深藏不露的牙齿-隐身飞机内置弹舱设计.docx

深藏不露的牙齿隐身飞机内置弹舱设计 文/ 邱贞玮飞机安排内置弹舱并不是什么新鲜做法，早在第二次世界大战之就已经有很多应用。轰炸机自不必说，在单发飞机中，美国TBF“复仇者”鱼雷攻击机上也有弹舱。二战后，有些飞机也继续保留这一设计，例如英国“掠夺者”攻击机、我国强5 攻击机等。攻击机和轰炸机应用内置弹舱设计的原因与其攻击方式有关。在制导武器出现之前，人们发现形状短粗的高阻炸弹精度比细长圆滑的低阻炸弹好，所以轰炸时普遍采用高阻炸弹。但是飞机挂载挂高阻炸弹飞行时阻力增加很大，会导致飞机速度和升限都大幅下降，难以摆脱敌方战斗机的拦截，于是设计师们就为飞机添加内置弹舱，以避免挂弹后增加阻力。但是一般战斗机里使用内置弹舱的较少，其中比较典型的是美国F-106 截击机，它为了最大限度提高爬升速度和最大飞行速度，将导弹放到机腹弹舱中。隐身飞机内置弹舱的需求当飞机进入隐身时代以后，自F-117起，现有隐身飞机全部采用了内置弹舱设计，哪怕为此在结构重量、截面积分布等方面付出巨大代价也在所不惜。飞机雷达隐身最重要的是外形设计，采用内置弹舱是为了保持飞机的隐身性能。就现有技术水平而言，设计师首先要避免飞机外表形成相互垂直的雷达角反射体和凹陷，避免形成强反射；其次要保证飞机所有外表面和线条平行，将雷达波反射到偏离雷达的方向；再次要减少飞机外表的不连续面，抑制爬行波的反射。如果飞机将导弹挂载于外面，那么导弹弹体、弹翼很可能与机体表面形成角反射体，导致雷达波的强烈反射。即使避免了这种情况出现，并使导弹外形线条与飞机平行，也会因为导弹与飞机外表面的不连续导致爬行波反射增加，而且导弹为了减重、降价很可能无法喷涂隐身涂层，这也会导致雷达波反射强度增加。以当前隐身飞机的技术水平，可以将雷达反射截面积（RCS）降低到0.01 ?0.0001 平方米等级，而一枚未经过隐身设计的空空导弹的RCS 就可以超过0.01平方米；挂载到飞机上后，很可能使整架飞机的RCS 增幅超过0.1 平方米，使隐身设计彻底白费。在证实隐身将对空战带来最大改变后，为了保持飞机的隐身性能，设计师们宁可付出重量和阻力上的代价也要添加内置弹舱。当然，除了内置弹舱以外，外挂“茧包”也是改善现有飞机隐身能力的途径之一。波音公司在2011 年年中展出了携带保形油箱和腹部发射茧包的F-18E 战斗机出口型号，每个“茧包”中可安放4 枚AIM-120 中距导弹或一枚908 千克炸弹或两枚225 千克炸弹。尽管这“茧包”的空重达到了370 千克，但这一重量可通过拆除常规的外挂架得到一定的补偿，同时“茧包”还可改善战机的气动特性并降低雷达反射截面。第三代战斗机的正面RCS 大致在3?10 平方米之间，F/A-18E 战斗机在处理了机载雷达天线、进气道和座舱这三大强反射源后，正面RCS 缩小到0.5 平方米以下，可以大幅提高机载电子干扰设备的效能。但携带多枚导弹、炸弹后，F/A-18E的正面雷达反射截面积可能增加到1 平方米以上，侧前方受角反射效应影响增幅可能更大，这对攻击高威胁区域目标时很不利，导致飞机更容易被防空导弹拦截。使用茧包携带炸弹和导弹后，F/A-18E 可以在攻击高威胁区域目标时保持较低的雷达反射截面积，配合电子干扰机和机载电子干扰系统，能够更加安全地攻击目标，在对付缺乏战斗机拦截能力和先进防空系统的国家时尤其如此。但是这样做获得的收益有限，对作战手段完善的大国来说，通过使用防区外发射的精确制导武器、攻击型无人机、隐身攻击机一样可以达成目的。挂载“茧包”使飞机丧失超声速飞行能力，这对飞机自卫空战十分不利，因此很难得到包括美军在内的大国军队的认可。因此这种“茧包”最适合的还是缺乏配合作战能力的中小型国家，使其可以通过提高单机作战能力的途径在短时间内对邻国形成较强威慑。弹舱体积控制弹舱越大，飞机增加的机内空间越大，弹舱在高过载机动时保持结构完好所需要的结构强度越高，大尺寸弹舱门在高速状态下不被气流撕裂所需要的结构强度越高，于是飞机空重增加越多，气动阻力增加越多，所以大尺寸弹舱对飞机整体设计是很不利的。但是越大的弹舱用起来越方便，由于采用了交错放置的设计，一个能够容纳3枚空空导弹弹舱的体积比只能容纳2 枚导弹弹仓的体积增加约30%。而且大弹舱可以携带的武器种类更多，除了空空导弹和小尺寸炸弹外甚至还能携带重型炸弹和反舰导弹，从而增加飞机的多用途能力。由于飞机的各种设计需求在内置弹舱问题上彼此矛盾，所以设计师必须依据飞机设计意图和技术水平来确定弹舱尺寸。F-35 的弹舱能够容纳2 枚1000 千克重磅炸弹和2 枚空空导弹，体积和重量更大的F-22 只能容纳2 枚500 千克重磅炸弹和2 枚空空导弹，多用途能力明显较低； 但是F-22 可以携带8 枚空空导弹，F-35就只能携带4 枚，这体现了飞机设计意图上的区别。F-22 战斗机整体设计完成于20 世纪80 年代，详细设计在90 年代初进行，是世界上第一种隐身战斗机，因此在很多方面缺乏借鉴和参考资料，在设计上对飞机任务扩展考虑较少，所以完全侧重于空优任务。而且F-22 设计时预计于20 世纪90 年代末服役，与F-15、F-16 等三代机配合作战，不需要执行对地攻击任务，所以弹舱尺寸设计得较小，如今只能靠开发小直径炸弹来增加其对地攻击能力。当前战斗机弹舱尺寸最低限度下要满足空空导弹的挂载需求，中距拦截空空导弹的长度在3.6 ?4 米之间，因此主弹舱长度不能低于4 米，但也不会长于4.5米；弹舱中后部深度不低于0.6 米（这是中距弹弹翼翼展和弹射挂架所需的最小高度），最好达到0.8 米，以容纳翼展更大的重型炸弹；容纳3 枚空空导弹时宽度不低于1 米，也不会超过1.2 米；考虑到弹舱并非完全的矩形立方体，主弹舱整体体积不会低于2 立方米，上限不超过3.8 立方米。侧弹仓长度不低于3 米，深度不低于0.5 米，宽度不低于0.4 米，体积超过0.6 立方米。弹舱位置选择战斗机内置弹舱的位置安排要考虑几个方面的因素。首先是弹舱会出现满载和空载两种情况，不同挂载下弹舱内武器的重量可能相差1 ?2 吨，这对30 吨级别的飞机来说已经是很大的重量，如果弹舱位置偏离飞机重心，会对飞机的纵向平衡造成很大负担，需要鸭翼或平尾偏转来保持飞机平衡，这会增大阻力减小航程，对完成任务极其不利，所以弹舱要安排在飞机重心附近位置。其次要考虑飞机总体设计尤其是减阻的需要。由于武器挂载数量和武器弹翼翼展限制，弹仓的横截面积是难以缩小的，增加的弹仓会导致飞机横截面积增加，而横截面积越大飞机阻力就越大，这对提高飞机升阻比增加载荷航程、实现超声速巡航都是非常不利的，因此飞机尤其是战斗机的弹舱必须考虑整体设计下的减阻要求。F-22F-22 这类隐身重型制空战斗机采用两台发动机和机身肋部进气道的布局，为了满足隐身要求，进气道从进气道口开始向机身内侧上方拐弯，而后恢复成平直进气道连接发动机进气口，由于必须安排这个进气道拐弯，因此在进气道口后方出现了一个空白的区域。传统飞机不考虑隐身要求，也就不会设计弯曲进气道，在单发飞机上这个区域可能体现为机体表面的收缩，例如FC-1 战斗机；进气道在机身下方的飞机可能将这里安排为前起落架舱，例如歼10 和“台风”战斗机。作为空优战斗机，F-22 要求击落一切空中目标，因此无法回避近距离格斗空战，也就需要设计格斗弹舱。进气道口侧后方的位置恰好可以满足战斗机在盘旋空战中打击前上方目标的要求。由于格斗弹打击的往往是位于载机前上方的目标，所以格斗弹需要相应的视野范围，因此格斗弹舱只能单独布置在这个位置。作为双发动机窄间距布局的飞机，其两个进气道在拐弯后并列纵贯机身中央，弹舱只能放在进气道下方或两侧。大型涡扇发动机的进气口直径超过1 米，算上发动机安装隔框之后，中部机身宽度已经接近2.5 米，如果再在两侧放置2 个超过1米宽的弹舱和2 个主起落架舱，机身整体宽度恐怕会超过5 米，导致飞机展向宽度太大、结构设计难度过高，而且机身横截面积也难以做到连续平滑变化，导致飞机亚声速飞行时阻力增加、航程缩短。弹舱放在进气道下方是双发窄间距布局战斗机的优先选择，说明这种布局的综合性能最优。两个弹舱总宽度略大于2米，恰好小于进气道宽度，飞机侧面可以很方便的设计成向外倾斜的平面，适合向其他方向反射地面防空雷达的照射波束，符合隐身设计要求；弹舱与进气道的总厚度在1.5 米左右，加上机身隔框后总厚度在1.8 米左右，能够为安装在机身肋部的进气道提供足够的高度，使其可以容纳格斗弹舱；弹舱位于中部机身进气道下方，前后分别是前起落架舱和发动机舱，便于机身外形和横截面积的连续平滑过渡，减小飞机阻力；弹仓可以做成长度较大的盒型，便于容纳多枚并列排放的空空导弹，增加携弹量。这种弹仓的缺点也有很多，例如弹舱深度难以做得很大，不利于容纳大型导弹和炸弹；大型机身隔框需要巨型模锻机进行加工，对国家工业能力要求很高，若缺乏相应加工能力就只能将多个小框架焊接到一起，导致飞机结构重量增加等。F-35作为战斗攻击机，F-35 从一开始就要求能够在弹舱内挂载重型炸弹和反舰导弹，以弥补F-22 战斗机挂载能力不足的缺陷，因此弹舱深度一定要足够大。由于要满足海军、空军、海军陆战队通用能力，能够在进行少量改变后满足三个军种的要求，所以每个型号都必须在整体结构上与具备短距起飞/ 垂直降落能力的F-35B 保持一致，这就导致机身长度很短，而且机身中前部要安装升力风扇，不能设计成腹部弹舱。加上F-35项目要求使用单台发动机，机身宽度较小，进气道从进气道口向内上侧弯曲，并在机身中部汇合，两个弹舱就只能位于发动机两侧的进气道下方。如果不是F-35 机身长度太短，这种弹舱位置其实不会造成太多问题，可以说是两侧进气单发飞机弹舱位置的最佳选择。但是由于F-35 长度受限，所以长度较大的弹舱和主起落架舱只能横向并列放置，并且和机翼翼展最大的部分重合到一起，导致机身最大横截面积十分巨大，气动阻力超出预期，跨声速加速能力远远低于最初设计指标。F-35 战斗机以对地攻击任务为主，对空战的需求仅限于自卫。以往攻击机出动时往往只携带两枚近距格斗空空导弹，这是因为过去的中距弹都是半主动雷达制导，攻击机必须始终以机载雷达对准战斗机才能引导导弹攻击。由于雷达装在飞机正前方，最大照射角度只有60 度左右，这就会丧失掉头逃跑的机会，因此攻击机一般不装备中距空空导弹。AIM-120 和R-77 为代表的主动雷达制导空空导弹大量服役后，攻击机才开始携带中距弹执行攻击任务，以在更远距离上拦截前来攻击的战斗机，赢得更长的逃跑时间。也正是因为攻击机也可以安装AIM-120，所以F-35 才放弃了携带AIM-9X 格斗弹的要求，也就不用设置专门的格斗弹舱或滑轨发射架。另一个次要原因是弹载数据链使格斗弹发射后锁定成为可能，即使未来F-35 携带格斗弹，也可以挂载于中距弹的挂架上，不需要单独的格斗弹舱。PAK FA俄罗斯PAK FA 战斗机采用继承苏-27 战斗机的双发动机宽间距布局，两个弹舱纵向排列在两台发动机之间，占据整个机身中后部，与F-22 弹舱并排安置在机身中部的方案迥异。与并列弹舱设计相比，纵列弹舱设计由于在一个机身横截面内只有一个弹舱，所以对机身横截面积的增加较小，可以减小飞机最大横截面积和气动阻力；但因为弹舱一直延续到机身后部，因此不利于减小机身尾部横截面积和尾部阻力。为了改善这一缺陷，PAKFA 战斗机在弹舱后保留了苏-27 战斗机上的尾椎，和水平尾翼共同起到减小尾部阻力的作用。纵列弹舱设计的缺点在于弹舱占据的机身长度很大，会对飞机结构强度造成不良影响，需要额外进行补强。PAK FA战斗机的01 架原型机传说已经因为机身大量出现裂纹而提前报废，其垂尾被拆卸下来安装到02 架原形机上，并被人拍到照片加以证实。双发宽间距布局导致飞机绕纵轴转动时惯性力矩较大，在其他条件相同时滚转速度尤其是滚转启动速度较低，不利于提高飞机敏捷性，这也是二战时双发螺旋桨战斗机空战能力大都较弱的原因。这种布局的另一个缺点是在超声速飞行时阻力较大，不利于实现超音速巡航。格斗导弹的发射架不同隐身战机的格斗弹舱设计不同，如F-22 采用将导弹先伸出后发射形式；而PAK FA 战斗机的格斗弹舱目前尚未得到证实，只有一些间接证据，其发射机构更是没有任何消息，只能靠猜测。F-22 的格斗弹舱内安装LAU-141/A滑轨发射架，该发射架由两个吊架和一个液压支柱安装在底座上。当液压支柱加压向外侧推动发射架时，两个吊架被拉开伸展，使整个发射架伸出格斗弹舱，由于前方吊架长度较大，因此发射架伸出后指向前侧方，导弹发动机喷口指向格斗弹舱后方的机身蒙皮。为避免发动机尾焰直接烧蚀机身侧面蒙皮和格斗弹舱内壁，发射架尾端装有尾焰偏转板，将发动机尾焰向外侧偏转，吹向机翼下方。除了这种发射方式，还有一种方式是隐身战斗机可能的选择。例如，导弹发射架由一跟旋转轴安装在弹舱内，在导弹发射前，发射架旋转轴向外侧旋转，导弹和发射架伸出格斗弹舱，此时弹舱门可盖上以保持飞机气动外形完整连续。发射完毕后，弹仓口盖打开，发射架旋转轴向内侧旋转，发射架收入弹舱内部。两种发射架的主要区别有两点：伸出方式分别为推拉伸出和旋转伸出；发射方向分别为向前侧方展开和平行于机身轴线。格斗弹发射架的主要设计要求包括以下几点：在安装、使用、维护的过程中所需空间最小，减小对战斗机机内空间的增幅；导弹发射时的反作用力传递路线坚固直接，所需支架重量最轻；整个系统可靠性最高，降低故障率；导弹发射对飞机姿态要求最低，可以在包括超机动在内的各种条件下使用；减少发射对飞机的影响，包括导弹尾焰对飞机蒙皮的破坏等。旋转弹架由于导弹在旋转过程中导弹会经历一个先升高在下降的过程，因此对格斗弹舱的高度要求较大，但非常节约弹舱深度和长度，不需要超出格斗弹自身尺寸太多即可。F-22 的推拉式弹架需要在发射架内侧安装液压支柱和支架，因此对弹舱深度和长度要求较大，但高度上不需要超出弹翼翼展太多。由于没有确切的发射架尺寸，所以无法评估两者所需的弹仓空间，但是旋转式发射架在具备一个优势，那就是可以单独加大导弹弹翼部位的弹舱尺寸而不妨碍导弹装填发射，从而得以缩小弹舱总体积，这是伸缩发射架所做不到的。从土耳其空军F-16 和“幻影”2000战斗机空战训练的视频看，近距格斗空战中双方位置变化十分迅速，即使是位置相对固定的双方追尾比拼稳盘阶段，一次发射窗口也只有几秒钟，双方飞机刚刚接近呈迎头状态下的发射窗口更短。目前尚不清楚F-22 的格斗弹舱在空战格斗中的打开时机，但其开舱门动作肯定会导致发射拖延和飞机气动外形变化，有可能降低飞机取得格斗弹发射窗口的能力。从F-22 战斗机发射格斗弹的照片看，由于LAU-141/A 发射架向内侧倾斜，导弹发动机尾焰在脱离滑动发射架的过程中会对格斗弹舱内壁造成一定的烧蚀，对进气道口后壁有一定影响，但不会影响格斗弹仓后方的机身蒙皮。由于弹舱内壁无需喷涂隐身涂料，因此比机身蒙皮好处理得多。导弹发射后的初段飞行轨迹与机身轴线接近平行，可能设置了固定的弹道控制程序。弹舱对武器的限制内置弹舱对导弹、炸弹最大的限制就是对武器尺寸的要求，由于战斗机机内空间有限，内置弹舱体积很小，因此要求武器所占尺寸不能太大，以尽可能地在狭小空间内容纳多枚武器。例如AIM-120A 空空导弹的翼展在630 毫米以上，研制挂载于F-22 机内弹舱的AIM-120C 导弹时，翼展就被限制在454 毫米。AIM-9M 格斗弹的翼展为635 毫米，挂载于F-22 格斗弹舱内的AIM-9X 导弹被限制到454 毫米。较大的翼展可以提供的更大的气动控制翼面，有利于导弹迅速改变自身姿态实现更高的机动过载，打击更敏捷的战斗机目标。翼展缩小后，导弹设计师必须采取其他手段提高导弹机动过载，从而提高了研制难度。但内置弹舱使导弹、炸弹在飞机飞行过程中能够免受气流冲击，更有利于保持弹头温度，这对使用核武器较为有利。编辑：颜思铭 -全文完-