凹腔反射是隐身的大敌,即使平直入射,在一定的角度内,除了在壁面上的吸收,依然是回到入射方向的完全反射

  回波强度的另一个方面就是凹腔反射。大平面或者垂直平面引起强反射,这个很容易理解。但凹腔反射实际上比平面反射更加有害。除了在反射过程中被壁面吸收的部分,进入凹腔的雷达波完全反射回到入射方向,形成强烈回波。这个现象其实不难理解,对着井里吼一声,回声出奇地大,远远超过对着同等距离的墙面吼一声的回声。发动机进气道恰好是这样一个凹腔,在凹腔的底上,还有和前进方向垂直的发动机正面,进一步加强了反射。发动机的风扇、压气机叶片一般是金属的,具有很强的雷达反射特征。由于工作条件严酷,还无法涂覆雷达吸波涂层。高速转动的叶片形成有规律的回波,使敌方雷达很容易捕捉住,甚至可以通过对叶片转速的辨识识别战斗机的型号。对于隐身战斗机来说,进气道隐身是头等要务,没有了进气道隐身,一切免谈。

F-22 的进气口和发动机就不在同一轴线上,加上进气道收缩-扩张的自然弯曲,可以对发动机正面形成较好的屏蔽

  超音速战斗机的进气道都有所弯曲,即使米格-21 那样的机头进气也不是直筒子,实际上也是绕过座舱而实际上是弯曲的。进气道不仅弯曲,还在进气口收缩、然后扩张。这是为了节流后减速增压,改善发动机的进气条件。S 形进气道加剧进气道的弯曲程度,使发动机正面不至于直接暴露在入射的雷达照射之下。加上进气道壁面上涂覆雷达吸波材料,入射的雷达波只有在多次反射之后,才能达到发动机正面,在反射的回程上再经过多次反射,才能回到大气中。这样每次在壁面上反射一次都吸收掉一点,最后的有效回波将被大大削弱,达到隐身的目的。

  这些都是有关隐身的常识,然而苏霍伊的设计师却视而不见,其中定有蹊跷。但仔细研究一下 T-50 的基本参数,不难发现这蹊跷其实也没有那么蹊跷,实在是不得已而为之。

  尽管西方有把 T-50 成为“猛禽斯基”的习惯,T-50 在气动设计上更多地延续了苏-27 的传统,尤其是继承了大间距双发和翼身融合体的基本格局。这体现了苏霍伊对跨音速格斗能力的重视,也反映了俄罗斯空军对未来空战场的理解。双发之间的“隧道”加厚,自然成为机内武器舱,提高隐身性能,还因为武器舱空间较为完整、连贯而有利于装载各种武器。但这样的布局湿面积大,不利于超音速巡航。由于近 20 年的停顿,俄罗斯的发动机研发也受到严重影响,只能在 AL-31 的基础上猛施伟哥,加大推力,真正的第五代发动机被打回母胎,重新孕育,2006 年发出的第五代发动机招标在 2007 年被取消了,因为竞标的“土星”和“礼炮”的方案都不能达到要求。最大推力大 142kN 的 117S 发动机自然从 AL-31 进了一大步,但还是离 157kN 的要求有很大的差距。在这样的情况下,为了保证基本性能,T-50 的最大起飞重量就受到了限制,只能停留在苏-27 的重量级,而不能达到 F-22 的重量级。由于 T-50 的机内武器舱,T-50 的“密度”比苏-27 要高,导致 T-50 的实际尺寸还略小于苏-27。据英国《飞行国际》杂志估计,T-50 的长度为 19.8 米,苏-27 为 21.9 米;T-50 的翼展为 14.0 米,苏-27 为 14.7 米;T-50 的正常起飞重量为 21-22 吨,苏-27 为 23.4 吨;T-50 的最大起飞重量为 33-35 吨,苏-27 为 30.5 吨。苏-27 的翼下进气口本来就比较靠后,T-50 采用了可动边条,进气口位置也无法靠前,在总长比苏-27 还短的情况下,进气道没有足够的空间布置 S 形,只好放弃。

T-50 重量和苏-27 相仿,但实际上还要小一点,这样就没有足够的空间容纳 S 形进气道了

  当然,放弃了 S 形进气道不等于放弃了进气道隐身。除了 S 形进气道,进气道雷达格栅也可以起到较好的隐身作用。F-117 在进气口采用倾斜的雷达格栅,细小的孔眼的尺寸小于典型雷达的波长,所以这就好比一个完整的倾斜平面,可以把雷达波发射到次要方向。这样的雷达格栅对进气口的影响太大,很难使用于超音速战斗机,但这不妨碍在进气道内设置雷达格栅一样的雷达屏障。对于 F-18E 来说,进气道设计大局已定,无法采用 S 形,只有在发动机前设置一圈像风扇叶片一样的导流片,固定的导流片表面涂覆雷达吸波涂层,从导流片的缝隙之间漏过去的雷达波在经过多次反射后才能返回到导流片的外侧,最终回到入射方向。波音用于和 F-35 竞争的 X-32 也采用了类似的技术,不过 X-32 的导流片是可动的,可以针对不同的速度、高度和战术态势适当优化进气条件。

F-117 用细密的格栅对波长比孔眼尺度更大的雷达波形成事实上的完整的倾斜平面,用这个来把入射的雷达波反射到无害的方向上去

雷达屏障原理示意图,如果巧妙设计的话,还可以迫使雷达的入射波和反射波的通路更加曲折,增加吸收的机会,改善隐身性能,但通常这也导致进气效率的更大损失

F-18E 的雷达屏障清晰可见,这是 F-18 气动布局大局已定的情况下的亡羊补牢之举

  但进气道内的雷达屏障毕竟还是近似于一个垂直于雷达入射方向的平面,其有效性取决于其雷达吸收能力,如前所述,光靠涂层和材料是很难达到高度隐身的,因此这是只是对现有战斗机大改或者在进气道设计高度局限的情况下才使用的不得已的办法。F-18E 属于前一种情况,X-32 由于采用“四支柱”垂直起飞、着陆机制,四个可动喷管必须两两设置在飞机的重心前后,发动机的位置只能很靠前,所以根本没有空间容纳 S 形进气道,只好采用雷达屏障,但美国空军对单靠雷达屏障达到进气道隐身很不放心,这最终也成为 X-32 落选的原因之一。

  T-50 也采用了雷达屏障了吗?据《飞行国际》报道,第五代发动机将在 2010 年第一季度再次开标,但进一步的推迟将一点也不使人惊讶。“土星”设计局为了提高中标的机会,已经和多个俄罗斯发动机研制、生产机构签订了合作协议,“土星”将负责总体设计,并和“进步”设计局合作设计核心发动机,乌法的 NPP 发动机工厂将负责低压压气机和加力燃烧室,圣彼得堡的克利莫夫设计局将负责推力转向喷口、齿轮箱和辅助系统,但最有意思的是,莫斯科的“联盟”设计局将负责进气口导流片和隐身事宜。也就是说,第五代发动机将依然倚重雷达屏障,现有的 T-50 进气道隐身采用同样的技术也就很自然了。