2011-10-10 07:10
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漫談隱形戰機（VII）：設計原則與重要部位
漫談隱形戰機（I）：隱形戰機進入多國時代
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漫談隱形戰機（II）：雷達截面
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漫談隱形戰機（III）：「雷達截面」與「探測距離」
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漫談隱形戰機（IV）：設計與特徵
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漫談隱形戰機（V）：戰鬥機的分代
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漫談隱形戰機（VI）：隱形戰機的分代
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漫談隱形戰機（VII）：設計原則與重要部位
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（十六）設計隱形戰機的一般原則
甲. 設計原則
經過一番摸索和實驗，工程師已經歸納出設計隱形戰機的一般規則，我們總結如下：
1.機身表面要求光滑，盡量避免有凹坑和凸出物；
2.機身的曲面要求柔和與漸進，盡量避免尖銳的改變；
3.如果有平面體，絕對避免兩個平面體呈垂直相交。
乙. 光滑要求
機身表面的光滑度跟雷達的波長是有關係的，波長越短的電波對突出物越敏感。譬如火控雷達使用X頻段，波長在三公分左右，所以即使是飛機上凸出的鉚釘都可以成為很好的反射體和散射體，機身上的通訊天線就更不用說了。如果是碰上毫米波雷達，譬如W頻段（94GHz，有些導彈的火控雷達使用這個頻段）的波長只有3 毫米，那麼即使是微小的突出物也會造成強烈的反射，所以機身要求的光滑度就更高了。
飛機的製造程序是：
1.首先用高強度的金屬做好框架，通常是用鋁合金，如果有錢又有技術就用鈦合金；
2.框架完成後開始安裝各種機載設備；
3.機載設備安裝完畢就開始蒙皮，蒙皮的材料根據需要而定，蒙皮完畢飛機也就完工了。
你一定會問：蒙皮如何固定在框架上呢？
答案：鉚釘。
所以戰機使用鉚釘是不可避免的，用多用少而已。我們看下面兩張照片，號稱隱形如何了得的F-22一樣有鉚釘外露，俄國的T-50外露的鉚釘就更多了。
[img]http://i55.tinypic.com/2zpijih.jpg[/img]
圖15：F-22與駕駛員，注意座艙的鉚釘，它們在X波段的電波照射下會產生一定的反射。
[img]http://i53.tinypic.com/5ze7mw.jpg[/img]
圖16：T-50與駕駛員，座艙表面一排排的鉚釘數量驚人，它們都是雷達波的反射源。
當然，隱形戰機可以選擇在蒙皮外貼上吸波材料，這樣就可以減少鉚釘的散射，F-22就是這麼做的，所付的代價是幾百公斤的重量，如果吸波材料過厚肯定會對戰機的氣動性能造成影響。至於F-22的吸波材料在飛行時經常發生脫落現象造成維修的困擾就是另一回事了。F-22曾經發生吸波材料脫落後被吸入發動機險些釀成事故。上面這些都是追求極致隱形所付出的代價。
任何大工程都是一種對大自然的挑戰和對口袋中的鈔票所做的妥協，這是一種藝術。
丙. 翼身融合
關於機身曲面的柔和與漸進，YST 舉兩個例子讀者一看就立刻明白了。
[img]http://i53.tinypic.com/21emhf.jpg[/img]
圖17：中國大陸的殲-8F（J-8F）攜帶霹靂-12空對空導彈起飛。
[img]http://i54.tinypic.com/2v2gztd.jpg[/img]
圖18：中國大陸的殲-10（J-10）起飛。
殲 -8是上個世紀七０年代末設計、八０年代中服役的第二代戰機，已經有將近三十年的歷史。殲-8是一個老式戰機，大陸網友戲稱它為「八爺」，不過YST個人認為「八爺」老當益壯，尤其後來的改型有了新的電子設備和新的發動機已經進入第三代，「八爺」高空、高速和大頭（可以裝備大號的雷達天線）在預警機的指揮下作為攔截機仍堪大用。
我們看得很清楚，「八爺」在設計的時候是完全沒有考慮「隱形」的，譬如機身有很多小的突出物。
但是，殲-10在設計的時候就已經考慮到「隱形」的問題了，J-10的機身不但非常光滑，最明顯的地方就是J-10的機身和機翼是柔和地與漸進地融合在一起，這種技術叫做「翼身融合」，它產生的雷達截面非常小。再看看「八爺」，它就像一根木棍插上兩片翅膀。這二者之間所產生的雷達截面差別就非常大了。
所有的隱形戰機一定採取「翼身融合」的設計。
丁. 避免垂直平面
簡單的幾何原理告訴我們兩個互相垂直的平面會產生最大的反射波，事實上，工程師就是用金屬的三面垂直體做成「角反射器」（corner reflector）應用在反雷達的誘餌上，電波無論從哪個方向射來都會反射到原來的方向，所以很小一個「角反射器」就會產生巨大的回波。
好了，飛機都有垂直尾翼和水平尾翼，它們正好呈90度相交構成一個完美的反射體。最有名的例子就是蘇聯的圖-95（Tu-95）戰略轟炸機，它巨大的垂尾和水平尾形成巨大的RCS，雷達在幾百公里外就可以偵測到它，見下圖。
[img]http://i51.tinypic.com/2zq6k9e.jpg[/img]
圖19：蘇聯上個世紀五０年代設計的圖-95（Tu-95）戰略轟炸機
這一點J-10又比「八爺」高明了，為什麼？
請注意看，J-10沒有水平尾翼，自然沒有這個問題。
J-10為什麼沒有水平尾翼呢？
因為J-10有前翼（大陸工程師稱之為「鴨翼」，英文叫 canard），前翼的作用跟水平尾翼是一樣的，有了前翼自然就不需要水平尾翼了。
早期的飛機工程師沒有考慮「隱身」的問題，所以無論單垂尾（F-16、J-8）還是雙垂尾（F-15，Su-27）都是跟水平尾垂直的。從F-18起，美國設計雙垂尾的戰機都把兩片垂尾向外傾斜，這樣雷達截面就大大地降低了。
「向外傾斜的雙垂尾」是隱形戰機非常明顯的特徵。
（十七）隱形戰機的幾個重要部位
為了達到「隱身」的效果，戰機的幾個重要部位必須經過特殊的設計與處理。
甲. 機頭：
由於戰機正前方的雷達截面（RCS）是最重要的，機頭的外型必須經過精確的計算與測量。我們觀察F-22的頭部，它由上下兩個略扁的橢圓錐形合成，交合的部分形成兩條一直向機身後方延伸的細線。
上面敘述的這種形狀有什麼好處呢？
好處非常明顯：
1.無論電波從那個方向照射反射波只能從上半部或下半部，不可能同時上下都反射回來；
2.無論電波從那個方向照射，絕大部分的電波都沿著曲面散射出去，很少能反射回照射方向（也就是說探測雷達的方向）；
3.如果正好從水平方向照射到，雷達照射到的幾何截面雖然大，但是能夠反射回到探測雷達方向的截面只有細細的一條線，面積非常小。
由於這三個原因，上面這種外形是雷達隱形的最佳設計。這就是為什麼F-22、F-35、T-50、J-20的機頭形狀看起來都一樣，見下圖。這不是抄襲，而是自然界推算的物理結果。它們唯一可能的不同是曲率可能有所不同，這是因為各國裝置的雷達天線尺寸大小各有不同和各國計算機計算最佳散射曲率得到的結果不同。
[img]http://i51.tinypic.com/2a78t4o.jpg[/img]
圖20：已經露面的第四代戰機：F-22（美國）、F-35（美國）、T-50（俄國）與J-20（中國）。
上面這個四種隱形戰機的機頭形狀都非常相似，因為這是物理原則下的最佳設計，是外型追求隱形化所導致的必然結果。
乙. 進氣口：
前面說過，任何凹坑和凸出物都是巨大的電波反射源，進氣口就是很大的凹坑。進氣口裏面發動機的葉片是非常大的反射源。
工程師處理這個問題通常是把進氣的通道設計成Ｓ形狀，也就是拐兩個彎，不讓雷達直接看到發動機的葉片。空氣拐兩個彎無所謂，照樣進入發動機接受壓氣機葉片的壓縮，雷達波拐兩個彎就是大事了因為工程師可以做手腳。工程師在進氣口的牆壁上貼上吸波材料，假設這個材料可以吸收10dB，電波拐兩個彎就降低了 20dB，葉片反射出來再拐兩個彎又降低了20dB，這一來一回就降低40dB，也就是回波強度只剩下萬分之一，幾乎可以忽略不計了。
至於J-20採用了DSI進氣道是另一回事，效果是省掉了隔板、降低了重量，吸波材料還是要貼的。
丙. 駕駛座艙：
駕駛座艙是另一個大凹坑，裏面除了駕駛員還有很多儀器和金屬物品，是巨大的反射源，這個問題困惑工程師非常久。美國工程師最後解決了這個問題，方法是把駕駛員的座艙蓋鍍上一層非常薄的金，鍍金把雷達波散射到四周不讓它透過，但是鍍金薄到可以讓光線透過，所以駕駛員仍然可以看到座艙外的世界。
F-22是第一個有鍍金座艙蓋的飛機，這個 YST完全確定。
[img]http://i53.tinypic.com/w9xp1y.jpg[/img]
圖21：J-20的駕駛座艙
YST 看上面這張照片，J-20的駕駛座艙也像是鍍了金的（不敢百分之百確定）。如果是鍍了金，那麼J-20應該是世界第二個有鍍金座艙蓋的飛機。這一點非常重要，必須取得完全的証實，因為有沒有鍍金RCS有極大的差別。
不過有一點 YST可以確定，那就是J-20和F-22的駕駛座艙是全世界唯二的單一氣泡駕駛艙，中間沒有任何支架，所以視界特別好。視界良好是戰鬥機近距離格鬥的首要條件。
丁. 雷達艙
飛機的雷達都是安置在機頭，雷達天線在最前端，然後用一個錐形的蓋子罩住（遮風擋雨）。雷達罩必須是透波的，因為天線發射和接收電波都要透過雷達罩。
既然雷達罩是透波的，那麼敵人的雷達波一樣也可以穿透你的雷達罩窺視你的內部。所以不可能有任何辦法防止雷達罩內的東西成為反射源。YST沒有任何數據這部分的RCS會有多大，但是十分肯定它是一個非常重要的反射源。
[img]http://i51.tinypic.com/28u08ax.jpg[/img]
圖22：F-22的雷達天線
從上面這張照片我們可以清楚看到F-22的雷達天線不是一個像鏡子一樣光滑的平面而是由一大片網狀的孔洞組成的，它被敵人的電波照射的時候會是一個相當大的反射源，無處躲藏。除此之外，雷達天線是不可能和雷達罩完全密合沒有任何縫隙的，因為即使是相控天線在測試的時候仍需要轉動。所以一定會有電波深入到天線背後，這個電波會產生多大的回波就更無從得知了。
YST 個人認為雷達天線是隱形戰機正前方最大的反射源，RCS 會相當大。
F-22的隱形能力被過度神話。YST 絕不相信F-22正前方的RCS小於0.00001平方米（「漢和防衛雜誌」平可夫的聲稱）。
YST 認為F-22可以做到0.01平方米，但是很難更小，0.001平方米也許是工程的極限，因為雷達罩是不能屏蔽電波的。
現代的機載雷達都是平面天線，YST 認為F-22唯一能做的事就是在不使用的時候把天線面轉到朝上的方向，這樣被照射到的機會也許小一點。不過這樣一來雷達波照射到天線背後設備的機會就增加了，是不是划得來也是問題。
YST 把雷達艙放在最後討論，因為雷達艙的RCS非常重要，也最有不確定性。我們都看到F-22的雷達天線了（圖22），這是全世界最先進的相控陣天線（phase array antenna），除了製造廠商和美國國防部最高級的官員握有它的相關資料，外人有誰能夠估計出它的RCS？除非你是神仙或超級間諜。
再重複一遍，雷達罩是不能屏蔽電波的，所以除非你知道F-22雷達天線的RCS數值，你不可能正確估計F-22正前方的雷達截面。
戊. 有關 RCS 的瞎扯與誤導
所有我們看到的有關F-22的RCS數值全是瞎扯，就連美國國防部公布的資料都是瞎扯，是一種刻意的誤導和誇大的宣傳。譬如下面這個美國國防部的軍事網站
[url=http://forum.fdzone.org/j.php?u=http%3A%2F%2F[url]www.globalsecurity.org[/url]%2Fmilitary%2Fsystems%2Faircraft%2Ff-35-design.htm][color=#0000ff]http://www.globalsecurity.org/military/systems/aircraft/f-35-design.htm[/color][/url]
說：
According to November 2005 reports, the US Air Force states that the F-22 has the lowest RCS of any manned aircraft in the USAF inventory, with a frontal RCS of 0.0001~0.0002 m2, marble sized in frontal aspect. According to these reports, the F-35 is said to have an RCS equal to a metal golf ball, about 0.0015m2, which is about 5 to 10 times greater than the minimal frontal RCS of F/A-22. The F-35 has a lower RCS than the F-117 and is comparable to the B-2, which was half that of the older F-117. Other reports claim that the F-35 is said to have a smaller RCS headon than the F-22, but from all other angles the F-35 RCS is greater. By comparison, the RCS of the Mig-29 is about 5m2.
美國空軍2005年11月的報告非常清楚明白地說出：
1.F-22正前方的RCS為0.0001~0.0002平方米，相當於彈珠大小（直徑1.1~1.6公分）；
2.F-35正前方的RCS為0.0015平方米，相當於高爾夫球大小（直徑4.4公分）。
想想看，這麼高度機密的資料美國居然把它公開，美國是傻瓜嗎？
美國當然不是傻瓜，相信它的人才是傻瓜。
上面這些數據資料非常明顯一定是假的，這就是Rockwell網友所說美國採用的一種反間的手段。
想要証明嗎？這其實一點兒都不難。
YST 可以負責任地說機頭的雷達艙是任何隱形戰機最大的、無法躲藏和不能屏蔽的電波反射源。看看 F-22的雷達天線（圖21），基本常識告訴我們這個天線用了大量金屬，還是凹凸不平的，一定產生散射，YST個人認為它的RCS一定大於0.001平方米，應該接近0.01平方米。
美國國防部的宣傳把別人當傻瓜，這是一種反間手段也是一種心理戰，要讓無知者害怕（美國可以神不知鬼不覺地幹掉你），對美國的武力產生盲目的崇拜與恐懼。但是只要有一點科學背景的人，一眼就看穿這是美國製造的F-22神話。我們承認F-22的確具有隱形的功能，但是它的隱形沒有這麼厲害，美國誇大了一百倍。
雷達艙的問題如果不解決，沒有人能正確估計一架隱形戰機正前方的RCS，這是最重要的方向。所以我們花這麼多時間討論RCS，如果卻故意避開雷達艙，那麼所做的都是虛工。
雷達艙和雷達天線作為反射源是一個非常重要的議題，但也許這是個敏感的問題，所有的專家都避而不談。有些沒有品格的專家胡亂給個吹牛數據，接著是一大堆沒知識的人以訛傳訛。但是站在科學知識的立場，我們如果要討論雷達截面就要嚴肅對待所有的問題，不可逃避關鍵問題。政府和製造商可以用機密作為理由不提任何數值，但是不可以說假話，不可以製造假資料。
每個國家都有軍事機密，也應該保守這些軍事機密。大家都非常瞭解雷達截面是一個高度敏感的軍事機密，其實本來也沒有人要求美國說出有關F-22雷達截面的任何資料，美國如果不說沒人會怪它、更不會責備它。但是美國故意釋放假消息、然後再大肆宣傳，這就不對了，屬於偽科學。
「F-22正前方的RCS只有0.0001~0.0002平方米，相當於彈珠大小」是偽科學。
YST 沒有一點點意圖打探任何國家的任何軍事機密，但是必須指出錯誤的訊息、違反科學的訊息、尤其是刻意的誤導和遠離事實的軍事宣傳，因為這已經是政治問題和科學問題而不是軍事問題了。
政治問題人人可談，科學問題更是一個是非對錯的問題所以必須談。
YST 所知有限，希望這方面的高手能提出意見，在不涉及機密的情況下，大家互相學習、共同進步。