建軍節之際,一組剛出廠“素顏”殲-20的清晰大圖,照片中的飛機僅上黃色的防腐蝕底漆而沒有正式塗裝,但在雷達天線罩與機翼、彈艙邊緣卻呈現黑色的“黑膠帶”。
這些“黑膠帶”的背後可以說信息量巨大,如雷達罩是應是為了對雷達波保持透明不能上漆,其它部位的黑色邊條很可能是電磁或材料特性特殊,同樣無法噴上黃漆。這些材料很可能是為隱身而採用的吸波材質,也就是說它們身上藏着殲-20的隱身密碼,從細節看,相比F-22/35也毫不遜色。今天,北國防務就來試着解讀一下。
根據隱身原理,雷達波打在飛機上的反應可分成三種:首先,雷達波會依入射角等於反射角的原則,反射到相反方向去,這可稱為“面反射”;其次,雷達波遇到邊緣也是依入射角等於反射角的原則作反射,但反射波繞着邊緣形成錐狀或環狀,就稱為“邊緣散射”;第三,雷達波不管打到面或邊上,都有部分能量會沿着表面爬行,直到下個不連續區域才產生散射,這稱為“表面波”。
其中,讓隱身設計者最頭痛的是邊緣散射,因為面反射就好像在太陽下拿個大鏡子般,當它正對你眼睛雖然會很刺眼,但只要偏個角度你就看不到反光了。但是邊緣散射卻像是太陽下的一根細鐵絲,雖然只看到一條細細的反光,但因為環狀散射的關係,不管你從那個角度都看得到,這就代表飛機怎麼跑,雷達員也能從屏幕上看到它的邊緣散射。
早期隱身飛機的設計者就是不了解邊緣散射的嚴重性,所以雷達截面積降不下來。而從F-117開始,設計者就知道邊緣散射是對垂直方向最強,如果讓飛機表面的眾多邊緣儘可能平行,則散射方向就會集中到少數角度,大部分角度就只會產生極微量的反射,在雷達眼中成為“隱形”。
然而,洛·馬工程師曾說,隱身設計原則就是“形狀、形狀、形狀、以及材料”。這並不是說只有形狀才是重要的,而是用形狀消除了大部分的回波,材料就可以再消除剩下的頑固份子。例如,在邊緣加上吸波結構,就降低邊緣散射能量,則隱身飛機就算用邊緣對着你,你也未必看得到回波。因此,我們可以看到殲-20的所有翼面前緣與側緣都有黑色邊條,很可能就是吸收邊緣散射的特殊結構。
在殲-20的前翼與襟翼後緣,我們發現黑色邊條還呈現了鋸齒狀,這就與“表面波”有關了。一般人以為,飛機後緣只跟後半球的回波有關,所以飛機如果不在乎後半球的敵人,使可以省略後緣的隱身處理。但這是錯誤的觀念,當雷達打到前機身或機翼前緣後,一部份能量會沿着表面爬行,直到遇上結構接縫或後緣又產生環狀的邊緣散射,也會增加前半球的回波。
因此,早期的隱身飛機會利用“飛鏢式”或“鋸齒式”後緣來增加後緣角度,甚至與前緣平行,就是為了降低表面波的後緣散射。但殲-20的受限於戰鬥機的高機動需求,後緣角度不能太大,就只能透過吸波結構的鋸齒形狀增加後緣散射的角度,從而減少正前方的回波。
但是吸波結構只能做在邊緣,不能整片翼面都是嗎?新一代隱身技術是在碳纖維編織過程就加入吸波材質,所以殲-20的黃色底漆下的碳纖蒙皮可能也有一定吸波能力。然而,機體不同部位的受力與溫度不同,主翼部位可能還要嵌入天線、燈具、維修艙蓋、外置掛架等等需求就需要較高強度的材料,就得犧牲吸波係數。
但殲-20的腹鰭僅具穩定功能而不負責控制,因此受力輕微;加上沒有任何天線或燈具,因此我們可以看到腹鰭除了前、後緣外,中間一大塊也是黑色吸波材質。由於威脅雷達波大多來自下方,西方隱身飛機都避免使用腹鰭,而殲-20的腹鰭藉由增加吸波材料的比例可降低對下半球隱身的衝擊。
有觀點以為,前翼與腹鰭一樣都是單純的氣動面,也能用全吸波材料製成以消弭對前半球隱身的衝擊。但前翼與腹鰭的不同點在於前翼是控制面,需要改變攻角來產生俯仰力矩,而升力的反作用力就會形成結構負荷。
事實上,由於前翼位於氣流的上游位置,其單位面積的受力會比主翼還大,因此像 “颱風”與 “陣風”的前翼都必須以高強度、抗疲勞的鈦合金結構打造,自然無法大幅採用吸波結構。同樣的道理也可套用到殲-20的全動式垂直尾翼,因為要產生偏航與高攻角滾轉力矩,對強度的要求較高,也只有邊緣能裝吸波結構。
不過,跟腹鰭一樣不用“出力”的部位還有DSI進氣道的“腫包”,它是利用精確的表面形狀達到控制震波與排除邊界層亂流的效果,本身受力不大,因此殲-20在腫包上下換成大片吸波材質可降低前方與側方的回波。
另外我們可以隱約看到進氣道內壁也是黑色材質,這是因為殲-20雖然採用S形進氣道讓雷達無法從前方照到發動機葉片,但雷達波打到進氣道內壁還是會在多重反射後打到發動機正面,又經過多重反射從進氣道出來,所以整個進氣道內壁都需具有吸波效果,使雷達波在多重反射的過程衰減消失。
當然,這些也都只是我們的推測,畢竟我們無法到現場“切一塊”回來分析。但讀者可能也想知道的是:那美軍的吸波結構又長什麼樣子呢?從F-22與F-35的出廠照片可以發現,其翼面前後緣並沒有明顯的邊條,這是因為F-22與F-35全機幾乎是碳纖維蒙皮,在碳纖維強化塑料的成形過程就嵌入了吸波材質與微型結構,加上表面的吸波鍍層,形成全面的吸波效果。
然而,它們在機身艙蓋外框與主要結構的接縫會出現不同顏色的複合材料,官方說法是因為局部受力較大或是溫度較高,需要不同材質來強化;但這些材料可能也強化了吸波功能,以阻止表面波從接縫處泄漏。
值得注意的是,這波殲-20的黃皮照也首度在側面與腹部彈艙也首度出現了吸波外框,顯示殲-20在服役後也逐步加強吸波措施,儘量將一切做到極致來追趕F-22/35的隱身性。