从世界上第一种隐身战斗机，因为训练失事坠毁从而为世人所知，到今天已经过去了很久。全世界能自主研制并装备了隐身战斗机的只不过从一家变成了三家而已。到底是什么原因使得隐身战斗机如此难以研制？本文试图从隐身战斗机的设计、制造、试验等多方面加以阐述，为读者提供一幅尽可能真实的画卷。
我们先从设计说起。
在分析隐身战斗机的研制难度之前，首先让我们了解一下隐身的基本概念。在这里主要是指雷达隐身。从雷达工作原理可知，雷达对目标的探测距离正比于目标雷达反射截面（RCS）的1/4次方，因此战斗机隐身的实质内容就是尽可能缩小战斗机的RCS。
雷达反射截面测试
简单几何体
测量RCS一般都是拿球体作为比较的参照物，假定直径一米的球体的RCS为1平米。对于垂直入射的雷达波，平面和角面体都有极强的反射作用，所以平面和直角两面体的RCS值可以达到球体的1万倍，足够亮瞎雷达的钛合金狗眼。而圆柱体的RCS就好些，不过也有球体的100倍呢。
如果把球体拉伸为椭球体或尖头纺锤的样子，因为反射波会向四周围散开，RCS就会减小：比如长短轴比为2:1椭球的RCS就大概是球体的十分之一；顶角为20度纺锤体的RCS则小于球体的百分之一。这么算下来，平面的RCS居然为纺锤体的100万倍以上，但如果平面与雷达波成锐角，那RCS却又会立即大幅度下降，甚至可以小到只有原RCS的千分之一。可见几何形状简直太太太影响RCS了。
但是，这些简单几何体并不实用。谁见过这场面：万里无云的天空中，一只两层楼高的巨型铝合金橄榄球在超音速飞行？所以，还得找到外形符合飞行要求的几何体来研究。之后人们发现，还真有一种气动性能良好的几何体RCS也不高。这就是，敲黑板啦——翼身融合体！要知道翼身融合体在空气动力学上可比圆柱体优越多了，除了盛东西少点，其它的指标比如升阻比、涡流效应都比那圆杠子强出一大截。下图是对两种柱体，圆柱体和翼身融合柱体的RCS比较，以圆柱体作为比较的基准，我们假定其RCS为1平方米。则对于翼身融合柱体，当入射波为水平时，其RCS为圆柱体的……看图就知道了。
圆柱体与翼身融合柱体的RCS比较
空腔体
那，这就行了？谁说的。现代战斗机、轰炸机总要装发动机、坐飞行员吧？是的，我指的就是进气道、发动机喷管、座舱。这堆玩意都是空腔体。它们对于飞机RCS的影响也得说道说道。
先说进气道、喷管吧。从进气道的外面往里看是高速旋转的风扇或压气机叶片，从发动机喷管的外头往里看是转速同样高的涡轮叶片。这些高速旋转的叶片，对于雷达波来说相当于一个垂直的平板，可想而知其反射会有多强。另外，如果进气道或是喷管是直筒子，雷达波即便是侧面从管口进入管道后，也会经过几次反射后抵达发动机叶片，叶片导致的强雷达回波会经过几次反射后从管口出来，十分讨厌。除此以外，进气道的唇口对雷达波也有强散射作用，如果唇口较钝，反射的信号那就更强了。
这么蠢萌的玩意，RCS可想而知
再说说座舱，里面的座椅和仪表板等不用说都是由平板和多面体构成，能强烈反射雷达波，而雷达波又可以穿透未经特殊处理的舱盖。这么一看，座舱也是个强反射源。所以，设计师们对进气道、喷管和座舱可马虎不得，这几样对飞机的RCS都有重要的不利影响。
下图是战斗机各种部件对RCS贡献的示意图。关键是在0度和180度附近，这两处对应着战斗机的头尾。明显可见进气道和喷管的空腔有较大的RCS，而压气机和涡轮的RCS更高。最大的RCS部件是机身，但这是入射波垂直于机身时才能得到的，倒不太碍事。再看尾部方向，RCS大户则是喷管，目前只能是直的，但二维喷管对入射波和反射波多少还是有些阻挡作用，可以比较明显地降低喷管和涡轮的RCS，特别是扁的喷口作用更为明显。这就是F22采用二维喷管的原因。
战斗机主要部件RCS分布图
边缘和缝隙
机翼前缘对雷达入射波产生散射，其中一部分能量就成了给雷达的反射信号(如下图)。这要不幸翼型是那种钝头的或者厚度很大的，您这雷达回波就比较显眼了。另外雷达波照射时，机翼和机身表面吸收的电磁波会向后爬着走，等碰到不连续的地方，比方说操纵面啊口盖啊的缝隙或者机翼后缘什么的，也一样会产生散射波，当然了这种散射波的强度要稍微弱那么点。
机翼RCS
下图为一架运输机各种部件对RCS贡献的示意图。可见当雷达波垂直于前缘和后缘的时候，机翼和垂尾都会产生相当强的反射信号。不过好在前后缘反射的雷达波的方向性很强，只在一个比较窄的角度范围内才比较强烈。另外，虽然图中未画出，但是当雷达波垂直于机翼或水平尾翼的翼尖时，也会产生相当强烈的反射信号。
运输机RCS
好在超音速战斗机机翼的相对厚度要比运输机翼的厚度小，前缘也比较尖锐，所以战斗机机翼前后缘的雷达反射信号比运输机弱得多，但是在隐身气动布局设计中也不能掉以轻心。
从前面的介绍以及三张图可看出，飞机的雷达反射信号强度，也就是RCS的大小，有很大的方向性。就算最好的隐身设计也别指望在所有方向都能很好地隐身，因为不同方位的隐身要求对飞机设计往往是互相矛盾的。比如前面说过了，平面类的部件(机翼、尾翼都可近似的视为平面部件)虽然在和雷达波成锐角时RCS很小，可是在垂直方向镜面反射就很强，这样两个角度的RCS差别可能达到千倍或万倍。
设计者的考虑
因此在设计隐身性飞机前，首先要研究各种可能的雷达威胁方向，分清主次。在主要方向对隐身要求必须高，一点也不能含糊；在次要方向上尺度可以稍微通融通融。比方说，对战略轰炸机或远程攻击机，因为它们飞得高，所以主要威胁是前方和侧方的地面雷达波。这类飞机重点要求在前方上下不太大的俯仰角和侧方上下不太大的滚转角范围内有良好的隐身性。别的方向能够同等水平的隐身最好，没有也凑和啦。
隐身飞机的死敌——雷达
对战斗机而言，现代雷达制导空空导弹有全向攻击能力，因而战斗机的首次攻击一般是在前方或斜对头，故对战斗机同样要求前方和侧方有很好的隐身。另外由于要防止被敌方尾追攻击，战斗机后半球也要求有较好的隐身，这个方向主要就是尾喷管的RCS。另外，空战中可能与敌机形成较大的高度差，因此对方向角也会有较高的要求。这些彼此矛盾的要求综合到一起，设计师就一个头不够两个大了。
在隐身战斗机设计过程中，其气动设计需要风洞和电磁暗室联合设计。至少要2米级亚跨超音速风洞，测量绘制各种速度、迎角下的阻力系数、升阻比等数据和极曲线。
同时，要综合利用物理光学法、几何光学法、几何绕射理论法、物理绕射理论法等方法计算气动外形的RCS；根据结果修改设计，比如什么地方隐身不好了，那么调整吧，调整得平直光溜一些；之后发现空间小了，装不进东西了，又得看看能不能稍微带点弧度……实际上是气动和隐身相互折衷、再计算修改结果、反复优化迭代，直到最终求解出比较符合总体要求的外形数据。
外场RCS测试
等小心翼翼制造出实机后，还要测试实际RCS，看看和理论值差异大不大？太大了又得改，这就比较大了，得修改工艺了，涉及工装夹具、装配流程等等不一而足。
所以，研制隐身战斗机并没有想象得那么容易，其实第三代战斗机就已经很麻烦，相比之下的隐身战斗机研制过程中的风险就更高。稍有差池，隐身、飞行性能、结构强度等关键指标就直线下降。所以，隐身战斗机的研制需要雄厚的航空科研实力，这也是为什么至今没有几个国家能独立自主研制成功隐身战斗机的原因。
联系客服
