随着F-117、B-2、F-22 等隐身固定翼战机的服役,军用航空领域迅速进入“隐身时代”。与固定翼战机领域纷纷赶隐身的“时髦”形成鲜明对比的是,直升机领域的隐身型号却屈指可数。除尚未服役便下马的RAH-66“科曼奇”隐身直升机外,就只有在斩首本·拉登的行动中因坠毁而意外曝光的“隐身黑鹰”了。后者在行动前后均无任何文字或图片报道,一方面表明保密工作做得相当到位,另一方面也显示出其服役数量极为有限。那么,是什么制约了隐身技术在直升机领域的推广运用?直升机隐身设计的难点,又表现在哪些方面?
美国F-117隐身轰炸机
机体隐身对固定翼飞机而言,隐身设计主要包括雷达隐身和红外隐身,而对于经常要超低空飞行的军用直升机来说,还必须考虑声学和光学隐身。
就机体而言,由于直升机飞行速度远低于固定翼飞机,其机体本身并无升力要求,气动设计也比固定翼飞机宽松得多。已被固定翼飞机淘汰的“宝石”形雷达隐身设计,其实更适合直升机。当然,隐身直升机的外形,还不至于像F-117 那样棱角分明,一般是将平面或曲面的机体折角化,以此将入射的雷达波反射到其他方向,从而降低在雷达波入射方向上的回波强度.压缩敌方雷达发现距离,达到雷达隐身的目的。
除机体折角化处理外,以往那些凸出在机身外的各种“零碎”也尽可能地收纳到机身内。然而,军用直升机的目标搜索和火控系统传感器都集中在前部,其中一些 不仅难以收纳到机身内,为了扩大探测范围,还需要转动,这就要求必须对暴露在外的传感器进行一定的隐身化处理。对光电传感器来说,必须尽可能取消目前流行的整体转塔设计,改为将光电传感器转台置于开有大型窗口的固定罩台内。窗口覆设镀有金属反射膜的曲面玻璃,以降低雷达反射回波强度。雷达天线罩,也必须选用只能透过固定频率雷达波的材料制作,安置于雷达罩内的雷达天线须倾斜安装,以降低雷达天线自身对敌方雷达波的反射强度。
直升机的起落架,有固定雪橇式和轮式两大类。前者结构简单、重量轻,但只适于轻型直升机,后者又可分为外置固定式和折叠内置式两大类。对隐身直升机而言,只能采用内收折叠内置轮式起落架。但如此一来,占用机内空间不说,还无法利用起落架作为直升机坠落时的缓冲部件。在这种情况下,必须重新设计隐身直升机的机体结构,以便在缺乏起落架结构支撑及缓冲的情况下,确保直升机的抗坠毁能力不出现明显下降。
直升机航程有限,有些机型会在机体两侧设置固定外置油箱或通过短翼挂载可抛弃副油箱,甚至还会在机头伸出一根固定式受油管。如果追求隐身化,固定外置油箱和可抛弃副油箱均要取消,这将严重影响直升机载荷航程。采用空中加油是个解决途径,但对隐身直升机来说,固定式受油管肯定不可取,伸缩式受油管虽能满足隐身要求,但会付出增加系统复杂性、占用机内空间等代价。
美国AH-64武装直升机
机炮,是当代武装直升机不可取代的武器。目前,绝大多数武装直升机将机炮置于机头下方的转塔上,少数机型将机炮固定安装在机身侧面。前一种安装方式,能让机炮获得广阔射界,但不利于隐身。后者隐身化的处理虽比前者容易,但要求直升机必须将机头精准地对准目标,才能构成射击条件。要想兼顾隐身与作战这对矛盾,隐身武装直升机只能给机头下方的活动航炮套上个封闭结构的炮塔,并增加一个后向的固定位置。在非作战状态时,将经过隐身修形的航炮转向后方,把炮塔光滑的后段面向前方。在需要使用航炮作战时,再将炮塔转向前方。
除机炮外,武装直升机还会在机身两侧短翼下挂载各类空空、空地武器。显然,隐身要求必须采用不利于隐身内置弹舱和折叠挂架。武装直升机主要活动在超低空 机载设备的视场和通视的距离均不大,与突然出现之敌发生近战的可能性较大。内置弹舱装载武器比较适合远程攻击,但不利于近战。而从折叠挂架展开到武器形成发射状态,即便是发射无制导*********,也需1至2秒******则要再增加2秒左右的瞄锁定时间。几秒的时间看似很短,但对作战距离只有几千米,甚至仅有几百米的武装直升机来说,影响极大。如果面对的是敌武装直升机,几秒的延迟足够对方率先发起攻击。如果面对的是突然出现的战术目标,几秒的延误就可能失去一次攻击机会,迫使直升机再次寻机进入攻击航路,从而增大暴露风险。
不仅如此,武装直升机由于机体细窄,因而机身内部容积小,结构复杂的折叠挂架和内置弹舱,占用机内空间后,必然迫使设计师扩大油箱分布范围,但这又会造成燃料防护结构重量增长。RAH-66隐身直升机的解决办法是,增加下部机体宽度,以缓解内置弹舱的油箱相互争夺机内空间的压力,但这使得机体正面过宽,迎面的气动阻力增大,提高了对动力系统功率的要求。
旋翼选择直升机主旋翼的桨叶、桨毂和叶片控制机构,均是雷达波强反射源,且桨叶旋转时挥舞成一个大面积盘面,在飞行高度较高时,极易反射阳光,形成断续闪烁,不利于光学隐身。
直升机主旋翼效率,直接体现在升力上。在升力一定的情况下,桨叶的数量越多,旋翼的直径就越小,抑或旋翼直径不变,桨叶转速将明显降低。这不仅有助于减少机体震动和噪声,还有助于降低叶尖气动损失,有利于提高飞行性能。但桨叶数量增多,桨毂的复杂性、结构重量及飞行阻力也水涨船高,还会恶化地勤维护。综合考量,中型以上的直升机,主旋翼桨叶最好在4片以上。
按航空器雷达隐身设计的基本原理,当机体结构与雷达波垂直时,雷达反射信号最强。直升机主旋翼如果采用4片桨叶,总有2片桨片会同时与雷达波束垂直,形成最强信号反射效果,而旋翼每转1周,就会产生2个强反射的波峰信号。如果改用5片桨叶,在任何时候都只有1片桨叶与雷达波垂直,旋翼每转1周,只会产生5个信号强度较弱的波峰信号。因此,中型隐身直升机比较适合采用5片桨叶。主旋翼采用5片桨叶后,转速明显要低于4片桨叶,叶尖的线速度基本都能处于亚声速范围,桨尖形成的噪声信号强度要低得多。
美国RAH-66武装直升机
有研究表明,4叶主旋翼的目视亮度仅为2叶主旋翼的一半左右,而5叶主旋翼的目视亮度仅为2叶式主旋翼的15%左右。由此可见,5叶式主旋翼所带来的雷达、光学、声学隐身方面的收益,远超其系统复杂性增大所付出的成本。
现代直升机的主旋翼桨叶,多采用复合材料制造的宽弦叶片,金属前缘的面积有限,而且桨叶上还可涂覆吸波材料,这都有利于雷达隐身。如果主旋翼桨叶采用带有翼尖后掠的先进翼形,还可让工作时产生的噪声降低2分贝左右,有利于声学隐身。桨毂和桨叶变距控制装置结构复杂,零部件多,在高速旋转时,雷达反射截面积在数平方米至几十平方米之间。因此,在隐身设计时,必须用大尺寸的保形罩体将桨毂和变距控制装置包裹在其中,并尽可能减少各活动部件间的缝隙。这么做虽将付出几十千克重量的代价,气动阻力也有所增大,但可封闭强雷达反射源,取得较好的雷达隐身效果。
一举两得直升机主旋翼旋转时,不仅产生升力,还产生让直升机绕自身旋转的扭矩。为平衡这种扭矩,要么采用能相互抵消的共轴对转双旋翼设计,要么为直升机设计一个较长的尾梁,在尾梁末端设置尾旋翼,以平衡扭矩。前者因双旋翼间的互相干扰问题与双旋翼在某些状态下易碰撞等原因,应用并不广泛。
传统尾旋翼靠产生的侧拉(推)力,来抵消主旋翼带来的扭矩,但也带来尾旋翼和主旋翼气流的彼此干扰,不仅增加了震动与噪声,而且尾旋翼本身也是直升机防护的一大弱点。一旦尾旋翼因故障、碰撞外物或遭敌火力命中而失效,直升机便会立刻失控。
用一个外壳将尾旋翼包裹于其中的涵道式尾桨,防护性能比传统尾旋翼好很多,而日噪声也低。当然,如果降低直升机侧面的雷达波反射强度,涵道式尾桨同样要朝有利升力的方向倾斜一个角度,使尾桨涵道叶盘既能实现纠偏,又能降低侧向雷达反射强度,还增加了部分升力。涵道式尾桨叶片的数量比外露尾桨多得多,转速也要低些,但仍易在工作时形成镜面反射 。不过,若在桨盘两侧的涵道外侧,按雷达波束尺寸设置网状格栅,将彻底隔离雷达波照射尾桨叶片的危险。与此同时,格栅网还能保护尾桨不受异物击打损伤。
涵道尾桨的弱点,首先是气动阻力较大,桨盘的效率也不如外露桨,限制了直升机的水平回旋性能。涵道式尾桨如果偏转一个角度,平衡效率就会有所降低,如果再增加涵道防护格栅还要受影响,加之其只适用于中小型直升机,因而应用并不广泛。如果将发动机红外隐身设计与尾桨隐身设计综合起来,倒不失为一举两得的办法。
俄罗斯卡-52武装直升机
直升机红外信号,以发动机排气热辐射为主。以AH-64武装直升机为例其红外隐身手段,主要是设计了一套体积庞大而又沉重的混流装置,将发动机喷流与从外界引入的大量冷空气混合后,再排出机体外,然后借助主旋翼下洗气流的吹散作用,使排气的热流更早地分散到空气中,从而大幅降低发动机喷流的红外信号强度,以及其对机体的辐射加温效果。此外,AH-64 还调整排气管道开口方向,利用机体和排气管结构遮挡喷口,缩短红外观测设备对该机型的发现距离。
RAH-66 隐身直升机,则在 AH-64 的红外隐身技术上更进一步。多数直升机都是将发动机排气口直接设于发动机舱后方,也就是机背位置 RAH-66在机背开了个冷却空气进口,仅仅依靠空气在机体表面自然流动形成的吸力将冷空气引入,省去了增加噪声的******风扇。当引入的冷空气以 5 倍于发动机排气的风量与之混合后,从设在尾梁两侧的百叶窗式排气槽中,以向下45度角排离机体。美方声称,采用这种设计后,RAH-66 机体侧面的红外辐射信号强度仅相当于AH-64的25%。
如果将 RAH-66 的百叶窗式排气槽向后挪到尾梁末端,左右对称并将倾斜45度角改为水平,那么就能完全取消尾旋翼或涵道式尾桨。只要启用一侧排气槽,就能产生侧向推力,以抵消主旋翼产生的扭矩,在直升机需要空中转向时,只要控制两侧排气槽的开启,就能达到调整航向的目的。当然,排气槽的精准控制难度不小,而且随着机体的增大及发动机功率的提升,这种技术手段有其适用上限,故而目前尚鲜有成功应用案例。
成本效益上述隐身技术途径,都会增加结构重量代价。哪怕是在“虎”式这样的中型武装直升机机身和旋翼表面,覆设不超过1毫米厚的隐身涂层,增重也会超过120千克。不仅如此,隐身涂层价格不菲,还非常娇气,像B-2之类的隐身战机,需要建造专门的恒温恒湿机库来进行保养。
直升机因航程短,飞行速度慢,通常都作前进部署。在前线野战机场,哪能奢望上述的养护条件?更何况,军用直升机通常在“一树之高”的高度飞行、起飞和飞行时旋翼扬起的沙砾、树枝及其他杂物,极易对机体表面产生冲击和摩擦,从而破坏隐身涂层。因此“隐身黑鹰”仅装备于任务强度低、维护保障条件好且对装备维护成本不敏感的特种部队。
关于制约隐身直升机推广应用的效费比问题,可以通过简单计算就能了知一二。众所周知,雷达探测距离与目标有效反射截面积的4次方根成正比。据悉,“虎”式直升机迎头雷达反射截面积约25平方米,若采用内部弹舱,取消常规外挂,其迎头雷达反射截面积可降至10平方米左右,相应的雷达探测距离降至原先的 79.5%。如果在此基础上对主旋翼外形进行隐身化处理,并固定光电传感器窗口,给窗口曲面玻璃镀金属反射膜,能将其迎头雷达反射截面积降到4至5平方米,相应的雷达探测距离进一步降至原先的 63.2%至 66.9%。如果在重于要位置敷设隐身涂层,迎头状态雷达反射截面积可降至2平方米左右,相应的雷达l探测距离降至原先的53.2%。如果在此基础上将“虎”式的迎头雷达反射截面积降到0.5至1平方米,不过是将相应的雷达探测距离降至原先的37.6%至44.7%,但相应的制造及维护成本可能增加8至10倍,收益明显与投入不匹配。以上只是粗略计算了雷达隐身的成本与收益,若将红外、声学、光学隐身的成本计算在内,数据将更触目惊心。
美国B-2隐身轰炸机
当年RAH-66项目刚启动时,美军要求其每飞行小时使用成本降至AH-64的20%。但由于RAH-66追求极致隐身,加之其预期采购量从最初的 5000 架减少到1213架 因此到1993年,RAH-66的单机预期成本达2100万美元,摊入研制费用后为2700万美元,这个价格竟比当时的F-16C 固定翼战斗机的单价还高。在本世纪初,其预期采购量进一步降到650架后,RAH-66 单机预期成本竟涨至5890万美元。
实际上,受地球曲率影响,雷达对超低空目标的探测距离极为有限,从这个意义上看,超低空飞行能力才是直升机效费比最高的隐身手段。当然,除地球曲率这一因素外,超低空飞行时,地面背景杂波和各种热信号的干扰,以及树木、地形的遮挡效果,也增加了雷达发现直升机的难度、有利于其实现隐蔽出击。因此,就效费比而言,除一些特殊用途的机型外,绝大多数直升机型号根本没必要不惜一切代价追求极致的隐身效果。