身为五代机最强者，美军F22的隐身技术并非原创，反而应感谢苏联

在如今这个信息爆炸的年代，知识产权问题越来越受到普遍重视，在某些场合甚至可以作为攻击潜在对手的最佳武器。时间拨回到半个世纪之前，1962年苏联物理学家彼得•乌菲姆采夫（Pyotr Yakovlevich Ufimtsev）发表了Method of Edge Waves in the Physical Theory of Diffraction一书，而该研究被认为没有重大军事/经济价值，得以在国际上公开发表。1971年，该书被美国空军外国技术部（国家空中情报中心）的怀特•帕特森翻译成英文，该书概述的方程式量化了飞机的形状对雷达的可探测性的影响，令美国工程师们茅塞顿开。20世纪年代，美国国防部启动了Lockheed Have Blue计划，项目目的是开发隐身战斗机，洛克希德•马丁公司在与诺斯罗普•格鲁曼的竞争中胜出。从此，美国在隐身技术领域一马当先，F-117、B-2、F-22相继问世，美国F-22隐身战斗机代表着继F-117A隐身攻击机和B-2隐身轰炸机之后的第三代隐身技术，即在不损失机动性和飞行速度的情况下实现隐身。F-22作为集大成者服役十多年来一直都是美军空基力量的典型代表。

《衍射物理理论中的边波方法》（翻译版）奠定了雷达隐身技术工程应用的理论基础

F-22是美国空军高级战术战斗机（Advanced Tactical Fighter）计划的结果。上世纪70年代末80年代初，基于美国空军的空战研究和苏联新型制空战斗机MiG-29/Su-27即将服役的情报分析，美国空军对高级战术战斗机提出了新的空中优势的要求，并计划用来取代全部F-15。1983年5月，美国空军发布了名为“联合先进战斗机”（JAFE）的战斗机发动机的招标书（RFP），普惠公司和通用电气公司于1983年9月获得了开发和生产原型发动机的合同。1986年7月，波音，通用动力，洛克希德，诺斯罗普和麦克唐纳•道格拉斯提出了提案。1986年10月，美国空军选择了两个承包商——洛克希德•马丁公司和诺斯罗普•格鲁曼公司进行了为期50个月的演示/验证阶段，最终对两种技术原型机YF-22和YF-23进行了飞行测试。根据洛克希德公司、通用动力公司和波音公司之间的协议，如果只选择了一家公司的设计，则剩余两家公司同意共同参与开发。诺斯罗普•格鲁曼和麦克唐纳•道格拉斯也有类似的协议。

飞行演示阶段的YF-23与YF-22

1991年8月，洛克希德团队获得了开发和制造“先进战术战斗机”的合同，后续YF-22被修改为F-22“猛禽”生产型。仅从隐身角度而言，YF-23比YF-22有着较为明显的优势，比如和B-2一脉相承的内埋式喷管、四个方向高度一致的外形设计和取消的水平尾翼。但在机动性、弹舱设计和项目管理（B-2的前车之鉴）上的劣势可能是导致空军最终选择YF-22的原因。出于成本考虑以及当时世界空军力量的分析判断，美军于2011年关闭了F-22的生产线，迄今为止F-22一共生产了195架，其中8架为技术验证机。

飞行测试中的最后一架F-22，于2012年5月2日交付美国空军

外形隐身设计

与飞机总体设计密切相关的是外形隐身技术。具有相同几何界面的目标，由于电磁散射机理不同，导致RCS差别很大。通过改变飞机外形来减缩飞机RCS时，应遵循以下原则：改善飞机的总体布局以减少散射源；变强散射源为弱散射源；对强散射源进行遮挡；控制散射方向，使散射能量集中在雷达波威胁区域之外；消除角反射器效应；将飞机的雷达回波的主要能量控制在很窄方位内。

F-22的平面对准设计，特别是F119-PW-100发动机上安装的推力矢量喷嘴的仔细边缘对准

例如，飞机的侧面、进气道以及双垂尾均以同一角度倾斜。机翼前缘以及平尾前缘分别与后缘相平行。机身的全部舱门，如起落架、机炮（藏于机身进气道上方）武器舱、维修口盖，还有驾驶舱玻璃框架，均沿两个相同的方向进行了锯齿修形处理，以便侧向反射雷达波。

起落架的锯齿修形

与F-117明显不同的是，F-22采用了所谓的连续曲率设计。例如，从正面看，机翼机身连接处不形成强烈的雷达反射源角度，下翼面沿一连续变化曲率半径线置于飞机侧面。在副翼舵面、扰流器以及尾翼整流罩上也能看出连续曲率技术应用的痕迹。

所有的腔体都应谨慎处理，因为它是雷达反射的主要来源，进气道及尾喷管是大型腔体，在它背面有工作叶片，而叶片作为大型反射源很容易被雷达探测。洛克希德马丁公司的工程人员对进气道形状进行了处理，进气道沿机身高度溯流而上，而在该处又重新接合，并在该处留出内置弹舱空间。其结果是从进气道的任何角度都不能直接看到压气机的第一级（S弯进气道），如下图所示。这样设计的优点是前向雷达波入射后经过多次的反射，在反射重点区域配合雷达吸波涂层可以大幅度地降低前向雷达截面积（RCS）。与S弯进气道作用相似的是无边界层隔道超声速进气道（DSI），该进气道在F35战斗机上采用。

进气管道的S形设计原理图

战斗机机的座舱也是不可避免的散射源，其中有飞行员和各种仪表设备，座舱结构比较复杂，形成一个空腔体。入射波经座舱盖后，必然构成强反射。为了减弱其回波强度，可以在座舱盖表面蒸镀上一层不透波的金属膜。遮挡住雷达波，使其不能进入座舱内。这样的镀膜不影响舱盖的透明度，既保证了飞行员的视野又降低了RCS值。

F-22座舱特写

在外形设计上，对辐射特征源进行遮挡的思想不仅仅体现在雷达隐身技术方向，在红外隐身上也有使用用。F-22的尾部结构就使用了类似的红外抑制技术。它们在喷嘴设计上的差异最明显。两种飞机的水平尾翼都远远超出了喷嘴，从而限制了从侧面到后象限的方位平面内的排气口和羽流芯的视野。两者的引擎也都有隐形的增强器，低压涡轮机的后部是厚而弯曲的叶片，当抬高排气管时，它们会挡住热旋转的涡轮机部件的任何直接视线。喷油器集成在这些叶片中，代替了传统的加力燃烧器喷杆和火焰保持器。叶片遮盖涡轮机的同时，包含可引入较冷空气的微小孔。

F-22水平尾翼与喷嘴的相对位置

战斗机的热红外辐射主要包括被加热的金属尾喷管的热辐射、发动机排出的高温尾喷焰的热辐射以及飞行时气动加热所形成的蒙皮热辐射。除了利用外形设计进行遮挡外，在F-22上也能看见针对这三个方向进行红外隐身的技术应用。

对于发动机尾喷管而言，目前红外隐身技术采取的措施包括发动机隔热、异形喷管、发动机及喷管结构的布局优化、排气出口调整与遮蔽以及喷射冷却剂等，以达到减小、变向、遮蔽尾喷管红外辐射的目的。隐身飞机的目标红外特征如下：在飞机尾部，红外辐射在方向和强度上出现变化；在全机身上，辐射强度发生变化。所以进行尾喷管探测时，首先要考虑到飞机尾部辐射的方向性。

尾喷管决定了尾部辐射的方向，而发动机的工作状态和所用燃料决定了尾部辐射的强度。与传统的尾喷管设计不同，美国F-22隐身战斗机使用的F119型发动机采用二元矢量收敛-扩张喷管，可在一定角度内进行偏转（角度可达到俯仰±20°）利用这种尾喷管使排出的尾焰与大气掺混，这有利于大气迅速耗散前者排出的高温燃气。研究结果表明，喷管出口平面到后半球的最大辐射强度位于它的偏转方向上；偏转角度在高低角方向上越大，辐射强度越低。这种特性使得采用矢量喷管的飞机的尾部辐射在各个方向上的辐射强度不同，且具有一定的方向性，进而也有一定的机动性。若从飞机前方进行探测，飞机机身则容易遮挡住尾喷管的辐射，所以只有后向探测才能较好地探测到尾喷管辐射。由于二元矢量尾喷管具有前文所述的可偏转机动性，后向探测时尾部产生的辐射具有极大的随机性。这不利于红外系统视场的探测，从而减小被探测到的概率。

惠普F119发动机及二元矢量喷管对尾焰辐射也有抑制作用

由于蒙皮辐射与机体本身的材料息息相关，采用低发射率的红外隐身材料制作机身蒙皮是抑制蒙皮红外辐射的主要措施。红外隐身材料可以减小飞行器与环境之间的红外辐射差别，使飞行器融入到背景的红外辐射中。因此隐身材料的核心技术就是如何使其与背景的红外对比度变小。

材料的选取很重要，同时红外涂层在飞行器表面上的结构处理技术也是不可忽视的一方面。在不同的蒙皮区域所涂敷的涂层需要逐个根据性能挑选，涂层面积及方式也要加以考虑。下图所示为美国F-22战斗机的表面涂层。基于TopCOAT材料，F-22采用了一种独特的涂层方法有效降低了机身蒙皮的红外辐射。

F-22机身蒙皮涂层

材料隐身技术

隐身材料按使用形式可分为涂覆型吸波材料和结构型吸波材料。涂覆型吸波材料以覆盖形式施加于目标表面，包括吸波涂料、贴片、泡沫、薄膜等，在飞行器上应用较多的为涂料和贴片。结构隐身复合材料兼有承载和隐身的双重功能，成为目前隐身材料的主要技术手段。结构型吸波材料的吸波功能是通过微波吸收剂对电磁波进行损耗而实现的。微波吸收剂按照吸收机理可以分为电阻型、电介质型和磁介质型。

2019年7月，美国威斯康星州奥什科什举行的EAA Airventure航空展上，参展的F-22存在的吸波材料腐蚀问题引起了媒体的关注。隐身材料的使用与维护是一直困扰F-22与B-2等隐身战机的“阿喀琉斯之踵”。材料隐身技术的先进与否直接影响着隐身战机的性能和成本，同样值得我军重视。

F-22隐身涂层腐蚀局部

随着F-22的不断成熟，洛克希德•马丁公司致力于进一步提高飞机的可用性，减少维护时间，提高可靠性和诊断能力，同时提高效率并降低成本。F-22上进行的维护的大约50％与低可观测性（LO）隐形涂层有关，这些涂层在飞机执行任务时会损坏。洛克希德•马丁公司目前正在进行以下维护项目，以减少该领域的维护工作：

进气口涂层维修（ICR）快速线：2016年8月，美国空军与洛克希德•马丁公司签订合同，在佐治亚州玛丽埃塔建立F-22 ICR快速线，第一架F-22于2016年11月到达。洛克希德•马丁公司与在总共12架飞机上执行ICR工作和相关的支持服务，并有望获得后续合同。

洛克希德•马丁公司在佐治亚州玛丽埃塔的入口涂层维修（ICR）快线工厂

“强韧皮靴”：该产品将增加涂层或飞机面板之间接缝的强度。洛克希德马丁公司F-22副项目经理表示：“飞机上的缝隙提高了飞机的隐身性能，因此，通过这些涂层或这些缝隙填充物在飞机上的使用可以帮助降低其可观察性。”

就地成型（FIP）：FIP建立在“强壮硬靴”项目的基础上，通过改进飞机的面板，使其在维护过程中更易于拆卸，而不会损坏LO隐形涂层。通过消除维护后无需重新涂覆飞机的需求，可以减少维护时间。

射频隐身技术

射频隐身设计包括无源目标特征减缩与有源目标特征减缩两个方面，无源目标特征减缩技术一般称为低可探测性（LO），有源目标特征减缩技术通称为低截获概率（LPI）技术。低可探测性要求不断加强天线罩、天线腔和天线设计的开发，以此作为共用子系统的交互式元件，使带内、带外雷达散射截面（RCS）更小。低可截获性要求在满足通信要求的前提下，尽量减少本机辐射信号的特征，以减少敌方无源探测系统对飞机的探测、跟踪、识别概率。

机载通信数据链系统是载机与友机、地面台或指挥中心信息交互的通道。在整个指挥作战过程中会频繁用到，如果其隐身效果不好，很容易被敌方侦查定位，进而暴露载机的位置、运动轨迹，乃至作战意图，使载机战场生存力受到极大地威胁。

F-22机载航电系统分布简图

诺斯罗普•格鲁曼公司负责AN/APG-77雷达系统的总体设计，包括控制和信号处理软件。诺斯罗普•格鲁曼公司还负责雷达系统的集成和测试活动。雷达传感器的主要组件是高度可靠的有源电子扫描阵列（AESA），它具有快速的波束敏捷性，低的雷达横截面和目标检测能力，使空中优势战斗机能够实现“先看先杀”能力。该系统的雷达横截面非常低，符合F-22的隐身设计。

传统天线设计只注重天线的电性能，一般安装在机体外部，这必然会造成飞机蒙皮上产生凸出物，不仅改变了飞机的气动特性，而且增大了飞机局部雷达散射截面积，严重影响了飞机整体隐身性能。天线共形设计是结合飞机隐身及气动性能要求，根据蒙皮形状对天线进行共形设计，使天线与飞机融为一体。

F-22各系统天线的共形设计

飞机通常配备通信、侦察、导航、雷达、电子战、航管应答、敌我识别等多种射频传感器，如继续按照以往独立、分立式设计思路，必然会导致天线数量众多，增大了飞机暴露的概率。孔径综合设计要求综合考虑全机各天线工作频段、工作时间、辐射空域、极化方式、调制方式等因素，对各类天线进行全面综合设计，在保证各系统功能正常、性能满足要求的情况下，最大限度地实现孔径共享或复用，有效减少全机天线数量，将天线对飞机RCS的贡献压缩到最小。F-22飞机天线孔径排布如图所示，通过孔径综合设计，天线数量由传统40多副减少到了21副，后在F-35飞机上进一步综合后减少到了13副，大大减小了天线对飞机隐身性能的影响。

F-22飞机天线孔径排布示意图

定向天线是指天线辐射覆盖一定空域，在其它区域辐射为零或者很小的天线，其应用于通信数据链系统，通过限制天线辐射方向，将能量集中在小范围有用的空域，降低了数据链在其它空域被发现和截获的概率，从而提高了数据链隐身性能。F-22战斗机的机间数据链（IFDL）就采用了定向天线技术，基于协同作战的实际需求，近年来美国空军重启了对F-22的数据链升级，2019年8月，美国空军将开始对新网络技术进行现场测试，包括在其两架隐形战斗机之间建立的长时延的安全数据链路。F-22使用的IFDL和F-35使用的（MADL）都是低检测概率/低拦截概率（LPD/LPI）通信典型代表。

不同性能需求导致的通信数据链不通用是必然结果

小结

F-22虽然服役已经十多年，但至今仍是世界上最先进的制空战斗机之一。尽管就隐身能力而言可能未必如YF-23一般极致，但隐身性能作为先进战机的指标之一最终服务的是战斗机的设计思想与战略任务，F-22作为美国空军的最终选择体现了其多指标下的优秀综合能力，而这种设计和选择本身也值得我国技术/决策人员参考。