和麦道也达成了类似协议（格鲁门和洛克韦尔因B-1B项目无暇顾及ATF，已先期退出）。后来事件发展的结果证明，这种联合模式有效地把各家所掌握的最优技术集中在了一起，如隐身外形设计和材料技术，推力矢量技术、先进综合航电和传感器技术等，从而真正实现了高起点的划时代的设计方案。1986年10月31日，洛克希德和诺斯罗普的方案经评估优于其他公司，两家公司分别获得了6.91亿美元的主合同，开始进入原型机演示验证阶段。在这一阶段的方案布局与后续的YF-22和YF-23还存在比较大的区别，如图4。洛克希德和诺斯罗普两个联合团队的原型机YF-22和YF-23最终都在1990年中完成了总装，并很快开始了验证试飞。图4、F-22的方案演进过程美军在模拟分析中发现，借助隐身技术，在空-空任务中实现先敌发现、先敌发射和超视距攻击，被攻击目标的生存概率只有10%左右，正是因为这个结论，在研制过程中军方对隐身性能指标进行了极为严格的要求和控制。在隐身设计验证方面，要求两家公司利用实际元件和计算机RCS预测模型、缩比和全尺寸飞机进行试验与分析，并要求高保真的全尺寸RCS飞机模型具有全部的雷达目标发射装置和有可能实际采用的吸波材料，最后在新墨西哥州白沙靶场的雷达散射实验室对两套模型进行了对比评估。YF-23和YF-22原型机分别在1990年8月末和9月末开始进行试飞，各自用了104天和91天完成了全部试飞验证项目，两架飞机都展现了完全满足ATF预计要求的性能和特征，其中除高机动性一项外，其他如武器容量、隐身指标等方面YF-23均超过YF-22，但差距并不是太大。由于设计安装了二元矢量喷管，YF-22在机动性上，尤其是大仰角（60°）和较低速的机动敏捷性和可控性方面远远超过YF-23，尽管后者也同时满足了ATF的机动性设计要求。同时，通用电气的YF120变循环发动机在超音速巡航中的表现也胜过了普•惠的YF119发动机，YF-22在装备YF120试飞时超巡速度达到了Ma1.56，超过了安装YF119时Ma1.4的表现。但是在1991年4月23日，空军司令赖斯宣布方案相对保守常规的洛克希德小组和普•惠分别获胜，之所以YF-22和YF-119能够最终胜出，更关键的原因在于方案的全寿命周期预测成本较低，技术风险和未来预期发展投入也更低。YF-23由于无尾气动布局过于超前，可能给飞控和性能发展带来不确定性，同样的理由也针对发展潜力更大但风险和研制成本更高的YF120变循环涡扇发动机。图5、这架总装完的F-22正在进行表面隐身涂料喷涂，以增强雷达、红外吸收效果为控制飞机重量和提高可维护性，F-22对吸波材料（RAM）和吸波结构（RAS）的应用在满足RCS设计指标的情况下被降低到了最低限度，主要通过外形和结构的优化设计方面来实现隐身。按照一个较为普