飞行器气动布局与外形隐身设计

杜红军

摘 要 外形隐身在降低飞行器雷达可探测性方面意义重大，对缩减主要方向上RCS值的贡献量可达70%以上。外形隐身需要开展一体化设计，协调与气动布局要求之间的诸多矛盾。本文在对雷达散射截面积的概念和影响因素进行分析的基础上，结合若干典型隐身气动布局的特点，综述了飞行器外形隐身设计的几种主要方法。

关键词 气动布局 外形隐身

中图分类号：V211. 3 文献标识码：A

飞行器的隐身，主要是指利用各种技术手段缩减飞机的特征信息，降低飞机的可探测性，使敌方探测系统不能发现本机或推迟发现本机的时机，无法实施有效拦截和攻击，从而提高飞机的突防能力和生存能力，并增强攻击的突然性。隐身技术已成为一门多学科综合的高新技术，并从雷达隐身扩展到红外、可见光和声波隐身等领域。隐身设计的方法很多，涉及的技术也非常复杂，通常是多种措施综合运用，但一般都要从外形、结构、材料和工艺等方面入手。本文主要研究了通过外形设计缩减目标雷达特征信号的方法。

1雷达隐身的基本概念

1991年的海湾战争中，美军部署在海湾地区的F-117A“夜鹰”隐身飞机，以累计仅占整个空袭2%架次的出动量，成功攻击了40%以上的重要战略目标，该机出入巴格达如入无人之境，让世人第一次感受到了雷达隐身技术的巨大魅力。在雷达隐身领域，有一个重要的概念，即雷达散射面积（Radar Cross Section）的概念， 它是衡量雷达隐身性能的主要指标，简称为RCS。

RCS是表征飞机雷达回波信号强弱的物理量，其定义为“目标在单位立体角内向接收机天线散射的功率与入射到目标处单位面积内功率之比的4倍”。当雷达波照射到目标上时，目标将以球体的形式向其周围的空间散射雷达波，只是在不同的方向上散射回波的功率不同。那么，在正对雷达接收机天线的方向上，1度球体角的范围内散射回波的功率与入射到目标处单位面积内功率之比的4倍，即为雷达散射截面积RCS。由此可以看出，這个量其实正比于两个功率密度的比值，它应当是一个无量纲的量，但是后来在雷达隐身研究领域为了定义和度量使用方便，电子工程师们采用了等效几何面积和米制的概念，使其有了单位，即“平方米”。影响雷达散射面积的主要因素有目标的几何外形、电性能、雷达波照射的方位、雷达入射波的波长、入射场的极化形式和接收天线的极化形式。

图1表示在其他外部条件确定时，B-26轰炸机在其机身水平面内各个方向上RCS值的分布情形。可见，对于没有考虑隐身设计的飞机，其各个方向上的RCS值大体相当，而且是不规则分布的。现今的第三代战斗机，其主要方向（机头正前方30度立体角）上的RCS值为1～2m2，而对于第四代战斗机，其主要方向上的RCS值还要再降低一个数量级。有资料表明，F-117A在主要方向上的RCS值约为0.025m2，仅相当于一只大鸟，而B-2在主要方向上的RCS值约为0.1m2，仅相当于一枚常规有翼导弹。这说明，RCS值的大小与飞机外形的大小实际上是没有必然联系的。

2常规气动布局中的非隐身特征

气动布局是指飞机外部的总体形态布局与位置安排，如机身、进气道、主翼、尾翼等的几何尺寸和布置形式，它是飞机飞行性能的主要决定因素之一。气动布局通俗地说就是飞机“长什么样”的问题，受其影响的飞行性能则涵盖了飞机的飞行包线，起降、机动、续航等各个方面的性能，这其中又要考虑气动布局带来的飞机操纵性和安定性等重要问题。对于传统未经隐身设计的战斗机，有许多外部特征都会产生强的雷达散射回波，主要有以下几个方面：

一是垂直正交形成“角反射器”的表面，如单立垂尾与机身、机翼与机身、挂架与机体的外表面、机体表面的天线、翼刀、腹鳍等；二是机翼和尾翼的前、后缘线条及切角、尖端部位；三是进气道唇口、发动机尾喷管及外露的发动机叶片；四是飞机外部的舱口盖、台阶、舵面缝隙等；五是各种外挂配置，如副油箱、导弹、炸弹等，如图2所示。

飞机外部这些未经隐身处理的高散射特征的部位，将构成整机RCS大小和特征的主要散射源或称为“亮点”。如果采取适当的隐身措施对这类“亮点”进行局部改造，降低这些区域散射能量的水平，综合起来就可以显著降低战机整体的可探测性，达到在相关方位角降低雷达发现距离和压缩反应时间，以较低的成本和性能代价换来提高战场生存力的目的。

3外形隐身设计的主要措施

外形隐身是指通过恰当设计飞机的外形，将其雷达散射回波的能量控制在重点方向以外，使飞机在重点方向上的RCS值大幅减小，从而远离雷达威胁区域的措施。外形隐身在所有隐身措施中对缩减RCS的量贡献最大，通常占总缩减量的70%以上。但是，改变飞机的外形并不能单纯只满足隐身的需求，还需要综合考虑气动性能、结构设计、工艺性、飞行控制、加工制造等诸多因素。从大的方面看，目前趋于成熟的外形隐身措施主要有：

3.1融合

一是翼身融合，比如SR-71“黑鸟”高空高速侦查机，它是隐身设计起步阶段的代表作，飞机机身到机翼沿展向是平滑的过渡。这种设计既有利于隐身，又改善了气动性能，是三代机普遍采用的设计技术之一，如图3所示，但必须在加工制造技术达到一定水平才能实现。二是外挂物融合，最高级的形式是将燃油和武器全部置于机身内部，飞机外部看不到任何外挂物。美、俄的第四代战斗机，包括我国的歼-20均已采用这种设计。很明显，这种设计会增大飞机的迎风面积，加大其飞行的阻力，并带来机构设计上的巨大困难。其次是采用保形外挂的方案，如美军F/A-18E/F的最新改进型“先进超级大黄蜂”，即在机翼根部机身两侧采用了可拆卸的“肩抗”式保形副油箱，而欧洲的“台风”战斗机，则采用了机身挂架内置的方案，机身上的导弹挂装完毕后形成一种“紧贴”在机身上的态势，如图4所示。三是天线共形，取消飞机外部突起的各种天线，最大限度地使之与机身外形融合。

3.2斜置

斜置是指在飞机外形中采用倾斜平面的设计，这种设计易于控制雷达散射回波的方向，但如果用在机身设计中，则会导致浸润面积增大，气动性能下降。本文前已提及的F-117A战斗轰炸机，其机身上半部分采用多个倾斜的面元组合而成，获得了良好的隐身性能，但付出了无法超音速飞行和机动性能差的代价。目前，斜置的布局措施已成功应用于隐身飞机的尾翼设计上。在现代的隐身飞机上，传统的垂直尾翼都已经不再“垂直”于机身了，而是对称地向内倾斜或向外倾斜布置，有效地降低了飞机尾部的RCS值，但导致了飞机额外重量的增加。当然了，外形设计过程中还可以把所有散射雷达波的翼面都尽量拿掉，只留下必須的主机翼，并与机身高度融合而演化出“飞翼”布局，但这必然又要付出气动性能的代价。随着主动控制技术和推力矢量技术的日渐成熟，飞翼布局在满足了操纵性及隐身特性要求的前提下，以其升力系数大的突出优点，奠定了其在隐身飞行器研究中的地位，并成为了现今高端隐身无人机的典型布局。

3.3修形

一是机头修形。传统的机头外形无外乎长球体和圆锥体两种形式，其截面均为圆形，而圆形截面的机头形状是雷达隐身设计的大忌，因为它在各个方向上均有较强的雷达散射特征，如图5所示。因此，对机头部分进行修形处理成为了雷达隐身设计的重要任务。为了兼顾气动性能和结构强度的要求，隐身飞机的机头部分基本上都被修成了带有棱边的不规则的橄榄体。图5表明，修形后可以使机头部分主要方向上的RCS值比常规机头缩减3个数量级。二是翼面修形，在水平方向上，将飞机一侧主机翼、水平尾翼、前缘边条、活动舵面的线条全部设置成平行的，使其外形轮廓的方向尽可能一致；在垂直方向上，使两个主要的散射源，主机翼和水平尾翼，安排在同一个水平面内，即高度一致，甚至水平尾翼插入主机翼的后缘，形成“干涉”的布局形态，主机翼在飞机正前方方向上完全遮挡了水平尾翼，或使二者的散射回波相互干涉而减弱其强度，如图6所示。三是进气道和尾喷口的修形。修形后的进气道唇口和尾喷口外形也与翼面的方向尽量一致，或采用专门的隐身化处理，比如把进气道和尾喷口都置于飞翼布局的背部，使地面防空雷达不能照射到这些外形特征。当然了，这样的隐身化处理，必然要损失发动机的推力性能，进而损失了飞行性能。四是飞机外部细节的修形，比如把飞机外部的舱门、口盖设计成锯齿形，把冲压引气口全部置于机身内部等等，如图6所示。修形以后，飞机的RCS值会在少数很窄的方位内出现峰值，但峰值之间的RCS值非常小，与背景噪声难以区别，从而使雷达接收不到连续的信号，无法捕获和稳定跟踪目标，从而大大降低了被雷达发现的概率。

4结束语

隐身技术的发展是作战需求、理论、技术发展的综合产物。气动性能对飞机外形设计提出的要求，与降低RCS提高隐身能力对飞机外形设计的要求，一般来说是不一致的、相互矛盾的。因此必须从飞行器概念设计就开始开展隐身与气动的一体化设计，妥善处理两者相互矛盾的要求，进行折衷，以最终获得既有低RCS值又有良好飞行性能的飞机外形。纵观国内外的现状可以发现，新型战斗机已经成功地将隐身外形设计技术、低超音速波阻技术、大迎角气动技术和非定常前体涡控制技术等融合在一起，在隐身性能和气动性能之间取得了很好的折衷，二者的结合日趋完美。

参考文献

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[3] 桑建华，周海等.隐身技术推动新一代飞行器发展[J].航空科学技术 2012（3）：15-18.

[4] 顾诵芬.飞机总体设计[M].北京航空航天大学出版社，2001.