在1965-1975年的越戰時期,近距格鬥導彈的紅外導引頭從強烈噪聲背景中,識別、鎖定微弱信號的能力很弱,只能從熱量最強的尾噴管方向發起攻擊;因此在當時的格鬥空戰中,依然非常強調戰鬥機要切入到對手的後半球,進行尾隨攻擊。英文中將戰機近距格鬥稱之為“狗鬥”,就是因為這種交戰形式非常類似兩條狗互相追咬對方的尾巴。
圖:F16和F4視距內對比轉圈圈能力,典型的狗鬥態勢
但也正是在這場戰爭中,AIM-7中距導彈家族開始發揮作用——由於採用雷達制導,它可以直接在迎頭飛行中,從目標前方發起攻擊。而出於敵我識別、遠距離探測跟蹤的穩定性、半主動制導的固有缺陷、以及為了彌補格鬥彈迎頭攻擊能力的不足;多數AIM-7的實際射程都不是很遠,大量戰果都是視距內取得的,而且以迎頭射擊為主。
圖:隱身戰鬥機的設計原則,歸根結底就是要在對方還看不見、看不清自己的時候;就能看得見、打得着對方
此後隨着導彈技術的快速進步,格鬥導彈也可以可靠的從目標前方發起攻擊;而中距導彈不僅迎頭射程大大增加,還獲得了同時可以發射多枚導彈、射擊多個目標的能力。在90年代以後,第一次迎頭交鋒中,誰能率先發現、鎖定對手,並先行發起攻擊,已經可以在極大程度上決定空戰的勝負和生死了。
因此在戰鬥機的隱身設計中,機頭方向在前半球的信號特徵,是所有方向中最重要的。前向的最大信號特徵來源又有三個,分別是進氣道、雷達天線、座艙。對於不考慮隱身設計的戰鬥機,進氣道是正前方最強的信號特徵來源;單發戰機能佔到40%,雙發戰機可以達到60%甚至更高。
圖:蘇57的直通進氣道是不可能隱身的,不存在任何補救的可能性
比如對蘇27這種正面能達到15-25平米的機型來説,兩個進氣道的貢獻就可以超過9-15平米。此處引用611(成都飛機設計研究所)副總師桑建華桑總公開出版的《中航首席專家叢書——飛行器隱身技術》一書結論:
“若單純追求進氣效率,則選擇直管進氣道如蘇27飛機,但這樣會使發動機入口端面直接暴露在正前方入射的電磁波面前,從而在機頭方向產生很強的鏡面回波,即便偏離正向的入射波,也將因腔體效應在很寬的範圍內產生較強的回波。”
圖:角反射器能以最小的損耗,把來射的雷達波原路反射回去
圖:小型無人機懸掛角反射器飛行,用於雷達的測試矯正。角反射器(利用直角反射)、龍波透鏡,都能以很小的尺寸形成非常強烈的反射特徵
圖:F-15的側面,由於機翼和機身、垂直尾翼與水平尾翼間,大量形成了直角相交的線、面;因此它的反射特徵特別強烈,在入射波長λ=5cm的情況下,90±5度範圍內的雷達反射面積可以達到400平方米。
這涉及到一條規律:雷達信號的強弱,並不是直接看它的真實尺寸大小。有些特殊的形狀和結構,在反射雷達信號時,會形成特別強烈的特徵,遠遠超過自身的物理尺寸。除了直角結構以外,管狀的空腔、高速旋轉的轉子葉片都是典型;而飛機的進氣道,恰好是兩者的結合體,這也是為什麼進氣道本身的截面積很小,但卻能提供巨大的雷達反射面積:
圖:通信和探測領域,管狀空腔結構大量用來傳遞無線電波,形成波導部件,效率越高,電波穿越整個空腔的損耗越低。
圖:隱身機的進氣道設計,基於與波導部件設計相同的電磁學原理,但追求的目標卻極端相反:要盡全力讓電波在進氣道的空腔內消耗,使來射的雷達波在完成“進入進氣道——沿內壁不斷前進——照射發動機葉片——原路返回”的過程中變得極為微弱。
戰機發射的雷達波照射到多數結構上,都是分散性的反射出去,其中一部分才能返回戰機所在的方位,被雷達接收、形成回波型號。但在照射進氣道時,發射出的雷達波卻被聚集在一起,怎麼過來的,還怎麼一股腦兒的全反射回戰機雷達的方向。這種狀態下,戰機雷達接收到的信號強度,就要高得多得多。
美國在超視距作戰條件下的敵我識別技術中,有一種強制性的識別技術(不需要對方進行應答),就是高精度的檢測、分析對方進氣道的回波:不同機種的進氣道和發動機類型都不一樣,因此反射雷達信號的特徵也不同;根據這個差異,美國戰機可以直接辨別出目標的大致型號,從而在一定程度上判斷出被檢測的目標屬於哪個陣營。
在611的隱身研究中,他們對不同類型進氣道的隱身化處理,進行了大量的對比研究;就結論而言,和美國是一致的,比如最基礎的一條:“完全遮擋發動機入口是一個極重要的設計點。因此,在進行進氣道優化設計時,應儘可能將發動機入口完全遮擋。”在《飛行器隱身設計》中,611給出了一個非常有代表性的研究結果:
圖:611給出的計算模型,4就是蘇27、蘇57所用類型
圖:信號最強烈、最上面的那條,就是直通進氣道的特徵曲線
圖:dB(分貝)與倍數的關係,0分貝/1倍,10分貝/10倍,20分貝/100倍,30分貝1000倍,40分貝10000倍,50分貝100000倍。
直通進氣道(計算模型4)和彎曲程度正好能遮蔽發動機的S型進氣道(計算模型3)相比,在整個120度的前半球範圍(機頭指向±60度)內,信號強度平均高出近17.2分貝,也就是雷達反射特徵超過後者的51倍;而在正前方的30度範圍內,信號強度高出25.8分貝——這種狀態下,直通進氣道的雷達反射特徵,將會是S型進氣道的近400倍!
而且直通進氣道的強烈信號反射特徵,無法被吸波塗料所抑制:在±5度的範圍內,吸波塗料對直通進氣道根本沒有任何效果;±10度之後,吸波效果才開始出現。而S型的進氣道,±10度內的吸收效果已經非常明顯了,隨着偏移角度的加大,吸波效果的強化速度還遠超直管進氣道。
圖:殲20選用兩側進氣的核心原因有兩個,首先,使進氣道可以從高度、寬度兩個方向進行扭曲,可以採用儘可能好的形狀;其次,面對來自側前方的探測時,總有一邊的進氣道可以被前機身遮擋
圖:蘇57在遭受側前方的探測時,一側的進氣道不能為另一側提供遮蔽
要強調的時,吸波塗料/材料,由於厚度和結構上的限制,並不能確保對所有角度範圍內入射的雷達波都能良好的吸收。
因此S型隱身進氣道的設計中,除了盡力避免出現強反射特徵的截面形狀(比如近似矩形)外;設計師安排怎麼彎曲、截面積怎麼變化的核心考慮之一,就是讓入射的雷達波在進氣道的前進過程中,每一次照射在內壁上、反射前進的時候,它與吸波材料之間形成的角度,正好處在吸波效率最高的範圍內。
目前進氣道的隱身化設計中,幾個最主要的措施包括:選用合適的固定結構進氣口,採用針對電磁信號特徵優化設計的S型大彎曲結構,塗敷吸波材料,在發動機前方使用吸波導流體。
圖:注意F18E/F進氣道內最前方的葉片,它是固定結構的吸波導流體,會導致進氣效率降低,引發推力性能上的損失。
吸波導流體除了本身能把發動機轉子葉片屏蔽在後方、一定程度吸收雷達波以外;還有一個非常重要的作用,它通過自身的固定結構,使入射過來的雷達波,能相對可控、有序的再反射回去,以最高吸收效率的角度照射在吸波的進氣道內壁上。換句話説,吸波到流體的效果要完全發揮,依舊要配合針對性設計的S型進氣道。
在美國的飛機發展中,不乏吸波導流體控制信號的機種;但從沒有一種型號,能單純靠它達成進氣道隱身效果。比如F18E/F,由於它是從非隱身機改進而來,雖然設計中引入了隱身控制的元素,包括加萊特進氣口、有限彎曲幅度的S型進氣道、吸波導流體、座艙鍍膜、飛機塗敷70公斤的隱身塗料、部分結構採用吸波材料;但這些設計的綜合效果,也只是把它的反射特徵縮小到與F16相當。
圖:蘇57基本佈局改無可改
蘇57這種從基本佈局到各處細節,完全背離隱身設計原則;這注定了它不可能具備隱身能力,也不可能在保留其基礎設計的前提下,改進出隱身能力。
和三代機相比,蘇57根本沒有本質性的性能突破,根本不配被稱之為五代機。它可以通過在彈艙中攜帶空對空導彈——也只能攜帶空空導彈,獲得比其它三代機(空戰掛載下)有限程度降低的雷達反射特徵,持續高速飛行能力更好,但僅此而已。