隐身轰炸机和隐身战斗机的发明历史是怎样的?

克里奥尔


隐形飞机的研制历史可能比我们想象的要早。其实人类对军用飞机的隐身设计最早可以追溯到二战末期。

二战末期,德国人推出了一款造型怪异的轰炸机原型机,Horton go.229。这款飞翼构型的轰炸机不论是其飞翼构型,进气口和尾喷口的屏蔽设计,还是碳质吸波材料和弱介电常数的蒙皮(木质)都可以证明这是一款专门优化过的低雷达反射界面的飞机。这是已知最早的隐身设计。

二战末期德国研发的Horton go.229

冷战时期,美国率先开发出了升限20公里以上的U-2高空侦察机,并在很长一段时间内让苏联和中国的防空部队无计可施,甚至逼的苏联开发出了锥膛炮版本的高射炮来勉强维持防空圈(因为只有这款锥膛炮射高够得到U-2)。随着苏联导弹的进步,开发出了最大射高超过25公里的S-75(SA-2)防空导弹,U-2变得不再安全。鉴于此,美国在1956年开展了彩虹项目,意在U-2侦察机的蒙皮上涂上一层铁氧体吸波材料来吸收雷达波。后来在1960年代开发的A-12和SR-71侦察机,也在外形上兼顾了一定低雷达散射截面的设计。然而在实际使用中,A-12和SR-71的隐身设计似乎完全不起作用,在越南战场上还是屡屡被发现并被导弹集火;要不是飞机可以飞到3.2马赫,早就被北越多S-75揍下来了。

U-2隐身验证机

黑鸟家族,外形过渡圆滑,有一定低雷达散射截面的设计

为什么采用的隐身设计不起作用呢?究其根本,是因为此时的美国还没有掌握飞机RCS计算的正确模型。虽然RCS的计算早就有一些数学模型存在了,比如物理光学法,然而这个计算量极其庞大,建立模型也非常困难。加上当时的计算机根本支持不了这样的计算,所以隐身战机的外形设计必然是要失败的。

随后的1970年代,洛克希德·马丁又设计了一款隐身攻击机,外形与SR-71有些类似,不过同样没有服役,隐身设计靠谱靠谱也就不得而知了。

洛克希德·马丁 70年代研发的“超级卫星”隐形对地攻击机

而在大洋彼岸,苏联的一位名不见经传的科学家乌菲姆谢夫在60年代提出的一个理论,最终成为了隐身战机设计的突破口。乌菲姆谢夫提出了一个理论叫物理衍射理论(Physical Theory of Diffraction,PTD),这个理论的核心内容物体对雷达电磁波的反射强度和物体的尺寸大小无关,而和边缘波的电流强度有关。根据这个物理方程模型,可以计算任何构型飞行器的RCS值。

然而由于苏联这边未对该理论有足够的重视,因此被束之高阁。然而墙里开花墙外香,该理论漂洋过海后,被洛克希德·马丁臭鼬工厂的工程师丹尼斯·奥瓦霍塞发现。受该理论的启发,丹尼斯发现原来复杂外形的物体雷达散射场可以用镜面反射场加边缘电流的总效应表示的,这提供了一种有效的RCS计算方法。

臭鼬工厂根据PTD理论设计出了一种程序,可用来计算RCS最小的飞行器外形。但由于当时超级计算机浮点运算能力实在太捉急了,只能设计出由有限多个三角形组成的飞机外形(想想3D游戏刚出来的时候是不是也是多边形的?)。这个工程上的成果在1977年被直接应用到了世界上第一款真正的隐形验证机——海弗兰验证机上。随着海弗兰验证机的成功,该成果应用到了一款隐身轰炸机上,这就是F-117隐形轰炸机。

F117采用的多边形和锯齿型边缘设计,可以将雷达波散射到特定几个方向,而机头方向上可以保证RCS非常小(0.0001~0.01平方米)。采用倾斜双垂尾,可以将侧面射来的雷达波偏转到其他方向,不会被接收机接收;此外采用完全内置的武器,即所有武器放在弹仓中,以免武器弹药和挂架影响到隐身性。

海弗兰验证机

F117隐身轰炸机

F117的RCS模拟,RCS分布呈蝴蝶型,机头方向RCS最小

在F117的设计获得巨大成功后,美国并未停止开发更新的隐身轰炸机。因为F-117的载弹量和航程太弱鸡了,只能算一款战术轰炸机或者攻击机,不具备战略打击能力。新的隐身战略轰炸机于1980年代开启,由诺斯罗普公司操刀,沿用了飞翼构型,在此基础上加入了翼身融合设计,并采用更加光滑过度的外形,以此优化气动外形。为了优化隐身,并采取了更为激进的设计——去掉了垂尾,仅使用机翼上的几个阻力舵以及两个发动机的差动来控制机身的航向偏转和滚转机动。由于以上的改进,

B-2的隐身在全方向上做的都比较好。

B-2并非是诺斯罗普平地上建高楼,实际上在二战期间诺斯罗普就已经开始为军方开发了一款飞翼构型的轰炸机——YB-35,当然它是1946年才开始生产,二战都已经结束了;紧接着诺斯罗普在1947年又研制了飞翼构型的喷气版本——YB-49。这两个飞机虽然当时没有主要考虑隐身性能,然而这种飞翼构型天然具有不错的全向隐身能力,为后来的B2打下了很好设计基础。

使用螺旋桨推进的YB-35和喷气推进的YB-49

B-2 的原型机“高级珍珠”

B-2轰炸机

B-2轰炸机不加油最大航程达到了1.2万公里,最大起飞重量达170.6吨,两个内置弹舱可以携带25吨的弹药(16枚AGM-129)。这是一款真正意义上的隐身战略轰炸机。

F-22的ATF(Advance Tatical Fighter)计划几乎是和B-2的同时开展的,在80年代在洛克希德·马丁和诺斯罗普之间展开了激烈竞争。最终设计靠谱,工期不拖的洛克希德的YF-22略胜YF-23一筹,成为了美国首款隐身战斗机。这款飞机同样适用内置弹舱作战,不仅隐身性能好,气动外形也是精妙绝伦,拥有4S性能(超音速巡航,超机动性能,隐身性能和超视距打击)。

YF-22和YF-23

1991年,ASD正式宣布了ATF计划YF-22中标。最初的合同包括了9架单座原型机和2架双座原型机,以及批量750架空军正式服役的机型,不过随着冷战结束,美国失去了真正的对手,F-22订单也就一砍再砍,最终只有183架服役。

F-22可以算天下第一委屈的战斗机,武功盖世,无用武之地

随着F-22服役,它的一些缺点就暴露出来了。最大的问题在于对地对海攻击能力差。除了攻击能力差以外,海军和马润觉得这么个大宝贝,动不动就要恒温机库,吃点海风动不动就要趴窝保养,伺候不起,因此坚决不要。于是空军海军和陆战队联合起来又搞了一个干糙活的五代机项目——联合攻击机项目(JSF)。这就是F-35的由来。这一次竞争在洛克希德马丁和波音之间展开,技术雄厚的洛克希德·马丁在俄罗斯Yak141垂直起降专利的加持下,击败了波音,顺利把X35的X变成了F。除发动机不是变循环以外,X35都要比X32更优秀,尤其是颜值。

波音的X32

F-35垂直降落模式,采用了尾喷管垂直向下旋转90度的方式

F-35比起F-22,应用了更多的先进技术,比如吸波性能更好同时更皮实的隐身涂层,分布在全身的光电传感器和雷达电子设备,让F-35拥有超强的态势感知能力,甚至可以在全程雷达静默下完成任务。目前F-35在全世界范围内累计交付的数量已经达到了390架,不光是美国自己装备,还成功卖给了不少小兄弟。

F-35的EOTS可以实现360度可见光-红外探测能力覆盖

F-35周身布满了敌我识别天线,雷达告警器,电子战设备和光电分布式孔径系统(EODAS)

美国在隐身战斗机上的进步和技术成就是举世瞩目的。然而进入了21世纪10年代后,另一款战斗机很大程度上夺取了F-22和F-35的光环——这就是我们的歼20。歼20在设计哲学上兼顾了空优和对地,拥有F-22没有的态势感知能力和F-35没有的超机动能力。不得不说我们国家的飞机设计师是很有智慧的。

歼20的隐身设计非常靠谱

歼20也使用了类似F-35那样的EOTS和EODAS,态势感知能力超强

从五代机开始,中美第一次站到了同一高度上。而六代机开始,美、俄、英、法、中等国家也都已经纷纷开始提出自己的计划和预研工作。在这个时代,隐身设计理论在这个时候已经非常成熟了,六代机要解决的还是能否搞定用更加整洁的外形和更少的舵面来实现超机动。此外高能武器,人工智能,涡轮机组合循环和变循环发动机技术,都将是未来六代隐身机的可选发展方向。现在还看的不是特别清楚,只能说八仙过海各显其能,谁的方案更成熟,更能经受时间考验,就越可能成为下一代战机的标准了。

各国的六代机方案


纸上的宣仔


先说F117,其实是隐身战斗机,但是我们看到他的战绩都是精准轰炸,虽然美军因为某种原因退役,大家懂得,在本世纪60年代末、70年代初是美国军用飞机(尤其是战斗机)发展的高峰。目前美国空、海军现役的主力战斗机,差不多都是那时候研制的,例如F—14、 F—15和F—16战斗机均为70年代初问世,只有F/A—18稍晚一点。美国人发展军用飞机,往往始一种新型号出现后,马上就开始考虑它的后继机,有时甚至还要提前。隐形战斗机的研制就是从那时候开始萌芽的。后来,美国国防部高级研究计划局提出了一个称之为“海弗兰”的隐形战斗机研究计划,要求有5家主要合同商参加。起初,洛克希德飞机公司并未被列于这5家之列。原因是说该公司缺少现代战斗机的设计经验。实际上,洛克希德是一个老牌的飞机公司,创始于 1916年,先后研制出P—38、F—80、F—104、C—130和SR—71等一系列优秀军用飞机,有些甚至是世界名机。近年来,虽然没有再搞战斗机的研制,但一直在独立地进行隐形技术的研究。由于洛克希德具有实力,而且在隐形飞机的研究上先行了一步,因此经过努力,终于被挤进了“海费兰”计划,并最后在原型机的竞争中获胜。“海弗兰”计划始于70年代中期,先搞了两架小型原型机进行可行性试验。这两架小型原型机也叫“海弗兰”,装两台发动机,采用奇特的多面体外形。这种外形设计的依据,主要来源于一个计算飞机雷达反射截面积(RCS)的数学模型。因为计算雷达反射截面积,平面外形比曲面外形要容易些。没想到这一数学模型真的得到了应用。“海弗兰”原型机的放大型就是F—117A,1978年由洛克希德“臭鼬工厂”开始研制。研制工作进展顺利,1981年6月首飞成功。1983年10 月进入托诺帕试飞基地的第4450战术大队服役(现为第37战术战斗机联队)。美国空军共订购59架,现已全部交付,并无后续采购计划。59架中有4架分别于1982年、1986年和1987年及1997年坠毁。59架F—l17A飞机总耗资将达66亿美元,计划价格为1.112亿美元。

再说B2,隐身轰炸机,1977年,“冷战”仍酣。为了能隐秘突入苏联领空,寻找并摧毁苏军的机动型洲际弹道核导弹发射架和纵深内的其它重要战略目标,美国空军提出要制造一种新型战略轰炸机,要求它能够避开对方严密的对空雷达探测网,潜入敌方纵深,以80%的成功率完成任务。为此,空军拟制出了“军刀穿透者”计划,把隐身技术的应用列入了具体议事日程。由于洛克希德公司不久前提交的样机受到好评,空军便将生产F—117A隐身战斗机的合同交给了这家公司。随着隐身战斗机的投产,美国国防部和国会要人也开始接受了“隐身轰炸机”这一概念,并于1979正式批准了空军提出的研制这种飞机的申请报告。次年,美国空军就研制“先进战略突防飞机(ASPA)”进行了公开招标,诺斯罗普公司提出的方案得到了首肯。随后,美国空军把该机的研制项目正式定名为“先进技术轰炸机(ATB)",—这就是B—2隐形战略轰炸机的最初名称。B-2幽灵隐形战略轰炸机是冷战时期的产物,由美国诺思罗普公司为美国空军研制。1979年,美国空军根据战略上的考虑,要求研制一种高空突防隐形战略轰炸机来对付苏联90年代可能部署的防空系统。1981年开始制造原型机,1989年原型机试飞。后来对计划作了修改,使B-2轰炸机兼有高低空突防能力,能执行核及常规轰炸的双重任务。

F-22隐形战斗机 是美国洛克希德-马丁公司和波音公司联合研制的21世纪隐形战斗机。它的特殊设计同时兼顾了机动性和隐身性能,机载设备信息处理能力强大,并具有超音速巡航能力.。1985年9月美国空军就新世纪战斗机计划展开招标,洛克希德/波音/通用动力联合小组的YF-22方案和诺斯罗普/麦道的YF-23方案得标。1990年9月,YF-22开始试飞。1991年4月23日,美国空军宣布YF-22战胜YF-23,成为新世纪战斗机的蓝本。1997年2月,F-22第一架原型机首飞。

F-35隐形战斗机是美国最新研制的单座单发战斗机,由洛克希德公司研制生产,1999年首飞,如果能够被美国军方选中,该机将经过约10年的研制和发展计划,以便成为美国空军、海军陆战队、海军和英国皇家海军各自所需的战斗机。该机长13.72米,翼展11米,空重10000—11000公斤,载油量6800—7200公斤,最大载弹量6000—7700公斤,最大起飞重量22500—23000公斤,作战半径1100公里,动力装置是普拉特·惠特尼公司的F119—PW—100 涡喷发动机。该机有空军型、海军型、陆战队型,其中F-35B战斗机是世界上第一架超音速垂直起降战斗。

还有我国的J20 J31。俄罗斯苏57都是在美国之后研发出来的。


分享到:


相關文章: