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歼20写到脸上的极致奢华:隐身密码全曝光,细节不输F22

建軍節之際, 一組剛出廠“素顏”殲-20的清晰大圖, 照片中的飛機僅上黃色的防腐蝕底漆而沒有正式涂裝, 但在雷達天線罩與機翼、彈艙邊緣卻呈現黑色的“黑膠帶”。

這些“黑膠帶”的背后可以說信息量巨大, 如雷達罩是應是為了對雷達波保持透明不能上漆, 其它部位的黑色邊條很可能是電磁或材料特性特殊, 同樣無法噴上黃漆。 這些材料很可能是為隱身而采用的吸波材質, 也就是說它們身上藏著殲-20的隱身密碼, 從細節看, 相比F-22/35也毫不遜色。 今天, 北國防務就來試著解讀一下。


殲-20的側面(上)都有傾斜角度,

就是為了讓面反射轉向(左下)而不會回到雷達。 但邊緣散射會朝垂直面的360度散射出去(右下), 增加了回到雷達天線的機率, 必須以角度平行、吸波結構等方式壓制

根據隱身原理, 雷達波打在飛機上的反應可分成三種:首先, 雷達波會依入射角等于反射角的原則, 反射到相反方向去, 這可稱為“面反射”;其次, 雷達波遇到邊緣也是依入射角等于反射角的原則作反射, 但反射波繞著邊緣形成錐狀或環狀, 就稱為“邊緣散射”;第三, 雷達波不管打到面或邊上, 都有部分能量會沿著表面爬行, 直到下個不連續區域才產生散射, 這稱為“表面波”。

其中, 讓隱身設計者最頭痛的是邊緣散射, 因為面反射就好像在太陽下拿個大鏡子般,

當它正對你眼睛雖然會很刺眼, 但只要偏個角度你就看不到反光了。 但是邊緣散射卻像是太陽下的一根細鐵絲, 雖然只看到一條細細的反光, 但因為環狀散射的關系, 不管你從那個角度都看得到, 這就代表飛機怎么跑, 雷達員也能從屏幕上看到它的邊緣散射。


早期的吸波結構是類似消聲室的原理, 利用鋸齒狀結構讓電波來回反射, 而被介質吸收能量, 例如SR-71的機翼前后緣(左), 據說B-2邊緣采用的新版吸波結構, 是在玻璃纖維構成的微型蜂巢結構填入不同密度的石墨, 讓能量無法反射, 并被石墨阻抗以漸進方式消耗掉(右)

早期隱身飛機的設計者就是不了解邊緣散射的嚴重性, 所以雷達截面積降不下來。 而從F-117開始,

設計者就知道邊緣散射是對垂直方向最強, 如果讓飛機表面的眾多邊緣盡可能平行, 則散射方向就會集中到少數角度, 大部分角度就只會產生極微量的反射, 在雷達眼中成為“隱形”。

然而, 洛·馬工程師曾說, 隱身設計原則就是“形狀、形狀、形狀、以及材料”。 這并不是說只有形狀才是重要的, 而是用形狀消除了大部分的回波, 材料就可以再消除剩下的頑固份子。 例如, 在邊緣加上吸波結構, 就降低邊緣散射能量, 則隱身飛機就算用邊緣對著你, 你也未必看得到回波。 因此, 我們可以看到殲-20的所有翼面前緣與側緣都有黑色邊條, 很可能就是吸收邊緣散射的特殊結構。


雷達波沿表面爬行到機翼后緣后, 部分散射能量會轉向180度而回到前方的雷達天線,

因此隱身飛機的后緣必須加大前掠角使散射轉向(下), 也可利用后緣的鋸齒狀結構來達到小尺度轉向效果

在殲-20的前翼與襟翼后緣, 我們發現黑色邊條還呈現了鋸齒狀, 這就與“表面波”有關了。 一般人以為, 飛機后緣只跟后半球的回波有關, 所以飛機如果不在乎后半球的敵人, 使可以省略后緣的隱身處理。 但這是錯誤的觀念, 當雷達打到前機身或機翼前緣后, 一部份能量會沿著表面爬行, 直到遇上結構接縫或后緣又產生環狀的邊緣散射, 也會增加前半球的回波。

因此, 早期的隱身飛機會利用“飛鏢式”或“鋸齒式”后緣來增加后緣角度, 甚至與前緣平行, 就是為了降低表面波的后緣散射。

但殲-20的受限于戰斗機的高機動需求, 后緣角度不能太大, 就只能透過吸波結構的鋸齒形狀增加后緣散射的角度, 從而減少正前方的回波。


腹鰭主要是彌補橫向穩定性的不足, 例如F-16(下)為了減重采用單垂直尾翼, 就靠腹鰭來彌補高攻角與高速狀態的穩定性;殲-20(上)可能也因為垂尾翼面較小而需用腹鰭彌補

但是吸波結構只能做在邊緣, 不能整片翼面都是嗎?新一代隱身技術是在碳纖維編織過程就加入吸波材質, 所以殲-20的黃色底漆下的碳纖蒙皮可能也有一定吸波能力。 然而, 機體不同部位的受力與溫度不同, 主翼部位可能還要嵌入天線、燈具、維修艙蓋、外置掛架等等需求就需要較高強度的材料, 就得犧牲吸波系數。

但殲-20的腹鰭僅具穩定功能而不負責控制,因此受力輕微;加上沒有任何天線或燈具,因此我們可以看到腹鰭除了前、后緣外,中間一大塊也是黑色吸波材質。由于威脅雷達波大多來自下方,西方隱身飛機都避免使用腹鰭,而殲-20的腹鰭藉由增加吸波材料的比例可降低對下半球隱身的沖擊。


前翼由于受力較大,目前還難以用全復合材料制造,例如 “臺風”(左下)是整片用鈦合金打造, “陣風”(右下)則是前半鈦合金,后半復合材料,因此殲-20的前翼(上)可能也是鈦合金結構,邊緣加上吸波結構

有觀點以為,前翼與腹鰭一樣都是單純的氣動面,也能用全吸波材料制成以消弭對前半球隱身的沖擊。但前翼與腹鰭的不同點在于前翼是控制面,需要改變攻角來產生俯仰力矩,而升力的反作用力就會形成結構負荷。

事實上,由于前翼位于氣流的上游位置,其單位面積的受力會比主翼還大,因此像 “臺風”與 “陣風”的前翼都必須以高強度、抗疲勞的鈦合金結構打造,自然無法大幅采用吸波結構。同樣的道理也可套用到殲-20的全動式垂直尾翼,因為要產生偏航與高攻角滾轉力矩,對強度的要求較高,也只有邊緣能裝吸波結構。


(上)F-35的DSI進氣道腫包是機身結構(紅圈處)的一部份,蒙皮材質也與機身相同,但進氣道外唇則整條都是褐色吸波結構(下)殲-20的“腫包”有兩片大型吸波蒙皮,進氣道外唇也有長條狀黑色吸波結構,但轉角處可能因為工藝問題沒有涵蓋到

不過,跟腹鰭一樣不用“出力”的部位還有DSI進氣道的“腫包”,它是利用精確的表面形狀達到控制震波與排除邊界層亂流的效果,本身受力不大,因此殲-20在腫包上下換成大片吸波材質可降低前方與側方的回波。

另外我們可以隱約看到進氣道內壁也是黑色材質,這是因為殲-20雖然采用S形進氣道讓雷達無法從前方照到發動機葉片,但雷達波打到進氣道內壁還是會在多重反射后打到發動機正面,又經過多重反射從進氣道出來,所以整個進氣道內壁都需具有吸波效果,使雷達波在多重反射的過程衰減消失。


除了艙門外框與結構接縫外,(上)F-22的Caret進氣道整片邊界層隔板與機身內壁(紅圈)可能是褐色吸波結構,以避免邊界層隔板產生多重反射回波(中)F-35的垂直尾翼、水平尾翼與襟翼也是大塊黑色吸波結構。(下)新版的殲-20出廠照也在側面與腹部彈艙增設了早期版本沒有見到的吸波外框,表示這些可能是更新的量產版本

當然,這些也都只是我們的推測,畢竟我們無法到現場“切一塊”回來分析。但讀者可能也想知道的是:那美軍的吸波結構又長什么樣子呢?從F-22與F-35的出廠照片可以發現,其翼面前后緣并沒有明顯的邊條,這是因為F-22與F-35全機幾乎是碳纖維蒙皮,在碳纖維強化塑料的成形過程就嵌入了吸波材質與微型結構,加上表面的吸波鍍層,形成全面的吸波效果。

然而,它們在機身艙蓋外框與主要結構的接縫會出現不同顏色的復合材料,官方說法是因為局部受力較大或是溫度較高,需要不同材質來強化;但這些材料可能也強化了吸波功能,以阻止表面波從接縫處泄漏。

值得注意的是,這波殲-20的黃皮照也首度在側面與腹部彈艙也首度出現了吸波外框,顯示殲-20在服役后也逐步加強吸波措施,盡量將一切做到極致來對標F-22/35的隱身性。

但殲-20的腹鰭僅具穩定功能而不負責控制,因此受力輕微;加上沒有任何天線或燈具,因此我們可以看到腹鰭除了前、后緣外,中間一大塊也是黑色吸波材質。由于威脅雷達波大多來自下方,西方隱身飛機都避免使用腹鰭,而殲-20的腹鰭藉由增加吸波材料的比例可降低對下半球隱身的沖擊。


前翼由于受力較大,目前還難以用全復合材料制造,例如 “臺風”(左下)是整片用鈦合金打造, “陣風”(右下)則是前半鈦合金,后半復合材料,因此殲-20的前翼(上)可能也是鈦合金結構,邊緣加上吸波結構

有觀點以為,前翼與腹鰭一樣都是單純的氣動面,也能用全吸波材料制成以消弭對前半球隱身的沖擊。但前翼與腹鰭的不同點在于前翼是控制面,需要改變攻角來產生俯仰力矩,而升力的反作用力就會形成結構負荷。

事實上,由于前翼位于氣流的上游位置,其單位面積的受力會比主翼還大,因此像 “臺風”與 “陣風”的前翼都必須以高強度、抗疲勞的鈦合金結構打造,自然無法大幅采用吸波結構。同樣的道理也可套用到殲-20的全動式垂直尾翼,因為要產生偏航與高攻角滾轉力矩,對強度的要求較高,也只有邊緣能裝吸波結構。


(上)F-35的DSI進氣道腫包是機身結構(紅圈處)的一部份,蒙皮材質也與機身相同,但進氣道外唇則整條都是褐色吸波結構(下)殲-20的“腫包”有兩片大型吸波蒙皮,進氣道外唇也有長條狀黑色吸波結構,但轉角處可能因為工藝問題沒有涵蓋到

不過,跟腹鰭一樣不用“出力”的部位還有DSI進氣道的“腫包”,它是利用精確的表面形狀達到控制震波與排除邊界層亂流的效果,本身受力不大,因此殲-20在腫包上下換成大片吸波材質可降低前方與側方的回波。

另外我們可以隱約看到進氣道內壁也是黑色材質,這是因為殲-20雖然采用S形進氣道讓雷達無法從前方照到發動機葉片,但雷達波打到進氣道內壁還是會在多重反射后打到發動機正面,又經過多重反射從進氣道出來,所以整個進氣道內壁都需具有吸波效果,使雷達波在多重反射的過程衰減消失。


除了艙門外框與結構接縫外,(上)F-22的Caret進氣道整片邊界層隔板與機身內壁(紅圈)可能是褐色吸波結構,以避免邊界層隔板產生多重反射回波(中)F-35的垂直尾翼、水平尾翼與襟翼也是大塊黑色吸波結構。(下)新版的殲-20出廠照也在側面與腹部彈艙增設了早期版本沒有見到的吸波外框,表示這些可能是更新的量產版本

當然,這些也都只是我們的推測,畢竟我們無法到現場“切一塊”回來分析。但讀者可能也想知道的是:那美軍的吸波結構又長什么樣子呢?從F-22與F-35的出廠照片可以發現,其翼面前后緣并沒有明顯的邊條,這是因為F-22與F-35全機幾乎是碳纖維蒙皮,在碳纖維強化塑料的成形過程就嵌入了吸波材質與微型結構,加上表面的吸波鍍層,形成全面的吸波效果。

然而,它們在機身艙蓋外框與主要結構的接縫會出現不同顏色的復合材料,官方說法是因為局部受力較大或是溫度較高,需要不同材質來強化;但這些材料可能也強化了吸波功能,以阻止表面波從接縫處泄漏。

值得注意的是,這波殲-20的黃皮照也首度在側面與腹部彈艙也首度出現了吸波外框,顯示殲-20在服役后也逐步加強吸波措施,盡量將一切做到極致來對標F-22/35的隱身性。

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