隐身技术推动新一代飞行器发展

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/27 23:25:27
隐身技术推动新一代飞行器发展
Development of New Generation Air Vehicles Driven by Stealth Technology
桑建华 周海 陈颖闻/中航工业成都飞机设计研究所

0引言
    雷达的发明,其第一个猎物就是飞行器。飞行器工程师们一直在进行着不懈的努力, 以避免飞机在飞行时被雷达发现,从而催生了飞行器隐身技术的发展。从u 2、SR一7l侦察机到F一117A;~IB 2轰炸机,再~i]F 22、F 35等战斗机,隐身技术不断成熟。隐身技术的出现及其在作战中所表现出来的巨大威力,使之成为新一代作战飞机所必备的重要标志之一, 并不断推动着飞机设计和制造技术的进步。从雷达隐身、红外隐身到射频隐身,针对探测器的不断发展和新型传感器的出现,隐身的内涵及相关性能要求也在不断得到丰富和提高。

1雷达隐身要求对飞行器总体
    气动设计带来的影响在传统的气动力设计方面,研究的重点是得到一个高升阻比、易于控制且敏捷的气动力布局和外形。雷达隐身外形设计要求的引入,给飞行器气动力设计带来了新的约束,导致许多传统的气动力设计准则做出让步。
    在传统的设计中, 为了降低阻力,要求尽量减小飞行器的浸润面积。因此,飞行器的机身截面通常都设计成为接近于圆形,因为圆形浸润面积最小(图1)。但圆形截面是雷达隐身最不希望采用的形状, 因为从任何方向看,圆形截面都有很强的雷达散射。理想的雷达隐身外形希望采用倾斜的平面设计,将强散射集中在某个方向上,这个方向对隐身而言不太重要或威胁较小(图2)。
    同时,隐身要求采用斜置的双垂尾使气动效率变差、浸润面积进一步加大、并导致额外的重量增加。为了有更好的隐身性能,B-2飞机更采用了飞翼布局,取消了常规的垂直尾翼和水平尾翼,导致其飞行性能和机动性大幅度降低(只能亚声速飞行), 飞机的飞行控制系统难度大幅度增加。此外,为了满足隐身要求,所有的武器必须内置在武器舱内,导致飞机的尺寸进一步加大(常规飞机大多为外挂武器);发动机压气机是飞行器前方最大的散射源,为了有效降低其影响,进气道必须采用大弯度内管道的气动力流道设计, 以便形成对发动机压气机的有效遮挡并有效提高雷达吸波材料的效率,导致进气道的重要设计参数总压恢复系数下降,气动效率降低。
    雷达隐身涂料的使用导致重量和成本增加、飞机维护性能下降,但其对飞行器飞行性能的影响相比前述的影响还是要小得多。

2雷达隐身要求对飞行器结构
    设计带来的影响传统的结构设计的研究重点是在满足总体气动外形要求和结构强度/刚度要求的前提下,得到最小的飞行器结构重量,且要求构造简单、成本低、寿命长。雷达隐身设计要求的引入,给飞行器结构设计带来了新的约束,导致许多传统的结构设计准则做出让步。
    首先是大型武器舱开口对结构完整性的破坏。硕大的舱门,其刚度/强度设计、变形控制等要求非常高,使设计变得非常困难。
    单从力学和结构设计角度考虑,曲面结构更有利于承受飞行器表面的气动力,而平面结构承载能力较差,易失稳。为保证结构的强度和刚度,一般情况下平面结构要付出更多的重
量代价。但好在大多数常规飞机表面也多是曲面的,在过去的结构设计中并未出现太多矛盾。现在为了满足隐身要求,气动外形已基本为平面,导致结构设计必须为之付出必要的重量
代价(图3)。
    同样的问题表现在座舱透明件的设计和制造上,为保证强度/N度和隐身外形,导致座舱玻璃厚度和重量成倍增加,从而导致成本增加,同时给救生系统的设计带来新的极大的挑战。
    飞机表面的蒙皮分块和对缝阶差控制也给结构设计带来挑战。过去的飞机结构设计大多采用直对缝蒙皮分块,简单、可靠、重量轻。但数以千计的任何一条缝隙如果处理不善都将
导致飞行器重要方位的RCS大幅度增加(图4)。因此,隐身飞机的蒙皮分块必须是锯齿对缝,而且必须是全部朝向一个方向,一般要求与飞机机翼后掠角平行,更大的难度是要求锯齿尽可能大,数量尽可能少, 由此导致为保证结构强度/网0度付出更多重量代价。
    数以万计的铆钉和紧固件是飞机上不可忽视的散射源。因此,必须提升飞机表面质量,要有新的设计和工艺要求,研制新型铆钉和紧固件。而新型紧固件的使用往往会受到大范围
的制抵:新可能就意味着不成熟,易出问题;新的铆钉和紧固件要求新的工具和新的操作程序导致成本上升;大量库存的传统紧固件需要处理等。如图5是一种新型紧固件,可减少铆钉
数量,这些快黏带肩螺母用来将可拆卸部件固定在飞机上,拔出中间的塑料棒,里面的黏合剂就能迅速将其固定在金属部件上。这种紧固件带来的另一好处是改善了结构的疲劳特性,容易被结构设计工程师接受。
    由于边缘等隐身设计要求,传统的蜂窝夹层复合材料设计方案也必须做出改变,必须按隐身要求进行新的定义和设计,而大部分结构工程师并不擅长于此。

3雷达隐身要求对飞行器系统
    设计带来的影响如果说总体、气动力和结构的隐身设计要求已经给飞机设计带来了巨大的压力,那么,飞机系统的隐身设计要求所带来的挑战则更为严峻。因为前者一般还处于一个或两三个研制单位(经济体)内部,尚有行政管理的强制性约束可以加以利用,可以在单位内部强制推行某些“不合理” 的要求;而后者大多数是分散在几十个承制单位(或经济体),相互之间无行政上的制约可以利用,基于成本、进度等压力,导致隐身要求所带来的新的约束很难得到彻底的理解和接受。
    大量不同类型的探测器、传感器,包括:所有机载天线、外露的灯具、大气传感器等,都是飞机上的雷达散射源。如果不对这些雷达散射源采取措施,飞行器不可能有一个良好的隐身性能。一般情况下,这些探测器或传感器在隐身飞机上的命运只有两种:一是取消(如F一117A飞机的就未装雷达,因为当时还没有很好的技术措施能使其实现有效隐身),或......

后面是图片格式复制不了了,见谅。隐身技术推动新一代飞行器发展
Development of New Generation Air Vehicles Driven by Stealth Technology
桑建华 周海 陈颖闻/中航工业成都飞机设计研究所

0引言
    雷达的发明,其第一个猎物就是飞行器。飞行器工程师们一直在进行着不懈的努力, 以避免飞机在飞行时被雷达发现,从而催生了飞行器隐身技术的发展。从u 2、SR一7l侦察机到F一117A;~IB 2轰炸机,再~i]F 22、F 35等战斗机,隐身技术不断成熟。隐身技术的出现及其在作战中所表现出来的巨大威力,使之成为新一代作战飞机所必备的重要标志之一, 并不断推动着飞机设计和制造技术的进步。从雷达隐身、红外隐身到射频隐身,针对探测器的不断发展和新型传感器的出现,隐身的内涵及相关性能要求也在不断得到丰富和提高。

1雷达隐身要求对飞行器总体
    气动设计带来的影响在传统的气动力设计方面,研究的重点是得到一个高升阻比、易于控制且敏捷的气动力布局和外形。雷达隐身外形设计要求的引入,给飞行器气动力设计带来了新的约束,导致许多传统的气动力设计准则做出让步。
    在传统的设计中, 为了降低阻力,要求尽量减小飞行器的浸润面积。因此,飞行器的机身截面通常都设计成为接近于圆形,因为圆形浸润面积最小(图1)。但圆形截面是雷达隐身最不希望采用的形状, 因为从任何方向看,圆形截面都有很强的雷达散射。理想的雷达隐身外形希望采用倾斜的平面设计,将强散射集中在某个方向上,这个方向对隐身而言不太重要或威胁较小(图2)。
    同时,隐身要求采用斜置的双垂尾使气动效率变差、浸润面积进一步加大、并导致额外的重量增加。为了有更好的隐身性能,B-2飞机更采用了飞翼布局,取消了常规的垂直尾翼和水平尾翼,导致其飞行性能和机动性大幅度降低(只能亚声速飞行), 飞机的飞行控制系统难度大幅度增加。此外,为了满足隐身要求,所有的武器必须内置在武器舱内,导致飞机的尺寸进一步加大(常规飞机大多为外挂武器);发动机压气机是飞行器前方最大的散射源,为了有效降低其影响,进气道必须采用大弯度内管道的气动力流道设计, 以便形成对发动机压气机的有效遮挡并有效提高雷达吸波材料的效率,导致进气道的重要设计参数总压恢复系数下降,气动效率降低。
    雷达隐身涂料的使用导致重量和成本增加、飞机维护性能下降,但其对飞行器飞行性能的影响相比前述的影响还是要小得多。

2雷达隐身要求对飞行器结构
    设计带来的影响传统的结构设计的研究重点是在满足总体气动外形要求和结构强度/刚度要求的前提下,得到最小的飞行器结构重量,且要求构造简单、成本低、寿命长。雷达隐身设计要求的引入,给飞行器结构设计带来了新的约束,导致许多传统的结构设计准则做出让步。
    首先是大型武器舱开口对结构完整性的破坏。硕大的舱门,其刚度/强度设计、变形控制等要求非常高,使设计变得非常困难。
    单从力学和结构设计角度考虑,曲面结构更有利于承受飞行器表面的气动力,而平面结构承载能力较差,易失稳。为保证结构的强度和刚度,一般情况下平面结构要付出更多的重
量代价。但好在大多数常规飞机表面也多是曲面的,在过去的结构设计中并未出现太多矛盾。现在为了满足隐身要求,气动外形已基本为平面,导致结构设计必须为之付出必要的重量
代价(图3)。
    同样的问题表现在座舱透明件的设计和制造上,为保证强度/N度和隐身外形,导致座舱玻璃厚度和重量成倍增加,从而导致成本增加,同时给救生系统的设计带来新的极大的挑战。
    飞机表面的蒙皮分块和对缝阶差控制也给结构设计带来挑战。过去的飞机结构设计大多采用直对缝蒙皮分块,简单、可靠、重量轻。但数以千计的任何一条缝隙如果处理不善都将
导致飞行器重要方位的RCS大幅度增加(图4)。因此,隐身飞机的蒙皮分块必须是锯齿对缝,而且必须是全部朝向一个方向,一般要求与飞机机翼后掠角平行,更大的难度是要求锯齿尽可能大,数量尽可能少, 由此导致为保证结构强度/网0度付出更多重量代价。
    数以万计的铆钉和紧固件是飞机上不可忽视的散射源。因此,必须提升飞机表面质量,要有新的设计和工艺要求,研制新型铆钉和紧固件。而新型紧固件的使用往往会受到大范围
的制抵:新可能就意味着不成熟,易出问题;新的铆钉和紧固件要求新的工具和新的操作程序导致成本上升;大量库存的传统紧固件需要处理等。如图5是一种新型紧固件,可减少铆钉
数量,这些快黏带肩螺母用来将可拆卸部件固定在飞机上,拔出中间的塑料棒,里面的黏合剂就能迅速将其固定在金属部件上。这种紧固件带来的另一好处是改善了结构的疲劳特性,容易被结构设计工程师接受。
    由于边缘等隐身设计要求,传统的蜂窝夹层复合材料设计方案也必须做出改变,必须按隐身要求进行新的定义和设计,而大部分结构工程师并不擅长于此。

3雷达隐身要求对飞行器系统
    设计带来的影响如果说总体、气动力和结构的隐身设计要求已经给飞机设计带来了巨大的压力,那么,飞机系统的隐身设计要求所带来的挑战则更为严峻。因为前者一般还处于一个或两三个研制单位(经济体)内部,尚有行政管理的强制性约束可以加以利用,可以在单位内部强制推行某些“不合理” 的要求;而后者大多数是分散在几十个承制单位(或经济体),相互之间无行政上的制约可以利用,基于成本、进度等压力,导致隐身要求所带来的新的约束很难得到彻底的理解和接受。
    大量不同类型的探测器、传感器,包括:所有机载天线、外露的灯具、大气传感器等,都是飞机上的雷达散射源。如果不对这些雷达散射源采取措施,飞行器不可能有一个良好的隐身性能。一般情况下,这些探测器或传感器在隐身飞机上的命运只有两种:一是取消(如F一117A飞机的就未装雷达,因为当时还没有很好的技术措施能使其实现有效隐身),或......

后面是图片格式复制不了了,见谅。