Náhled, klikni pro zvětšení.
Když USAF uvažovala o vývoji letounu, který by doplnil F-15, měla představu, že půjde o letoun schopný vybojovat absolutní vzdušnou nadvládu. Z toho důvodu nechala zpracovat „Red Baron Study“, která rozsáhle analyzovala vzdušné boje v období od první světové války až po Vietnam. Vzhledem k bouřlivému rozvoji techniky, by se mohlo zdát, že se jedná o naprosto neporovnatelné podmínky, ale výsledky prokazovaly opak. Přitom se nejednalo o nějaký „kancelářský“ rozbor. Vedly se rozhovory se sestřelenými piloty ze všech válek a jejich vzpomínky se pečlivě analyzovaly. Přibližně 80% z nich netušilo kdo je sestřelil. Podobně rozbory taktiky nejúspěšnějších es ukázaly, že většinu svých vítězství nezískala v divokých „dog fightech“, ale klasickým přepadem nic netušící oběti. V průběhu let se měnila jen vzdálenost, na kterou mohl vítěz použít své zbraně.
Náhled, klikni pro zvětšení.
Náhled, klikni pro zvětšení.
Kdo první vystřelí zvítězí
Tak vznikl princip, jehož aplikace měla novému letounu zaručit převahu nad jakýmkoli protivníkem. First-look (piloti používají i termín lock), first-shot, first-kill, tedy kdo první vidí (zaměří) protivníka, první střílí a první dosáhne sestřelu. Prakticky to znamená, že letadlo musí být vybaveno výkonným detekčním systémem a přitom samo musí mít minimum demaskujících znaků, aby se snížila účinnost zaměřovacích systémů protivníka. Ostatní vlastnosti je nutné přizpůsobit těmto dvěma základním požadavkům tak, aby nedošlo k výraznému zhoršení kterékoli z nich a výsledná konstrukce se vyznačovala maximální účinností. Účinnost tohoto řešení je zřejmá z tabulky 1.
Při návrhu bylo třeba skloubit řadu protichůdných požadavků. Požadavek minimálních demaskujících účinků do značné míry determinoval tvar draku letounu. Optimalizace tvaru letounu tak, aby jeho efektivní odrazná plocha byla co nejmenší se provádí na nejvýkonnějších počítačích a algoritmy jsou značně komplikované. V době kdy vznikal první „stealth“ letoun F-117 existoval program „Echo“, který byl schopen simulovat radiolokační odraz letounu složeného pouze z rovinných desek. Tomu odpovídal výsledný tvar stroje. V roce 1981, tedy v době kdy byly vydány RFI (Request For Information) první technické požadavky na nový letoun, již existoval superpočítač Cray s programem, který umožnil simulovat i zakřivené plochy.
Ke koncepci „stealth“ je třeba říct, že jako všechny produkty lidské činnosti, není absolutně dokonalá a termín „neviditelný letoun“ je nadsázka novinářů z bulvárních plátků. Potlačení efektivní radiolokační odrazné plochy je vždy vázané na určitou frekvenci (resp.vlnovou délku), se kterou pracují radiolokátory protivníka. U současných letadel je to frekvenční pásmo nad 2GHz. Paradoxně staré pozemní radiolokátory, pracující v pásmu VKV a KV (řádově stovky až desítky Mhz) jsou schopné letouny „stealth“ detekovat, ale nedají se používat jako střelecké radary, protože jim chybí dostatečná přesnost při měření polohy cíle. Navíc se jedná o více-méně stacionární prostředky, protože vyžadují rozsáhlá anténní pole. Pozemní kontrola tak vlastním stíhačům dokáže určit pouze přibližnou polohu cíle a dál jsou odkázáni na své palubní radiolokátory.
RCS (radar cross section) tedy efektivní odrazná ploch se mění také v závislosti na tom, z jakého úhlu je letoun sledován. Důraz byl položen na přední polosféru, protože z tohoto směru bude působit většina detekčních prostředků protivníka (leteckých i pozemních radiolokátorů). Největší potíže působí rotující lopatky prvního stupně kompresoru proudového motoru, které je nutné ukrýt v trupu tak, aby na ně nedopadaly paprsky radiolokátoru. Další problematickou částí jsou vstupy vzduchu. Protože na první stupeň kompresoru musí vzduch přicházet podzvukovou rychlostí, aby nedošlo k destrukci lopatek rázovou vlnou a v přesně předepsaném množství, aby nedošlo k pumpáži nebo vysazení motoru, je nutné vstupy vybavit regulací a odřezávačem mezní vrstvy. Problém je v tom, že tyto partie mají musí mít tvar, který je všechno, jen ne „stealthy“. Není divu, že s přesným tvarem vstupů vzduchu se dlouho experimentovalo a možné je, že některé „nástavby“ měly skutečný tvar maskovat. Ostatně nebylo by to poprvé.
Kromě tvaru letounu se na zmenšení RCS podílejí i RAM (Radar absorbent materials) materiály použité na povrchu letounu. Většinou se jedná povlak, který obsahuje feritová vlákna a je schopen většinu dopadajících mikrovln rozptýlit nebo přeměnit na teplo. Tyto povlaky však špatně snášejí teplo vznikající při aerodynamickém ohřevu draku letounu a tak do jisté míry limitují maximální rychlost letounu. Tepelný ohřev draku se začíná projevovat už kolem čísla 2M a s dalším nárůstem rychlosti prudce stoupá. Po vyhodnocení rozborů leteckých bojů bylo rezignováno na požadavek vysoké maximální rychlosti. Ostatně toto číslo při tabulkových rozborech kvalit letounu nemá velký význam, protože se většinou udává v čisté konfiguraci, tedy bez podvěšené výzbroje. S podvěšenou výzbrojí, která je u drtivé většiny letadel na vnějších podvěsech, výkony silně klesají. Cílem konstruktérů bylo dosažení nadzvukové cestovní rychlosti bez použití přídavného spalování (tzv. supercruise), s plnou výzbrojí a při zachování maximální obratnosti. Přesněji, v souladu s teorií energetického manévrování, měl letoun ztrácet minimum energie při manévrování na vysokých rychlostech. To má, pro odvrácení útoku protivníka v režimu mimo vizuální kontakt BVR (Beyond visual range), který je považován za klíčový, mnohem větší význam, než akrobacie na minimálních rychlostech. To ale neznamená, že by podmínky „dog fightu“ byly významně podhodnoceny. Letoun je vybaven měnitelným vektorem tahu a je schopen manévrovat na vysokých úhlech náběhu. Ale hlavním taktickým principem je zničení protivníka na co největší vzdálenost a tomu je konstrukce podřízena.
Důsledný stealth
Na F-22 Raptor, který se stal vítězem konkurzu na nový letoun, byla technologie „stealth“ aplikovaná velmi důsledně. Konstruktéři šli tak daleko, že se zkoumal vznik kondenzačních sledů a možnosti jejich potlačení. Letoun byl navržen jako středoplošník s plynulým přechodem trup-křídlo. Trup je poloskořepinové konstrukce a funguje jako vztlakové těleso. Rozměry letounu do jisté míry určoval požadavek na umístění výzbroje uvnitř trupu, aby bylo učiněno zadost požadavkům „stealth“.V přední části trupu je pod kompozitovým krytem radiolokátor AN/APG 77. Za ním jsou umístěny bloky elektroniky. Další sekcí je kabina pilota. Pod její podlahou jsou další bloky elektroniky a šachta příďového podvozku. Za kabinou je trupová palivová nádrž a zásobník na 480 kusů munice pro kanón Vulcan. Po stranách trupu jsou kanály pro přívod vzduchu k motorům. Na jejich horní straně jsou protipumpážní dvířka. Kanály jsou esovitě prohnuté, aby kryly oběžné kolo prvního stupně kompresoru. Na vnější a spodní straně kanálů jsou zbraňové šachty a šachty pro zasouvání hlavního podvozku. Na hřbetě trupu za kabinou je skluz pro doplňování paliva za letu pomocí ráhna. V zadní části trupu jsou vedle sebe uloženy dva motory F-119 s vektorovatelnými tryskami. Na zádi jsou široce rozevřené svislé ocasní plochy, které při souhlasné výchylce plní funkci brzdícího štítu. Křídla z větší části vyplňuje integrální palivová nádrž. Hlavní nosník a každý třetí pomocný nosník jsou titanové. Náběžná hrana je sklopná, odtokovou tvoří flaperony a křidélka. V přechodu pravého křídla do trupu je uložen kanón M-61A2 Vulcan. Ústí hlavní zakrývá odklápěcí kryt, který se otvírá pouze na dobu nezbytně nutnou k palbě. Vodorovná ocasní plocha se nachází v „zákrytu“ za křídlem a téměř navazuje na jeho odtokovou hranu.
V souvislosti s požadavky na „stealth“ vlastnosti byla značná pozornost věnovaná výběru materiálů pro konstrukci draku. Přesné odhady poměru jednotlivých materiálů se zdroj od zdroje liší, ale předpokládá se přibližně po třiceti procentech hliníkových slitin, titanu a kompozitů, zbytek by měly tvořit speciální slitiny oceli a ostatní materiály. Podobně se dá odhadnout, že největší podíl titanu a bude v zadní části trupu, která je tepelně více namáhaná, zatímco příď bude převážně kompozitová. Výsledkem je RCS udávaný v rozmezí 0,01 – 0,2 m2.
Avionika
Velmi podstatnou novinkou je úplná integrace avioniky do systému Pave pillar. U všech ostatních bojových letounů jsou jednotlivé části palubního vybavení relativně nezávislé, pracují samostatně, každá je vybavena vlastním procesorem, často pocházejí od různých výrobců a někdy i z různých zemí. F-22 Raptor je první bojový letoun, který má radar, systém pro elektronický boj a komunikační, navigační a identifikační systém integrovaný do jednoho celku, řízeného centrálními procesory CIP (Central Integrated Procesor). Jednotky CIP, jsou na prototypech dvě, na sériových letounech budou tři. Procesory mají 66 modulárních slotů a jsou velké přibližně jako kostka másla. Předností takto koncipovaného systému, je kromě integrovaného zpracování a distribuce informací, vysoká odolnost. Procesory jsou ukryté v zodolněných pouzdrech na nejlépe chráněných místech v trupu letounu. Nechráněné jsou jen periferní senzory. Vzájemnou komunikaci zajišťují optické sběrnice. Systém poskytuje zhruba 200% rezervu výkonu. Garantem vývoje je firma Boeing. Zkoušky probíhaly v pozemním centru AIL (Avionics Integration Laboratory). Pro zkoušky ve vzduchu byla z letounu Boeing 757 upravena létající laboratoř, na které byla namontovaná kompletní příď letounu F-22. Nad kabinou pilotů se nacházela aerodynamická plocha simulující rozmístění senzorů na povrchu letounu F-22. Uvnitř trupu se nacházela maketa kabiny F-22 s kompletním „přístrojovým“ vybavením a prostor pro 30 techniků a softwarových specialistů, kteří testovali hardware a zdokonalovali softwarové vybavení. Létající laboratoř nesla označení N757A FTB (Flying Test Bed). Dodávky software se realizovaly v „balících“ označovaných OFP (Operational Flight Packages). O náročnosti zkoušek svědčí to, že do listopadu 2000, kdy byl poprvé dodaný OFP Block 3.0 (první, který zpracovával data integrovaně) vykonal Boeing 21 000 hodin pozemních testů a 800 hodin zkoušek na palubě N757A FTB.
Náhled, klikni pro zvětšení.
Vidět a nebýt viděn
Základ zbraňového systému tvoří pulzní dopplerovský radiolokátor AN/APG-77. Ten je společným dílem firem Northrop Grumman´s Electronic Sensors and Systems Divisions (ESSD) a Rayethon-Texas Instruments Inc. Radar je vybaven plošně fázovanou anténou, tvořenou 2 000 (podle některých pramenů 1 500) prvky. Paprsek je vychylován elektronicky a zorné pole antény radiolokátoru je 120°. Radar pracuje v kmitočtovém pásmu X tj. 8-12 GHz. Aby se maximálně omezila pravděpodobnost zachycení pasivními prostředky vysílá radiolokátor podle pseudonáhodného algoritmu sérii pulzů rozptýlených po celém kmitočtovém pásmu. Odražené signály jsou podle stejného algoritmu syntetizované a vytvářejí obraz cíle. Pokud by chtěl protivník získat analogický signál použitelné intenzity, tedy vhodný například pro samonaváděcí hlavici rakety pracující v režimu navedení na zdroj rušení (signálu), musel by provést syntézu signálu podle stejného algoritmu. Radar je schopen sledovat 20 cílů najednou a na čtyři z nich navádět protiletadlové řízené střely AIM-120C AMRAAM.
Pro rozlišení vlastních a cizích cílů je letoun vybaven principiálně novým systémem NCTR (Non Cooperative Target Recognition), který nevyžaduje „spolupráci“ cíle na klasickém principu dotazovač-odpovídač. Jinými slovy, radar je schopen vytvořit 3D obraz cíle a porovnáním s databankou cílů určit s vysokou pravděpodobností, jestli se jedná o vlastní nebo cizí letoun, nezávisle na tom zda je vybaven příslušným odpovídačem IFF (Identification Friend or Foe).
Do budoucna se předpokládá se montáž radaru s bočním vyzařováním, označovaného ISAR (Inverse Synthetic Aperture Radar), který má pracovat se syntetizovanou aperturou. To je režim, při kterém je pohybem nosiče simulována anténa s velkých rozměrů (řádově stovky metrů), vyznačující se velkou rozlišovací schopností. Tento systém, který má být schopen vytvářet 3D obraz cílů po obou stranách trasy letu patří k nejutajovanějším částem palubního vybavení.
Jádro systému pro elektronický boj INEWS (Integrated Electronic Warfare System) tvoří varovný přijímač AN/ALR-94 EW, který je schopen zachytit ozáření letounu radiolokátorem protivníka, systém potom samostatně vyhodnotí typ a polohu zdroje, zobrazí je na příslušném displeji v kabině a provede příslušná protiopatření aktivním nebo pasivním rušením. Infračervené senzory jsou schopné zachytit odpálení protivníkových raket a varovat pilota. Do systému patří i výmetnice klamných cílů AN/ALE-52.
Komunikační, navigační a identifikační systém ICNIA (Integrated Communications, Navigation Identification Avionics) je také napojen na CIP. Podstatná část předávání informací bude probíhat pomocí datové sběrnice IFDL (Inter/Intra-Flight Data Link). Ta umožňuje vzájemnou datovou komunikaci mezi letouny v režimu LPI (Low Probability of Intercept). Jednotlivé letouny formace tak mohou sdílet údaje o vlastní poloze, o poloze cílů a další taktické informace. Pro režim LPI používá sběrnice podobně jako radar vysílání v rozptýleném frekvenčním pásmu.
Navigaci zajišťuje IRS (Inertial Reference System) pracující se dvěma laserovými gyroskopy umístěnými v přední části letadla. Hodnoty úhlových rychlostí změřených těmito gyroskopy se zpracovávají i pro řízení letounu v oblastech extrémně vysokých úhlů náběhu a pro výpočet oprav při střelbě kanónem. Druhým zdrojem informací o poloze letounu je vysoce přesný GPS (Global Positioning System) pracující na základě signálu z navigačních satelitů.
Systém pro identifikaci cílů NCTR již byl zmíněn v souvislosti s radarem.
Kontrolu nad letounem zajišťuje systém ovládání letadla a motorů VMS (Vehicle management System), systém ovládání podsystémů IVSC (Integrated Vehicle Subsystems Control) a zbraňový systém SMS (Stores Management System). Fyzicky tyto systémy tvoří osmnáct zásuvných modulů v prostoru avioniky. VMS zahrnuje ovládání jednotlivých řídících ploch letounu, ovládání motorů a změnu vektoru tahu pomocí třikrát zálohovaného systému elektroimpulzního řízení. Mechanické zálohování řízení nemá. Programové vybavení je schopné eliminovat výpadek kterékoli řídící plochy a zvládá plnou řiditelnost na úhlech náběhu až 60°, sériové letouny mají mít software upravený pro manévry do úhlu náběhu 85°.
IVCS řídí elektrickou, hydraulickou a palivovou soustavu, klimatizační jednotku, APU (Auxilliary Power Unit) a požární systém.
SMS slouží pro ovládání podvěšené výzbroje, kontrolu množství munice pro kanón a výmetnice klamných cílů. Sekvence pro vypouštění munice jsou optimalizované tak, aby doba otevření dveří zbraňové šachty byla minimální a nedocházelo tak ke zhoršení „stealth“ vlastností. Základní konfigurace pro vzdušný boj zahrnuje 6 PLŘS AIM-120C a 2 PLŘS AIM-9X. Pro údery na pozemní cíle je možné do každé hlavní zbraňové šachty umístit dvě klouzavé bomby s koncovým navedením typu GBU-30 JDAM, jednu GBU-32 JDAM nebo kombinaci jedné GBU-30 JDAM a AIM-120C. Na čtyři vnější podvěsy je možné umístit čtyři přídavné nádrže nebo dvě nádrže a čtyři AIM-120 na skupinových závěsnících.
Pohonná jednotka
Na základě zkoušek byl pro pohon Raptoru vybraný motor F-119 od firmy Pratt&Whitney. Při návrhu byla použita počítačová metoda modelování proudění plynů CFD (Computational fluid dynamics), která umožnila podstatně zvýšit účinnost spalování, takže měrná spotřeba paliva poklesla údajně až o 25%. V souladu se stealth požadavky byla maximálně omezena kouřivost motoru. Snížen byl i počet pohyblivých částí motoru to se projevuje rychlou akcelerací a decelerací v závislosti na poloze páky pro ovládání motorů. Významně se zjednodušila diagnostika a údržba motoru. Výstupní tryska má digitálně řízenou geometrii a je ji možné vychylovat o 20° na obě strany. Nejpodstatnější předností motoru je nárůst výkonu v režimu bez použití přídavného spalování. Motor má hmotnost 1 500 kg, délku 5,3m a maximální průměr 1,2m. Motory pohánějí dva 65kW generátory pro napájení palubní sítě. Záložní zdrojová jednotka APU disponuje výkonem 335 kW a je uložena na levé straně trupu.
F-22 Raptor je koncepčně nový stíhací letoun. Systémovostí řešení překonává všechny stroje, které se zatím dostaly do vzduchu. Pravdou je ale i to, že program se po změně politické situace ve světě (rozpadu socialistického bloku) několikrát ocitl ve finanční krizi a předpokládaný počet vyrobených strojů byl seškrtán z původních 750 na 399 kusů. První letouny určené pro výcvik pilotů byly vyrobeny začátkem letošního roku a příštím roce by měla první letka dosáhnout operační způsobilosti.