飛行器氣動布局與外形隱身設計

杜紅軍

摘 要 外形隱身在降低飛行器雷達可探測性方面意義重大，對縮減主要方向上RCS值的貢獻量可達70%以上。外形隱身需要開展一體化設計，協調與氣動布局要求之間的諸多矛盾。本文在對雷達散射截面積的概念和影響因素進行分析的基礎上，結合若干典型隱身氣動布局的特點，綜述了飛行器外形隱身設計的幾種主要方法。

關鍵詞 氣動布局 外形隱身

中圖分類號：V211. 3 文獻標識碼：A

飛行器的隱身，主要是指利用各種技術手段縮減飛機的特征信息，降低飛機的可探測性，使敵方探測系統不能發現本機或推遲發現本機的時機，無法實施有效攔截和攻擊，從而提高飛機的突防能力和生存能力，并增強攻擊的突然性。隱身技術已成為一門多學科綜合的高新技術，并從雷達隱身擴展到紅外、可見光和聲波隱身等領域。隱身設計的方法很多，涉及的技術也非常復雜，通常是多種措施綜合運用，但一般都要從外形、結構、材料和工藝等方面入手。本文主要研究了通過外形設計縮減目標雷達特征信號的方法。

1雷達隱身的基本概念

1991年的海灣戰爭中，美軍部署在海灣地區的F-117A“夜鷹”隱身飛機，以累計僅占整個空襲2%架次的出動量，成功攻擊了40%以上的重要戰略目標，該機出入巴格達如入無人之境，讓世人第一次感受到了雷達隱身技術的巨大魅力。在雷達隱身領域，有一個重要的概念，即雷達散射面積（Radar Cross Section）的概念， 它是衡量雷達隱身性能的主要指標，簡稱為RCS。

RCS是表征飛機雷達回波信號強弱的物理量，其定義為“目標在單位立體角內向接收機天線散射的功率與入射到目標處單位面積內功率之比的4倍”。當雷達波照射到目標上時，目標將以球體的形式向其周圍的空間散射雷達波，只是在不同的方向上散射回波的功率不同。那么，在正對雷達接收機天線的方向上，1度球體角的范圍內散射回波的功率與入射到目標處單位面積內功率之比的4倍，即為雷達散射截面積RCS。由此可以看出，這個量其實正比于兩個功率密度的比值，它應當是一個無量綱的量，但是后來在雷達隱身研究領域為了定義和度量使用方便，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”。影響雷達散射面積的主要因素有目標的幾何外形、電性能、雷達波照射的方位、雷達入射波的波長、入射場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，B-26轟炸機在其機身水平面內各個方向上RCS值的分布情形。可見，對于沒有考慮隱身設計的飛機，其各個方向上的RCS值大體相當，而且是不規則分布的。現今的第三代戰斗機，其主要方向（機頭正前方30度立體角）上的RCS值為1～2m2，而對于第四代戰斗機，其主要方向上的RCS值還要再降低一個數量級。有資料表明，F-117A在主要方向上的RCS值約為0.025m2，僅相當于一只大鳥，而B-2在主要方向上的RCS值約為0.1m2，僅相當于一枚常規有翼導彈。這說明，RCS值的大小與飛機外形的大小實際上是沒有必然聯系的。

2常規氣動布局中的非隱身特征

氣動布局是指飛機外部的總體形態布局與位置安排，如機身、進氣道、主翼、尾翼等的幾何尺寸和布置形式，它是飛機飛行性能的主要決定因素之一。氣動布局通俗地說就是飛機“長什么樣”的問題，受其影響的飛行性能則涵蓋了飛機的飛行包線，起降、機動、續航等各個方面的性能，這其中又要考慮氣動布局帶來的飛機操縱性和安定性等重要問題。對于傳統未經隱身設計的戰斗機，有許多外部特征都會產生強的雷達散射回波，主要有以下幾個方面：

一是垂直正交形成“角反射器”的表面，如單立垂尾與機身、機翼與機身、掛架與機體的外表面、機體表面的天線、翼刀、腹鰭等；二是機翼和尾翼的前、后緣線條及切角、尖端部位；三是進氣道唇口、發動機尾噴管及外露的發動機葉片；四是飛機外部的艙口蓋、臺階、舵面縫隙等；五是各種外掛配置，如副油箱、導彈、炸彈等，如圖2所示。

飛機外部這些未經隱身處理的高散射特征的部位，將構成整機RCS大小和特征的主要散射源或稱為“亮點”。如果采取適當的隱身措施對這類“亮點”進行局部改造，降低這些區域散射能量的水平，綜合起來就可以顯著降低戰機整體的可探測性，達到在相關方位角降低雷達發現距離和壓縮反應時間，以較低的成本和性能代價換來提高戰場生存力的目的。

3外形隱身設計的主要措施

外形隱身是指通過恰當設計飛機的外形，將其雷達散射回波的能量控制在重點方向以外，使飛機在重點方向上的RCS值大幅減小，從而遠離雷達威脅區域的措施。外形隱身在所有隱身措施中對縮減RCS的量貢獻最大，通常占總縮減量的70%以上。但是，改變飛機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性能、結構設計、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”高空高速偵查機，它是隱身設計起步階段的代表作，飛機機身到機翼沿展向是平滑的過渡。這種設計既有利于隱身，又改善了氣動性能，是三代機普遍采用的設計技術之一，如圖3所示，但必須在加工制造技術達到一定水平才能實現。二是外掛物融合，最高級的形式是將燃油和武器全部置于機身內部，飛機外部看不到任何外掛物。美、俄的第四代戰斗機，包括我國的殲-20均已采用這種設計。很明顯，這種設計會增大飛機的迎風面積，加大其飛行的阻力，并帶來機構設計上的巨大困難。其次是采用保形外掛的方案，如美軍F/A-18E/F的最新改進型“先進超級大黃蜂”，即在機翼根部機身兩側采用了可拆卸的“肩抗”式保形副油箱，而歐洲的“臺風”戰斗機，則采用了機身掛架內置的方案，機身上的導彈掛裝完畢后形成一種“緊貼”在機身上的態勢，如圖4所示。三是天線共形，取消飛機外部突起的各種天線，最大限度地使之與機身外形融合。

3.2斜置

斜置是指在飛機外形中采用傾斜平面的設計，這種設計易于控制雷達散射回波的方向，但如果用在機身設計中，則會導致浸潤面積增大，氣動性能下降。本文前已提及的F-117A戰斗轟炸機，其機身上半部分采用多個傾斜的面元組合而成，獲得了良好的隱身性能，但付出了無法超音速飛行和機動性能差的代價。目前，斜置的布局措施已成功應用于隱身飛機的尾翼設計上。在現代的隱身飛機上，傳統的垂直尾翼都已經不再“垂直”于機身了，而是對稱地向內傾斜或向外傾斜布置，有效地降低了飛機尾部的RCS值，但導致了飛機額外重量的增加。當然了，外形設計過程中還可以把所有散射雷達波的翼面都盡量拿掉，只留下必須的主機翼，并與機身高度融合而演化出“飛翼”布局，但這必然又要付出氣動性能的代價。隨著主動控制技術和推力矢量技術的日漸成熟，飛翼布局在滿足了操縱性及隱身特性要求的前提下，以其升力系數大的突出優點，奠定了其在隱身飛行器研究中的地位，并成為了現今高端隱身無人機的典型布局。

3.3修形

一是機頭修形。傳統的機頭外形無外乎長球體和圓錐體兩種形式，其截面均為圓形，而圓形截面的機頭形狀是雷達隱身設計的大忌，因為它在各個方向上均有較強的雷達散射特征，如圖5所示。因此，對機頭部分進行修形處理成為了雷達隱身設計的重要任務。為了兼顧氣動性能和結構強度的要求，隱身飛機的機頭部分基本上都被修成了帶有棱邊的不規則的橄欖體。圖5表明，修形后可以使機頭部分主要方向上的RCS值比常規機頭縮減3個數量級。二是翼面修形，在水平方向上，將飛機一側主機翼、水平尾翼、前緣邊條、活動舵面的線條全部設置成平行的，使其外形輪廓的方向盡可能一致；在垂直方向上，使兩個主要的散射源，主機翼和水平尾翼，安排在同一個水平面內，即高度一致，甚至水平尾翼插入主機翼的后緣，形成“干涉”的布局形態，主機翼在飛機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度，如圖6所示。三是進氣道和尾噴口的修形。修形后的進氣道唇口和尾噴口外形也與翼面的方向盡量一致，或采用專門的隱身化處理，比如把進氣道和尾噴口都置于飛翼布局的背部，使地面防空雷達不能照射到這些外形特征。當然了，這樣的隱身化處理，必然要損失發動機的推力性能，進而損失了飛行性能。四是飛機外部細節的修形，比如把飛機外部的艙門、口蓋設計成鋸齒形，把沖壓引氣口全部置于機身內部等等，如圖6所示。修形以后，飛機的RCS值會在少數很窄的方位內出現峰值，但峰值之間的RCS值非常小，與背景噪聲難以區別，從而使雷達接收不到連續的信號，無法捕獲和穩定跟蹤目標，從而大大降低了被雷達發現的概率。

4結束語

隱身技術的發展是作戰需求、理論、技術發展的綜合產物。氣動性能對飛機外形設計提出的要求，與降低RCS提高隱身能力對飛機外形設計的要求，一般來說是不一致的、相互矛盾的。因此必須從飛行器概念設計就開始開展隱身與氣動的一體化設計，妥善處理兩者相互矛盾的要求，進行折衷，以最終獲得既有低RCS值又有良好飛行性能的飛機外形。縱觀國內外的現狀可以發現，新型戰斗機已經成功地將隱身外形設計技術、低超音速波阻技術、大迎角氣動技術和非定常前體渦控制技術等融合在一起，在隱身性能和氣動性能之間取得了很好的折衷，二者的結合日趨完美。

參考文獻

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