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洛克希德F-117A隐形战斗机的研制(第2章/共4章)夜鹰的剖析

 -战争机器- 2022-03-07

正文共: 15580字 47

预计阅读时间: 39分钟

第二章

夜鹰的剖析

"如果你在生产线上看到它的机翼被卸下,你会以为它是某种交通工具,你不会确定它是一架飞机。"

——与F-117的第一次接触

就连该机的设计师也很难说F-117A是漂亮的。它的外观是对任何熟悉现代战斗机流线型的审美意识的侮辱。F-117是驼背和粗腰的,而大多数飞机是圆滑和锥形的,它是由几何形状的平板组成的,而不是平滑的曲线表面。表面上看,其大后掠角的机翼和尾翼意味着高速,但实际上它飞得并不快,大后掠角是为了隐身。
F-117的尺寸很大,其机长和翼展与F-15差不多。它的重量与装有空对空导弹和没有挂载副油箱的F-15差不多,而且,像F-15一样,它离地面很高。
正是隐形技术使F-117A看起来如此奇怪。过去,飞机设计的领导者总是空气动力学家;结构和动力工程师排在第二位,而电气工程师则排在最后。然而,隐形飞机是根据电气工程的原理设计的。雷达在飞机周围产生电磁(EM)场,使其表现得像一个天线。隐形设计师的工作首先是设计一个非常糟糕的天线,然后让它飞起来。

F-117A最引人注目的外部特征是其表面由平板组成,即 "平面"。每个平面都是单独制作的,并连接到一个骨架式的铝制内部结构上。

边缘处理
"平面 "本身并不吸收雷达能量。但它消除了弯曲的表面,因为弯曲的表面往往会使雷达能量平均地散布在一个大弧度上,而采用平面和边缘,以一种可控和可预测的方式进行反射。
平面等于隐身,因为平面不会将雷达波束反射到雷达上,除非波束与表面呈垂直入射角,也就是说,除非它与表面形成两个完美的直角。如果发生这种情况,效果也是短暂的,因为飞机相对于雷达不断移动,入射角不断变化,没有两个面会在同一时间反射相同的光束。这些表面相交的边缘必须足够完美,以使雷达看不到。它们必须精确到千分之一毫米以内,否则会引起不测的反射。
边缘是一门严格的学科,并延伸到机翼的上下表面和尾翼的表面。但是,机翼的前缘和后缘和尾翼却有不同的问题。边缘的逻辑要求两个平面的相交处是无限的尖锐。结构和空气动力学规律决定了飞机的边缘将有一个可测量的弯曲半径,导致边缘的雷达波束反射。因为只要飞机周围的电磁场有断裂,就会产生雷达回波,所以反射不仅会在对准雷达的边缘产生,也会在飞机的另一侧和结构的任何间隙产生。
边缘反射不能被消除,所以要根据三个原则来管理它们。第一个原则是,所有的边缘都尽可能地远离最可能和最重要的战术照明角度;也就是说,从同一水平上,主要是在飞机的前面。这就是为什么F-117的机翼向后掠过67度。如果雷达从正前方照亮飞机的边缘,其主要能量束将通过左右45度反射到飞机后面的天空。亚音速的F-117A没有其他理由拥有这样一个急剧后掠的机翼。
边缘管理的第二个原则是避免内角,内角会沿着边缘扭曲电磁场。设计一个没有内角的可行的飞机平面形状实际上是不可能的,所以解决方案--在B-2和F-117A上可以看到--是限制它们的数量,并把它们放在飞机的后面,因为它们在战术上不太重要。最重要的边缘,在前面,从机头到翼尖都是笔直的。
边缘管理的第三个原则是沿着尽可能少的矢量对齐所有的边缘--在一个完美的设计中,所有的边缘都是平行的。边缘反射,像表面反射一样,在雷达波束与边缘成直角时最强。另外,雷达探测范围是由最强的反射决定的,而不是由大小反射的总和决定的。例如,一个小的反射--来自维修舱盖--可以被隐藏在同一方位的一个大的反射之下,如果维修舱盖的边缘与大的边缘平行。来自维修舱盖的雷达反射波实际上已经被消除了。
仔细观察F-117A就会发现,在平面图上,每一侧的机翼和方向舵的前缘都是平行的。每个被切断的翼尖与同一侧的后缘平行,与另一侧的机翼后缘平行,以此类推。

F-117A的平面图由最低数量的直线组成。不太明显的是,这些线条是沿着几条主要线条组合的。例如,尾翼和翼尖的斜面部分与对面的后缘平行,而且起落架门的边缘也在同一直线上。

其他设计问题
F-117A外形的另一个主要特征是其宽大的混合型机身。这是与隐身有关的一些设计问题的结果。一个是需要把发动机放在相对较深的、有吸收内壁的进气口后面,并为发动机提供特殊的喷口形状;另一个是需要取消外部副油箱和外挂武器。
后者对于战术飞机来说是一个特别严格的要求。自第二次世界大战以来,战斗机开始携带副油箱,战斗机设计师有能力改变飞机在飞行中的体积和阻力。例如,在一架F-16上,外部副油箱和外挂武器可以占到起飞重量的一半以上。随着武器的投放和副油箱抛弃,飞机的重量和体积按比例下降,其阻力甚至会减少。如果武器是内部携带的,而又不允许挂载外部副油箱,那飞机就需要更多的内部体积。在不按比例增加结构重量和表面积的情况下,提供这种内部体积的一种方法是将机翼与机身融为一体。F-117机身的另一个特点是它的底部几乎是平的,除非雷达在战斗机的垂直下方,否则不会产生强烈的反射;而大多数雷达无论如何都不能升到90度。
隐形设计的另一个原则是避免垂直表面。将所有表面倾斜至少30度,以确保主要反射向上或向下反射,高于雷达,除非照射雷达的海拔高度在飞机上方或下方30度。在俯视雷达的情况下,这种情况可能会发生,但只有在极近的范围内。这一要求促使设计者至少要采用喇叭形或斜面形状。翼身融合式构型满足了同样的条件,其优点是翼身融合式形状的体积更有利用价值。

F-117A的平面与垂直方向至少有30度的夹角。宽大的机身,可能对升力有很大的贡献,使这一造型规则得以遵循,同时容纳了发动机、驾驶舱和武器载荷。上方的红外传感器和进气口上方的吸气门是可见的。

剖面和空气动力学
在空气动力学方面,F-117A似乎比人们想象的要好。英国先驱乔治-凯利爵士在19世纪40年代确定,弯曲或外倾的机翼剖面比他和其他发明家在他之前使用的风筝衍生的平翼更有效率。从那时起,升力、流线型和曲线已经走到了一起,除了与气流平行的地方,在飞机的表面轮廓上放一个尖锐的断口几乎是禁忌。但是F-117A的机身充满了这种边缘。更糟糕的是,甚至机翼的上表面也是由平坦的平面组成。一位臭鼬工厂的工程师总结了通常第一次看到这个要求的反应:"我的上帝,你疯了。"

F-117A于1990年4月21日在内华达州的内利斯空军基地首次向公众展示。

为了节省碳纤维刹车盘的磨损,每次着陆时都会使用减速伞。

减速伞是全黑色的,从V型垂直尾翼前部的一个舱口弹出来。

一架F-117A在空军对地攻击武器库中的其他两种飞机前面滑行。来自亚利桑那州卢克空军基地的F-15E战斗机和来自路易斯安那州英格兰空军基地的A-10战斗机。

事实上,曲率不是自然规律,而是一种设计惯例。一个机翼可以由平坦的表面形成,也可以由曲线形成,只要它能促使其上表面的空气加速和局部压力减弱。一个尖锐的断裂角可能会导致气流的一些 "分离",并导致整体升力的损失和阻力的增加。问题是什么断裂角会造成多大的分离。在F-117A的情况下,似乎两个相邻表面之间的最大角度,从流向上测量,只有几度。
F-117A的空气动力学与那些三角翼飞机相似,如达索幻影或康维尔F-106,尽管F-117A的平面形式被修改为在后缘增加了一个缺口。三角翼有一套经典的优点和缺点。三角翼的机翼面积大,高速时阻力小,高攻角时操控性好,结构简单。在缺点方面,三角翼的低速与高攻角和高阻力有关;三角翼在急转弯时也会迅速失去速度。在F-117A上,机动能力是次要的,设计师可以忍受这些负面因素。
F-117A还可能受益于与大后掠翼相关的一个有利现象:在高攻角下,强大而稳定的涡流在前缘上方形成,并具有保持机翼其余部分气流附着和稳定的效果。这可能解释了为什么F-117A的低速行为和它的着陆性能似乎比人们期望的具有大后掠翼的重型飞机更好。尽管如此,该机还是需要相对较高的速度起降:起飞速度在330公里/小时左右,着陆速度为280公里/小时。

第37特遣部队的机组成员对F-117A进行飞行后检查。

控制装置
F-117A的控制是传统的。每侧机翼有两个副翼,控制飞机的俯仰和滚转。铰链线显然是由柔性RAM板密封的,以保持表面转动时的低反射率。大后掠角全动式V型尾翼提供了方向上的稳定性和控制。与大多数V型尾翼不同,它没有俯仰控制功能。从结构上看,尾翼与SR-71相似,有一个固定段部分和一个全动方向舵,围绕一个沿空气动力学中心线的固定轴转动。然而,根据边缘管理的原则,铰链线是Z形的。固定和移动的表面在铰链线上都有平面,以进一步减少反射。
像F-16以来的大多数战斗机一样,F-117是静不稳定的;"有蓝 "也是静不稳定的。静稳定的隐形飞机可能需要一个更大、更重的尾翼,而且效率更低,机动性更差。F-117A有一个由Lear Siegler Astronics(现在的GEC Astronics)开发的模拟飞行控制系统(FCS),它通过人工手段提供必要的稳定性。飞机的姿态和飞行路线由陀螺仪和加速度计系统监控,任何偏差都会被感应到,并通过小的控制动作加以纠正。这一过程每秒发生多达40次,因此飞行员不会感觉到偏差。

停在这架F-117A附近的皮卡车显示了F-117A的尺寸大小。

F-117A被引导到展示区。

使飞机的液压动力控制面反应如此之快的唯一方法是使用电子信号,而不是机械杆或电缆,来打开和关闭移动控制装置上的阀门。这就是为什么F-117的控制系统(和其他类似的系统)被描述为线传操纵'Fly-by-Wire'(FBW)。
如果没有基于计算机的控制,F-117A是无法飞行的。使其安全的是,该系统是四冗余的,有四个独立的通道都控制相同的功能,系统不断地比较它们的信号。如果一个信号与其他信号不同,就会被认为是故障,并被关闭。(通常情况下,飞行员在发生这种故障后会尽快降落。)该系统仍有三个通道,因此第二个故障可以根据同样的原则被检测、定位和隔离。第三次故障会带来问题,但可能性极低。
大量的模拟和测试工作投入到FCS的改进中,因为飞机对飞行员或外部干扰的反应方式,取决于FCS计算机。
隐身对飞控系统的设计有一个直接影响。FCS需要在任何时候都知道飞机在空中移动的速度和角度。通常情况下,这种信息是通过测量速度的皮托管空速计和类似于气象钟的小叶片提供的,后者监测机体上的气流方向,但它们不能被设计成低RCS。取而代之的是四个气压探针,钻石截面,尖端呈金字塔状,位于飞机的前缘。每个探头的尖端有五个孔,一个在尖端的中心,一个在每个尖端面的中心。来自这些孔的差分读数为FCS提供了关于速度、攻角和偏航角的信息。每个探头连接到FCS的一个通道。可伸缩的备用探头(传统设计)也被安装。也被安装。

与其他现代单座飞机相比,F-117A的驾驶舱相当宽敞。机舱盖由两个液压滑块升起,在全黑的ACES II的两侧各一个。

飞行员通过五个平面玻璃板向外看。前方和两侧的能见度很好,但向下和向上的能见度很差,后方则是盲区。

飞行员通过外部梯子进出驾驶舱。注意机翼前缘保护条。

机身材料
F-117主要由铝合金制成,可能在发动机和排气系统周围有一些钛合金。当高级趋势公司在1978年获得授权时,在生产型战斗机上最广泛使用非金属复合材料的是刚刚完成的F/A-18,它的石墨/环氧树脂翼皮连接在金属支柱和肋骨上。对于已经在许多方面推动了技术发展的高级趋势来说,选择金属并不奇怪;臭鼬工厂的格言之一是KISS--Keep It Simple, Stupid(让它简单一点,笨蛋)。该机的结构过载为7g。
平面蒙皮对飞机的组装方式造成了限制,因为没有任何一种已知的金属成型方法能够产生足够精确和稳定的边缘,使平面能够避免产生反射。相反,平面是独立的,并被固定在一个复杂的骨架结构上。虽然 "有蓝 "的原型机基本上是手工制造的,平面被修剪和调整,直到达到完美的配合,但这对于F-117A来说是不可能的,所以生产工具的设计、制造和安装的公差大约是用于制造以前飞机的工具的十分之一。

吸纳雷达的材料
虽然F-117的结构使用常规材料,但飞机的整个外表面都覆盖着非常特殊的材料。雷达吸收材料(RAM)的存在时间几乎与雷达本身一样长。已知的类型都是基于相同的基本原理工作。
雷达信号是电磁波,并在任何导电物体上有效反弹。然而,不同物体和材料的电-磁特性是不一样的。这一原理的最佳示范之一是家用微波炉。它的能量来源是一个强大的、粗糙的磁控管,一种在第二次世界大战期间发明的雷达波发生器。
虽然有些物质能有效地反射雷达波,但其他物质却不能。差异在于它们的分子结构。一些材料,包括许多有机物质(如食品),在其分子链中包括 "自由电子"。电气工程师称它们为 "有损"。雷达,像收音机和电视机一样,在一个特定的波长上工作;在大多数雷达的情况下,波长是以千兆赫兹(GHz)衡量的,或每秒数十亿次。当雷达发射器照亮一个具有这种特性的物体时,自由电子被迫以雷达波的频率来回振荡。但是这些粒子有摩擦力和惯性,无论多么微小,而且这个过程不是百分之百的有效;雷达的能量转化为热量 食物是 "损耗性电介质",因为它们是低效的导体。第二次世界大战中开发的早期类型的RAM是有损电介质,大多使用碳作为活性成分。
其他材料,包括玻璃、陶瓷和许多塑料,只是 "电介质"。它们不导电,雷达波直接穿过它们,即使在高功率水平下,反射或吸收也很小。这就是为什么这种材料被用于微波器皿和飞机雷达罩。
另一个主要组别是无损磁性材料,通常是称为铁氧体的铁化合物,或羰基铁。雷达波在铁氧体材料中感应出一个磁场,但这个磁场必须在雷达频率上转换极性。与有损电介质的情况一样,这个过程并不是百分之百的有效,大部分的能量都转化成了热量。
第三类是电路模拟(CA)。RAM,已经在一些应用中使用。CA吸收器由导电金属组成,通常是在电介质衬底上沉积成一层薄膜。该薄膜是以精心设计的模式沉积的,因此雷达波的电能在绕过导电元件和在导电元件之间运行时自行消散。
许多形式的RAM甚至没有分类。大多数这类材料包括一种活性成分--电介质,如碳,或磁性铁氧体--它被塑造成一种无损耗的电介质基体,通常是某种塑料。洛克希德公司为A-12和D-21开发了一种有损涂料。固特异(现在的劳拉防御系统公司)提供了一种类似于铁氧体的氯丁橡胶的材料,它被用于B-1的进气管。
完美的RAM并不存在。所有类型的RAM都吸收一部分雷达能量并反射其余的能量。所有已知类型的RAM在某一频率下最有效,而在其他频率下则不那么有效。同样,RAM的有效性随着入射雷达波的角度而变化。通过使用多层RAM可以使其在较宽的带宽上表现良好;问题是RAM的厚度和重量随着其有效性而增加。
一般来说,磁性材料对长波雷达的性能最好,如苏联军队中许多老式的VHF和UHF雷达,而电介质和CA在更现代的雷达运行的微波频率上是最优化的。
在最新的隐形飞机中,如B-2和高级战术战斗机,雷达吸收元件被内置在主要结构中。然而,当F-117A被设计时,这项技术还不成熟,所以它使用了老式的非承重或 "寄生 "RAM。据认为,它由多层磁性RAM组成,在飞机的不同部位,其铺设方式也不同。例如,前机身可能比机身顶部附加了更多的RAM,因为它从一个更关键的角度更直接地被照射。
在项目开始时,RAM是柔性片状的,在厚度和质地上颇像油毡,它被切割成每个面的形状,并用粘合剂固定在金属下部结构上。它们由设置在合成聚合物基体中的活性铁氧体成分组成。磨损或风化的面板可以在大修期间被拆除和更换。
RAM还补充了一种类似油漆的吸收剂,用来涂抹RAM面板之间的缝隙。对于进入敌对地区的作战任务,RAM涂料或胶带将被用来密封发动机舱门和其他访问面板。其他形式的RAM可能被用来铺设进气管道,并为驾驶舱顶棚和起落架及武器舱的门形成雷达吸收性密封。
F-117A机队后来改用整体涂装型RAM。从技术上讲,RAM没有理由不能作为一种液体使用;主要的实际反对意见是,准确和一致地使用这种材料是非常困难的。制作RAM液体所需的溶剂也对健康有害。后来,这个问题已经通过使用机器人技术得到了解决。托诺帕基地提供了一个新的喷漆设施,在这个设施中,飞机被固定在一个旋转的夹具中,就像一只巨大的鸡在吐口水,而计算机控制的喷嘴以精确控制的模式向飞机上喷射RAM。
一架典型的常规战斗机的正面RCS为5平方米;也就是说,它在雷达上看起来就像一个横截面为该尺寸的雷达反射球一样大,其直径将刚刚超过2.4米。从某些方面来看,如果结构的一部分是平板或作为 "反向反射器",RCS就会大得多。根据雷达波长和角度,整形和RAM的组合使F-117的RCS在0.01平方米(115毫米球体)和0.001平方米(36毫米球体)之间。这大致相当于小鸟或昆虫的典型RCS值。
在实际应用中,这意味着一个能在140公里范围内可靠地探测到常规战斗机的雷达,在最大26公里外才能探测到F-117;其有效跟踪距离可能只有13公里。

这张照片显示了HUD控制装置的位置。可移动的驾驶舱灯被安装在座舱盖导轨的后面。

这张照片是机身左舷的照片,在机舱盖下面。在照片的左下方是紧急机舱盖的蓝色把手。T型手柄上方和右侧的白色金字塔形状是发动机进气口照明灯(用于在飞行中进行视觉结冰检查)。弹射座椅警告三角形右边的一圈孔是静态端口,用于测量侧滑。右上方的菱形盖子覆盖了一个备用(非隐形)的皮托管空速计。在驾驶舱的每一侧都有一个进气口照明灯,一个静态端口和一个备用皮托管空速计。

这张照片显示的是右舷机舱盖后面的区域。标有 "火灾,穿透 "的区域是紧急机械舱盖释放装置。在释放器的左边是一个可伸缩的仪表着陆系统天线。每一侧都有一个座舱盖释放装置和天线。

FLIR组件位于座舱盖的前面。

透过位于FLIR舱内的RAM网屏,可以看到FLIR的背面。FLIR在收起的位置上。在飞行中,它被旋转了80度,使红外线传感器指向前方。前视镜外壳的边缘是锯齿状的,并且是平面。注意涂在紧固件上的RAM油灰。

F-117A在机头的前缘有四个隐形静态皮托管空速计。这些皮托管空速计是由洛克希德公司开发的导电塑料制成的,并被加热以保持其无冰。

每个皮托管空速计的尖端是金字塔形的,每个尖端面的中心有一个孔。这些都是菱形截面管的每个面的两个以上的通气孔。

DLIR位于机身的底部,在机头前起落架舱的右侧。DLIR与FLIR的相同,但增加了一个后视激光指示器。FLIR和DLIR的图像显示在仪表板中央的12英寸CRT上。

发动机进气口被RAM网格覆盖。网格上涂有导电涂料,可以加热,保持不结冰。

这个DLIR组件的侧面显示了在舱口上的RAM网屏,锯齿和切面的边缘以及紧固件上的RAM填缝剂。

每个机翼的后缘有两个仰角。仰角的边缘是面状的,以控制反射。

机翼和副翼之间的铰链线是用柔性RAM密封的。

鸭嘴兽形的发动机喷口挡住了下面和后面的视角,减少了红外线探测到的机会。

这个后视图显示了长而细的发动机喷口。

全动式方向舵在Z字形的铰链线上与固定段配合。

这张照片从后面拍摄,显示了铰链线和减速伞舱门的更多细节,就在V型尾翼的前面。注意鸭嘴兽形发动机喷气口是如何很好地隐藏的。

设计特点
F-117A的内部细节受到需要在低RCS机身内容纳所有部件、武器和燃料的,并且最初的要求是机翼可以随时拆卸以便运输。F-117A是围绕着一个盒状的中央机身建立起来的,从驾驶舱后面开始,延伸到与机翼后缘持平的位置,它容纳了发动机、武器舱、主起落架和大部分燃料。在中央机身的前面是金字塔形的驾驶舱,在前机轮舱的上面,还有机头,它容纳了大部分的航空电子装置。后面是一个宽而平的尾部整流罩,俗称鸭嘴兽,它容纳了发动机的喷气混合器,并支撑着全动式V型尾翼。
中央机身是围绕着一些复杂的横向框架建造的,这些框架可能是由大型单件锻件加工而成的,它们将主要载荷从机翼带到发动机和武器舱。其中一个框架还承载着向前收缩的主起落架的连接点。考虑到武器舱、发动机维修舱盖和主起落架舱,大部分下部蒙皮可以打开;武器舱两侧的纵梁提供了必要的强度。武器舱上方的空间可以容纳7570升燃料的大部分,以及通过绕其纵轴旋转而打开的加油口。在武器舱内可以携带辅助油箱,用于远距离的转场飞行。
所有的舱门和维修舱盖的边缘要么是前后平直,与机翼和舵尖对齐,要么是与鸭嘴兽的后缘对齐。武器舱门的前后两端是锯齿状的。齿角与鸭嘴兽的每一侧对齐。
所有三个起落架都向前收进。起落架舱门是多边形的,没有直角,也没有与飞机纵轴线成直角的直边。减速伞安装在机身后部上方,主要用于减少机轮刹车盘的磨损。另外,在鸭嘴兽形喷气口的下方安装了一个避震钩,在刹车盘出现问题时可以使用。F-117A是美国空军最早使用碳刹车盘的飞机之一,它比相同容量的钢制刹车盘要轻得多,也小得多。

这个V型尾翼的侧视图显示了铰链线和方向舵面的更多细节。

这个机身的后视图显示了F-117A在训练飞行中为了安全而增加的两个特征:一个防撞信标(在顶部表面)和一个雷达反射器(靠近机徽标志的金字塔形装置),使其具有正常的雷达反射面。在顶部是一个面向后方的空中加油灯。

这张照片显示了两片式武器舱门,舱门的前后都是锯齿状的,在外侧边缘有铰链。表面的菱形装置覆盖了铰链的连接点。在武器舱门的外侧是发动机舱门。

推进系统
隐形飞机的推进系统的设计提出了自己的挑战,因为还没有人制造出一个非百分之百金属的批量生产型涡轮喷气发动机,也没有人创造出一个有效的进气口,挡住发动机的叶片这个雷达反射源。因此,隐形飞机需要重新设计进气和排气系统,使空气能有效通过,但又能阻挡雷达波。排气系统还必须防止发动机喷气的热量将飞机的存在出卖给红外传感器。这在非加力式发动机中很难做到,但在加力式发动机中不可能做到。

发动机
F-117的发动机是传统的。一个新的或高度改进的发动机将是昂贵的,而且没有必要,所以洛克希德不得不在现有的发动机中进行选择。这架飞机需要更多的推力,而这些推力是任何一个可用的发动机在没有加力式的情况下所能提供的。再加上在F-117高度秘密的任务中发动机故障的后果,这就促使设计者转向双发布局。
隐身对发动机的选择有一个直接的影响:进气和排气系统的大小、重量和复杂性将与通过发动机的空气质量成正比。因此,虽然一个高涵道比的涡扇发动机(如通用电气的TF34)在F-117A的工作速度下可能更有效率,但是用低涵道比的发动机实际上可以设计出一架更轻、更小的飞机。
洛克希德公司的设计师选择了两台通用电气公司的F404发动机为F-117提供动力。F404是一种极低涵道比的涡扇发动机,最初是作为F/A-18的加力式战斗机发动机而开发。通用电气公司最初的概念是在低压压缩机后面有一个 "泄漏 "的涡轮喷气发动机,提供足够的空气,首先,冷却外壳,其次,给增压器提供足够的空气以达到所需的加力推力。在F-117上使用F404发动机是一个非常简单的事情,就是拆除增压段、可变喷管和相关的燃料、液压和控制子系统。改良后的发动机被命名为F404-F1D2。它最好的特点之一是推力/重量比为6:1,这对于非加力式发动机来说是一个很好的数字,实际上比上一代的增压涡轮风扇发动机更好。

进气系统
F-117A的进气口和喷气口与该机的其他特征一样激进。进气口前部覆盖着薄薄的、刀刃状的叶片网格,间隔只有25毫米左右。网格的横截面是面状的,并涂有吸收性材料。进入的雷达信号部分被吸收,部分被反射到网格周围并进入进气道,进气道内衬有RAM。(有一架 "有蓝 "原型机因一块RAM片松动并被压缩机吸入而失去了一台发动机)。任何到达金属压缩机表面的信号都必须通过衬有吸收剂的进气道和网格返回。
在正常的速度和姿态下,进气口显然工作得很好;就像平面状机翼的情况一样,某些事情不符合正常的做事方式并不意味着它在物理上是不可能的。在低速或高攻角时,进气口不能为发动机提供足够的空气,因此在进气道上方有一对大的辅助 "吸气 "门来加强。如果进气口的压力下降,进气口压力和外部压力之间的差值迫使这些弹簧门向内打开。在正常的飞行中,压力差的方向是相反的,使进气门牢牢地关闭。然而,背侧的吸气门并不像向前的进气口那样有效,所以在高攻角下发动机的推力和效率会下降。
进气道中最严重的一个问题是令人头疼的除冰。战术战斗机的飞行速度足以避免大多数结冰问题;空气摩擦使蒙皮表面产生热量,足以防止冰的大量堆积。然而,F-117A进气口网格形成的略微收敛的通道,就像一个文丘里管,导致空气加速,降低了压力并冷却下来。即使是薄薄的冰块堆积也会迅速堵塞狭窄的通道,进一步压缩气流并导致更多的冰块形成。第一批F-117A受到严格的命令,在问题得到解决之前要避开任何可疑的结冰区域。现在,在RAM下面涂上一层导电油漆,作为电热元件,保持进气道不结冰。即便如此,在驾驶舱两侧的机身上还内置了一盏小灯,以便飞行员在夜间检查网格的结冰情况。
有人认为,从飞近的F-117A前面可以听到的尖锐的啸叫是由多个小声波引起的,这些声波是从进气格栅的交汇处产生,沿着进气道传播并碰到旋转的压缩机叶片。当叶片 "切碎 "这些声波时,它们会产生一个高频声浪,并沿着进气道向前传播到飞机前方。

排气系统
排气系统的设计是为了减少飞机的红外辐射,或者更确切地说,是为了减少这些辐射的可探测性,同时也是为了掩盖雷达对发动机后部的探测。
排气管的形状从发动机后部的圆形喷口变成一个宽几米的槽,但只有150毫米高,延伸到鸭嘴兽喷口的后部。延伸到排气管后部约200毫米的挡板可以阻挡雷达信号,飞机的最尾部边缘,在排气槽后面,覆盖着热反射瓦片,原理类似于航天飞机上使用的防热瓦。发动机的旁路空气被用来冷却金属结构。
排气管的设计是为了处理两个可探测到的红外辐射的基本来源:热的喷气管气流和被排气管加热的飞机金属部件。喷口的形状使排气气流变成长条,因此其周长与面积(和质量)相比要比圆形的大。这使得排气在离开飞机后消散得更快。挡板阻挡了发动机高温部件的直接可见性,而且瓦片反射了红外线辐射,而不是像金属那样吸收它。

前起落架舱由一个锯齿状的舱门覆盖。

主起落架舱由两个舱门覆盖。注意舱门外表面和主起落架左侧的可伸缩天线。

视野
F-117A奇怪的前部机身形状协调了一些相互冲突的要求。飞行员需要一个合理的视野,特别是需要在进场时能看到跑道。F-117A有一个高度后掠的机翼,没有高升力装置,所以它以大仰角机下降接近跑道的。驾驶员的眼线必须足够高,机头足够短,以便让他看到跑道。另外,从平面和空气动力学的逻辑来看,V型挡风玻璃(如SR-71上使用的),从机头到机舱顶有一条边缘线,但这对于低空夜袭行动来说是不可接受的。
因此,F-117A有一个小的平坦的挡风玻璃,镶嵌在一个平坦的面上。挡风玻璃下面是一个传感器外壳,在这下面,一个三角形的 "鸟嘴 "伸出来,使机头流线型,延续了前缘线。两个狭窄的小窗(类似于汽车上的通风窗),提供前部的可视性,特别是在转弯时。最大的窗户在驾驶舱的两侧,除了帮助飞行员保持方向外,它们可能是最没用的。前方和侧面的能见度是足够的,但飞行员几乎看不到向下、向上或向后的情况。
座舱玻璃经过处理以减少雷达反射率。有可能将某种电路模拟RAM内置到层压的透明玻璃中。最重要的是防止雷达波探测到驾驶舱内的物体,所以窗户的处理可能包括在其内表面有一层透明的导电薄膜或涂层,以阻止雷达波传入。
整个座舱盖,包括挡风玻璃,从座位后方的一个点向上铰链。它比传统的座舱盖更大、更重,配备了两个强大的弹射起爆炸药柱,当飞行员拉动弹射手柄时,可以在几分之一秒内将其完全打开。当开关确认座舱盖没有问题时,弹射座椅的顺序器就会启动。座椅是麦道公司生产的一种特殊的、全黑的ACES II装置。
驾驶舱本身是不寻常的,因为前机身是金字塔形的。它的顶部非常狭窄,只给飞行员的头盔两侧留下了几厘米的空间,但下部却异常的宽阔。

这张照片显示了起落架组件的内部。

这张照片显示了起落架组件的外部。注意起落架灯。

起落架舱的内表面被涂成白色。

导航和攻击系统
使F-117A几乎不被发现,使其可以飞行,并使其能够携带武器载荷,这本身就是成就。然而,一架军用飞机还必须能够找到并击中目标,这就带来了更多问题。
F-117A的武器投送要求部分是越南战争经验的产物。在1965-1968年的第一次 "滚雷 "轰炸行动结束时,美国空军已经在越南投下了大量的炸弹,而令美军尴尬的是,大多数炸弹都没有击中重要目标。即使对已知的固定目标进行打击也很困难。有警戒的防空火网使最准确的攻击形式(从3000米高度俯冲轰炸)几乎是自杀性的,但低空高速攻击也不准确。特别是北越两座重要的桥梁(清化大桥和龙编大桥)经受住了数十次袭击和数千枚炸弹的攻击。
当美国在1972年恢复后卫I号行动的轰炸时,清化大桥和龙编大桥在几天内就被炸毁了,每座大桥都被新的激光制导炸弹直接击中,这些炸弹瞄准的是激光束的能量,通常由照射飞机或伴飞的飞机指引。F-117A的经验是,激光制导武器的准确性比数量更重要。

前视红外线
在越南还首次使用了前视红外线(FLIR)传感器,它可以在晴朗的夜晚为远处的物体提供电视质量的图片。与雷达不同,红外线传感器不会产生出卖攻击者存在的辐射。而且,其较高的分辨率使飞行员能够挑选出小型目标或大型目标的区别特征。
与雷达相比,FLIR的主要局限性在于,一个实际规模的系统只能以识别目标所需的分辨率 "成像 "一个小区域。用FLIR搜索目标被比喻为从吸管孔里来寻找远方的目标;为了有效地使用,它需要首先被指向正确的方向。

惯性导航系统
大多数夜间攻击飞机依靠雷达和惯性导航系统(INS)来寻找目标并提示前视瞄准镜。INS基本上是一个由陀螺仪、加速计和计算机组成的阵列。从飞机离开停机位的那一刻起,它就把飞机的每一次加速、减速、转弯、俯仰和滚动区别出来,从而计算出它的当前位置。它的缺点是随着时间的推移往往会漂移,或失去准确性,但它可以将飞机引导到一个搜索雷达可以发现目标的点。然后雷达可以 "提示 "FLIR目标的大概位置。
然而,在1970年代末,没有可接受的雷达可以用于F-117A。任何现役或正在开发的雷达都会发出很大的辐射,以至于暴露自己的位置。专门为隐形飞机设计的 "低概率拦截"(LPI)雷达还处于萌芽阶段,直到20世纪90年代才可以投入使用。
相反,F-117A的导航/攻击系统是围绕FLIR/激光系统和一个非常精确的INS设计的。
由霍尼韦尔公司开发的INS使用了与B-52轰炸机和MX导弹所使用的系统相同的技术:陀螺仪和其他仪器被内置在一个金属球中,由一个强大的磁场悬浮。基于这种 "静电万向节 "技术的系统已经证明了十分之一公里的圆形误差概率增长率。用通俗的话说,这意味着该系统可以保证为F-117A导航1000公里,可以到达目标的200米以内。实际性能通常比这要好得多。据一位F-117飞行员说,其局限性在于,目标坐标并不总是像INS那样准确。
FLIR/激光系统是独一无二的。一个FLIR安装在挡风玻璃的前面,在RAM处理过的网屏后面。第二个系统,向下看的红外线(DLIR),安装在飞机机身下面。FLIR和DLIR都是可转向和稳定的。FLIR有一个宽视场(WFOV)和一个窄视场(NFOV)光学系统。DLIR有一个后视的激光指示器。
FLIR图像或DLIR图像显示在一个大的阴极射线管(CRT)屏幕(当时还没有发明液晶屏)上,该屏幕在仪表板上占主导地位;它是主要的飞行仪器,特别是在夜间,是飞行员关注的主要焦点。空速、姿态和导航信息被叠加在FLIR视图上。较小的多功能显示器(MFD),约120毫米见方,安装在中央CRT的两侧,为飞行员提供有关飞机系统、通信和武器状态的信息。
通常情况下,飞行员将使用FLIR在其宽屏模式下向前锁定飞行,这样可以在平视显示器上自然看到地形。然而,在接近目标时,INS可以将FLIR引导到目标的位置。飞行员可以在屏幕上搜索目标,并可以选择 "长焦 "NFOV模式,以便积极识别和瞄准武器。FLIR可能还有一个自动跟踪模式,它可以锁定目标,并在飞机移动时跟踪它。另外,FLIR可以旋转180度,将其雷达反射率降到最低,飞行员可以靠仪器飞行。

这个单点诊断维修舱盖在左翼的底面,靠近前缘。

在内利斯展出的两架F-117A上涂有第415 战术战斗机中队、第416 战术战斗机中队和第37 战术战斗机联队的标记。参加实战时的作战飞机不会有任何标记。

F-117从下面看很宽,从正面看很结实,但从侧面看却出奇的细长。大后掠角的V型尾翼向远离机尾,以获得最大的力矩效果。

F-117A的喷气口的下唇向上倾斜,从水平线上观察,几乎看不到。

机载武器
如果任务要求从平飞进行激光制导炸弹(LGB)攻击,目标将从飞机下方穿过,并在炸弹击中之前从FLIR的视野中消失。这就是DLIR的用处。在平飞过程中,飞行员可以从上面的传感器单元切换到下面的单元,当飞机经过目标时,将继续跟踪目标。飞行员在撞击前的最后几秒钟对目标进行进行必要的修正以确保直接击中。据推测,DLIR也可以记录下目标在撞击时的图像,以便随后评估。
F-117A的内部武器舱,与F-111的大小差不多,被设计为可携带两枚900公斤级的武器。从理论上讲,该机可以携带核武器--F-117A是经过核认证的,并且像所有战术空军司令部的飞机一样,携带标准的核弹和安全系统,但这种能力很少会被使用的情况。更有可能的是,该机装备了通过在标准弹头上添加制导套件而生产的精确制导炸弹。

GBU-10 '宝石路'Paveway II
典型的激光制导武器是GBU-10 '宝石路'Paveway II,它由一个特殊的弹头和弹尾部分组成,连接到一个标准的900公斤MK 84炸弹。尾部包括折叠式弹翼,使炸弹能够滑行,而不是遵循标准的抛物线弹道。弹头部分包括激光瞄准器、制导电子设备和控制翼。Paveway II套件可以引导炸弹到达目标,只要不执行任何急剧的方向变化。因此,只要炸弹的释放速度、距离和高度能使其处于制导系统的捕获包线内,就能击中目标。该包线,俗称 "篮子",类似于一个倒锥形,罩在目标上。一旦炸弹进入倒锥形弹道中,它的制导头可以锁定反射的激光能量并引导炸弹直接命中。
有些武器可能是专门为F-117开发的,但没有关于它们的确切信息。然而,该机可能携带了一种新的武器,有关信息已经公布。在20世纪80年代初,军方意识到,即使是900公斤的激光制导炸弹对设计良好的钢筋混凝土结构也是非常无效的。说这个事实被重新发现可能更好;英国飞机设计师巴恩斯-沃利斯在1940年就得出了同样的结论。具有廉价轧钢外壳的标准炸弹,在接触到非常坚硬的表面时往往会破裂,只能造成表面损坏,而其他方面则很少。沃利斯设计的5440公斤的 "小男孩 "和9980公斤的 "大满贯 "炸弹,是用来对付潜艇围栏和导弹发射场的,其特点是厚实的一体式外壳,在尾端填充有炸药,光滑的锥形弹头可以钻过坚硬的地面或混凝土,以及坚固的延迟引信。

BLU-109/B
1984年,一项新的研究表明,东欧和其他地方的许多目标被保护得很好,即使被900公斤的炸弹直接击中,也只能留下凹痕。洛克希德导弹和空间公司以Have Void为代号,开发了一种改进的武器。它于1985年12月交付给用户,可能包括第4450战术小组。它也被称为1-2000(改进型2000磅'900公斤')和BLU-109/B,它通常与GBU-10激光制导套件相匹配。
BLU-109/B是一种细长的子弹形炸弹,尾部有引信,外壳由硬化钢锻造而成,除了尾部的密封塞外是一体成型的。在火箭弹和实弹投掷试验中,BLU-109/B弹头已经穿透了超过2米厚的钢筋混凝土,保持完整并在结构内可靠地引爆,将40吨重的混凝土板炸飞。对付较软的目标,这种武器在引爆前会将自己深深地钻入地下,使冲击波在地面上延伸,造成巨大破坏。

GBU-24 '宝石路'Paveway III
其他激光制导武器包括GBU-24 Paveway III,这是一种更现代化的武器,具有更大的尾翼面积和更有效的导航系统,使炸弹沿着更有效的弹道到达目标。Paveway III也被称为低空激光制导炸弹'Low Level LGB'(LLLGB),因为其更好的滑翔特性使其能够在与目标有一定距离时低空释放。
除了在操作中基本上不被发现外,这种武器投送系统还非常精确。通常情况下,激光制导武器落在发射飞机所照亮的点的几米范围内。它们可以很有把握地瞄准一组小建筑中的任何一个,大建筑中的一个特定的窗户或门,工业或军事目标的一个组成部分,吊桥的桥墩,导弹基地的控制中心,高速公路交汇处或铁路调度场的最关键部分,或港口中众多船舶中的某一艘。激光制导武器可以击中许多小目标,而附带损害最小。
1990年4月,美国空军表示,F-117A可以携带 "全套战术弹药"。由于美国空军将 "弹药 "定义为几乎任何可以从飞机上投放的东西,这意味着它可以发射库存中的几乎所有导弹。最近,美国空军已将这一答复修正为 "全方位的战术弹药",这是一个不那么笼统的说法。
特别开发或改进的武器可以采取多种形式。然而,如果有一些 "发射和离开 "的武器可以替代LGB,特别是用来对付有非常重的点防御的目标,这并不令人惊讶。一种可能性是红外制导炸弹,具有类似于AGM-65D "小牛 "的制导头。它必须从一个可伸展的挂架上投下,这样它的制导头可以在释放前被引导到目标点上。另一种选择是惯性辅助武器:一种带有简单惯性制导系统的滑翔炸弹,该系统可以修正炸弹的飞行路线,使其符合发射飞机的轰炸计算机所预测的弹道。
目前还不知道F-117A是否进行过空对空导弹的测试。由于缺乏雷达,它与AIM-7 "麻雀 "不兼容,但如果任务需要摧毁空中目标,它可以安装AIM-9 "响尾蛇"。像红外制导的空对地导弹一样,它必须从一个可伸展的挂架上发射,以便在发射前获得目标。
设计一种像F-117A这样的武器是一回事;使其在服役中发挥作用,并使其达到足够可靠的程度,以便被赋予极其敏感的任务,则是另一回事。这一过程需要在1983年至1986年期间进行大量的工作。

像排气管这样的线缝有两个功能。挡板有助于保护发动机的后部不被发现,而且它们还能将喷嘴两侧夹在一起,抵制它们在压力下膨胀成圆形的自然趋势。在这个视图中还可以看到一个可伸缩的叶片天线。

通用电气公司的F404-GE-100D发动机与F-117A的F404-F1D2相似。该发动机被设计成可以从飞机下面进行维修或拆卸;所有的附件都集中在发动机的底部,不需要拆卸整个动力装置就可以进行更换。

F-117A的弹射座椅是麦道公司的ACESII,一些部件被重新喷涂以避免任何明显的反光。

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