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飞机的魔法斗篷,隐身技术的早期发展与应用
发表时间:2018-01-13 20:48:2602:39   来源:本站    点击:3239417

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原标题:飞机的魔法斗篷,隐身技术的早期发展与应用

由于双方都不了解对方军队的实力和能力,苏联和美国之间的冷战僵局在二十世纪五十年代开始恶化。1955年7月21日的4国日内瓦首脑会议重启东西方对话,试图增进互相了解以降低日益增长的冷战紧张局势。

参加会议的四国是苏联、美国、英国和法国。美国总统艾森豪威尔在会上天真地提出“开放天空”提议,让美苏互相之间每年进行有限架次的侦察飞行来检查军力规模,但被赫鲁晓夫否决。

参加1955年日内瓦峰会的4国首脑,分别是苏联苏联部长会议主席布尔加宁、美国总统艾森豪威尔、法国总理埃德加·富尔、英国首相安东尼·艾登

明着来不行,美国就决定秘密对苏侦察。九个月后,六名中央情报局飞行员和十架洛克希德U-2高空侦察机准备就绪,开始了“感光板”计划。

早期U-2都被伪装成美国航空航天局的气象研究机

U-2的对苏侦察

艾森豪威尔批准“感光板”计划的主要原因是一份美国国家情报评估(NIE)报告指出,苏联标准的P-20 V型波束雷达(北约代号“闩锁”)“无力探测18300米高度以上的目标”。在听取“感光板”计划的详细介绍之后,艾森豪威尔希望尽快对苏联境内的所有重点目标实施侦察,他还明确表示如果U-2被苏联雷达跟踪,他将停止入侵苏联领空。

P-20“闩锁”雷达

1956年4月,两架U-2被部署到欧洲,在临时第1气象侦察中队(WRSP-1)的幌子掩护下进驻英国萨福克郡莱肯希思皇家空军基地。随后U-2前往西德,1956年7月4日,中情局飞行员赫维·斯托克曼从威斯巴登空军基地起飞完成了首次对苏侦察。这次代号2013的任务覆盖了明斯克和列宁格勒周围的目标,但斯托克曼透过偏航观测器看到下方有米格战斗机在爬升企图拦截,与所有美国人希望的相反,这次飞行已经被苏联人发现!

U-2的偏航观测器

U-2紧接着执行了另外四次侦察,忍无可忍的苏联外交部在7月10日提出抗议,艾森豪威尔立即暂停“感光板”计划。

总统非常恼火,因为报告作出的保证被证明是错的。当侦察任务最终恢复时,艾森豪威尔对该计划提出更严格的要求,他对中情局U-2项目经理理查德·比塞尔下令:必须让雷达无法发现U-2。

1956年8月16日,比塞尔召集技术会议探讨U-2在雷达下隐身的可行性。

在U-2飞越过的机场上只有很少的“野牛”和“熊”式远程轰炸机,说明苏联的轰炸机数量是虚张声势

洛克希德臭鼬工厂负责人克拉伦斯·“凯利”约翰逊后来在回忆录中写道:“……会议一直开到凌晨1点半,我们喝了两瓶苏格兰威士忌。早上七点,我们又起来讨论,其中包括迪克(比塞尔)。到中午,我们已经启动了‘X’项目,这就是我现在最重要的工作。”

第二天中午,他们启动了一个项目来研究各种雷达隐身技术,保密代号“彩虹”。

该项目由埃德温·兰德博士主持,他通过马萨诸塞州列克星敦的麻省理工学院(MIT)林肯实验室主任马歇尔·霍洛威招募了几位雷达专家。

他们在林肯实验室(辐射实验室,通常被缩写成Rad实验室)楼顶上的一个保密建筑内展开研究。团队专家包括弗兰克·罗杰斯博士(林肯实验室雷达部副主任)和诺姆·泰勒。而就在两年前,正是极具影响力的兰德专家小组向艾森豪威尔建议了投产U-2,并且让中情局而不是美国空军来执行侦察苏联的任务,这在当时引起很大争议。

艾森豪威尔的政治意愿就这样推动了隐身技术的发展和作战部署,洛克希德公司将与民间情报机构合作来实现这一目标。

“壁纸”、“秋千”和“导线”

小组面临的问题是U-2在苏联上空遇到的V形波束(65-86 MHz)低频率预警监视雷达,此外还有高频率S波段(2-4 GHz)和X波段(8-12 GHz)目标截获雷达。由于当时宽波段(适用于所有不同频率)隐身解决方案在技术上无法实现,所以需要开发不同的技术和材料来应对不同雷达系统。

专家们最终研究出两个有限的解决方案,一种是对付S波段雷达的Echosorb雷达吸波材料(RAM),绰号“壁纸”,贴在U-2机身下方。这种材料仅厚6.35毫米,由玻璃纤维、蜂窝垫片、石墨浸渍层、耐用保护层和外层油漆组成。石墨浸渍层的电子特性使Echosorb表现得好像更厚的吸波材料,也就是说虽然其厚度仅为1/16波长,却相当于1/4波长的吸波材料。

把这种石墨层覆盖在飞机蒙皮上后,能吸收部分入射雷达能量。

机身下表面贴了“壁纸”吸波材料的U-2

进入石墨层的剩余能量在遇到U-2的金属蒙皮后会被反射,但这些“出射波”会抵消反射波,因为它们彼此相位相差180°。科学家还发现在“壁纸”每个方格中心开个小口后,可产生共振并降低X波段(8-12GHz)雷达回波。

但小组遇到的最大困难是如何对抗苏联V型波束预警监视雷达及其4.26米波长。Rad实验室与臭鼬工厂电子工程师组成的小团队最终研制出被称为“秋千”和“导线”的两套系统。

“秋千”就是沿U-2机翼和平尾前后缘沿翼展方向布置的一组镀铜钢丝,为了调整阻抗,导线上被精确串上了铁氧体磁珠。

前后导线之间通过弦向导线相连,同样用铁氧体磁珠来调谐频率响应。因此“秋千”就成为一个慢波结构,通过感应电流来抑制U-2机翼和平尾平面产生的菱形旁瓣。

U-2的“秋千”系统

为了抑制U-2的机身反射(这些反射发生侧面的某些入射频率上),团队研制了“导线”系统。该系统基本上是由沿机身和垂直尾翼表面规律布置的串有铁氧体磁珠的导线组成的索尔兹伯里屏(能降低物体表面的无线电波反射)。每根长导线相当于偶极子,抵消了雷达信号。

U-2的“导线”系统

中情局为“彩虹”项目专门提供了两架U-2,驻扎在内华达州水城(一个专门建立的秘密行动基地,后来被称为“牧场”和51区)。改装后的U-2在飞行测试中显示,“秋千”把70MHz回波降低了20分贝,把S波段回波降低了约10分贝,总体来说通过降低U-2的雷达截面积(RCS),该机被雷达发现的距离降低到原先的一半。但由于导线增加的阻力,U-2的航程缩小了20%,飞行高度降低了1524米。

美国空军的道格拉斯C-124运输机把U-2运到“牧场”进行试飞

1957年5月6日,比塞尔和中情局局长艾伦·杜勒斯向艾森豪威尔报告了“彩虹”项目的成果。比塞尔非常乐观地预测经过改装的U-2在飞越苏联时能完全避免被雷达发现。

在一次作战评估行动中,一架U-2从土耳其起飞在1957年7月21日和30日两次进入苏联领空,结果机载5号系统(多频雷达记录仪)仍显示苏联雷达在U-2迎头飞来和背向飞离时仍发现了该机。进一步测试表明U-2进气道、座舱和尾喷管的回波暴露了飞机,当时的隐身技术还无法处理这些部位,显然需要更激进的设计。

飞碟?

1958年1月,中情局赋予“彩虹”项目的第二阶段以“热情”(Gusto)的保密代号,正式结束了第一阶段。比塞尔知道第二阶段在采用高技术的同时带来了高风险,所以为了协助方案评估,他再次聘请兰德担任顾问小组主席。

林肯实验室的弗兰克·罗杰斯重回基础研究,试图搞清楚雷达回波和飞机物理外形之间的关系。为了研究方便,他把气动外形的实用性放在一边。他惊讶地发现把六卷不同直径的传真记录纸(这种纸具有恒定阻抗)叠加在一起形成碟形后,其总体阻抗就降低到了300欧姆,仅相当于空气阻抗,于是这个碟形物体就在雷达面前消失了。罗杰斯于是提出了一种飞碟状宽波段隐身外形,有效工作频率很宽,但不幸的是这种外形在空气动力学上是不稳定的。但该方案给比塞尔留下了深刻印象,并指示罗杰斯和泰勒向约翰逊展示他们的发现。

最隐身的外形居然是飞碟?

罗杰斯张嘴就说隐身飞机的理想形状是飞碟,约翰逊惊呼:“上帝啊!”,自己可无法制造出一架飞碟,罗杰斯显然对空气动力学一无所知。同样好战的罗杰斯反驳说约翰逊显然对雷达一无所知,于是这次会议就不欢而散了。

罗杰斯和泰勒明智地决定把U-2后继机的设计决定权留给约翰逊,然后再教会他如何把隐身技术融入自己的设计。

约翰逊和他的臭鼬工厂团队在一开始搞出了一些亚音速低RCS设计,内部代号“热情”Model 2。

“热情”Model 2设计之一

他们在这个总代号下研究了数种设计,在其中一个被否决的设计上,机翼前后缘开了凹槽,镶嵌有三角形楔形梯度介电材料。这种被称为“软化”的技术可避免雷达波遇到飞机时波束阻力发生突然变化(正是这种极速变化导致了反射回波)。应用“软化”技术后,入射波会先遇到三角形介电材料(机翼前缘),在其内部耗散产生电流,由此把无线电波的电磁能转化为热能。

随着波束逐渐抵达三角楔形的尖端,波束阻力也逐渐降为零,与相邻的金属结构匹配。这项技术由臭鼬工厂的Ed·罗维克发明,将在约翰逊最终设计的隐身上发挥重要作用。

隐身和飞机性能之间看似存在矛盾关系,苏联雷达技术也在快速发展,不可避免地会用更多频率,约翰逊深信这些因素将使寻找飞机隐身斗篷的道路变得更加泥泞。

1958年4月21日,约翰逊开始勾勒他的第一个3马赫设计。该设计把高空高速性能而不是隐身作为飞机生存能力的核心,他在自己的笔记本上把该设计命名为U-3。

约翰逊手绘的U-3

“我勾勒出第一个‘大天使’方案,这是一架3马赫飞机,航程7408公里,飞行高度在27430米到28960米之间。”于是这个笔记本在后来被叫做“大天使”笔记本(内部人士经常把U-2叫做“凯利的天使”,用“大天使”称呼这个具有飞跃性的新设计似乎很合适)。

约翰逊花了几天时间来完善自己的高速设计,然后提交给比赛尔。

弗兰克·罗杰斯的林肯实验室小组随后对约翰逊的U-3进行分析,评估该设计的速度、高度和RCS,从而计算出该机的驻留时间,也就是飞机在雷达照射下被探测到的时间。他们分析了三个不同频段,从70600Hz到3000MHz。这份高度重要的报告被叫做“尖头回波扫描研究”,也被称为“罗杰斯效应”。报告最终确定出U-2后继机的具体设计目标:3马赫、高度27430米、RCS不超过10平方米,最好不超过5平方米。

搅局的康维尔

1958年春,比塞尔飞往德克萨斯州沃思堡,在通用动力公司康维尔分部会见了该公司先进项目研发主管罗伯特·维德默。比塞尔告诉维德默他想要一架能在27430米高度飞行6440公里并携带907千克有效载荷的飞机。比塞尔在回忆录中说,当康维尔签下这个价值数百万美元的合同时,他正式把该公司带进这个需要严格保密的项目中。

有人认为康维尔的搅局是为了给约翰逊施加压力,因为他更关心性能而不是最小化RCS(艾森豪威尔坚持RCS要最小)。

康维尔以“超级盗贼”作为自己的设计基础,这是一种两级寄生轰炸机,挂在一架改装过的B-58A的机腹下升空,等载机加速到冲压发动机的工作速度后,寄生飞机脱离载机继续加速,最后抛掉耗尽燃料的消耗级以增加航程。这是一个有趣的概念,但要改成侦察机则需要进行重大修改,不仅仅是因为被抛弃的消耗级很难实现雷达隐身。

“超级盗贼”(Super Hustler)是康维尔公司在50 年代进行的一系列用于穿透苏联领空的4马赫载人飞机研究项目的统称。这种寄生飞机从B-58“盗贼”的机腹下发射

1:17的B-58“超级盗贼”组合体模型

此外“超级盗贼”载人级也需要隐身,因此唐纳德·柯克率领一个设计团队描绘出一款名为“第一个隐身超级盗贼”(First Invisible Super Hustler)的设计,缩写为“FISH”(美国佬为了凑一个顺口的缩写也是绞尽脑汁)。

FISH以“超级盗贼”的载人级为设计基础,改为单级设计,安装两台冲压发动机和两台涡喷发动机。该机由改装后的B-58B空射,然后加速到4.2马赫在27430米高度进入巡航,航程6276公里。完成任务后,FISH将减速伸出两台涡喷发动机返回基地。

康维尔“鱼”最终设计总重17380千克,长14.33米,垂尾高3.05米,翼展11.28米,翼面积66.33平方米,最大速度4马赫,航程7200千米

FISH通过把机翼前后缘从直线变成圆弧来降低RCS。为了承受超音速飞行的启动加热,钢蜂窝结构机翼的前后缘都将安装耐高温陶瓷制造的楔形插入件,并浸渍有石墨以吸收入射雷达能量

机翼前后缘的锯齿状结构,之间嵌有预浸石墨的耐高温陶瓷板以降低雷达反射

1958年11月12日,约翰逊向兰德专家小组提交他的A-3(A表示“大天使”)设计,康维尔的威德默也提交了FISH。三天后,兰德小组把自己的决定通报给总统科学顾问詹姆斯·基利安博士,由于FISH的RCS更小,所以他们推荐了康维尔的设计。

1958年兰德专家组审核通过的洛克希德A-3成为康维尔“鱼”的竞争对手。A-3是一种能在28900米高空以3.2马赫飞行的单级非寄生飞机,该机机翼内侧的两台JT12涡喷发动机负责把飞机加速至超音速,然后翼尖两台直径1.02米的冲压发动机点火把飞机推进至3.2马赫巡航速度。JT12发动机使用JP-150燃油,冲压发动机使用硼基高能燃料

从11月26日开始的两个月时间里,感到压力的约翰逊和他的团队接连推出了A-4、A-5和A-6设计。这次他们才认真在设计中融入弗兰克·罗杰斯的隐身建议,三个设计的机身都从头到尾地融入了机翼和机翼前缘外形,横截面形似飞碟,同时把尺寸缩小的垂尾隐藏在机翼上方。

感到压力的约翰逊和他的团队接连推出了A-4、A-5和A-6设计,这次他们才认真在设计中融入弗兰克·罗杰斯的隐身建议

在1959年1月A-6设计完成前,约翰逊指示他的团队进行一系列小型非隐身设计,编号A-7到A-9。这些设计都由一台J58涡喷发动机和两台冲压发动机驱动,结果没有一种设计被认为可行,不仅航程不够,而且虽然尺寸很小,但RCS依然很大。

接下来A-7~A-9三种构型是侧重于性能而牺牲雷达截面积的更小型设计(总重20000千克)。这些构型安装一台J58涡喷和两台XPJ-59冲压发动机,但还是没有一种能满足航程要求

被美国空军搞残的康维尔

康维尔在12月22日被批准开始FISH的详细设计研制。但在5月份,科学工程研究所(SEI,比塞尔建立的一家挂名公司)的一个团队对约翰逊A-11和FISH进行了对比评估,结果向兰德专家小组推荐了约翰逊的设计。

A-11构型是侧重性能牺牲雷达截面积的较大型设计。洛克希德向兰德专家组提交了细化的A-11构型供审核,该机的起飞总重超过41730千克,其中25100千克是燃油,依靠两台带加力燃烧室的J58涡喷发动机达到3.2马赫的巡航速度。该机航程7400千米,机长35.66米,机高6.40米,翼展17.37米

要命的是这个竞争结果获得了战略空军司令部(SAC)的支持,要知道SAC对康维尔可没有什么好印象。

1959年6月,康维尔高层人员向空军高级官员介绍了B-58B,但为了让早期的B-58A盈利,康维尔迫切需要卖出更多的B-58A。介绍会一开始进行得很顺利,但是当SAC被告知只有在继续购买3个联队的B-58A后才能获得B-58B时,会议就突然结束了。

翼尖下垂、翼下吊舱的B-58B

最后美国空军也没有订购B-58B,于是FISH就这样失去了载机。康维尔随后被指示把FISH完全重新设计为不依赖于载机的单级平台。

1959年7月3日,比塞尔放宽了对洛克希德的要求,同意接受A-11较低的巡航高度,只要该机能降低RCS就成。约翰逊在笔记本中写道:“我提出了A-12,把J58发动机安装在机翼中段并使用翼身融合设计,还在机翼前缘应用了三角吸波结构。”

A-12使用双垂尾取代了单垂尾,安装在两个发动机舱顶部。垂尾内倾15度以减小对侧面入射雷达波的反射。出于同样原因,在机身两侧增加了被称为“里脊肉”的倾斜表面形成翼身融合外形,并且在“里脊肉”和机翼边缘安装有具有吸波效果的锯齿边缘

现在轮到康维尔承受压力了,他们在短短两周内就重新设计出“银白鱼”(Smelt)、鲱鱼(Herring)和石首鱼(Kingfish)。两个公司的竞争方案在1959年8月20日被提交给美国国防部、美国空军和中情局组成的联合选择小组,他们仍为洛克希德的A-12设计在整体成本方面更加可取,而康维尔的设计因具有较低的RCS而受到中情局代表的青睐。

康维尔工程师广泛借鉴了“鱼”的设计特点来完成最初的“石首鱼”构型,但在最终方案的插图中很难看出遗传自“鱼”的特点

但此时美国空军的代表又插了一脚,说服中情局转而支持洛克希德。他们说自己在康维尔B-58项目期间曾经历过恐怖的成本超支,而洛克希德则按预算准时制造出了U-2。

尽管洛克希德设计获得了全票通过,但专家们依然担心A-12的RCS过大,要求臭鼬工厂在1960年1月1日之前证明该设计的RCS足够低。此时“热情”项目正式结束,下一阶段项目获得了“牛车”(Oxcart)的保密代号。

“牛车”上路

1959年11月18日,臭鼬工厂在51区开始对A-12全尺寸模型进行RCS测试。虽然这次测试的结果仍然保密,但据信“牛车”的RCS在预警雷达频率(200-400MHz)下是10平方米,在空对空频率(10GHz)下是2平方米。比塞尔对结果很满意,通知约翰逊中情局同意制造12架A-12,双方在1960年2月11日正式签署了合同。臭鼬工厂一开始对“牛车”的报价是9660万美元,但最后被证明过于乐观,经过长期发展后,A-12单机成本上涨到原来的两倍以上。

1959年8月29日洛克希德赢得竞标,但附带了一项条件——必须能证明A-12减小雷达截面积的措施有效。1960年1月中旬前洛克希德完成了证明

1960年5月1日,苏联在雷达和地空导弹的研究上终于跟上了U-2,中情局飞行员弗朗西斯·加里·鲍尔斯在深入苏联领空侦察时被SA-2“导线”地空导弹击落。

事件发生后,赫鲁晓夫兴高采烈地亲自查看被击落的U-2残骸

这次行动充分证明研制U-2的高性能隐身后继机的必要性,只是艾森豪威尔向赫鲁晓夫保证:在他任职的剩余时间里(以及后面的每一届美国总统)都不会对苏联发动任何有人驾驶侦察飞行。

所以到1965年6月“牛车”正式投入使用时,该机已经无法执行其设计任务了,成为一个诞生于错误时间的3马赫隐身飞机。

1960年2月11日,CIA授予洛克希德12架A-12飞机的合同

随着1967年5月美国卷入越南战争,三架“牛车”被部署到日本冲绳嘉手纳基地,从这里起飞前往越南河内执行“黑盾”侦察任务。

兰德专家小组早在1959年6月就得出结论,以当时的隐身技术来看,无论哪种飞机,被雷达零星探测和跟踪都是不可避免的,他们是正确的。1967年6月20日,在“黑盾”BX6705号任务中,A-12首次被敌方雷达成功跟踪。在1967年10月28日的BX6732号任务中,飞行员从雷达归航和警告接收器(RHWR)显示器上看到自己的飞机遭受雷达连续锁定,最终北越发射了一枚SA-2。

A-12在BX6705号任务中拍摄的北越河内照片

SA-2地空导弹飞向A-12的情景

两天后的BX6734任务中,同一飞行员注意到RHWR显示自己的“牛车”正被两个SA-2阵地跟踪,北越地空导弹蓄势待发,但最后都没有发射。但在他第二次向西飞越经过河内同一地区时再次被雷达跟踪,在接下来的几分钟里,北越一口气向他发射了六枚SA-2。

这是“黑鸟”系列飞机在服役中遭遇过的最猛烈的攻击,所有导弹都在电子对抗设备(ECM)的干扰下错过目标,在A-12尾部爆炸。等该机降落后接受检查时,人们在机身上找到了一片导弹碎片。在1968年1月4日的BX6842任务中,“牛车”最后一次遭受萨姆导弹的攻击。

在接下来的几分钟里,北越一口气向他发射了六枚SA-2

这次,这枚导弹在“扇歌”火控雷达的低脉冲重复频率的引导下飞行,被A-12的ECM成功干扰。

经过29次作战任务后,“牛车”项目于1968年5月16日终止。美国预算局(BoB)的会计师质疑为什么会同时开展两个非常昂贵且几乎相同的项目,一个是中情局的秘密“牛车”,另一个是美国空军更公开的SR-71(“高级皇冠”项目),随着侦察卫星时代的到来了,中情局退出了三马赫载人侦察领域。

A-12与SR-71的平面对比

A-12是人类历史上研制的第一种隐身作战飞机,该机为美国空军的SR-71项目的成功铺平了道路。直到七十年代中期,洛克希德公司才真正解决了隐身难题,研制出了F-117A“夜鹰”。该机具有非常低的RCS,能够在复杂的雷达和防空网络中作战和生存,无需装备任何ECM设备。

直到七十年代中期,洛克希德公司才真正解决了隐身难题

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