YST漫談隱形戰機（VI）：隱形戰機的分代

上接「漫談隱形戰機（V）：戰鬥機的分代」

 

（十三）第一代隱形戰機

 

美國在上個世紀的七０年代就開始著手進行隱形戰機的研究，而且已經製造出多種性能有顯著差異的隱形戰機。

 

就像戰鬥機的研發在技術和性能上被分為四代，到目前為止美國研發並且生產的隱形戰機已經有了三代。我們在此對每一代的「隱形」做一個簡單的敘述。

 

甲. 從最簡單的模型作起

 

問題：改變電波反射方向最簡單的表面是甚麼？

你一定會回答：「平面」。

 

一點也不錯，就是平面。擴張中的電波遇到平面就會產生折射，由於改變的方向必須滿足折射角等於入射角的物理原則，所以除非是垂直射入平面，折射後的電波都不會回到雷達天線的方向，這樣就可以降低反射性了。

 

根據這個道理，我們可以把飛行體的表面做成各種不同的棱形平面，避免任何兩個相交的平面成直角，也就是沒有兩個平面是垂直的，這樣我們就把飛機折射的總功率分別集中在幾個有限的角度，其他方向折射的功率非常小，這樣就能達到隱身了。

 

怎麼分割平面呢？

先根據任務需要定下體型尺寸，然後做出多面體的數學模型，經過理論計算後得到驗証。如果不滿意可以修改，如果滿意就進入風洞吹風，然後不斷修改，最後製造出工程樣機。理論上，這種多面體的數學模型是最容易計算的，所以這是隱形戰機當然的入門方式。

 

這種由多面體構成的隱形戰機稱為第一代隱形戰機。

 

乙. F-117A

 

第一代隱形戰機只有一個產品，那就是F-117，美國給它取名 Night Hawk（夜鷹）。這個名字非常貼切，因為它通體黑色，專門設計用來夜晚出擊，見下圖。

 

 

圖06：世界第一個隱形戰機，美國的F-117A。

 

1981年06月15日，美國高度機密的F-117試飛成功，定型進入生產的是它的改良型，型號為F-117A，美國總共生產了59架，戰爭開始進入隱形時代。F-117雖然是Ｆ開頭，但是它不是傳統的戰鬥機而是一種地面攻擊機（attack airplane，通常編號以Ａ開頭），它攜帶精確制導炸彈摧毀高價值的地面目標，譬如雷達站和通訊指揮所。由於它的雷達截面很小，F-117A通常在雷達探測距離以外就把精確制導的炸彈丟下了。

 

F-117A以F開頭的編號是非常誤導的，因為它根本不是一個戰鬥機（fighter airplane）。

 

如果你注意看圖06就可以發覺F-117尖尖的機頭部份完全由多面體構成來屏蔽電波，所以F-117A沒有裝置雷達，它沒有發現敵機的能力，因此它連一丁點戰鬥能力都沒有。這是為什麼F-117被稱為「夜鷹」，因為它只能夜晚出擊。F-117如果白天出擊，它一旦被敵人用眼睛看到，那麼這個飛行速度非常慢、機動能力非常差、又沒有任何抵抗力（沒有機槍、機炮、對空導彈）的F-117A一定逃不過被擊落的下場。

 

F-117A是YST所知道的第二次世界大戰後設計的戰機唯一沒有裝置雷達的。F-117A的設計者認為只要是在夜晚飛行它就不會被發現，它既然不會被發現就沒有自衛的需要，因此就沒有必要裝置雷達，因為雷達艙是主要的電波反射源，會增加飛機的RCS。F-117依靠GPS在夜晚飛行，它的任務就是偷偷鑽進敵人的國境丟炸彈，把敵人的雷達站和指揮所摧毀。敵人的眼睛瞎了，通訊指揮系統也斷了，美軍非隱形的戰鬥機和轟炸機就可以毫無顧忌地蜂擁而來進行各種攻擊和轟炸。

 

F-117A的角色就是一個“踹門者”，它的任務非常關鍵，也非常危險。

 

美國第一次使用F-117A是1989年12月，初試牛刀，宰的是巴拿馬，一隻幾乎沒有任何抵抗力的小雞。

 

美國第二次使用F-117A是1991年的海灣戰爭，宰的是伊拉克，叢林世界中它算是一隻中型狗，具有一定的嗅覺和攻擊力。前面說過地面攻擊通常要求低空低速，這是公認的髒活、累活和危險活。結果F-117A在這場戰爭大出風頭，執行了1271次攻擊任務，投彈超過兩千噸，竟然沒有損失一架，也沒有一架受傷。這何止是了不起的成就，簡直可以說是奇蹟，這種完美記錄在以前的任何戰爭是連想都不敢想的，隱形戰機果真不凡。

 

美國第三次使用F-117A是1999年的南斯拉夫戰爭，南斯拉夫也不怎麼牛，叢林世界中它算是一頭狼。不過這次卻出事了。一架F-117A被老式的「薩姆-3」（SAM-3）地空導彈擊落，另一架F-117A被擊傷在返航時摔毀，打破了F-117A不能被地面雷達發現和擊落的神話。

 

丙. 第一代隱形戰機走入歷史

 

這種由多面體構成的隱形戰機是用嚴重犧牲飛行性能來換取隱身，因為這種多面體在飛行中是不穩定的。F-117A既不能做超音速飛行，也不能完全由飛行員操作飛行，而必須依靠計算機控制飛行，也就是由計算機軟體操作的所謂「線控飛行」（fly by wire）。

 

南斯拉夫在仔細研究F-117A的性能和操作原理後就摸索出一套對付它的方法。

 

1.F-117A在打開彈艙準備投彈時，RCS急遽上升就不再隱形了。防空部隊如果操作熟練就可以立刻用雷達捕捉、然後快速發射導彈。兩架F-117A就是這樣被南斯拉夫的防空部隊擊落和擊傷的。

2.多基雷達、長波雷達，尤其是米波雷達，對隱形戰機的探測相當有效。F-117A的穿透力發生問題，對軍事大國尤其受到遏止。

 

F-117A是沒有防衛能力的，一旦被發現就一定被擊落，美國不能承受這樣的戰損率。對美國而言，新一代的隱形戰機已經研發出來導致所有52架F-117A在2007年退役，其中一架進入博物館。

 

丁. 其他地方的應用

 

這種多面體的隱形方式雖然在飛機上的應用被淘汰，但是在很多其他地方的應用仍然非常活躍，譬如軍艦和砲台，因為這種隱形設計最簡單，船的速度很慢，用在船上和火炮上都沒有穩定性的問題。

 

台灣從法國購買的拉法葉護衛艦就是利用多面體來得到隱形，見下圖。

 

 

圖07：台灣「康定」級隱形護衛艦是法國製造的拉法葉護衛艦，外形簡潔，艦體上層建築稍為內傾、使用平面多面體令雷達截面大大降低。

 

 

圖08：大陸的054A型隱形護衛艦「舟山」號也是採用平面多面體來降低雷達截面。

 

這是一張俯視照片，稍為內傾的上層建築和稍為外傾的下層艦體所形成的線條清晰可見，這是雷達隱形的最佳設計，所有的隱形軍艦都是這樣設計的。

 

讀者仔細看上面這張圖，艦炮的砲塔也是雷達隱形的，不但減少全艦的RCS，也減少艦炮被導彈直接命中的機率。下面是砲塔部分的特寫照片。

 

 

圖09：大陸054A型隱形護衛艦上的主炮，炮台由平面多面體構成達到雷達隱形。

 

（十四）第二代隱形戰機

 

由於計算電波在理論上的突破和計算機性能的提升，美國不再用簡單的平面多面體來達到隱形，而是有能力計算出最佳曲面使電波沿著曲面散射來達到降低雷達截面的目的。這樣設計出來的隱形戰機屬於第二代。

 

第二代的隱形戰機不但能夠大大降低RCS而且兼顧了飛行性能，沒有犧牲飛行的穩定性。

 

第二代 隱形戰機的代表作是B-2隱形轟炸機，見下圖。

 

 

圖02：美國B-2隱形轟炸機的正面

 

這是第（IV）篇中的一張照片，你看，它正前方的幾何截面多麼小！

 

以一個大型重轟炸機而言，B-2正前方的幾何截面算是很小的，導致雷達截面隨之變小。據說B-2正前方的雷達截面（RCS）極小（extremely small），真實的RCS數字不得而知，但是一般說法都相信它小於0.1平方米。

 

 

圖10：美國B-2隱形轟炸機，它的發動機進氣口和排氣口都隱藏在機身上方。

 

B-2設計的哲學是盡全力並且犧牲其他方向來成全正前方極小的雷達截面，譬如從圖10我們看到設計者把發動機的進氣口和排氣口放在飛機的上方，這就是犧牲上方的RCS成全正前方和下方的RCS，因為進氣口和排氣口是主要的電波反射源。這樣的安排可以非常有效地逃避地面的搜索雷達，對紅外線探測器也達到有效的隱形。

 

B-2這樣的設計是根據美國的作戰思想和運作方法所作出的決定。美國在設計B-2以 前就訂出轟炸的方式。美國空軍在作戰前先標出敵人主要防空雷達的位置和性能，然後設計出一條如何飛向轟炸目標的最佳路線。避免進入任何地面雷達的探測距離 是首要考量，飛行路線是用機頭對著它飛，在即將進入它的探測距離時轉向，對著下一個雷雷達站飛，即使繞路也無所謂。所以B-2採取的飛行路線不是直線而是折線並且是儘量對著敵人雷達的方向飛。這是為什麼B-2如此重視正前方與下方的RCS。

 

 

圖11：美國B-2隱形轟炸機，它全身由非常平滑的曲面構成。

 

第二代隱形戰機的特性從圖11看得非常清楚，沒有平面和棱角，只有光滑的曲面。

 

B-2的尾部也很有特色，它成鋸齒形把照射到尾部的雷達波分段折射到不同的方向。

 

再仔細看，B-2是沒有方向舵的，因為方向舵突出機身表面會形成反射源。B-2轉彎是靠左右兩具發動機的推力差配合襟翼來完成，所以非常緩慢。對B-2而言，轉彎緩慢並不構成缺點，因為B-2只要求它丟炸彈，並不要求它作任何格鬥。

 

（十五）第三代隱形戰機

 

B-2遲緩的機動性顯然對戰鬥機而言是不能接受的，於是美國展開第三代隱形戰機的設計，並且把「隱形」納入第四代戰機的標準。第三代隱形戰機不但有第二代戰機飛行的穩定性而且還具有傳統戰鬥機的高機動性，如此研發出來的成果就是F-22。

 

由於F-22是目前唯一服役的第四代戰機，同時也是唯一服役的第三代隱形戰機，我們貼三張照片並做簡短的說明。

 

 

圖12：美國的F-22，這是目前世界唯一服役的第四代戰機。

 

F-22是非常漂亮的戰機，不但身形漂亮，YST特別喜歡它的塗裝。航空界有一種說法：漂亮的飛機就是性能好的飛機。YST 認為「以貌取人」是不準的，但是「以貌取機」沒有八分準至少也有六分。美國設計的作戰飛機都非常漂亮，最醜的大概就是A-10了，不過它還真管用。

 

 

圖13：F-22發射空對空導彈。

 

為了降低雷達截面，隱形戰機的設計一定是把所有的武器都藏在武器艙裏面，發射的時候才打開，這個時候隱形戰機的RCS增加兩個數量級（20dB）都不止，是隱形戰機最危險、最容易遭受攻擊的時候，雖然只有短短幾秒鐘，但是已足夠讓訓練有素的防空部隊的地面雷達鎖定而且發射地對空導彈。

 

 

圖14：F-22的尾部。

 

F-22裝有兩個推力強大的發動機。美國戰機最厲害、最過人的地方就是發動機，美國的航空發動機的性能和耐用比任何其他國家都高出一大截，這是老美的看家本領，真正的高科技。美國對它這門高深武功採取極高規格的控制，嚴密防止技術外洩，屬於戰略級別的管制。

 

從上面這張照片我們可以清楚看到F-22發動機的葉片，這是雷達最喜歡的目標，它們都是金屬做的，不但有巨大的回波而且從它的轉動速度還可以作敵我識別和機型辨別，因為不同機型的發動機會產生不同的調頻（modulation）。雷達的電腦軟體有特別的程式和內存資料能根據所發現的調頻來判斷敵機的機型。

 

尾 部隱形是完全不可能的，這個缺點無法掩蓋。好在尾部被雷達照到的時候多半也是戰機正在脫離戰場的時候，該做的都已經做了，被發現也就不那麼要緊了，加速逃 命就是，這大概是「超音速巡航」唯一可能有點用的地方。美國設計的哲學是：我能「超音速巡航」你不能，只要短跑衝刺不被你追上，長跑我一定把你甩掉。

 

 

（未完待續）

 

漫談隱形戰機（VII）：設計原則與重要部位