鸭翼必然影响歼20隐身，为何杨伟总师还要这样设计？

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发布时间：2018-03-20 18:04:34

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近日，针对歼-20服役与苏-57快闪叙利亚的新闻，美国《商业内幕》网站邀请军事专家谈论对两款战机的看法。其中一个重点是谈论苏-57和歼-20的隐身性能，专家认为，歼-20体型“巨大”，构型有太多的“面”，且许多看起来是“良好反射体”。

这里虽然没有明说，但显然是在隐射歼-20前翼影响隐身的“传统话题”。那么，前翼（成飞此前的设计歼-10也用了该技术）这真的会影响歼-20的隐身吗？今天，贞观防务就来说说隐身这个事儿。

△歼-20的前翼前缘与主翼前缘平行（红线），以保持前缘散射方向相同；前翼后缘则与另一侧主翼后缘平行（黄线），以保持后缘散射方向相同

要讨论这个问题，首先要对隐身外型理论有基本认识。这个理论在上世纪70年代后期才被美国完善，内容相当地复杂，且仍有部分因为机密因素被“马赛克”，不过从相关教科书中我们仍可了解到隐身理论最主要是要消减两种雷达波的散射现象：

面散射：当雷达波照射到物体表面时，大部分能量会依“入射角=反射角”的原则朝表面形状的反角度散射出去。这种散射是3D的，也就是说表面不论在垂直轴或水平X-Y轴方向倾斜都可偏折反射能量的角度。在F-117的年代由于计算机只能计算平面形状的散射，因此它被设计得奇形怪状，但等到 “沉默彩虹”就掌握了预测曲面反射的运算技术，使隐身飞机能在隐身与气动之间做出平衡。
边缘散射：当雷达波照射到两个以上的 “面”交界产生的边线时，大部分能量依 “入射角=反射角”的原则会散射形成 “凯勒锥”。这种散射就会变成2D的，也就是边缘对于雷达波方向的垂直轴倾斜是没有用的，只有水平X-Y轴的倾斜可以偏折 “凯勒锥”的方向，因此隐身飞机外型上最明显的特征就是简化边缘角度来限制边缘散射的方向。

△前翼透过外型修正（切角）与吸波结构可以减轻边缘散射，但同样技术也可用在主翼与尾翼上，例如F-22的主翼也有切角

边缘散射又可分成两种主要现象：

前缘散射：意即直接面对雷达波的边缘产生的散射，由于战机通常对前方发射武器，因此前缘散射方向的控制通常是最首要的课题。以F-117为例，其机翼与机身采取了高达67.5度的后掠角不是为了超音速，而是为了确保前半球45度角内有极低的回波。
后缘散射：当雷达波照射到边缘，部分能量会继续沿着表面爬行，直到碰上下一道边缘才散射出来，爬行波难以预测的特性是早期工程师无法做出隐身飞机的主因之一。而要注意的是，后缘散射一样是2D的，其部分能量甚至可以绕着垂直轴180度转向往前散射回去。

后缘散射远比前缘散射微弱，但仍然存在，所以要不要处理就看客户对隐身的要求程度。例如像“阵风”战机将回波减为1/10，被探测距离将缩短47%，使其能发射中远程制导武器；但F-22/35则要求将回波减至1/10000以下，使其能在防空系统头上投下炸弹。

△与苏-57相比，歼-20对隐身的细部处理明显较为完整，表面蒙皮与舱门的接缝都改为锯齿状以偏折边缘散射的角度。但美国主流专家仍认为歼-20的隐身性不如F-22与F-35，主要就是外型上的选择

除了垂直尾翼以外，机翼大都在水平面上，对前方远距离雷达的面散射都会以很大角度偏折（这也就是为何垂直尾翼要尽量倾斜）而不产生威胁，因此其外型主要处理的是边缘散射的角度。而不论前翼、主翼或尾翼，一样都有边缘散射现象，也都可以透过控制角度以及安装吸波结构来削弱前缘散射与后缘散射，为什么只有前翼会特别对隐身性有影响呢？首先，主翼是飞机的主体，再怎么破坏隐身也得承受，所以能检讨的只有前翼与尾翼。但前翼比尾翼更不利隐身的原因有2个：

前翼在主翼的前方，而尾翼在主翼的后方，因此面对前方雷达波，前翼不但有前缘散射，也会有后缘散射。相较之下，只将尾翼保持在主翼的同一平面（例如F-22、F-35与苏-57），尾翼就被主翼遮蔽，其前缘散射其实是来自主翼后缘散射的部分能量，而尾翼的后缘散射又更加微弱。
当雷达波长增加时，边缘散射会更加明显，更不受偏折角度影响，这就是米波雷达反隐身的原理。而由于前翼边缘长度比主翼短，所以米波雷达的波长又相对更长了，更加强了米波雷达，甚至 “半米波”雷达的探测效果。

△从歼-20未上漆的照片中可以发现，其前翼与垂直尾翼的前缘、后缘与侧边都有黑色的吸波结构以减弱边缘散射

评估隐身效果主要有两个维度，一个维度是雷达截面积，也就是回波反射能量的功率，另一个维度则是有效的频率。对于B-2战略轰炸机而言，对低频的米波雷达与高频的火控雷达都要保持极低的雷达截面积，才能让敌人 “看不到也打不到”；但对于F-22/35战机而言，则先要求高频隐身，其次才追求低频隐身，也就是 “可能看得到，但是打不到”，因为它们可以主动把派上来的拦截机打下来。歼-20的前翼即便透过吸波材料减弱前缘与后缘散射，但回波仍无可避免地会比隐身处理过的尾翼来的大，因而更加削弱了低频隐身效果。

如前所述，由于机密因素我们很难从公开数据找到前翼影响隐身的明确资料，但仍可发现一些蛛丝马迹。例如麦道公司在上世纪90年代与NASA联合进行一项未来战机的研究计划，方向主要是在取消垂直尾翼的前提下，如何维持相同，甚至更高的机动性与高攻角的敏捷性。虽然研究重心不是 “提高隐身性”，但为了符合F-22出现后的主流需求，其定义隐身性必须满足 “低可见度”或 “可见度尚可”的要求：前者指的隐身强度与频率范围都相当于B-2，后者则是隐身强度与频率范围都略差，而相当于F-22的程度。从研究结果（NASA-CR-195079）可以发现，前翼机虽然提高机敏性，却付出了 “可见度尚可”的代价，也就是前翼抵销了拿掉垂直尾翼的隐身红利。

△在NASA-CR-195079报告中，麦道公司明确指出：相对于其他控制面，前翼的雷达截面积是其缺点。报告中除了专职对地的构型外，列出2种纯空优与多任务构型，前翼构型（115与119）都属于雷达可见度较高的选项

如果前翼对隐身可能有影响，那为什么歼-20要采用前翼呢？可能也是两个原因：

歼-20后机身的腹鳍、圆形喷嘴...等 “复杂”形状也会增强后缘散射，相较于这些部位，可能前翼的回波还不算强，自然不需因噎废食
战机的设计需求有许多面向，隐身只是其中之一，不一定要追求100分，因此麦道和航NASA最后共同设计出的X-36实验机还是有前翼。

歼-20总师杨伟在最近也说过： “歼-20的成功，标志着在战斗机的研究领域，我们已经进入了‘自由王国’。所谓的‘自由王国’，就是不用再按照别人的规则办事，而是用创新的思维，按照中国自己的战略目标和博弈方式去做研究。”虽然前翼对隐身有所影响，但如果不像F-22将隐身摆在第一优先，前翼还是有其他好处，这可能才是歼-20选择前翼的原因。至于究竟有哪些好处？我们以后再说。（文/Flak）

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