猛禽的进化——从ATF到F-22

万磁王

推动力和资金
　　随着信息需求书评判结果的揭晓，ATF项目也获得了推动力和资金。1981年末ASD发布了一份任务需求书，即描述特定任务的一份需求文档。随后战术空军司令部（TAC，后来成为美国空军作战司令部的一部分）也撰写了另一份相应的ATF需求书，内容包括威胁处理、战区，及完成任务所需的性能。迈克•罗上校编写了TAC需求书的大部分内容，他当时是TAC总部需求分部的副指挥官（他后来担任作战司令部司令，上将军衔）。1982年夏这份五十页的文件被分发给工业界征求意见，美国空军在该文件中正式把ATF作为F-15空中优势战斗机的后继机。1983年ATF系统项目办公室在赖特-帕特森空军基地成立，首任主任是阿尔伯特•皮奇里洛上校。
　　1983年5月军方发布了ATF发动机的方案需求书（RFP），通用电气和普惠公司获得了制造和测试竞争原型发动机的合同。通用电气发动机的编号为F120，普惠发动机编号为F119。与此同时，美国空军也为ATF发布了一份概念定义研究方案需求书。
　　波音、通用动力、格鲁曼、洛克希德、麦道、诺斯罗普和罗克韦尔做出回应，在1983年6月中旬前准备好了各自的方案。但就在截止日期前，ASD宣布把截止时间后推一个星期，并通知各公司等待进一步指示。6月底，各公司被要求到在方案文档中增加一篇关于本公司在隐身方面的技能和经验的内容，但为了保密，其中任何关于隐身技术的详细说明都要回避开ATF项目。原方案文档的篇幅被限制为仅三十页，隐身章节需作为单独的高度机密文件提交，篇幅被限制在5页。
　　时任ATF系统项目办公室主任的是阿尔伯特•皮奇里洛解释道：“ATF项目在一开始并没有隐身要求。”他后来成为华盛顿特区政府咨询公司ANSER技术部门的经理。皮奇里洛继续说：“参与项目的人都知道F-117和B-2是怎么回事，而我们却打算非常愚蠢地研制一种不能隐身的先进战斗机。如果不能隐身的话，我都不知道空军怎样来为ATF进行辩护。”
　　在80年代初，隐身技术在美国还是绝密的，ATF项目纳入隐身要求后就产生了前所未有的保密问题。由于原始的方案需求书密级不高，所以不能写入关于方案的任何隐身细节。各公司可以说在设计中将考虑低可探测性技术，但不能引用任何具体的现有隐身经验和技术。在当时，隐身技术被认为是“黑”色的，隐身飞机对于局外人来说是不存在的。所以军方在最后时刻让公司们把方案文档分成两部分提交就使他们能横跨“黑”“白”两道了。
　　大多数概念定义方案显示这些公司是如何提炼之前工作的成果的，其中的努力将决定谁能胜出进入演示/验证阶段，而在这一阶段获胜者必须完善自己的设计，证明自己的技术。洛克希德的概念定义方案彻底放弃了高空高速性能，更像是F-117的一种衍生型。

洛克希德的概念定义方案彻底放弃了高空高速性能，更像是F-117的一种衍生型

　　奥斯本解释道：“显然ATF会是超级隐身的，而不应该是YF-12或SR-71的表亲。于是我们停止了YF-12衍生型的工作，开始设计一种F-117版ATF。”结果洛克希德方案看起来就像一架加大并拉长的变异F-117，机翼从下单翼改为上单翼，尾翼从两片改为四片，进气口移到机翼前缘后下方。这架多面体外形的飞机约重36吨，和F-117一样与空气动力学背道而驰。
　　奥斯本回忆说：“我们知道这个设计存在严重的超音速问题，我们的设计可以超音速飞行，但一定蠢笨如猪。只要推力大，板砖也能飞上天。那时我们并不知道如何分析曲面外形的隐身特性，软件还不够成熟，电脑的计算能力也不足，只能靠双手去分析。洛克希德相信如果我们不能确定一种设计是隐身的，那么它就不可能隐身。直到1984年我们才在曲面分析上获得突破。”美国空军对于洛克希德方案评价不高，它在7个项目中的得分都是倒数第一。
　　在概念定义阶段提交方案的七家公司，包括洛克希德在内都获得了一份100万美元的资金。概念定义阶段从1984年9月一直持续到1985年5月，美国空军收到了各公司的许多简报以及几千页的报告，而这将决定哪些公司能进入演示/验证阶段。演示/验证阶段的四家获胜公司每家会获得约1亿美元资金来演示自己的ATF技术。1985年9月空军发出了演示/验证阶段方案需求书，截止日期为当年12月。

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洛克希德的设计
　　在经历了概念定义阶段的不佳表现之后，洛克希德不得不在ATF项目的下一阶段前转变设计思想。该公司刚刚在先进技术轰炸机（ATB）的竞争中输给了诺斯罗普的飞翼设计（后来成为B-2），也被海军从先进战术飞机项目（ATA）中淘汰。这两个项目中获胜的方案都是飞翼，而洛克希德还拿着过时的多面体方案参加竞争。美国空军对洛克希德方案的评价迫使该公司重新考虑其多面体隐形设计。

洛克希德ATB方案（图中的模型是肚皮朝上的），沿用了F-117的多面体隐身外形，还拖着一个小尾巴

洛克希德ATB与B-2的对比

如出一辙的洛克希德ATA-B

　　奥斯本回忆说：“即使我们的软件还无法分析曲面，我们还是开始设计曲面外形飞机。随着曲面外形设计的逐步完善，其超音速和机动性也逐渐变得可以接受。我们不依赖软件制造了模型后在雷达测试场进行测试，结果曲面外形的雷达测试表现相当不错。”

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　　洛克希德的设计很快就从多面体变成了光滑的曲面外形，公司最初的演示/验证阶段方案是084构型，飞机除一个多面体机鼻外具有光滑流畅的外形。奥斯本回忆说：“我们只会设计一个隐身的多面体雷达罩，在1985年初之前我们不知道如何设计曲面隐身外形的雷达罩。1984年底我们设计084构型之后才知道如何对其进行隐身分析。”

公司最初的演示/验证阶段方案是084构型，飞机除一个多面体机鼻外具有光滑流畅的外形

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　　洛克希德的最终方案被称为090P构型，该机具有流线形机鼻，前后缘都是正后掠角的梯形翼，4尾翼（两片平尾和两片垂尾）。090P的大型垂尾向外倾，飞机表面所有前缘和后缘的后掠角都相同。090P还有一个很宽的边条，从机鼻沿直线通过进气口外侧并一直延伸到机翼前缘。

洛克希德的最终方案被称为090P构型，该机具有流线形机鼻，前后缘都是正后掠角的梯形翼，4尾翼（两片平尾和两片垂尾）

　　ATF还需要安装尖端的传感器，方案需求书要求ATF机鼻每侧的雷达视场范围达120度，此外还要安装有前视红外搜索和跟踪系统。洛克希德通过在机鼻安装3块雷达天线整列来满足雷达的视场要求（一面天线朝前两面向着侧面），并在每侧翼根安装了一套红外搜索和跟踪系统，配有多面体视窗。
　　该机的旋转导弹发射架可挂载6枚空空导弹，发射架可整体拆下方便装弹（洛克希德衍生设计了一个用于机场防空的独立发射架）。弹舱关闭时，发射器底部就成为了机腹蒙皮。
　　洛克希德制造了一个090P的大尺寸模型并在公司的雷达测试场进行测试，测试数据被一并列入公司提交的方案书中。奥斯本说：“现在的真正问题是美国空军是否认为洛克希德能够设计出一种曲面外形的隐形飞机。我们向空军展示了测试模型以表示我们的能力。”洛克希德在演示/验证阶段竞争最大的优势是其工程能力和丰富的隐身设计经验，洛克希德之前的各种项目中也赢得了原型机制造快手的良好声誉，最近的例子就是“拥蓝”项目。

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波音的设计
　　波音公司的设计比洛克希德和通用动力的都大，保留了之前设计中的高速特性。该设计最显著的特点是后机身梯形机翼之后的双垂尾，垂尾尺寸足够大以提供与四尾翼相同的垂直和水平控制力。迪说：“设计师争论最多的问题就是选择双尾翼还是四尾翼，整个波音公司都被卷入了争论，于是我们成立了一个特别小组来研究这个问题，最后两尾翼胜出。更高的飞行速度导致我们飞机的机身较长，于是就有着更大的尾翼力臂，所以无需更复杂的尾翼设计。我们认为两尾翼能够满足所有要求，并且给设计带来更低的信号特征和更轻的重量。”
　　波音设计师是围绕弹舱进行基本设计的，然后他们根据风洞测试结果——特别是大迎角测试——调整尾翼的排列、大小、倾斜角度以及位置。该设计有一个机腹进气口，分成两路通向两台发动机。进气口内有一个可调斜坡（结合有附面层隔板）以满足较高的速度要求。波音设计师在后期设计修改时把前起落架后移到进气口之后。波音在七八十年代一直在为美国空军实验室以及一些秘密项目研制先进复合材料，所以该设计的机翼将采用独特的热塑性复合材料和工艺制造。
　　波音的设计把空空导弹都装在弹舱内部，红外制导空空导弹容纳在独立的前机身弹舱中，较大的空地武器则半埋挂载。波音也为主弹舱设计了一种快速装弹托架，也在机鼻安装了三面雷达天线阵列来满足视场的要求，包括一个较大的前向阵列和两个较小侧向阵列。此外在机鼻周围还安装了两套红外搜索和跟踪传感器。

波音的ATF弹舱设计专利

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　　前一阶段，波音的设计在7个项目中都拿了高分，完善度很高并经过了充分的风洞测试。此外该公司在航电集成方面也具有丰富经验，比如美国空军的预警机项目，最近还参加了B-2轰炸机项目的细化设计。波音的商用飞机生产能力也让人印象深刻。

波音设计师是围绕弹舱进行基本设计的，然后他们根据风洞测试结果——特别是大迎角测试——调整尾翼的排列、大小、倾斜角度以及位置

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通用动力的设计
　　通用动力公司为演示/验证阶段提交的设计是从多个设计演变而来。该公司在上一阶段将重点放在三种不同的设计上：常规、飞翼和半无尾（分别以C、W和T来表示）。传统设计衍生自之前的Model 21；飞翼设计继承“劣酒”的低可探测性能但加入了超音速要求；无尾设计是单垂尾，是两个极端设计之间的折中。经过一系列的内部设计竞赛和交流后，通用动力最后提交了半无尾设计（无平尾）。
　　通用动力在机翼平面外形和翼型设计上注重减重的同时提供最好的转弯能力和超音速巡航能力。但单垂尾会出现全向隐身问题，所以通用动力公司进行了大量风洞测试，为半无尾设计测试双倾垂尾的外形和安装位置，但发现前机身和三角翼产生的脱体涡会与双垂尾相互作用而出现不稳定的俯仰力矩，没有平尾也就无法产生足够的配平力矩来抵消这些不稳定运动。最后该公司认为尽管存在侧面雷达反射面积过大的缺点，但在整体上单垂尾无尾布局仍然是最佳的设计，设计编号是T-330。

但单垂尾会出现全向隐身问题，所以通用动力公司进行了大量风洞测试，为半无尾设计测试双倾垂尾的外形和安装位置，但发现前机身和三角翼产生的脱体涡会与双垂尾相互作用而出现不稳定的俯仰力矩，没有平尾也就无法产生足够的配平力矩来抵消这些不稳定运动

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　　通用动力公司采用了独特的设计来满足传感器方面的要求，为飞机配备了两面雷达阵列和一个红外搜索和跟踪传感器（波音和洛克希德都是三面雷达阵列和两个红外传感器）。红外搜索和跟踪传感器安装在机鼻，两面雷达阵列安装在座舱后方两侧，每面天线的视场覆盖从前方到侧面的120度。
　　通用动力的设计非常详尽，甚至制造了一个全尺寸模型以及一个1:2的雷达反射面积测试模型。该公司还进行了初步结构设计、确定与潜在合作伙伴分工协作的生产地点。通用动力公司在项目的概念定义阶段表现出色，在7个项目中都获得了高分，该公司的优势是在F-16项目中获得的设计和制造战斗机的丰富经验，此外该公司在原型机制造速度上也有很好的声誉，YF-16就是无与伦比的例子。

经过一系列的内部设计竞赛和交流后，通用动力最后提交了半无尾设计（无平尾）

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需求书修订
　　在演示/验证阶段方案提交截止前的几个月，美国空军修订了方案需求书，提高了隐身的权重。洛克希德的090P隐身方案不做任何修改就能满足新要求，波音对进气口设计稍微做了些修改以满足增加的隐身要求，该公司认为双尾翼设计将能满足要求。

洛克希德的090P隐身方案不做任何修改就能满足新要求

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　　隐身要求的提高迫使迫使通用动力公司重新考虑了不同双垂尾布局，其中一种甚至安装在机翼短舱上。此外他们还把机翼和控制面后缘切成与前缘平行的V形，看起来就像是蝙蝠翅膀。最终该公司没有找到理想的双垂尾安装方式，提交了具有单垂尾和锯齿后缘的T-333。

隐身要求的提高迫使迫使通用动力公司重新考虑了不同双垂尾布局，其中一种甚至安装在机翼短舱上

最终该公司没有找到理想的双垂尾安装方式，提交了具有单垂尾和锯齿后缘的T-333