猛禽的进化——从ATF到F-22（四）

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设计过程
　　穆林、哈代和肯特成为设计过程的最终仲裁者，这需要克希德-波音-通用动力团队在应变力、效率和决断上达到一个新水平。
　　肯特解释道：“工程师们将通过各自公司的总工程师进行分歧沟通，总师直接对各自的项目主管负责。也就是说如果工程师们不能达成一项决议，他们就把问题推给各自的总师，如果仍不能决定，问题就会被踢给穆林、哈迪和肯特。无论多么优秀的工程师都必须学会坐下让他人说话，对他人的意见表现出尊重而不是挖苦。我们开除了无法与他人相处的家伙，一些顶尖工程师们渡过了一段学习如何与同行相处的艰难时期。最后这些有着不同行事方式和不同背景的工程师们终于能坐在一起工作。在三家公司的空气动力学专家们开始投票反对他们三家公司结构工程师们做出的决定时，我开始感到我们正成长为一个更具凝聚力的团队。”
　　整个设计过程不断受到与美国空军代表定期接触和更正式的空军评论的影响。阿贝尔解释说：“空军通过一份初始规格草案控制了ATF的研究方向。随着研究的深入和方案的评估，我们在演示/验证阶段中每年都要调整一次规格。在我们的评论中，我们根据作战分析、测试结果以及其他信息来确定要求是过高还是过低，然后进行相应调整。如果其中一个团队认为无法实现新要求时我们就不做修改，不过他们会意识到另一个团队也许能满足。所以一般在我们修改要求后两个ATF团队会全力以赴。”
　　比如空军一开始要求主武器舱可容纳8枚导弹。阿贝尔说：“一个团队认为可以实现但并不确定，我们就没有改变原先六枚导弹的要求，最后两支ATF团队都确定弹舱装不下8枚导弹。还有一个例子，我们取消了用于短距降落的喷管反推要求，因为该装置太过昂贵，费效比不佳。”
　　莫兰补充说：“构型的进化始终伴随着ATF系统项目办公室和战术空军司令部对系统要求的历年锤炼。每年的设计修改都要导致重新估算重量、成本、性能和效能，估算结果又会导致相应的规格变化，而对规格的修改又需要新的设计工作，如此反复不已。”
　　因此美国空军在演示/验证阶段对设计过程的参与是间接的。阿贝尔说：“我们对项目施加的最大影响是允许公司针对特定系统进行理论和动机研究，在技术方面更倾向于理解两支团队的设计理念和采用的方法。我们总是问‘你为什么要那样做呢？’而不是‘你为什么不这样做呢？’。我们更感兴趣的是设计过程和背后的动机而不是细节。如果在我这边里有人说‘应该这样做’，我会枪毙他，因为我们不能给研究定方向。”
设计挑战
　　ATF在设计上的基本挑战是把隐身、超音速巡航、高度集成化航电和敏捷性都集中在一架飞机上，还要求该机的作战航程高于F-15，F-22还必须要有F-15两倍的可靠性和一半的支援要求。
　　哈迪说：“我们经常遇到的一个问题就是在尝试把部件塞进飞机时，这东西就想占据重心位置。弹药当然要位于重心，这样在投放时就不会改变飞机的稳定性。主起落架想占据紧靠重心后的位置，这样在降落时就不需要坐着尾巴上接地，起飞时也更容易抬起机头。油箱也想占据此位置，这样在油箱变空时重心就不会移动，否则因燃油消耗导致的重心移动会降低稳定性和操控性。此外出于隐身的原因我们也不得不遮掩发动机正面，所以两根巨大的进气道就必须以正确方式从上述设备中间穿过。设计的复杂性导致专门负责这一块的工程师们为空间安排争论不休，这种情况从1986年一直持续到1988年。”
　　随着设计的进展，重量变成了最困难的设计挑战。穆林承认：“我们从来没能设计出一架接近空军要求的50000磅（22680千克）起飞全重的飞机。经过两年的努力后，我们说服空军这是不可能的，于是空军修改了重量要求。”
　　穆林继续说：“进气道的匹配设计也是非常困难的，气动、结构、低可探测性和可生产性要求互相之间严重冲突。我们花了大约三年进行大量的分析和风洞测试，实现了一个完全可以接受的进气道设计，最后的性能非常好。”
　　1987年2月，洛克希德-波音-通用的构型迎来了第一个重大变化，更节省空间的扁平弹舱取代了090P上的旋转弹舱。095构型第一个采用新弹舱上，旋转弹舱的取消使两台发动机能更加靠近，减少了波阻。
　　095构型还缩窄了边条以减少重心前的投影面积，并后推了涡流分离的位置，这些改变对大迎角飞行至关重要。工程师们还重新设计了前机身以减少截面积，提高大迎角性能并减少波阻和重量，发动机进气口也经过了重新设计。095构型仍保留了090P的梯形机翼和尾翼。
　　此时构型演变为两个家族，第一个家族编号带1000前缀，代表原型机设计（也就是所谓的“原型飞行器”）。第二个家族编号带500前缀，代表首选系统概念设计——也就是最终并能进入项目下一阶段的方案（即生产型设计）。095构型因此演变为1095（原型）和595（生产型）。
　　构型经过次要修改后会在编号后加上短横和数字，例如1987年7月的首选系统概念是595-6构型。随着演示/验证阶段的进展，这两个设计家族渐行渐远，为了制造和试飞原型机，原型机设计被冻结。首选系统概念则继续为项目的下一个阶段（全面发展阶段，也就是之后的工程和制造发展阶段）继续进化。
　　1987年5月美国空军进行了第一次要求审查，前后持续了一个星期。穆林回忆说：“首次审查就是一场确保我们正沿着正确轨道前进的沟通交流会，我觉得大家在审查后都对设计感觉良好，人们的乐观情绪高涨，没人愿意承认我们的ATF达不到50000磅的重量要求。我们在详细设计和重量分析上做的还不够，还没得到一组准确的重量数据。”

构型进化
　　1987年6月下旬，在三公司7月10日沃思堡常务会议之前工程师们得到了重量数据。肯特回忆道：“我们几乎超重9000磅（4080千克），单价超支500万美元。但我们在所以机动性参数上仍然达标，除重量和成本外我们有了一架相当不错的飞机。我们希望能放宽最大过载时的载油量，还希望能调低其他几项总重量指标，去掉几个任务，并通过简化航电来降低成本。”
　　在这些妥协还没有落地前，团队决定退后一步对设计进行更根本性的修改。穆林说：“经过一场激烈的争论后，我们认为需要扔掉现有设计重新来过。我们在那个周末启用新设计工程主管迪克坎特雷尔，他飞过来带领大家开始了为期90天的紧急修改。工作开始于7月13日（星期一），标志的在战斗机概念设计期间最富有创造力一段日子的开始。我们研究了不同进气口、机翼、尾翼的组合，其中一个构型具有两个大蝶形尾翼，看上去有点像F-117。由于当时F-117仍然高度保密，所以人们不知道这点。构型探索范围很广，但最后带来的最大变化是菱形机翼。”
　　集中构型探索从大量可行性设计研究开始，对大量可行设计进行排列组合。在1987年夏团队对菱形机翼、双尾翼（V尾），各种形状的进气口，各种外形的前机身同时进行了反复考量。
　　具有梯形机翼和四尾翼的595-7构型成为这些研究的起点。608A构型是等效的基准设计，外形和595-7类似，只是主弹舱挂六枚而不是八枚导弹。
　　608构型具有梯形机翼和双尾翼。607-0构型引入了与通用动力ATF方案相似的菱形机翼，但配之以四尾翼而不是单垂尾。607-11A构型具有菱形机翼和双尾翼。611A构型同样具有菱形机翼和双尾翼，但大机背使人联想到090P。609A构型看起来很像波音的ATF方案，具有梯形机翼、双尾翼和单颌下进气口。
　　610A构型混合了波音和洛克希德方案的特点，具有梯形机翼、双尾翼和双侧面进气口。计算机辅助设计在这些构型的研究中起到了至关重要的作用，ATF是最早使用电脑进行辅助设计的战斗机之一。一开始团队使用的是CADAM二维绘图软件包。
　　在伯班克参加了数月ATF设计工作的通用动力构型设计师约翰霍夫施威勒解释说：“CADAM更适合设计细节部分而不便于对设计概念进行反复修改。我们很快意识到需要ACAD和Perq电脑来加快设计进程。我们从沃斯堡调出了设备并通过了洛克希德的安检，这是个不小的壮举。我们六个来自沃斯堡的工程师有一间被称为大壁橱的小办公室。ACAD软件允许我们有更多的想法，并让每个想法更详细。”
　　ACAD是通用动力公司研制的三维软件包，可用于概念和初步设计（该软件的后续版本至今仍在使用）。该小组还把ACAD和CATIA配合使用，后者是达索开发的高保真三维软件，可以把数据直接输出给数控加工设备。ATF设计师用ACAD做出第一代线形数据库以便能够快速反复推敲修改，随后这些文件会被编译成CATIA数据库。
　　穆林补充道：“我们也通过数据链把设计数据和其他数据在三个公司中互相传输。这个网络建于1987年项目的早期，我们花了几天时间在大型机而不是工作站上搭建网络。数据链是加密的，这样沃思堡的工程师可以与伯班克或西雅图共享设计相关数据。”到1987年8月中旬，供选择的构型已经缩减至5个，分别是595-7构型（梯形翼、四尾翼、和8枚导弹基准构型）、612构型（6枚导弹的基准设计）、613构型（梯形机翼和双尾翼）、 614构型（菱形机翼和四尾翼）、615构型（菱形机翼、双尾翼和双侧面进气口）。八月下旬，菱形机翼四尾翼的614构型胜出。
　　穆林说：“采用菱形机翼的根本原因就是在获得最轻的重量和最好的结构效率时还能满足控制力要求，其中最大的因素还是重量，重量决定了一切。”
　　伦肖补充说：“菱形翼不仅有更大的面积，而且结构更高效。较长的翼根弦长提供了更加分散的机身负载路径，多舱壁设计可承受弯曲载荷。该设计为围绕内部设备布置舱壁提供了更多的空间，同时也增加了载油量。”
　　哈迪指出：“结构工程师想要菱形翼，因为可以提供较大的翼根弦长且弯曲力矩承受性能更好。 而气动专家想要梯形翼，因为该机翼可以提供更大的展弦比，空气动力学性能更好。洛克希德加州公司总裁迪克黑珀最后拍板选择了菱形翼，他做出了正确的决定。菱形翼的气动性能也不是那么糟，而且结构和重量性能都有显著改善，所以我们选择了菱形翼。但是更大的翼根弦长把平尾后推，最后我们不得不在机翼后缘内侧开了一个缺口来容纳平尾，否则再把平尾后移，就要掉出机身了。”

尾翼探索
　　614构型确定了机翼后，后续构型就要开始研究尾翼布置了。洛克希德发动机集成总工程师娄班格特回忆：“我们花了大量风洞时间研究尾翼。我们从1987年到1988年初都在致力于被称为‘伟大的尾翼探索’的研究。我们知道肯定会采用四尾翼，但如何布置就是个大问题了，一个细微的位置变动就能导致巨大的差异。我们必须同时考虑尾翼对性能、隐身、稳定性和操控性、阻力的影响，所以尾翼布置和机尾设计都是非常重要的研究。”
　　风洞试验结果表明，垂尾位置和前机身设计之间存在超敏感的关系，而且这种相互作用并不能通过气动分析或流体动力学计算准确预测。在某些迎角下经过前机身的气流会影响方向舵的操控力，所以让气流正确流动是至关重要的。
　　由于会增加雷达反射信号，所以垂尾的外倾角和后掠角度并不能改变太多。在寻找尾翼布置的过程中，控制系统设计师因隐身方面德尔限制只能平移或纵移尾翼，并在基本外形不变的前提下下对垂尾进行放大或缩小。在演示/验证阶段结束时，团队已经进行了约20000小时的风洞测试，其中很多专门用在了尾翼布置研究上。
　　具有梯形平尾和垂尾的614-6构型成为1987年12月开始的尾翼探索的起点。经过许多中间构型后，1988年2月的630构型的垂尾也进化成菱形，同时缩小了机翼面积。631构型每侧垂尾的面积增加了0.65平方米，方向舵尺寸也稍稍增加，垂尾倾斜角度从28度增加到30度。1988年3月原型机设计也被冻结于该构型（1131构型）。
　　美国空军取消了反推要求后，原型机设计在1988年5月的最后一分钟解冻。团队以对围绕反推设计的后机身和尾喷管的外形进行修改，结果使尾部阻力显著减小。穆林说：“直到5月我们才获得了一种具有正常超音速阻力的飞机。我们在这么晚的时候做出解冻原型机设计的决定吓坏了空军。但对于超音速巡航来说此时设计的超音速阻力仍太高，首席飞行科学工程师Ed格拉斯哥率领一队人马重新设计了前后机身，使超音速阻力降到可以接受的水平，确保飞机能超音速巡航。”
　　1988年5月原型机设计被最终冻结在1132构型，除了前后机身的修改外，平尾也由1131构型的梯形改为菱形。

原型机
　　1988年4月1日YF-22的第一批生产图纸正式出图，4月27日沃斯堡工厂开始粗略切削一块中段机身的钛631壁板，标志着第一架YF-22开始动工。通用动力在沃斯堡主工厂F-16总装线的北端保密区制造了这个中段机身，很快洛克希德也在伯班克开始制造带起落架舱前舱壁的前机身。同时波音也开始在西雅图制造后机身和机翼，他们先从襟副翼扭矩臂组件着手。原型的制造将持续两年。


设计团队进行了数千小时的风洞测试，图中这个模型名为V5B，用于测量弹舱在飞行中的气动受力
　　原型机的各组件最后汇集到加州帕姆戴尔进行总装。1990年1月12日一架洛克希德C-5A“银河”把第一架原型机的中段机身运到西海岸，就在该机从卡斯威尔空军基地起飞后不久就被雷电击中，好在机身于当晚被安全运抵目的地。几天前前机身已经被卡车从伯班克运到帕姆戴尔，同一天波音的后机身也被卡车从西雅图运来了。
　　穆林回忆道：“这些主结构组件的装配过程很顺利且迅速，这是三地都用CADAM软件设计飞机和工装的成果。”
　　1990年8月29日YF-22在帕姆戴尔的臭鼬工厂公开，9月29日首飞，洛克希德试飞员戴维弗格森驾驶YF-22从帕姆戴尔飞到附近的爱德华兹空军基地，10月30日第二架原型机首飞。随之而来的YF-22试飞项目成为航空史上最辛苦的工作之一。

两架YF-22原型机，安装了不同的发动机
　　试飞密度逐步提高，10月份13架次、11月份22架次、12月份38架次，团队在74架次的试飞中积累了90飞行小时，YF-22的飞行包线也扩展超过了2马赫、7g、60度迎角。YF-22还实弹发射了AIM-9M“响尾蛇”和AIM-120先进中程空空导弹。
　　安装普惠和通用电气发动机的YF-22都进行了不使用加力的超音速飞行——也就是超音速巡航的演示。肯特说：“在我们完成首飞后，YF-22的试飞频率迅速增加，我们只有不到三个月的试飞时间。在空军轻型战斗机项目的YF-16和YF-17之争中，通用动力YF-16的试飞频率就远高于诺斯罗普的YF-17，我们想在YF-22试飞中再现这一情景并做到了。我们有来自洛克希德、波音和通用动力公司的经验丰富的试飞员，同样还有很多经验丰富的现场服务人员。洛克希德的迪克艾布拉姆斯作为我们爱德华兹试飞团队负责人表现出色。”
　　空军要求ATF原型机能展示出符合ATF要求的性能和操纵品质，其中包括超音速巡航。不过对推力矢量不做要求，因为这只能通过过失速机动才能展示。此外各团队还需要在雷达测试场对全尺寸模型进行评估，看是否满足低可探测性要求。
　　莫兰说：“诺斯罗普-麦道团队的原型机早我们一个月下地，并开始了一个完全正常且成功的短期试飞项目。我们起步晚了，只能寄希望于更密集的试飞来争取时间，最后我们做到了。”

生产型设计的进化
　　生产型设计在原型机被冻结后仍不断进化。1132之后的构型逐步表现出F-22和YF-22之间的外形差异。1988年7月，发展自632构型的634构型开始具有前移的座舱和缩短的进气口，同时还改进了结构布置，更重要的是该构型还对航电规定了900万美元飞离成本上限，这将对F-22项目产生深远影响。
　　穆林说：“由于航电成本的不断增长，1989年1月美国空军高级官员规定了航电成本上限。当时我们航电系统的图纸设计成本已经超过了单机160万美元。上限导致的冲击波影响了整个项目，这对空军和两个团队来说都是如此。红外搜索与跟踪系统以及其他很多系统（如侧视合成孔径雷达）不得不被摈弃。实际上航电成本上限可能是项目中做出的最明智决定之一，在此之前航电成本的疯长已超出控制，空军提出一个简单的数字就解决了很多问题。”
　　到1989年秋，634构型已让位于637构型，后者具有不同的前机身外形、新的弹舱设计和和新的系统布置。1990年初又出现了638构型，机翼前缘后掠角从48度变为42度、进气口进一步后移而座舱进一步前移、垂尾变小、机翼后缘切尖、总长度从19.50米缩短至18.90米，638构型的变形进入下一阶段继续发展。1990年的最后一天，该方案被提交给俄亥俄州的美国空军赖特-帕特森空军基地。

F-22生产型与YF-22原型机的外形差异
最终获胜
　　1991年4月23日空军部长唐纳德赖斯宣布洛克希德团队成为ATF项目的赢家。赖斯指出洛克希德和普惠的设计“显然以更低的成本提供了更好的性能，从而能为空军提供最好的价值。”最初的全面研发合同包括9架单座、2架双座和2架地面测试F-22。
　　由于在宣布结果后美国空军没有向承包商提供方案详细评估报告，人们对洛克希德-波音-通用动力团队获胜的原因有着各自的解释。谢尔姆穆林是这样解释的：“我们的目标是在各方面击败诺斯罗普-麦道团队，而不是仅在某些特定领域获胜。我们团队花掉了6.75亿美元来实施一个全面战略，我们的生产型具有平衡的设计，我们原型机的性能几乎和向空军预测的完全一样，我们的全尺寸模型显示出能以低风险方式来满足雷达信号要求，我们用地面和飞行实验室演示了综合航电，实时运行了大量航电软件且效果良好。F-22非常注重自持作战能力，在设计中融入了许多可靠性、可维修性和保障性功能。我们严格遵守空军工程和制造发展阶段方案需求书中的每个细节。”
　　随着当年秋天美国空军授予首批生产型飞机的长周期生产合同，F-22“猛禽”项目开始从研发阶段转入生产阶段。生产型的制造始于645构型，其外形和1990年12月提出的638构型基本相同。F-22的生产数量一开始为750架，预订于2005年交付。不过在演示/验证阶段末期，数量削减到648架，但由于冷战后国防资金和威胁的减少，F-22的生产数量进一步被削减至339架，谁知最终仅生产了187架。在F-22的生产期间，三家公司一直没有放弃向美国空军推销可最终取代F-15E的F-22对地改型，并大力游说政府开放向盟国出口F-22。http://www.afwing.com/aircraft/the-birth-of-f22-raptor-4.html

设计过程
　　穆林、哈代和肯特成为设计过程的最终仲裁者，这需要克希德-波音-通用动力团队在应变力、效率和决断上达到一个新水平。
　　肯特解释道：“工程师们将通过各自公司的总工程师进行分歧沟通，总师直接对各自的项目主管负责。也就是说如果工程师们不能达成一项决议，他们就把问题推给各自的总师，如果仍不能决定，问题就会被踢给穆林、哈迪和肯特。无论多么优秀的工程师都必须学会坐下让他人说话，对他人的意见表现出尊重而不是挖苦。我们开除了无法与他人相处的家伙，一些顶尖工程师们渡过了一段学习如何与同行相处的艰难时期。最后这些有着不同行事方式和不同背景的工程师们终于能坐在一起工作。在三家公司的空气动力学专家们开始投票反对他们三家公司结构工程师们做出的决定时，我开始感到我们正成长为一个更具凝聚力的团队。”
　　整个设计过程不断受到与美国空军代表定期接触和更正式的空军评论的影响。阿贝尔解释说：“空军通过一份初始规格草案控制了ATF的研究方向。随着研究的深入和方案的评估，我们在演示/验证阶段中每年都要调整一次规格。在我们的评论中，我们根据作战分析、测试结果以及其他信息来确定要求是过高还是过低，然后进行相应调整。如果其中一个团队认为无法实现新要求时我们就不做修改，不过他们会意识到另一个团队也许能满足。所以一般在我们修改要求后两个ATF团队会全力以赴。”
　　比如空军一开始要求主武器舱可容纳8枚导弹。阿贝尔说：“一个团队认为可以实现但并不确定，我们就没有改变原先六枚导弹的要求，最后两支ATF团队都确定弹舱装不下8枚导弹。还有一个例子，我们取消了用于短距降落的喷管反推要求，因为该装置太过昂贵，费效比不佳。”
　　莫兰补充说：“构型的进化始终伴随着ATF系统项目办公室和战术空军司令部对系统要求的历年锤炼。每年的设计修改都要导致重新估算重量、成本、性能和效能，估算结果又会导致相应的规格变化，而对规格的修改又需要新的设计工作，如此反复不已。”
　　因此美国空军在演示/验证阶段对设计过程的参与是间接的。阿贝尔说：“我们对项目施加的最大影响是允许公司针对特定系统进行理论和动机研究，在技术方面更倾向于理解两支团队的设计理念和采用的方法。我们总是问‘你为什么要那样做呢？’而不是‘你为什么不这样做呢？’。我们更感兴趣的是设计过程和背后的动机而不是细节。如果在我这边里有人说‘应该这样做’，我会枪毙他，因为我们不能给研究定方向。”
设计挑战
　　ATF在设计上的基本挑战是把隐身、超音速巡航、高度集成化航电和敏捷性都集中在一架飞机上，还要求该机的作战航程高于F-15，F-22还必须要有F-15两倍的可靠性和一半的支援要求。
　　哈迪说：“我们经常遇到的一个问题就是在尝试把部件塞进飞机时，这东西就想占据重心位置。弹药当然要位于重心，这样在投放时就不会改变飞机的稳定性。主起落架想占据紧靠重心后的位置，这样在降落时就不需要坐着尾巴上接地，起飞时也更容易抬起机头。油箱也想占据此位置，这样在油箱变空时重心就不会移动，否则因燃油消耗导致的重心移动会降低稳定性和操控性。此外出于隐身的原因我们也不得不遮掩发动机正面，所以两根巨大的进气道就必须以正确方式从上述设备中间穿过。设计的复杂性导致专门负责这一块的工程师们为空间安排争论不休，这种情况从1986年一直持续到1988年。”
　　随着设计的进展，重量变成了最困难的设计挑战。穆林承认：“我们从来没能设计出一架接近空军要求的50000磅（22680千克）起飞全重的飞机。经过两年的努力后，我们说服空军这是不可能的，于是空军修改了重量要求。”
　　穆林继续说：“进气道的匹配设计也是非常困难的，气动、结构、低可探测性和可生产性要求互相之间严重冲突。我们花了大约三年进行大量的分析和风洞测试，实现了一个完全可以接受的进气道设计，最后的性能非常好。”
　　1987年2月，洛克希德-波音-通用的构型迎来了第一个重大变化，更节省空间的扁平弹舱取代了090P上的旋转弹舱。095构型第一个采用新弹舱上，旋转弹舱的取消使两台发动机能更加靠近，减少了波阻。
　　095构型还缩窄了边条以减少重心前的投影面积，并后推了涡流分离的位置，这些改变对大迎角飞行至关重要。工程师们还重新设计了前机身以减少截面积，提高大迎角性能并减少波阻和重量，发动机进气口也经过了重新设计。095构型仍保留了090P的梯形机翼和尾翼。
　　此时构型演变为两个家族，第一个家族编号带1000前缀，代表原型机设计（也就是所谓的“原型飞行器”）。第二个家族编号带500前缀，代表首选系统概念设计——也就是最终并能进入项目下一阶段的方案（即生产型设计）。095构型因此演变为1095（原型）和595（生产型）。
　　构型经过次要修改后会在编号后加上短横和数字，例如1987年7月的首选系统概念是595-6构型。随着演示/验证阶段的进展，这两个设计家族渐行渐远，为了制造和试飞原型机，原型机设计被冻结。首选系统概念则继续为项目的下一个阶段（全面发展阶段，也就是之后的工程和制造发展阶段）继续进化。
　　1987年5月美国空军进行了第一次要求审查，前后持续了一个星期。穆林回忆说：“首次审查就是一场确保我们正沿着正确轨道前进的沟通交流会，我觉得大家在审查后都对设计感觉良好，人们的乐观情绪高涨，没人愿意承认我们的ATF达不到50000磅的重量要求。我们在详细设计和重量分析上做的还不够，还没得到一组准确的重量数据。”

构型进化
　　1987年6月下旬，在三公司7月10日沃思堡常务会议之前工程师们得到了重量数据。肯特回忆道：“我们几乎超重9000磅（4080千克），单价超支500万美元。但我们在所以机动性参数上仍然达标，除重量和成本外我们有了一架相当不错的飞机。我们希望能放宽最大过载时的载油量，还希望能调低其他几项总重量指标，去掉几个任务，并通过简化航电来降低成本。”
　　在这些妥协还没有落地前，团队决定退后一步对设计进行更根本性的修改。穆林说：“经过一场激烈的争论后，我们认为需要扔掉现有设计重新来过。我们在那个周末启用新设计工程主管迪克坎特雷尔，他飞过来带领大家开始了为期90天的紧急修改。工作开始于7月13日（星期一），标志的在战斗机概念设计期间最富有创造力一段日子的开始。我们研究了不同进气口、机翼、尾翼的组合，其中一个构型具有两个大蝶形尾翼，看上去有点像F-117。由于当时F-117仍然高度保密，所以人们不知道这点。构型探索范围很广，但最后带来的最大变化是菱形机翼。”
　　集中构型探索从大量可行性设计研究开始，对大量可行设计进行排列组合。在1987年夏团队对菱形机翼、双尾翼（V尾），各种形状的进气口，各种外形的前机身同时进行了反复考量。
　　具有梯形机翼和四尾翼的595-7构型成为这些研究的起点。608A构型是等效的基准设计，外形和595-7类似，只是主弹舱挂六枚而不是八枚导弹。
　　608构型具有梯形机翼和双尾翼。607-0构型引入了与通用动力ATF方案相似的菱形机翼，但配之以四尾翼而不是单垂尾。607-11A构型具有菱形机翼和双尾翼。611A构型同样具有菱形机翼和双尾翼，但大机背使人联想到090P。609A构型看起来很像波音的ATF方案，具有梯形机翼、双尾翼和单颌下进气口。
　　610A构型混合了波音和洛克希德方案的特点，具有梯形机翼、双尾翼和双侧面进气口。计算机辅助设计在这些构型的研究中起到了至关重要的作用，ATF是最早使用电脑进行辅助设计的战斗机之一。一开始团队使用的是CADAM二维绘图软件包。
　　在伯班克参加了数月ATF设计工作的通用动力构型设计师约翰霍夫施威勒解释说：“CADAM更适合设计细节部分而不便于对设计概念进行反复修改。我们很快意识到需要ACAD和Perq电脑来加快设计进程。我们从沃斯堡调出了设备并通过了洛克希德的安检，这是个不小的壮举。我们六个来自沃斯堡的工程师有一间被称为大壁橱的小办公室。ACAD软件允许我们有更多的想法，并让每个想法更详细。”
　　ACAD是通用动力公司研制的三维软件包，可用于概念和初步设计（该软件的后续版本至今仍在使用）。该小组还把ACAD和CATIA配合使用，后者是达索开发的高保真三维软件，可以把数据直接输出给数控加工设备。ATF设计师用ACAD做出第一代线形数据库以便能够快速反复推敲修改，随后这些文件会被编译成CATIA数据库。
　　穆林补充道：“我们也通过数据链把设计数据和其他数据在三个公司中互相传输。这个网络建于1987年项目的早期，我们花了几天时间在大型机而不是工作站上搭建网络。数据链是加密的，这样沃思堡的工程师可以与伯班克或西雅图共享设计相关数据。”到1987年8月中旬，供选择的构型已经缩减至5个，分别是595-7构型（梯形翼、四尾翼、和8枚导弹基准构型）、612构型（6枚导弹的基准设计）、613构型（梯形机翼和双尾翼）、 614构型（菱形机翼和四尾翼）、615构型（菱形机翼、双尾翼和双侧面进气口）。八月下旬，菱形机翼四尾翼的614构型胜出。
　　穆林说：“采用菱形机翼的根本原因就是在获得最轻的重量和最好的结构效率时还能满足控制力要求，其中最大的因素还是重量，重量决定了一切。”
　　伦肖补充说：“菱形翼不仅有更大的面积，而且结构更高效。较长的翼根弦长提供了更加分散的机身负载路径，多舱壁设计可承受弯曲载荷。该设计为围绕内部设备布置舱壁提供了更多的空间，同时也增加了载油量。”
　　哈迪指出：“结构工程师想要菱形翼，因为可以提供较大的翼根弦长且弯曲力矩承受性能更好。 而气动专家想要梯形翼，因为该机翼可以提供更大的展弦比，空气动力学性能更好。洛克希德加州公司总裁迪克黑珀最后拍板选择了菱形翼，他做出了正确的决定。菱形翼的气动性能也不是那么糟，而且结构和重量性能都有显著改善，所以我们选择了菱形翼。但是更大的翼根弦长把平尾后推，最后我们不得不在机翼后缘内侧开了一个缺口来容纳平尾，否则再把平尾后移，就要掉出机身了。”

尾翼探索
　　614构型确定了机翼后，后续构型就要开始研究尾翼布置了。洛克希德发动机集成总工程师娄班格特回忆：“我们花了大量风洞时间研究尾翼。我们从1987年到1988年初都在致力于被称为‘伟大的尾翼探索’的研究。我们知道肯定会采用四尾翼，但如何布置就是个大问题了，一个细微的位置变动就能导致巨大的差异。我们必须同时考虑尾翼对性能、隐身、稳定性和操控性、阻力的影响，所以尾翼布置和机尾设计都是非常重要的研究。”
　　风洞试验结果表明，垂尾位置和前机身设计之间存在超敏感的关系，而且这种相互作用并不能通过气动分析或流体动力学计算准确预测。在某些迎角下经过前机身的气流会影响方向舵的操控力，所以让气流正确流动是至关重要的。
　　由于会增加雷达反射信号，所以垂尾的外倾角和后掠角度并不能改变太多。在寻找尾翼布置的过程中，控制系统设计师因隐身方面德尔限制只能平移或纵移尾翼，并在基本外形不变的前提下下对垂尾进行放大或缩小。在演示/验证阶段结束时，团队已经进行了约20000小时的风洞测试，其中很多专门用在了尾翼布置研究上。
　　具有梯形平尾和垂尾的614-6构型成为1987年12月开始的尾翼探索的起点。经过许多中间构型后，1988年2月的630构型的垂尾也进化成菱形，同时缩小了机翼面积。631构型每侧垂尾的面积增加了0.65平方米，方向舵尺寸也稍稍增加，垂尾倾斜角度从28度增加到30度。1988年3月原型机设计也被冻结于该构型（1131构型）。
　　美国空军取消了反推要求后，原型机设计在1988年5月的最后一分钟解冻。团队以对围绕反推设计的后机身和尾喷管的外形进行修改，结果使尾部阻力显著减小。穆林说：“直到5月我们才获得了一种具有正常超音速阻力的飞机。我们在这么晚的时候做出解冻原型机设计的决定吓坏了空军。但对于超音速巡航来说此时设计的超音速阻力仍太高，首席飞行科学工程师Ed格拉斯哥率领一队人马重新设计了前后机身，使超音速阻力降到可以接受的水平，确保飞机能超音速巡航。”
　　1988年5月原型机设计被最终冻结在1132构型，除了前后机身的修改外，平尾也由1131构型的梯形改为菱形。

原型机
　　1988年4月1日YF-22的第一批生产图纸正式出图，4月27日沃斯堡工厂开始粗略切削一块中段机身的钛631壁板，标志着第一架YF-22开始动工。通用动力在沃斯堡主工厂F-16总装线的北端保密区制造了这个中段机身，很快洛克希德也在伯班克开始制造带起落架舱前舱壁的前机身。同时波音也开始在西雅图制造后机身和机翼，他们先从襟副翼扭矩臂组件着手。原型的制造将持续两年。


设计团队进行了数千小时的风洞测试，图中这个模型名为V5B，用于测量弹舱在飞行中的气动受力
　　原型机的各组件最后汇集到加州帕姆戴尔进行总装。1990年1月12日一架洛克希德C-5A“银河”把第一架原型机的中段机身运到西海岸，就在该机从卡斯威尔空军基地起飞后不久就被雷电击中，好在机身于当晚被安全运抵目的地。几天前前机身已经被卡车从伯班克运到帕姆戴尔，同一天波音的后机身也被卡车从西雅图运来了。
　　穆林回忆道：“这些主结构组件的装配过程很顺利且迅速，这是三地都用CADAM软件设计飞机和工装的成果。”
　　1990年8月29日YF-22在帕姆戴尔的臭鼬工厂公开，9月29日首飞，洛克希德试飞员戴维弗格森驾驶YF-22从帕姆戴尔飞到附近的爱德华兹空军基地，10月30日第二架原型机首飞。随之而来的YF-22试飞项目成为航空史上最辛苦的工作之一。

两架YF-22原型机，安装了不同的发动机
　　试飞密度逐步提高，10月份13架次、11月份22架次、12月份38架次，团队在74架次的试飞中积累了90飞行小时，YF-22的飞行包线也扩展超过了2马赫、7g、60度迎角。YF-22还实弹发射了AIM-9M“响尾蛇”和AIM-120先进中程空空导弹。
　　安装普惠和通用电气发动机的YF-22都进行了不使用加力的超音速飞行——也就是超音速巡航的演示。肯特说：“在我们完成首飞后，YF-22的试飞频率迅速增加，我们只有不到三个月的试飞时间。在空军轻型战斗机项目的YF-16和YF-17之争中，通用动力YF-16的试飞频率就远高于诺斯罗普的YF-17，我们想在YF-22试飞中再现这一情景并做到了。我们有来自洛克希德、波音和通用动力公司的经验丰富的试飞员，同样还有很多经验丰富的现场服务人员。洛克希德的迪克艾布拉姆斯作为我们爱德华兹试飞团队负责人表现出色。”
　　空军要求ATF原型机能展示出符合ATF要求的性能和操纵品质，其中包括超音速巡航。不过对推力矢量不做要求，因为这只能通过过失速机动才能展示。此外各团队还需要在雷达测试场对全尺寸模型进行评估，看是否满足低可探测性要求。
　　莫兰说：“诺斯罗普-麦道团队的原型机早我们一个月下地，并开始了一个完全正常且成功的短期试飞项目。我们起步晚了，只能寄希望于更密集的试飞来争取时间，最后我们做到了。”

生产型设计的进化
　　生产型设计在原型机被冻结后仍不断进化。1132之后的构型逐步表现出F-22和YF-22之间的外形差异。1988年7月，发展自632构型的634构型开始具有前移的座舱和缩短的进气口，同时还改进了结构布置，更重要的是该构型还对航电规定了900万美元飞离成本上限，这将对F-22项目产生深远影响。
　　穆林说：“由于航电成本的不断增长，1989年1月美国空军高级官员规定了航电成本上限。当时我们航电系统的图纸设计成本已经超过了单机160万美元。上限导致的冲击波影响了整个项目，这对空军和两个团队来说都是如此。红外搜索与跟踪系统以及其他很多系统（如侧视合成孔径雷达）不得不被摈弃。实际上航电成本上限可能是项目中做出的最明智决定之一，在此之前航电成本的疯长已超出控制，空军提出一个简单的数字就解决了很多问题。”
　　到1989年秋，634构型已让位于637构型，后者具有不同的前机身外形、新的弹舱设计和和新的系统布置。1990年初又出现了638构型，机翼前缘后掠角从48度变为42度、进气口进一步后移而座舱进一步前移、垂尾变小、机翼后缘切尖、总长度从19.50米缩短至18.90米，638构型的变形进入下一阶段继续发展。1990年的最后一天，该方案被提交给俄亥俄州的美国空军赖特-帕特森空军基地。

F-22生产型与YF-22原型机的外形差异
最终获胜
　　1991年4月23日空军部长唐纳德赖斯宣布洛克希德团队成为ATF项目的赢家。赖斯指出洛克希德和普惠的设计“显然以更低的成本提供了更好的性能，从而能为空军提供最好的价值。”最初的全面研发合同包括9架单座、2架双座和2架地面测试F-22。
　　由于在宣布结果后美国空军没有向承包商提供方案详细评估报告，人们对洛克希德-波音-通用动力团队获胜的原因有着各自的解释。谢尔姆穆林是这样解释的：“我们的目标是在各方面击败诺斯罗普-麦道团队，而不是仅在某些特定领域获胜。我们团队花掉了6.75亿美元来实施一个全面战略，我们的生产型具有平衡的设计，我们原型机的性能几乎和向空军预测的完全一样，我们的全尺寸模型显示出能以低风险方式来满足雷达信号要求，我们用地面和飞行实验室演示了综合航电，实时运行了大量航电软件且效果良好。F-22非常注重自持作战能力，在设计中融入了许多可靠性、可维修性和保障性功能。我们严格遵守空军工程和制造发展阶段方案需求书中的每个细节。”
　　随着当年秋天美国空军授予首批生产型飞机的长周期生产合同，F-22“猛禽”项目开始从研发阶段转入生产阶段。生产型的制造始于645构型，其外形和1990年12月提出的638构型基本相同。F-22的生产数量一开始为750架，预订于2005年交付。不过在演示/验证阶段末期，数量削减到648架，但由于冷战后国防资金和威胁的减少，F-22的生产数量进一步被削减至339架，谁知最终仅生产了187架。在F-22的生产期间，三家公司一直没有放弃向美国空军推销可最终取代F-15E的F-22对地改型，并大力游说政府开放向盟国出口F-22。