我的回答可能偏了,樓主原諒下,b2從來沒有被提用來做制空戰機,但b21和b1b有這種概念。

其中,B21曾經被提出來用作穿透型制空戰機,畢竟這種全向多波段寬頻隱身的機型,而且探測能力和電子戰能力強大,還是可能具備空戰能力的。

B2沒有此類踢法

我引用一下關於PCA穿透性制空戰機的一些資料:

美國空軍稱正在考慮基於B-21隱身轟炸機的大型突防型制空飛機

[據美國《空軍雜誌》網站2016年7月12日報道]2016年7月11日,在英國範堡羅航展上,美國空軍空中作戰司令部司令官霍克卡萊爾上將(Gen. Hawk Carlisle)在對《空軍雜誌》談及有關美國空軍的「空中優勢2030」計劃時表示,空軍「正在尋求」運用B-21隱身轟炸機作為導彈射手,對由F-22和F-35隱身戰鬥機指示的目標齊射空空導彈。

卡萊爾說,按照「空中優勢2030」計劃,「我們必須建造另外一種平臺」來增強F-22和F-35,但這不一定是第六代戰鬥機,這種新的「穿透型制空」(Penetrating Counter-Air,PCA)平臺將必須有「大的航程和有效載重」。卡萊爾指出,PCA將是「各種類型的」,具有隱身、融合和「一體化航電」的飛機,而「B-21可能是其中非常好的一部分,這是我們的各種發展規劃之一」。為了將現在這種概念與一種單純的新型戰鬥機之間撇清關係,美國空軍已放棄了將其稱之為「F-X」或不太合適的「下一代空中主宰系統」(NGADS)。卡萊爾表示,(新的)PCA(平臺)「能夠飛入戰區,能夠從戰區前沿的傢伙獲得指引。我相信……它將是一種新平臺,具有大的航程和有效載重,具有快速和增量式增加新技術的能力」,並配裝來自「自適應發動機轉化項目」(AETP)專項計劃的高效發動機。此外,美國空軍還將尋求為老式轟炸機增加防區外導彈射手功能。(中航工業經濟技術研究院 張洋)

關於穿透性制空戰機的相關信息:

2016年美國空軍提出下一代空中優勢戰鬥機的概念以後,美方釋放的相關消息非常有限。最近美國媒體透露了「穿透性制空」(Penetrating Counter Air)的一個重要指標,那就是價格!據稱,未來戰鬥機的採購成本可能是F-35的3倍,單價達到3億美元。

美國PCA戰機概念圖,空軍研究實驗室發布。

《防務新聞》網站的報道稱,國會預算辦公室一項新的研究認為,以2018年幣值計算,被美國空軍稱為「穿透性制空」(PCA)的空軍的下一代空中優勢戰鬥機單機成本約為3億美元。報道稱,PCA的這個價格將是普通F-35A戰鬥機的平均3倍以上。綜合初期生產批次和隨生產效率增加成本降低後的因素,F-35A的平均價格為9400萬美元。報道稱,這筆款項雖然不是五角大樓的官方成本估算,但卻是政府部門第一次評估PCA的潛在價格。

國會預算辦公室估計,空軍將需要414架PCA飛機來取代現有的F-15C/D和F-22,這些是空軍目前面向空對空作戰的戰鬥機。報告還認為,第一架飛機最早將在2030年服役,如果空軍的願望迫切的話。

PCA局部圖,該機採用無尾升力體佈局。

報道稱,價格高昂的部分原因為新技術的使用。「與今天的F-22相比,PCA可能具有更大的航程和更多的有效載荷,以及更好的隱身和感測器能力;這些特徵將有助於它在中國、俄羅斯和其他潛在對手未來可能擁有的高端防空系統威脅下行動。」另一個原因歸結為歷史。報道稱,在以領導層最初設想的低成本生產隱形飛機方面,空軍沒有良好的記錄。B-2和F-22的後續生產計劃都被取消,部分原因是每架飛機的價格很高——這反過來又導致生產成本高昂。F-35計劃的早期階段也因一系列成本超支而受到影響,最終促使五角大樓對其進行調整組。報告指出,PCA飛機的成本控制可能同樣困難。

儘管美國空軍研究實驗室之前公佈了PCA的概念圖,但是對於PCA戰機到底是什麼樣,美軍並沒有給出一個明確的答案。《防務新聞》稱,自2016年「空中優勢2030」飛行計劃發布以來,空軍幾乎沒有再談到PCA,該計劃表明需要一種新型戰鬥機,該戰鬥機將與其他空中、太空、網路和電子戰技術的「系統家族」一起聯網使用。今年早些時候空軍參謀長甚至表示,替代品可能不是一個單一的平臺,「它可能是兩種或三種不同的功能和系統。」

有報道指出,PCA將擁有轟炸機的部分設計元素,比如說遠航程

報道稱,雖然美國空軍領導層不願確切地說出它正在開發PAC,或者新型飛機何時出現,但它顯然正在進行投資。在2019財政年度預算中,空軍要求5.04億美元用於「下一代空中主宰」,即其未來戰鬥機技術和武器組合。空軍預計在2020財年將資金增加到14億美元, 2022財年的高峯時預計支出為31億美元。

《防務新聞》早先的報道稱,參與此項任務的一位官員表示,PCA是一種「可生存的飛機」,可能具有類似於轟炸機的設計元素,以使其具有更遠的航程,需要在動力和自主化等領域的突破性技術,強調大航程以及寬頻隱身。

其核心特點在於:

一。隱形能力和超音速巡航的能力會大幅度超過五代戰鬥機,強調全向全波段隱身能力;

二。配備主動式防禦系統。隨著軍事科技的快速發展,打擊與防禦也成了戰鬥機設計時必須要考慮的重要參數。未來在研究PCA的戰鬥機的時候,美軍一定會把主動式防禦系統考慮進去,比如將小型激光或投射攔截彈裝在在PCA上,以應對來自其它國家戰鬥機的攻擊。

三。雷達將採用有源相控陣列雷達或更先進技術。有源相控陣列雷達的每一根天線上面都配備有發射以及接收組件,這些組件都可以獨自產生、接收電磁波,無論是在頻寬、信號處理以及冗度上都是無源相控陣雷達所不及的。作為一種趨勢,有源相控陣列雷達必將取代無源相控陣雷達。

四。人工智慧技術的大量使用。在未來生產PCA戰鬥機的時候,一定會出現大量高新技術,以整合電腦、衛星和僚機,提高空地協同結合作戰的能力和效率。

五。 PCA戰鬥機將具有控制、指揮多架無人機的空中協同作戰的能力。包括有人+無人的技術。

從美國空軍研究實驗室公佈的概念圖來看,其氣動佈局與歐洲今年提出的兩個第六代戰機概念非常相似.PCA採用無尾升力體佈局,以大幅降低超音速飛行阻力,提高超音速巡航性能和超音速機動性,同時兼顧亞音速的機動性能。但如果不強調超音速巡航能力的話,最合適的機型反而就是B21。大航程+全向全波段隱身能力+強大的電子戰能力+強大的態勢感知能力+有人/無人作戰模式,這個都是目前B21所展示出來的特徵,在這方面,B21對任何設想中的構型都具備壓倒性的優勢。

美國海軍也提出了六代機概念,但是美國海空軍不太可能裝備通用型六代機。

有意思的是,美國海軍近年來也提出了F/A-XX的第六代戰鬥機概念。這兩種系統可能將共享一些技術,包括定向能量或人工智慧等。但美國海空軍不會像發展F-35那樣共用一種通用型戰鬥機。一名空軍高級將領表示,與F-35不同,五角大樓的第六代戰鬥機很可能不會在美國空軍和美國海軍之間通用。另外,如果目標是擁有真正、獨特的先進技術的飛機,那麼美國可能不太願意與盟國合作。因為參與的國家越多,潛在的泄密風險就越大。美國擔心中俄等對手從美國的盟國那裡竊取技術資料

補充資料:從4S到4H,六代機的標準已經呼之欲出

世界範圍內五代戰鬥機之間的競爭正在如果如荼的進行,而六代機的研製也已經拉開了帷幕。近年來,美國多家軍工巨頭相繼提出了六代機的方案,中國、俄羅斯,歐洲也在積極跟進。那麼,未來六代機的標準是什麼?

其實,從目前美俄等國提出的六代機方案來看,六代機的標準已經呼之欲出了。如果是五代機的公認標準是4S,(即超機動(Super Maneuver)、超音速巡航( Super Cruise)、 隱身(Stealth)、綜合航電/信息感知能力(Superior Avionics)),未來為六代機的標準將會是4H,H代表HYPER意思是更高,也就是在五代機4S基礎上全面的加強版。

第一是HYPERCruise,即更高的超音速巡航。目前五代機的超音速巡航,以F-22目前可以以1.5馬赫速度進行巡航飛行,但這也只是入門級的超音速巡航能力,而下一代的飛機至少能夠以2.5馬赫以上的速度進行超音速巡航。六代機要想實現更高速的超音速巡航,必須要在兩個方面下功夫:

首先,更強勁的發動機,下一代戰鬥機的發動機必須要做到重量輕、推力大、工作範圍寬廣、進氣道適配性好、耗油低、可靠性高。單就美國目前發動機的發展現狀來看,推重比12~15的發動機已經研製多年,接近成熟,發動機推力也可以超過200千牛,達到比F-22更高的巡航速度是完全可以的。美國目前還正在研製自適應變循環發動機,這種發動機會根據當前狀態動態的改變涵道比來獲得最佳性能和油耗比。除了更大的推重比之外,還可以大大降低油耗比。使得飛機不需要經過任何改動,航程就可以增加15-25%。

圖註:波音公佈的採用無尾佈局的海軍第六代戰機方案

其次,在飛機的氣動外形上進一步優化減阻,無尾飛翼式佈局將會成為六代機的標誌之一,這種氣動效率和隱身效率無疑都是最高的。首先,這種佈局去掉了尾翼,沒有任何「廢」的,會帶來阻力的操縱面,整個飛機就只是一個翼面,所以它的阻力最小。同時無尾飛翼佈局去掉了尾翼和一系列作動機構,死重也能大大減輕,這種在採用同等推力發動機的情況下,它推重比更大,更加容易達到高速。

圖註:大離軸角空空導彈將使未來空戰中,高速優勢更加明顯

第二是HYPERstealth,更強的隱身能力,可以稱之為就是超級隱身。目前F-22的雷達發射截面積大約是0.01平方米,那麼第六代戰鬥機採用無尾飛翼式佈局,外形隱身將會更進一步增強,再加上現在的雷達吸波塗料技術、超材料的技術的發展,未來有可能達到0.001平方米級別,到這樣的程度,雷達信號已經完全湮沒在雜波里,理論上現有的雷達就根本發現不了。

第三是HYPERManeuver,即更強的超級機動。機動性包括兩方面的內容,一類是速度的機動性,令一個就是改變指向、航跡的能力;在速度機動性能上,主要依靠減小飛行阻力,提高發動機推力來實現,而在改變指向能力方面,則通過增強飛控系統能力,比如使用飛火推一體技術、引進高精度智能感測器等來實現。採用無尾飛翼式佈局再加上大推力發動機和推力矢量技術之後,第六代戰鬥機無論是大迎角機動性還是超音速機動性,都會將會有全面性的提升,完全凌駕於現有五代機之上。

圖註:諾格公司在2015年11年公佈的最新版美海軍NGAD概念方案

最後就是HYPER Avionics,即更高級的綜合航電和戰場感知能力,或者就是現在非常強調的信息化,信息化具體來講就是數據鏈,就是地面的和空中的,空中的和天上的衛星之間,然後包括不同的平臺之間的,無論是有人還是無人、各種信息,美國的F-22已經做到相當程度的多感測器融合了,就是不是完全依靠本機的雷達和感測器,還可以依賴外圍的各種渠道的信息,納入本機中,這個就是信息的融合。第六代戰鬥機將在信息化程度上超越F-22一代。

圖註:F-35是一個非常典型的自身多感測器信息融合的典範,未來六代機將具備更強的戰場態勢感知能力

從4S到4H,六代機的標準已經呼之欲出,總之,未來六代機將會是五代機的全面升級版,在各種能力上都能夠實現全面超越。

補充材料:

瑞典將加入英國第六代戰鬥機計劃

中國國防科技信息中心

07-09 15:44

據美國防務新聞網站2019年7月7日報道,瑞典將成為首個加入英國「暴風雨」第六代戰鬥機計劃的國際合作夥伴。英瑞雙方預計將於7月19日在英國皇家國際航空表演(RIAT)活動上宣佈該合作消息。

去年,英國在範堡羅航展上啟動了「暴風雨」第六代戰鬥機計劃。該項目是新的作戰空中戰略的主要吸引力,這種戰略緊密結合在一起,主要是為了使英國國防航空航天工業在發展噴氣式戰鬥機方面保持其技術優勢。

英國政府承諾投入20億英鎊(約25億美元),用於資助「暴風雨」第六代戰鬥機計劃的早期階段。該計劃由BAE系統公司、羅爾斯·羅伊斯公司、歐洲導彈集團以及萊昂納多英國分公司主導。

根據該計劃,「暴風雨」戰鬥機必須能夠在最具挑戰性的作戰環境中生存,這意味著有效載荷範圍、速度和機動性將是關鍵要素。戰鬥機將配備包括射頻、有源和無源光電感測器以及用於探測和攔截威脅的先進電子支援在內的一系列感測器。此外,該戰鬥機很可能使用包括激光定向能在內的非動能武器,並通過部署靈活有效的載荷艙、管理空中發射的「蜂羣」無人機等,使其能夠應對反介入與區域拒止環境的威脅。

(中國電科發展戰略研究中心 劉凌旗)

補充材料:

通過第六代戰機的變循環發動機也可以對六代機的超音速巡航能力略窺一二,所謂的超音速巡航能力仍然只是目前f22的速度水平,會比f22超音速巡航速度略高,但應該不會超過1.8馬赫,提升最大的部分在於超音速巡航時間,可能大大超過目前f22的30分鐘超音速巡航時間。這個提升一部分來自變循環發動機的助力,另一部分則來自於無尾佈局以及更適合超音速飛行的氣動構型。

題外話,六代機似乎是諾格的未來了,畢竟在飛翼以及類似於飛翼的構型方面,諾格的功力更深厚一些。但諾格在戰鬥機方面的實力,能保留多少還是個疑問。不排除諾格和波音聯合來對抗洛馬。

補充資料:

原標題:自適應循環技術與下一代戰鬥機發動機

作者:晨楓

現代戰鬥機通常採用渦扇發動機作為動力。渦扇發動機在渦噴發動機的基礎上增加了風扇,風扇壓縮空氣後,一部分通過核心發動機,和燃料混合燃燒後,形成高溫高壓燃氣,向後噴射而形成推力;另一部分繞過核心發動機,直接和核心發動機噴出的高溫高壓噴氣混合,形成合成的推力。旁通空氣的流道稱為外涵道,通過核心發動機的流道就稱為內涵道,外涵道和內涵道的空氣流量之比稱為涵道比,也稱流量比或者旁通比。渦槳相當於涵道比無窮大的渦扇。

典型的渦扇結構

發動機大戰

與渦噴相比,渦扇的推力大,省油,但迎風阻力大,噴氣速度低,不利於高速飛行。所以戰鬥機渦扇發動機通常都採用低涵道比,在省油、大推力和迎風阻力、噴氣速度之間折中。1968年開始研製的普拉特·惠特尼F100是第一代成功的低涵道比渦扇發動機,採用了單元體、單晶葉片等先進技術,1969年7月驗證機首次運轉,1970年4月獲得美國空軍的選用,1972年7月24日,裝用F100發動機的F-15首飛,1976年1月開始作戰使用。由於冷戰軍備競賽的壓力,F-15戰鬥機需要搶先投入使用,扭轉蘇聯米格-23等新一代戰鬥機投入使用後對中歐美國空軍造成的壓力,F100沒有經過適當的成熟化就投入使用,早期F100的可靠性十分糟糕,為此導致F-15大面積停飛,嚴重影響了戰鬥力。與此同時,單發的F-16也選用F100發動機,使美國空軍對發動機可靠性問題更加憂心,而普拉特·惠特尼處於事實壟斷的地位,成為美國空軍高低兩端第三代戰鬥機發動機的唯一供應來源。美國空軍要求改善F100的可靠性和增加推力,但在軍方撥款不到位的情況下,普拉特·惠特尼百般推託。1979年,美國國會在密集聽證之後,決定撥款啟動第二發動機供應來源,指令通用電氣研製同一等級的發動機,這就是在B-1轟炸機的F101渦扇的核心發動機基礎上研製的F110渦扇發動機。

通用電氣在和普拉特·惠特尼競爭F-15的發動機時落選,但研製的F101渦扇發動機成為一代經典,其核心發動機不僅成為F110的基礎,也成為民航世界中高度成功的CFM56的基礎。在美國的兩大發動機公司之間,普拉特·惠特尼比較善於短平快,用較低風險搶先推出適用的高性能發動機;而通用電氣走豪華路線,追求技術完美和超前,技術風險較大,也經常後發一步,但這後發的一步引發了所謂「發動機大戰」。

在1985到1990財年之間,美國空軍在通用電氣F110和普拉特·惠特尼F100之間競爭招標。F-15從F-15E開始,可以和F100或者F110相容,但美國空軍所有的F-15統統使用F100,只有韓國和新加坡的F-15E改型使用F110。F-16從Block 30開始,可以和F100或者F110相容,發動機大戰主要圍繞F-16的發動機進行。1985財年,美國空軍訂購了160臺發動機,其中F110為120臺,F100為40臺,通用電氣佔75%;1986財年,F110為184臺,F100為159臺,通用電氣佔54%;1987財年,F110為205臺,F100為160臺,通用電氣佔56%。普拉特·惠特尼從事實壟斷一變為屢居下風,直到1988財年之後才扭轉,F110為147臺,F100為181臺,普拉特·惠特尼佔55%;1989財年,F110為100臺,F100為159臺,普拉特·惠特尼佔61%;1990財年是發動機大戰的最後一年,F110為39臺,F100為70臺,普拉特·惠特尼再佔上風,為64%。6年中,通用電氣奪取51%的訂單,普拉特·惠特尼49%。美國總審計署估計,競爭節約了30%的累計採購費用,並節約了16%的累計運行和支援費用。全壽命成本則降低21%。

GE F110發動機剖視圖

變循環先驅YF120

在ATF時代,洛克希德YF-22和諾斯羅普YF-23競爭,普拉特·惠特尼YF119也和通用電氣YF120競爭,競爭結果是洛克希德YF-22和普拉特·惠特尼YF119獲勝,成為F-22戰鬥機和F119發動機。說起來,一貫追求技術先進的美國空軍在ATF競標中選擇了技術風險較低的YF-22和YF119,而不是技術上更加超前的YF-23和YF120,這反映了美國空軍對冷戰後期軍備競賽的急切感和過去技術冒進的心有餘悸。

普拉特·惠特尼F119儘管採用了大量最先進技術,但還是常規的低涵道比渦扇發動機,以降低迎風阻力和提高高速推力,實際上使得高亞音速巡航不具有多少油耗上的優越性。F-22的加萊特進氣口也是為超音速巡航而優化的。通用電氣YF120是更加先進的變循環發動機,可以在渦噴狀態和渦扇狀態之間平滑過渡,兼顧亞音速時渦扇的省油特性和超音速時渦噴的高速特性,這就是所謂變循環,YF120正是第一臺實現了這樣理想的戰鬥機發動機。

YF120採用活門控制,可以打開外涵道,實現渦扇功能;或者關閉外涵道,實現渦噴功能。有意思的是,YF120有兩組活門,一組把風扇的排氣分流一部分到外涵道,另一組把高壓壓氣機的排氣分流一部分到外涵道。這是一個很巧妙的設計。涵道比等於外涵道與內涵道的推力之比,常規渦扇要增大外涵道出力的話,只有採用儘可能大的外涵道。這不光使得迎風面積增大,還使得驅動風扇的低壓渦輪承受極大的載荷。如果像民用高涵道比渦扇那樣對低壓渦輪妥善設計,這本沒有問題,問題出在變循環發動機的低壓渦輪需要在渦扇狀態把噴流的動能大量轉換成驅動風扇的機械能,而在渦噴狀態盡量少喫掉噴流動能,只轉換足夠驅動風扇和低壓壓氣機的機械能。這樣截然不同的工作狀態使得低壓渦輪的設計十分糾結,需要採用複雜的變距低壓渦輪葉片來適應高度變化的負荷情況。但高壓渦輪分擔一部分轉化為機械能的任務的話,可以為低壓渦輪卸載,有利於簡化設計。另外,高壓壓氣機引出氣流增加外涵道壓力,可以等效為增加外涵道面積,提高涵道比。當然,代價不僅是結構複雜,而且高壓壓氣機的效率受到損失。好在YF120即使在渦扇狀態也依然只是低涵道比渦扇,綜合權衡下來,得大於失。

不過YF120在渦噴狀態時,高壓壓氣機後的引氣活門關閉,但風扇後引出的可調外涵道並不完全關閉,而是維持一股很小的氣流。這是十足通用電氣特色的「漏氣渦噴」。這時外涵道氣流不產生實質性的推力,只是用於冷卻核心發動機的機匣。通用電氣YJ101就是這樣一種「漏氣渦噴」,由YJ101發展而來的F404也保持了這個特色。

通用電氣YF120的具體技術指標一直沒有公佈過,但一般認為推力、油耗等關鍵性能優於普拉特·惠特尼YF119,但技術上過於超前,風險較大。據試飛員說,在空中加油試驗中,YF120的最低推力還是偏大,只能關掉一臺發動機,使用單臺發動機維持飛行,這說明YF120的成熟性和好用性還有一定的距離。為了控制ATF的風險,美國空軍沒有選用YF120是正確的,但變循環對未來戰鬥機發動機的作用是顯而易見的。新一代發動機研究已經超過了變循環,而是進入自適應的層次。也就是說,除了渦噴、渦扇工作循環可變外,還能進一步自動對工作環境進行適應。美國空軍研究實驗室(簡稱AFRL)與工業界合作,通過自適應循環發動機(簡稱ACE)、自適應靈活發動機技術(簡稱ADVENT)、自適應發動機技術研發(AETD)等研究計劃逐步推動自適應發動機的研發,使之成熟化。現在正在進入自適應發動機技術轉移計劃(簡稱AETP),將累積成果固化成F135一級的發動機。

F119發動機的剖視圖

F119在結構上要簡單很多

YF120設計先進但結構複雜,圖中可看到發動機在亞音速模式和超音速模式中的不同工作狀態

YF120是第一臺變循環的戰鬥機發動機

YF120有兩組旁路活門

第三涵道的意義

YF120採用變循環,ACE、ADVENT、AETD以來的自適應發動機也採用了類似的變循環結構,但這只是下一代戰鬥機發動機核心技術的一部分,另外兩部分是三涵道結構和先進的陶瓷基複合材料。

三涵道是自適應的關鍵。在三涵道結構中,內涵道和外涵道對應於傳統的渦扇發動機或者YF120那樣的變循環渦扇-渦噴發動機。對於常規渦扇的情況,內外涵道的涵道比是固定的,對於變循環情況,外涵道的旁通流量由活門控制,涵道比可變。但外涵道之外的第三涵道則是獨特的,常規渦扇發動機沒有相應的結構。

與渦扇或者變循環的外涵道不同,第三涵道並不直接提供推力,但整個推進系統的推力不光來自發動機,還來自進氣道。在低速飛行時,發動機進氣加壓基本上完全由風扇和壓氣機提供;但在高速飛行時,空氣動壓本身就提供了相當大的壓縮,風扇與壓氣機所需出力大大減小。在超音速飛行時,進氣道還要提供足夠的減速,使得超音速氣流減速到亞音速(典型為M0.5-0.6)氣流,因為風扇和壓氣機只能在亞音速條件下工作,燃燒室也只能在亞音速條件下工作,高溫高壓燃氣是靠收斂-擴散噴管加速到超音速的。另外,進氣道喉道處如果氣流速度正好在音速的話,形成的激波像石牆一樣,要造成進氣梗塞,必須通過背壓控制進氣道內的激波位置,避免出現這個問題。由於這些高度不同的工作條件,進氣道設計成為超音速飛行的一個難題,通常使用可調進氣道來解決超音速進氣時激波波系控制問題,還要有輔助進氣、放氣活門來解決低速時的額外進氣和高速時泄放過度進氣的問題。

輔助進氣、放氣活門的設計不是太大的難點,除了本身的阻力、重量外,還在結構上要留出輔助流道的空間,這是額外的重量和無效空間。更大的問題在於可調進氣道。可調進氣道有很多種類,常見的採用矩形或者帶圓錐的環形(兩側進氣時則為帶半錐的半環形)進氣口,前者的典型代表有F-15和蘇-27,後者的典型代表有米格-21和F-104。但可調進氣道重量大,結構複雜,而且不利於隱身。F-22採用斜切菱形但是固定的加萊特進氣口,F-35採用複雜曲面但同樣固定的蚌殼形進氣口,兩者都只能針對設計巡航速度優化,在其他速度下進氣損失難以避免。固定式皮託管進氣口更是把F-16的最大速度限制在M2.0。米格-21和F-104用低得多的推重比實現了和F-15、F-22相當的最大速度,而高於F-16,部分原因就在於為最大速度而優化的進氣道。換句話說,進氣道減阻可以等效為推進系統增推。

可大幅度調節流量的第三涵道可以用固定進氣口實現可調進氣道的功能,同時解決了輔助進氣、放氣活門的問題,避免了結構重量和隱身方面的問題。第三涵道的氣流不進入核心發動機,不影響發動機的正常工作。但通過增加和降低背壓,可以控制進氣道內激波位置,實現可調進氣道的功能。增加和減少第三涵道的旁通流量更是直接取代了輔助進氣、放氣活門的作用。第三涵道還可以解決進氣口邊界層分離的問題。邊界層是空氣粘性吸附在進氣口前方機體壁面造成的進氣速度分佈不均勻的現象,傳統上用分離板將進氣迎面「剖開」,獃滯的邊界層從特定的泄流道流散回到環境大氣,「乾淨」的進氣進入進氣道。這不僅造成額外阻力,也對前向隱身不利。F-35進氣口的蚌殼狀鼓包把邊界層劈開,利用空氣動壓將其頂到進氣口脣口之外,取消了傳統的分離板,不僅改善了隱身,減輕了重量,降低了阻力,還與進氣道設計有機整合,在給定工況下提高了總壓恢復。但第三涵道通過抽吸拉動邊界層,或者說向獃滯的邊界層注入能量,在相當程度上可以解決邊界層分離問題,與蚌殼裝鼓包一體化設計的話,可以大大拓展總壓恢復的高效範圍,提高等效增推效果。

第三涵道還有熱量管理上的作用。第三涵道氣流加壓較小,溫度較低(在通用電氣ADVENT的試驗中,第三涵道氣溫比外涵道下降65攝氏度),而流量充足。第三涵道氣流可以直接用於冷卻,或者通過換熱器使壓氣機氣流降溫後用於冷卻。較低溫度的冷卻氣流對發動機熱端部件氣冷降溫有利,可以容許熱端部件工作溫度提高,提高熱工效率,或者用較小的冷卻氣流流量達到同樣的降溫效果,減輕熱端部件。另外,隱身飛機不容許機體上任意開口,造成系統散熱的極大困擾,現有的用燃油作為冷源的做法限制了最低燃油容量(對於F-35來說這是20%的機內燃油容量),否則可能造成系統過熱當機。第三涵道氣流是理想的冷源,而且不幹擾核心發動機的工作,適合於提供充足的冷卻容量。

ACE 方案。圖中左上方第一方塊中的文字是:Fan-on-blade fan in outer bypass duct(外涵道葉片上風扇);上方中間方塊中的文字是:Variable stators modulare outer bypass flow(外涵道可變距葉片模塊);上方右側方塊中的文字是:Outer bypass flow passes through struts to central nozzle(外涵道氣流通過支撐柱進入中心噴口);下方左側文字:Bypass duct with shut-off valve(中涵道活門處於關閉狀態);下方中間文字:Core-driven fan stage in inner bypass duct(處於內涵道的高壓轉子風扇);下方右側文字:Variable area bypass injector (VABI)(可變截面旁路引射器 VABI)

AFRL展出的ADVENT模型,可以看到三涵道設計以及值得回味的尾噴管

自適應發動機核心技術

作為自適應發動機核心技術之一的第三涵道當然不是在常規渦扇外面再包絡一層涵道那麼簡單。第三涵道的第一個關鍵技術在於可調流量,而可調流量的工程實現又有兩個次級問題:1、流量調節,2、空氣壓縮。第三涵道是在常規渦扇外涵道之外的又一層環形截面的流道,通過可調導流片,流量調節不是太難做到,但空氣壓縮就不那麼簡單了。在環道里單獨設置環形葉輪的話,動力傳輸是一個很大的難題,畢竟渦輪發動機的主要動力來自於中央的轉軸。電力驅動只是理論上的可能性,實際上由於重量、效率等問題都不現實。在不根本改變渦輪發動機基本結構的情況下,只有用所謂FLADE的結構實現,這是fan-on-blade或者fan-blade-on-fan-blade的縮寫,意為葉尖風扇葉片。實際上,這是在常規風扇葉片尖端再增加一截風扇葉片。

渦扇發動機的風扇葉片實際上很複雜。對應於內涵道的部分,葉片形狀(弦長、彎度、截面形狀等)的設計考慮主要是為壓氣機提供預壓縮;對應於外涵道的部分,主要設計考慮則為最有效地提供外涵道流量。因此,風扇葉片的內段和外段的形狀可以不同,這就是所謂的扇葉(fan blade)。有了第三涵道,已經複雜的扇葉需要有對應於第三涵道的第三段,三段的設計考慮各不相同,但在同一根葉片結構上,這就是FLADE。

有意思的是,自適應發動機採用兩級風扇,FLADE在第二級。這是有道理的。從正面看,第一級風扇盤面是一個完整的圓盤,覆蓋外涵道和內涵道;FLADE級盤面則被第三涵道的內壁分割成與第一級風扇相同的圓盤和在第三涵道里的外圈環面。從側面看,第一級風扇在發動機最前端入口處,FLADE級(第二級)在後,但「刺穿」第三涵道的內壁,探入第三涵道,好像在閣樓上探出來的梯子一樣。在第三涵道內FLADE葉片的前後,各有一圈可調導流片,這當然是用於調節第三涵道旁通空氣流量的。從道理上說,只要有一圈可調導流片就可以調節流量,問題出在FLADE葉片轉速不是獨立可調的,葉片弦長和彎度也是固定的。在可調導流片偏轉節流時,要麼過高背壓造成FLADE葉片應力過大,要麼過低進氣壓力造成喘振。只有在前後協調調節,才能保證FLADE葉片正常載入和卸載。

第三涵道的第二個關鍵技術在於空氣泄放。第三涵道的主要作用不是直接產生推力,所以壓力較低,排氣不宜直接與內外涵道的高壓噴氣混合排出。另外,傳統收斂-擴散噴管採用可以收縮或張開的外壁,形成尾噴管喉道。這依然是空心的管子,從後方可以看到渦輪結構,不利於雷達隱身。自適應發動機的尾噴口內有一個桃核形狀的中心錐,錐體的前後移動與固定的圓錐管壁配合,可以改變尾噴管喉道的截面積,達到收斂-擴散噴口的作用。另一方面,中心錐遮擋了渦輪結構,改善隱身。中心錐也是第三涵道空氣的出口。第三涵道的空氣通過發動機後端空心片狀支撐結構流入中心錐,在噴流引射的作用下從中心錐體表面眾多細小噴口排出。中心錐使得發動機的主噴氣流呈環狀,強化與環境冷空氣的混合,較冷的第三涵道空氣從環形噴氣束的內部也參與混合,進一步迅速降低噴氣溫度,改善紅外隱身。

除了第三涵道,先進的陶瓷基複合材料也是自適應發動機的亮點。發動機熱端部件的工作條件極其嚴苛,傳統上使用高溫合金。但現代發動機的工作溫度越來越高,早已超過現有高溫合金的熔點,靠冷卻技術也難以進一步提高發動機的工作溫度。陶瓷的耐高溫能力超過高溫合金,但陶瓷的脆性和容易在劇烈溫度變化條件下碎裂的問題長期成為陶瓷的工程應用的攔路虎。陶瓷基複合材料把陶瓷纖維(也可以用碳纖維)和陶瓷基體整合成一體,保留了陶瓷耐高溫的特性,同時具有很高的機械強度和抗熱裂性,在尖端應用中逐漸嶄露頭角。ADVENT採用陶瓷基複合材料低壓渦輪和高壓渦輪前緣,AETD上陶瓷基複合材料的應用進一步擴大。據通用電氣聲稱,陶瓷基複合材料渦輪葉片甚至可以不需要冷卻,為大幅度提高發動機熱工性能提供了空間。陶瓷基複合材料葉片也比鎳基合金輕2/3。在ADVENT上,陶瓷基複合材料的高壓渦輪前緣達到1648攝氏度。

這張圖清楚顯示了自適應循環發動機的技術特點

GE專利中描述的第三外涵道與FLADE風扇

在整體葉盤外圈增加的FLADE風扇

GE製造的陶瓷基複合材料葉片

項目進展

2014年7月,通用電氣成功地進行了ADVENT發動機的臺架試驗,在以後的試驗中達到AFRL的所有設計要求。ADVENT的核心機在2013年就投運了,在試樣中達到壓縮機和渦輪溫度之和的歷史最高記錄。普拉特·惠特尼對三涵道不大起勁,認為在M2.6以下三涵道的意義不大,但在AFRL的堅持下,也開始三涵道設計,並用F135的核心機驅動全尺寸FLADE風扇進行試驗,但尚未完成ADVENT試驗。接下來的AETD是紙面設計,只要求入選方提供F135一級推力的自適應發動機的設計,但並不要求製造物理樣機。AETD的目標是節油25%,增加航程30%。還在負責國防研發和採購的國防部副部長期間,埃希頓?卡特就要求自適應發動機在2020年完成技術準備,成為達到生產標準的F-35備選發動機。F-35的生產計劃要持續到2035年,即使自適應發動機推遲幾年,還是有足夠的時間對現有的F135形成壓力。美國空軍每年使用超過24億加侖燃油,摺合為740萬噸JP5燃油。JP5的典型價格比汽車汽油高2-3倍,即使算入規模採購的折扣,這也是每年近200億美元的巨額開支,節油25%是很有吸引力的目標。

但自適應發動機的未來在於第五代戰鬥機(在美國稱為第六代)。美國已經展開第五代戰鬥機的預研,目前美國空軍的F-X和美國海軍的FA-XX分頭進行,以後有可能會在美國國會壓力下合併。第五代戰鬥機的戰術理念、性能指標、技術要求都沒有確定,但發動機研製必須先行。不管下一代戰鬥機是什麼樣的,發動機必須重量輕、推力大、工作範圍寬廣、進氣道適配性好、耗油低、可靠性高。在沒有更具體的技術要求的情況下,AETD和AETP以F135的尺寸和推力級為基準,但自適應發動機技術具有足夠的設計彈性,可以按需要縮小放大。

自適應發動機技術也可以使現有戰鬥機受益。變循環能力有利於彌補F-22的航程不足的短板,第三涵道也可以改善固定的加萊特進氣口的工作條件,但F-22的批量太小,大動干戈的發動機升級也可能與第五代戰鬥機的研發衝突。自適應發動機天生適合超巡,但超巡不是不開加力就能以略微超過音速的速度巡航,那與高亞音速巡航相比沒有實質性優勢,要能以軍推實現M1.5以上的超巡纔有意義。F-35的最大速度才M1.6,氣動外形決定了超巡潛力有限,所以自適應發動機的超巡能力對F-35意義不大。但F-35的系統散熱是一個大問題,自適應發動機的第三涵道是至關重要的。更高的熱工參數也有利於省油,進一步增加F-35的航程。

自適應發動機對超音速民航的東山再起也有關鍵作用。「協和」式退役之後,超音速民航淡出了。除了油耗問題,音爆是阻礙超音速民航的最大障礙,「協和」式在使用期間,被禁止在陸地上空超音速飛行。NASA的研究發現,200座以下、M1.4-1.8、採用一定的延遲和削弱音爆產生的技術,可以使音爆弱化到可以接受的程度,使得大陸上空的超音速民航飛行成為可能。加上自適應發動機的油耗優勢,超音速民航是可以東山再起的。

GE的ADVENT發動機試車臺

NASA一直在進行低音爆超音速客機的研究

補充資料:

所謂的雷達隱身是什麼?

雷達隱形的含義嚴格來說是雷達的低可探測性。在人類目前的科技水平下,雷達波是最常用也最可靠的遠距離探測手段,因此目前為止的隱形科技指的都是降低對雷達的可探測性。只要對雷達波的反射水平降低到了和周圍環境一個等級,就可以認為該裝備實現了對雷達的隱形。

不過對於飛機來說,這天空實在是空曠的有些過分,除非把自身反射水平降低到雲彩一個等級否則根本沒戲。因此隱形飛機的研製難度極高,目前世界上真正能稱為隱形飛機的屈指可數。隱形飛機的隱形手段主要靠以下兩個方式:

1.採用能吸收雷達波的材料。其實符合這個特點的材料早就大量被用於製造飛機了,有很多經典機型都採用這種材料製作,這種材料就是:木頭……要不是木頭的強度不足以製造高速戰機,隱形根本就不是個問題。現代戰機都使用金屬蒙皮,這東西在雷達波面前簡直就是明晃晃的鏡子,唯一的解決辦法就是像潛艇鋪消聲瓦一樣,在機身上刷一層特製的能吸收雷達波的材料。但塗料一是增加飛機重量降低飛行性能,二是會被磨損,時不時的就得重新塗上一道,因此隱形飛機的維護比普通飛機難上許多。

2.通過機身形狀的設計,使其在大部分的方向上降低反射率。流線型的機身雖然空氣阻力小,但是就像凸面鏡一樣,無論哪個方面照過來的雷達波都能很好地反射回去。將機體盡量做成平面的拼接,可以將大部分雷達波反射到其他方向,間接降低自身的反射率。典型例子就是F117,全身上下找不出一個曲面。同時,採用傾斜垂尾也符合隱形設計,B2更是直接取消了垂尾。

需要注意的是能反射雷達波的不光是金屬蒙皮,座艙和飛機排出的熱氣都是很好的反射源,因此隱形飛機的座艙玻璃也得是能阻斷雷達波的特殊玻璃纔行,而且隱形飛機也不再追求極限速度。SR71黑鳥雖然設計上符合隱形飛機的特徵,但高速飛行時的熱效應反而使它比一般飛機更加顯眼。

就目前的氣動佈局來說,最好的就是飛翼佈局,我的回復是越大隱身性能越好。戰機的瓜,難免有很多小的凸起凹陷,f22甚至隱身性能更好的yf23在機體處理方面還是比較理想的,但仍然只能做到在X/K/ku波段的隱身,而F35的氣動修行太多了,隱身的頻寬就更窄了,比如它的那個帶鋸齒邊緣的環形噴管和EOTS窗口即便處理過了,對RCS也還是會有一點影響,至少不如F-22乾淨的正面好。另外最明顯的就是噴口,雖然鋸齒狀的修形對X波段以下的火控雷達來說還是很理想的,但是波長比較長的預警雷達就要差一些。相比之下F-22噴口的完整平面就比較大

美國吹噓的e2d可以對付殲20,也就是e2d所用的AN/APY-9雷達工作在具有16個工作頻段的UHF波段,可以在使用長波段如米波時有效的對抗隱身飛機。UHF波段的雷達的工作頻率為300MHZ~1GHZ之間,其波長為10釐米到1米之間。這種波段的雷達在高頻工作,殲-20、FC31、T-50和F-22以及F-35都可以被探測到,也因此被宣傳為對抗隱身飛機的利器。

比如B-2 的平面圖輪廓由 12 根互相平行的直線組成,機翼前緣與機翼後緣和另一側的翼尖平行。它是利用連續曲面來實現雷達漫反射,將大部分雷達波反射到其他方向,降低自身的反射率,避免反射回方向。B2飛機的中間部位隆起以容納座艙、彈艙和電子設備。中央機身兩側的隆起是發動機艙,鋸齒狀進氣口布置在飛翼背部,每個發動機艙內安裝兩臺無加力渦扇發動機。翼尖並不是平行於氣流方向,而是進行了切尖以平行於另側機翼前緣,除了翼尖外,整個外翼段沒有錐度,都為等弦長機翼。機身尾部後緣為 W 形鋸齒狀,邊緣也與兩側機翼前緣平行。B-2 的機翼前緣後掠角 33 度,為高亞音速進行了優化,由於飛翼的機翼前緣在機身之前,為了使氣動中心靠近重心,也需要將機翼後掠。B-2 中央機身的深度需要足以容納座艙和彈艙,但長度卻要盡量縮短以避免在高亞音速時產生過多的阻力。中央機身外側機翼的弦長由發動機艙以及隱身進氣口和尾噴口來決定。

如此說,也就是b2的機頭和下機身的隱身效果最高,即使是米波雷達,探測距離也要被縮短到幾百公里,這個距離已經是進入B2的無源探測器(比如雷達告警器)的探測範圍了,B2正是利用這類設備和自己的隱身特性,掌握較大範圍的戰場態勢,進行實時航跡規劃和飛機姿態調整(確保最小rcs一面朝向最有威脅的雷達),或者同時實施電子幹擾與對抗,讓戰場保持對自己的單向透明。上述突防模式的前提就是中高空,否則雷達告警器再牛逼也是屁都探測不到。

補充資料:

雷達探測距離與RCS的關係

所謂的關係即為:雷達有效探測距離和RCS的四次方根呈正比關係。

例如,探測距離縮短一半,RCS就需要減少為原來的1/16

比如某型雷達對3平米RCS戰鬥機目標的探測距離是200公里

那麼對0.065平米RCS探測距離為76.7公里

四次方率是個理想公式,是僅有很低白雜訊幹擾情況下使用功率門限過濾時的探測距離。實際上在戰場ECM環境下四次方率用於描述對RCS&<0.1M^2的目標不是很合適,探測距離隨目標RCS減小而縮短的速度比理論上要快。

四次方關係是由基本雷達距離公式得出的,是雷達制定距離性能的重要參照之一。侷限性是僅考慮了雷達機內平均雜訊電平,實際使用中要加入具體的修正,以及虛警率等必須注意的問題。

專用的連續波發射器可以用到佔空比100%,因為發射器不考慮接收,不需要作1/2時間收,1/2時間發。機載雷達用的準連續波實際是高脈衝重複頻率波型,佔空比只能接近50%,如狂風ADV用的AI24,其遠距探測即使用高佔空比的準連續波。

E=[P*G*RCS*L*T]/(4*pi^3*R^4)]

E:接收能量

P:發射機功率

G:雷達天線增益

RCS:目標雷達截面積

L:信號波長

T:目標被照射時間

R:到目標的距離

相控陣指的是雷達的天線形式,以相位或頻率掃描的電掃描天線代替傳統的機械掃描天線。連續波、單脈衝等則代表雷達的工作體制,代表雷達以何種方式工作,和天線形式無直接聯繫。

佔空比一般由雷達類型決定,收發共用同一天線的脈衝雷達佔空比在50%以下,收、發天線分置的連續波雷達佔空比就是100%。戰鬥機雷達和大部分搜索雷達為收發共用的脈衝工作方式,不論採用機械掃描天線還是無、有源天線,佔空比均小於50%,大的接近50%,小的只有千分之幾。

美國F-22隱身戰鬥機進駐日本沖繩,隱身轟炸機B-2也可駐紮關島。對隱身飛機作戰問題的熱烈討論,帶熱了一個詞——飛機雷達截面積。

雷達截面積是一個人為的參數,牽涉因素很多,而且因為它關係到飛機作戰效能,因此所有國家都不會公開自己飛機的精確數值,或發表一些模糊的誤導宣傳值,所以人們從報刊或正式文獻上看到的數據差別很大。本文將粗略地談一談有關這個參數的問題。

雷達截面積(RCS)是什麼參數?

隱身飛機要盡量減少其向外輻射並能為外界感知的特徵信息,所以隱身技術應包括雷達隱身、光學隱身(可見光、激光和紅外線等)和聲學隱身等方面。最被重視的是雷達隱身,因為雷達是目前遠距離發現飛機的主要設備。雷達對不同飛機的發現距離不同,除雷達本身及環境因素外,與飛機關係很大。而飛機外形十分複雜,大小不一。為便於對比,所以建立了一個人為的參數,稱為「雷達截面積」(Radar Cross Section簡稱RCS),也可稱為雷達切面。本來測量或計算出的飛機對雷達波的反射強弱是用電磁學單位,即分貝平方米(dbsm)表示,有時只用分貝(db)表示。為了讓人更好理解,很多資料改用平方米表示。有人通俗解釋為,它表示飛機對雷達波的反射能力相當於多少平方米麪積的垂直金屬平板。這個解釋是否精確存在爭議。至於分貝平方米與平方米的關係,有一個通用的數學公式:分貝平方米=10×log平方米。

外界雷達可以從飛機四面八方照射,方位有360°,俯仰照射也是360°。不同角度照射時,飛機的RCS都不同。如果每1°測量一次,飛機的RCS就應該有360×360即129600個數值。但到目前為止,似乎還沒有人進行過這樣精密的測試或計算,一般只有平面的(俯仰照射角可限制在0~30°之內)數值。不同俯仰角照射數據更少,往往只限於飛機正上方或正下方。

平面的RCS值一般又分前方(或稱迎頭)、側方和後方(或稱後向)三大類。而前方的RCS可以是真正0°的數值或前方±30°、±45°的平均值。同一架飛機這三種演算法所得結果差別很大。一般資料往往不給出是什麼計算條件下的數值,但多指後兩種。側方和後方RCS值也是同樣情況。有些資料出於宣傳目的,只用某一方向1°的RCS值。從本文後面給出的實測數據就可以看出其中奧妙。

飛機RCS與雷達波長有一定關係。同一架飛機,對於波長較長的雷達,其RCS值就會稍大一些,但兩者並不一定是線性關係。例如某型飛機對X波段雷達(波長3.2釐米)水平極化,前方±45°平均RCS是0.4平方米,而對L波段雷達(波長23釐米),RCS增大到0.8平方米。

更為複雜的是,在試驗室內或室外,一部雷達對同一種飛機測量RCS值時重複性差,這表明RCS是一個隨機變數,需要測量很多次再用統計方式表達。當然,實際上測量次數也不可能太多,否則科研費承受不了。所以飛機的RCS值並非一個十分精確的參數,變化幅度有可能達到0.5甚至1平方米。而對於計算機模擬作戰來說,有雙方飛機的較全面的RCS數值是很必要的。

與RCS有關的主要因素

飛機的RCS值是由飛機上許多散射中心或稱局部散射源決定的。這些散射源分佈在飛機機體的各部分,是一個三維的分佈。如要減少RCS,必須將各散射源弄清楚,先著手改進最強的反射源。飛機主要散射源有五種。

鏡面反射——如機身側面、外掛架、垂直尾翼等產生的反射;

邊緣散射——飛機表面不連續處引起的散射,如機身機翼及尾翼的連接處以及翼面前後緣等;

尖頂散射——如機頭前端、空速管、副油箱前端等處引起的散射;

凹腔體散射——主要為座艙、進氣道、尾噴管等處產生的很強的散射;

蠕動波散射——入射波經過物體後部又傳播到前面來形成的散射,各種外掛物可能對一定波長的雷達產生這種散射。

此外還有飛機表面各種不連續處,例如飛機上各檢查口蓋邊緣。即使其表面對氣流來說是光滑過渡,但由於介質不同,導電性能不同或有縫隙,都會產生散射。

當然飛機的幾何尺寸大小是一個基本的決定因素,尺寸越大RCS也越大。如果飛機外露的物體尺寸與雷達波波長相近或者是雷達波長的倍數,都可能會形成一個強散射源。所以隱身飛機外面一般都沒有什麼外露物體,更沒有現役飛機那些貓耳朵式的小進氣口。

根據測試,現代新式戰鬥機各散射源對前方RCS的「貢獻」比例約為:各種平面10%~20%;進氣道15%~25%;翼面前緣35%~45%;座艙10%~25%。當然,這種影響大小與各部分的位置、尺寸、設計考慮以及是否採用隱身技術有關。一般來說,翼面前緣、進氣口(含進氣道)和座艙是需要特別關注的部位。

RCS的測試及表達方法

飛機RCS的測定可以用直接測量方法,也可以用理論計算方法。前者還可分為兩種:直接用飛機進行室外測量和電磁波暗室測量。關鍵在於是否有合適的測試設備和手段。

當然,也可用幾何外形相似的模型來進行測試,但最好是和飛機一樣大小的1:1比例模型,否則要考慮「比例效應」。例如擬測試10釐米波長雷達的飛機RCS,模型只有原飛機一半大小,則測試要用5釐米波長雷達。所以當模型太小時,例如1:10,如模擬3釐米波長雷達,試驗時要用0.3釐米波長雷達。這種雷達不好找,就不好進行測試。當然,實在沒有合適的雷達,將測試結果作理論修正也是可以的。

與此同時,模型表面反射雷達波的特性要與飛機相同或很相近。所以木製模型外表要貼金屬片。另外測試所用模型可分用和不用雷達吸波塗料兩種,這就可以知道用或不用塗料的效果。如果要模擬的飛機除使用吸波材料外還用雷達吸波結構(RAS),則模型的製造就更複雜了。例如B-2飛機的機翼前緣除表面有吸波材料外,內部為吸波鋸齒形結構。一般遇到這情況只好不模擬雷達吸波結構的作用,所得數值還要進行這方面的人工修正。

沒有條件測試RCS時,也可用計算方法求得。根據目標尺寸與雷達波長的關係,通常分為三個區:低頻區、諧振區和高頻區。目標在各區的雷達波反射特性不同。現代飛機受到的主要威脅是釐米波雷達,因此應關注飛機在高頻區的RCS數值。目標在高頻區的雷達散射特點是散射的獨立性和局部性,即可以忽略各部分散射的相互作用。這一特點為飛行器等複雜目標RCS的計算提供了方便,即可以先進行各部分單獨計算,再求其總值。目前,幾何光學法(GO)、物理光學法(PO)、幾何繞射理論(GTD)、物理繞射理論(PTD)和等效電磁流法(MEC)等高頻分析方法已發展得比較成熟。其中幾何光學法和物理光學法是最常用的方法,計算結果與實測結果相當一致。

美國在研製F-117前即已發展出一套計算方法,到設計B-2時更為完善。蘇聯也有自己的計演算法。近年俄羅斯研發出一種計算複雜形狀物體電磁波散射的數學工具。例如對具有全部外掛導彈武器的蘇-35,將其分解為局部的小型反射體,同時考慮電磁波的邊緣繞射和表面電流,即可求出蘇-35全機的RCS值。

測出飛機的RCS後表示方法有三種,即極坐標法、直角坐標法和表格法。如果把飛機作為一個點來考慮,它的RCS值只用前方、側方和後方各一個數字表達即可。但實際上該方式不夠全面。較科學的表示方法是用飛機作中心的極坐標圖。在俯仰角變化不大的條件下,不同照射方位角的RCS值可以清晰地表示出來。如果俯仰角改變不大,這種極坐標圖隨俯仰角改變而引起的變化很小。但很多時候,為簡便起見用普通直角坐標表示,橫坐標表示照射方位角,縱坐標表示RCS。此外也可以用表格的方法來表示。

實際上常見的資料只給一個數字,也不附加其它說明。一般理解,這是飛機前方RCS值。但到底是前方一定角度的平均值或某一點的特定值,就只好靠猜想了。

RCS值對作戰效能的影響

隱身機遂行對地攻擊任務效果很好,因為對方雷達發現距離大大縮短,往往可達到突襲的功效。但雷達發現飛機的距離與RCS的1/4次方成比例。即將飛機的RCS降低90%後,雷達對它的發現距離只降低44%。即使將RCS降低99%,例如RCS原為10平方米的飛機,通過隱身技術減少到0.1平方米,雷達發現距離也只減少68%,即原來發現距離是100千米,現在則是32千米。所以隱身技術只能減少飛機一半或3/4的被雷達發現距離,其作用也不宜估計過高。

不過在設計飛機時貫徹隱身概念,儘可能結合隱身要求來考慮則是可行和值得的。目前各國對現役飛機進行「準隱身」的改進很普遍,一般不需要改動飛機結構,主要是在座艙蓋、翼面前緣、進氣口、進氣道等處下功夫。

另一方面,現代防空系統中用光學、聲學探測目標的設備正在發展,雷達的組網和雙基雷達的使用已脫離理論階段,被動式雷達已在不少國家服役。所以為對抗隱身飛機,各國技術部門都在暗暗使勁。

在空戰方面,隱身性能只對超視距作戰起作用,雙方接近到目視距離就不靈了。所以隱身飛機RCS的降低必須達到一定值,使得對方飛機雷達的發現距離減少到飛行員對空中戰鬥機平均有效視距以內(10~15千米),這樣才能充分發揮隱身的威力。

在實際作戰中,隱身飛機也要考慮很多具體戰術問題。例如美國已決定將F-117全部退役,說明該機對波長較長的地面警戒雷達效果還不太好。飛機的RCS在垂直機翼前緣方向有一個強峯值,即約前方±60°處峯值RCS高達20dbsm(100平方米)。即使在峯值附近約±10°處,平均值也達到約0dbsm(1平方米)。因此它必須在出/返航過程中通過航線安排來避免將此峯值對準敵防空雷達。在對南斯拉夫作戰時,F-117是通過一種地面任務規劃系統來實現這一要求的,因此它的飛行路線比較呆板,並且要確保飛行環境周圍的雷達位置已知(在沒有電子幹擾機伴隨支援的情況下),而且還寄希望於對方雷達沒有新的變化。B-2則通過機載電子偵察系統和威脅規避系統實現這點。F-22和F-35都具有機載實時任務規劃能力。因此避開地面雷達的關鍵技術是機上具有能計算對方起威脅作用的雷達探測包絡的機載軟體,並能用其確定飛機的規避航線。這種軟體高度敏感,因為從中可分析出怎樣才能探測到隱身飛機。這是美國堅持不向外國提供飛機作戰軟體源代碼的重要原因之一。

體型越小雷達反射截面也越小" 的說法在網路上流傳甚廣,也是中五陣營支持其心儀型號的重要 "論據"。與許多迷思類似,該說法包含著部分事實,且與大眾的日常生活經驗契合,因此得到極為廣泛的接受,可謂流毒無窮。

現實世界遠沒有如此簡單。

以擁有完美導電錶面的球體為例,若其半徑 x 2 π 達到雷達波長的 10 倍以上,則回波遵循光學模式,信號強度/雷達反射截面與球體面積成正比 (上圖右)。如果只需考慮光學散射區,則確實表面積越小,雷達反射截面也越小,然而與波長遠小於肉眼最大分辨能力 (當然也就比日常被觀察物體的最小尺寸短得多) 的可見光不同,許多雷達的工作波長接近,甚至超過了被照射目標的典型線性尺度,回波模式相應移出了光學散射區而進入共振散射 (繼續以完美導電錶面球體為例,半徑 x 2 π 為雷達波長的 1-10 倍,見上圖中) 和瑞利散射 (半徑 x 2 π 為雷達波長的 0.1-1 倍,見上圖左) 區。進入共振散射區後,爬行/繞射波強度迅速增大,與直接反射回波相互疊加而導致信號強度 "波濤翻滾" (繞射波與直接回波的相位關係取決于波長與目標尺寸之比,相位相同時形成有利幹擾,信號強度增加,相位相反時出現有源對消,回波強度減低)。在共振散射與瑞利散射區交界處,反射信號強度達到頂峯,RCS 值可比球體實際截面積高出半個數量級。此後隨著波長相對目標尺寸繼續增加,回波強度迅速下降,最終絕大多數雷達波輻射能量將直接繞過目標,對其 "視而不見"。

雷達隱形主要依賴外形設計,而能夠通過外形設計精確控制回波方向,將主要威脅錐內的信號強度成數量級降低的,只有光學散射區。共振散射區內外形設計基本失效,瑞利散射區內外形設計完全失效。瞭解上述事實之後,便不難明白:

1. 為什麼現役/在研隱形戰鬥機均無法有效對抗 VHF (米波) 反隱形雷達

2. 為什麼隱形飛機中體型最大的 B-2A 整體雷達隱形性能最好

3. 為什麼短波 OTH-B 超視距雷達能擊敗 B-2A 的外形設計,有效探測遠至數千海里外的水面戰艦和轟炸機,卻難以發現未採取任何隱形措施的典型制導武器

4. 為什麼研製具備寬頻段雷達隱形性能的制導武器完全是白費力氣

5. 為什麼 F-35 和糉子體型小於 F-22 和 J-20,高波段 (光學散射區) 雷達反射截面反而更大

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隱身機如何在飛行中保證隱身

在實際作戰中,隱身飛機也要考慮很多具體戰術問題。例如美國已決定將F-117全部退役,說明該機對波長較長的地面警戒雷達效果還不太好。飛機的RCS在垂直機翼前緣方向有一個強峯值,即約前方±60°處峯值RCS高達20dbsm(100平方米)。即使在峯值附近約±10°處,平均值也達到約0dbsm(1平方米)。因此它必須在出/返航過程中通過航線安排來避免將此峯值對準敵防空雷達。在對南斯拉夫作戰時,F-117是通過一種地面任務規劃系統來實現這一要求的,因此它的飛行路線比較呆板,並且要確保飛行環境周圍的雷達位置已知(在沒有電子幹擾機伴隨支援的情況下),而且還寄希望於對方雷達沒有新的變化。B-2則通過機載電子偵察系統和威脅規避系統實現這點。F-22和F-35都具有機載實時任務規劃能力。其中F22上的ALR94和F35上的ASQ238都具備在四百五十公里外探測到輻射源的能力,從而提前判斷具備威脅的輻射源並進行航跡調整和飛行姿態調整。因此避開地面雷達的關鍵技術是機上具有能計算對方起威脅作用的雷達探測包絡的機載軟體,並能用其確定飛機的規避航線。這種軟體高度敏感,因為從中可分析出怎樣才能探測到隱身飛機。這是美國堅持不向外國提供飛機作戰軟體源代碼的重要原因之一。

隱身機利用雷達告警設備探測並監控敵方的雷達活動情況,識別對己方有威脅的雷達,在此基礎上進行實時航跡規劃和飛機姿態調整將最小rcs的一面朝向最有威脅的雷達。在這個過程兄,可能還會加入電子欺騙和幹擾。

對於出口,由於涉及這方面的機密,美國不會向其他國家提供源代碼,甚至包括它最親密的盟友英國。至於以色列,應該只是提供武器集成層面的源代碼,而不是涉及航跡規劃這個層面的源代碼。

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所謂的E2D雷達反隱身解讀

6月9日,美國海軍學會網站發布的一篇文章稱,美國諾斯羅普格魯曼公司的E-2D「先進鷹眼」預警機可能成為美海軍對抗敵方第五代隱身戰鬥機和巡航導彈等新興威脅的祕密武器。

  美海軍E-2D「先進鷹眼」預警機之所以具備強大的反隱身能力,其關鍵在於飛機強大的特高頻混合機制/電子掃描AN/APY-9雷達。①反隱身原理。特高頻雷達的運行頻率在300~1000兆赫茲之間,波長在1米~1分米之間。通常情況下,由於與戰鬥機尺寸相當的隱身飛機的物理特徵,特高頻波段雷達必須進一步優化,以應對更高頻率,如Ka波段、Ku波段、X波段、C波段以及部分S波段。然而,當飛機上某部件(如尾翼尖端)的尺寸小於某一特定頻率波長的8倍時,便會產生共振效應;而全方位的共振效應,便會使飛機的雷達反射截面產生「階躍變化」。這樣,特高頻雷達便可成為隱身技術的有效對抗手段。②適用目標。只有不具備突出尾翼面的超大型隱身飛機,像諾斯羅普格魯曼公司的B-2轟炸機或者美國即將研發的遠程打擊轟炸機,纔能夠滿足幾何光學散射原理需求,不會受到E-2D預警機的反隱身威脅。而對於具備上述可產生共振效應這種特徵的飛機,包括中國的殲-20、殲-31,俄羅斯的PAK-FA,以及美國洛克希德馬丁公司的F-22「猛禽」戰鬥機和美國三軍種通用的F-35聯合攻擊戰鬥機,均可利用E-2D預警機的APY-9雷達對其隱身技術實施對抗。

  消息人士指出,特高頻和甚高頻波段雷達擁有一些歷史性的重大缺陷,該類雷達的角解析度和距離解析度差,無法提供精確的目標定位和火力控制。然而,美國似乎已經通過整合先進的電子掃描能力與強大的數字計算能力,解決了APY-9特高頻波段雷達傳統的侷限性。APY-9雷達擁有現代化技術,在許多方面具有獨特設計,相比於E-2C預警機的APS-145雷達,APY-9雷達實現了兩次飛躍,具有實質性改善。E-2D預警機的APY-9雷達為對抗空中目標(包括飛機和巡航導彈威脅)提供了顯著增強的機載預警與態勢感知能力。美海軍空戰少將邁克爾馬納澤爾公開表示,E-2D將作為美海軍一體化防空火控(NIFC-CA)構想的中心節點,以挫敗敵方空中和導彈威脅。

  據美海軍航空系統司令部指出,APY-9雷達可在E-2D預警機的碟形雷達天線罩內旋轉,以實現360度全方位的探測覆蓋;飛機機組人員可控制天線旋轉速度,以重點對某些區域進行探測;雷達還配備有電掃描敵我識別系統;另外,雷達的發射機和接收機硬體位於飛機機身內,可通過高功率射頻傳輸線、高功率射頻旋轉耦合器與天線相連。

  具體來說,APY-9雷達擁有3種不同的工作模式,分別為:①先進的機載預警監視模式。該模式是雷達的正常工作模式,雷達提供統一的360度空地覆蓋,對遠距離隱身目標進行探測;該模式下,天線每10秒旋轉360度,主要進行的是機械掃描方式。②增強的扇形掃描模式。該模式合併了傳統的機械掃描方式和可控制的電子掃描方式,在克服兩種模式不足的同時,利用了兩種技術的優勢;該模式下,天線機械旋轉,但操作人員可選取天線旋轉的某一特定扇區,放慢旋轉速度,重點對該區域進行探測。③強化的扇區跟蹤模式。該模式是純粹的電子掃描方式,天線探測的地理位置較為穩定或正跟蹤某一特定目標;該模式下,天線停止旋轉並單純地進行電子掃描,為選定扇區提供強化的探測和跟蹤能力;該模式由於能夠快速跟蹤目標動態,通常可有效對抗隱身目標。

  APY-9雷達擁有至少300海里的探測範圍,該雷達目前似乎僅適於E-2D機身性能,而E-2D通常可在約7620米的高空飛行。美海軍希望最終共計採購75架E-2D預警機,預計最晚一批將於21世紀20年代服役。


。。。嘗試把炸彈丟到下方飛機的頭上算不算?


不好說。

技術的演變太快太複雜,空戰武器的性能發展的也太快,對載具的要求也不一樣,只能說B2的隱身性能給了它參與空戰的潛力,但截止現在為止,美國並沒有將B2的這種潛力變現。


B2的研製目的是戰略投送,戰略投送,戰略投送。

F22的4S能力是用來踹門的!


可能可以,b2從美國本土或夏威夷起飛遠程實施轟炸任務,很可能沒有戰鬥機護航,如果遭遇敵方殲擊機將面臨被擊落的風險。

所以攜帶自衛的空空導彈完全不是沒有可能

理論上,預警機,運輸機等保障機型也可以攜帶自衛型空空導彈


題主是不是對空戰有什麼誤解?

空戰通俗意義上空戰是利用飛行器在空中進行戰鬥,以擊落對方,奪取制空權為目的一種戰爭形式。

這東西連個自衛武器都沒有,拿什麼奪取制空權?核彈頭嗎?


真傢伙沒有機會見識,只能鍵盤了。

很久以前愛玩空戰模擬遊戲,有款F22玩的比較多。在自由空戰模式中,遭遇B2是很輕鬆的場景。一羣B2象笨拙的肥鵝在低空中慢慢劃過,你可以繞到後方,用AIM9逐一鎖定,發射;在第一架B2燃起大火墜向地面時,其他的開始四散逃竄,但轉向速度如同慢鏡頭,你可以從容地追趕,穩穩地把他套入瞄準光環,用機炮掃射,擊毀,然後追擊下一架。只要還有彈藥,沒有一架B2能跑得掉。

B2可以參與空戰,但不能取勝。


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