天下匿蹤戰機一大抄?戰機外型設計三大考量

王皞天 2023年11月05日 07:00:00
第五代匿蹤戰機,它們在設計上必須同時兼顧「氣動」、「結構」、「匿蹤」三大考量。(F-22戰機/作者提供)

第五代匿蹤戰機,它們在設計上必須同時兼顧「氣動」、「結構」、「匿蹤」三大考量。(F-22戰機/作者提供)

在最近舉行的首爾航展中,韓國展示了他們與印尼聯合開發的KF-21匿蹤戰機,乍看之下,它的外型與美國的F-22極為相似。為何世界各國的五代機大多外觀相去不遠呢?

 

其實不論四代機還是五代機,外型長得有些相似的戰機的確不少,但不能夠以「誰抄誰」的角度來理解這個相似性,更好的方式,反倒是從設計的源頭來思考這個現象──相近的飛機整體構型選擇,體現的是這些飛機在設計時可能受到了類似的限制條件,且欲達到飛行性能最佳化的操作區間也差不多。

 

第四代以及所有更早之前的戰機,它們在外型設計時要面對的主要有兩大考量:空氣動力學效應和機體結構強度。第五代戰機則是在這個基礎上,加入了電磁匿蹤的考量。

 

空氣動力學方面的考量是我們一般人最熟悉的,也是最直接影響飛機外型、絕大多數情況下最重要的。舉例而言,較注重中低速靈活纏鬥性能的戰機,其主翼的翼剖面通常會略厚、彎曲度會略高一些(但整體上還是很薄、很少彎曲的),展弦比(翼展平方/翼面積)會略高,如F-16、F/A-18、F-35C;較重視高空高速持續飛行、攔截性能的戰機,它的主翼翼剖面就會更薄、展弦比就會更低,如MiG-31、歐洲颱風、F-22。

 

從結構的角度來看,展弦比高(細長型)的機翼,受到空氣動力時較容易被「掰彎」,結構不那麼強;展弦比低(粗短型)的機翼則很堅固,如三角翼設計的飛機。機身和進氣道的設計也會對結構強度造成影響,比如F-15、F-22那種直接將兩側矩形進氣道和機身做成一體的箱型構造,就容易造出堅固且輕巧的機身,Su-35、Su-57那樣整個機體較為扁平、進氣道裝在下方的設計,就需要在機身結構強度上有更多的加強(不過好處是有舉升體機身)。

 

最後,就五代機會用到的電磁匿蹤特性來看,戰機為了將雷達波集中反射到幾個不重要的方向、避免敵方雷達接收到回波,都必須將飛機設計得有棱有角;為了避免強反射訊號,需要避免帶有直角的幾何外型、透過進氣道的設計讓發動機風扇不外露;有些地方還有鋸齒狀的設計,讓雷達波衰減等。

 

F-35B戰機。(作者提供)

 

第五代匿蹤戰機,它們在設計上必須同時兼顧以上提到的「氣動」、「結構」、「匿蹤」三大考量。這三者在設計時,可以說是「互相牽制」,其中又以匿蹤的考量帶來的限制最為嚴格、能變化的地方最少,比如為了避免直角,必須將垂尾改成外傾式雙垂尾;為了讓雷達波集中反射到左前、左後、右前、右後,機身上很多邊緣的傾斜角度,都要和主翼前緣的後掠角或主翼後緣的前掠角相同;進氣口則幾乎只能在F-22那種隔板與機身平行的進氣口或F-35那種DSI鼓包式進氣口之間做選擇;內置彈艙也是很常見的設計。

 

此外,由於匿蹤戰機是「戰術戰鬥機」,而非F-117、B-2、MQ-28那種以其他用途為主的匿蹤機,所以它們的飛行性能要求,也都有一定程度的相似性,比如要能夠超音速飛行(但同時不太需要飛到超過2.5馬赫)、要有很好的爬升率和轉彎率等。

 

世界各國的第五代戰鬥機,就是在這樣設計時都受到三大考量的牽制(亦即,限制條件都差不多的情況下),再加上對飛行性能的要求也類似,那麼,最後求出的「最佳化的整體構型方案」,理所當然的也就會相去不遠。與其說這是抄襲,不如更貼切的說,這是「英雄所見略同」。

 

※作者畢業於成功大學航空太空工程學系,著有《戰鬥機設計與運作原理》。




 

 

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