武器的隐身性能有雷达隐身、红外隐身、视觉隐身、音响隐身等多个维度，对战斗机影响最大的还是雷达隐身。我们经常看到的术语RCS（等效雷达散射截面积）在电子学上的定义是：一个物体的 RCS 等效为同一电磁场内系统可测得相同散射能量的标准球体径向横截面积的大小，比如某物体 RCS 为 1m²，即等同于半径是 0.564m 的金属球（几何横截面积 1m²）所反射的 RCS 效果。第四代战斗机的RCS需要小于0.1平米才具有实战意义。

低可探测性战斗机的概念最早是美国在70年代初提出的，为的是能穿透华约组织日渐严密的防空火力网。受到当时计算机运算能力和内存容量的限制，雷达反射面积数值解析被限定在二维平面内，以免三维物体带来的庞大运算量令计算机无法负荷。因此1982年首飞的第一代隐身战斗机F-117是基于多面体反射原理设计的多面体钻石多棱形机体，外观犹如一座金字塔，完全不像架能飞的飞机。这样的构型气动效率实在是不佳，所以F-117实际上是一架完全没有任何空战能力的亚音速攻击机，唯一的自卫武器就是超低的RCS值。



▌第一代隐身战机F-117A

隐身战机的第二代是1989年首飞的B-2轰炸机，作为战略轰炸机，它不需要做大幅度的机动动作，也没有超音速要求，因此B-2采用了最接近理想外形的飞翼设计，没有突出的机身和垂尾，进气口和尾喷口都位于上表面，发动机深埋在机体内部，所有凸起部位都采用圆滑的曲面过渡，整架飞机形如巨大的蝙蝠。



▌第二代隐身战机B-2轰炸机

1997年首飞的F-22则是一款真正的隐身战斗机，由于电磁理论的突破和计算机技术的发展，到了90年代洛马的飞机设计师已不再受计算能力限制，RCS分析实现了更符合气动要求的连续曲面隐身设计，将隐身、速度和机动性完美地融为了一体。F-22所采用的凹凸曲面菱形机身，兼顾隐身和气动边条作用的机头棱边、菱形机翼和 V 形垂尾成为了四代战斗机隐身设计的标配。



▌第三代隐身战机的代表F-22A战斗机

现代雷达隐身技术，最主要采用了下列6项措施，将威胁最大方向的RCS值降到最低。我们依次看看歼-20是如何运用这些技术的。





- 1. 平行原则 -

四代机表面所有边缘都尽量与主翼面前后沿保持平行，将入射雷达波合并集中到有限的几个方向，优化反射角度，偏离最大威胁方向。采用这样的设计，即使在某些特定角度反射回波能被雷达接收到，也因为波瓣宽度很窄，飞机稍微改变飞行姿态反射回波就会消失，在雷达上只留下闪烁的点，而不能形成稳定的连续回波。无法避免的端面则进行削尖处理，减少直接镜面反射量。



▌歼-20与F-22的波系数量对比（根据网上的俯视图自己制作，不保证准确性，仅供参考）

由上图可见，歼-20为12波系，即将入射雷达波集中反射到12个主要方向，F-22为8波系。主要的区别在于歼-20进气口的内切前沿（9、10）和垂尾的前沿（11、12），与主翼前后沿不完全平行，偏角不大，而且长度较短。这两个部位在上一篇气动布局时都提到过，歼-20的进气口因为采用了DSI设计，本身的隐身性能就强过F-22的加莱特进气道；歼-20的全动垂尾也因为尺寸更小，在气动性能和隐身效果上要强于F-22的高大垂尾。因此在波系设计上稍微放宽一点，在气动和隐身设计中找到更好的平衡点。除了这两个小的局部，歼-20的波系控制水平和F-22是处于同一个层次上的。

相对应的，没有采用隐身设计的三代战斗机，如苏-27和F-15，波系可多达20几个，在全方向上都有强烈的反射波峰出现。



▌F-15粗略数了一下就已经有19个波系





- 2. 倾斜设计，避免直角反射 -

常见物体对雷达波反射的强度，从高到低依次为：腔体>三面直角体（角反射器）>两面直角体>矩形平面>圆柱体>球体。四代机采用棱型机头，机身带有曲面，侧壁和垂尾都是倾斜的，就是为了把入射波反射到低威胁的次要方向，避免来自主要威胁方向的入射雷达波产生直角反射。



▌歼-20、F-22与F-15的正视图对比

歼-20和F-22在这方面几乎完全一样，任意两个平面之间都不构成直角。而对比三代机中最经典的F-15，高大的垂尾、进气道两侧的机身和机翼几乎是90度垂直的，构成巨大的直角反射器。

小结：歼-20在气动布局设计时很好地贯彻了平行原则和倾斜原则，将雷达回波范围集中于非常有限的几个角度之内，和F-22基本处于同一水平





- 3. S型进气道遮挡 -

进气道作为一个半封闭的腔体，不论是面积还是反射效果都是战斗机正面最大的雷达波反射源。而进气道后部还有高速旋转的发动机风扇，当雷达波能直接照射到风扇的情况下，就好比黑夜中两个巨大的频闪灯，在雷达屏幕上格外醒目。每种发动机风扇都有各自特定的反射频率，雷达甚至可以因此分辨出发动机和载机的型号。

因此四代战斗机必须下大力气处理进气道的隐身问题，最常用的措施就是将原本直通到底、畅通无阻的进气道扭曲拐弯，拉成S型，尽量使进气口正面入射的雷达波无法直接照射到隐藏在弯曲部位后面的风扇上。虽然进气效率难免收到一定影响，但是依靠新一代功率强大的发动机，这点损失和隐身性能上的巨大收益相比是非常值得的。客观上，进气道也必须扭曲作出避让，以容纳飞机底部的主弹舱和侧面的侧弹舱空间。



▌歼-20、F-22进气道示意图（个人推测），进气口和发动机喷口不在一条直线上，在水平和垂直方向上都带有明显的弯曲



▌上图为F-22进气道正面外观，在很短距离内就大幅度扭转，完全遮蔽了后面的发动机风扇，下图为F-22进气道组件模型

歼-20至今没有任何清晰的特写镜头展示其进气道内部的细节，但是有DSI鼓包的遮挡，进气道内部的扭转，加上超长的机身，累积吸波效果好，进气道隐身性能比F-22只高不低。



再看下图，左侧是T-50的进气道，发动机短舱本身就很短，也没有任何弯曲，长焦镜头都直接能拍到发动机，只好采用F-18E/F那样的雷达屏障勉强遮挡一下，隐身性能和歼-20/F-22差了一个档次。F-18E/F是三代半，气动布局已定情况下的亡羊补牢，T-50作为全新设计的四代机依然如此，只能说老毛子对隐身设计太不上心，或者是心有余而力不足。



▌左侧是T-50进气道，右侧是F-18E进气道，都采用了导流片结构的雷达屏障，进气损失相当大。F-18E还带有明显的上弯，暴露部分比T-50还要少

进气道采用S型设计，可不是随意拧一下这么简单。进气道任何形状的改变都会对各种攻角、速度下发动机的工况产生很大的影响，需要进行大量的空气动力学计算和风洞试验。就算有这个技术实力，飞机本身也未必有这个容积。T-50就是因为继承了苏-27的总体布局，机内密度很大，发动机短舱没有多余的空间布置弯曲的进气道。必须像歼-20/F-22这样完全另起炉灶，把进气道隐身和机体隐身、超巡等性能作为一个整体设计。

小结：歼-20带DSI和S型弯曲的进气道设计，无论是气动性能上还是隐身效果上都不逊色于F-22，甚至更强。





- 4. 座舱盖镀膜 -

对于战斗机来说良好的视野非常重要。不管雷达和武器有多先进，目前都不可能在中远距离上彻底解决对手。一旦空战进入到近距离格斗时，全方位视野带来的事态感知能力很大程度上能够决定狗斗的输赢。因此四代战斗机依然得采用高高拱起的水滴型座舱盖，以保证近乎360度的环视视野。但是这样形状的座舱盖对隐身性确是一大挑战。座舱不但是一个凹入机体的巨大腔体，里面还装满了各种向外辐射电磁波的电子设备。无隐身措施时，座舱可以占到全机迎头RCS的20%以上，不对它进行遮蔽无疑是在隐身衣上留下了一个大洞。

要修补这个大洞，目前采用的方式就是给座舱盖镀上一层金属薄膜，以屏蔽座舱内外的电磁波辐射，隔绝紫外线、远红外线的射入。从F-16开始，美军自用的主力战机都有镀膜，俄罗斯的三代半战斗机以及T-50原型机中最新批次也开始采用镀膜。



▌Eglin AFB第53测试与评估大队的F-22和F-16C，座舱盖都有金属光泽的反光



▌2012年茹科夫斯基俄罗斯空军百年纪念航空展上比翼齐飞的新一代米格-29M2和T-50 2号机，俄式镀膜颜色明显偏深

美国用的是氧化铟锡(ITO)膜，以昂贵的真空层沉积法镀膜，薄膜的厚度仅有10-20纳米，透光性好，但比较脆弱，可维护性稍差，寿命不长。俄罗斯则用金(Au)膜（没错，就是真的金子），以等离子磁控溅射法镀膜，工艺简单，性能稳定，但透光性较差，每10纳米的厚度透光性降低10%左右。不论用那种工艺镀膜，它们的电磁隐身性能是基本相同的，采用金属镀膜后可以令座舱盖的RCS降低90%以上，效果非常好。



▌茄子涂装的苏-35，第一次注意到俄式镀膜在风挡和座舱盖上部的颜色是不一样的，可能真的是因为金膜透光率较差，前向的风挡处不得不减小厚度或者采用不同材料

中国在歼-10B上曾经试验过金属薄膜，正式出现于歼-20的2017号原型机。从镀膜的颜色以及技术渊源来看，中国的金属薄膜属于俄系的Au膜。当然中国正在发展更先进、更便宜的碳纳米管（石墨烯）导电镀膜，将来必定会大规模应用于新型作战飞机上。



▌歼-20 2017号和2016号座舱盖对比，2016号是透明的玻璃，2017号则镀上了一层土豪金

2017号不但镀了膜，而且座舱盖的形状也有变化，风挡从侧面看近乎拉成了直线，整个座舱盖隆起更高，最高点从飞行员头部正上方前移了一个头盔的距离，而且隔框的倾斜度也更大。从圆滑的卵形改为凸起的鹰头形，我认为至少有三方面的原因。首先是优化了气动外形，增强了高速性。具体的气动原理我不明白，但看到这个构型我首先联想到的就是F-15A/C的座舱盖，外形相当接近，而F-15是三代机里高速性能最强悍的机型。其次是增加了导爆索的起爆高度，给弹射座椅启动加速穿盖留出了更多的空间和时间，这肯定是经过实际弹射试验后得出的优化结果。第三就是增加了飞行员头部空间，提高了驾驶舱的人机工效。



▌歼-20 2017号、2016号及F-15单座型座舱盖弧度对比

驾驶舱座舱盖对于整个四代机项目来说只占了非常小的比重，即使这样，它的技术含量、制造工艺和造价都是非常惊人的，可见四代机研发之难。

小结：座舱盖覆膜隐身型一直是中国战斗机的一块短板，从F-16服役算起落后美国近30年，如今歼-20终于迎头赶上。

贴主:炫笔伏逼于2020_05_07 12:07:55编辑
坛主:炫笔伏逼于2020_05_22 13:07:52编辑