La bombe A, communément appelée « bombe atomique » ou « bombe à fission », est basée sur le principe de la fission nucléaire et utilise des éléments fissiles comme l'uranium 235 et le plutonium 239. Les bombes à fission furent les premières armes nucléaires à être développées au cours de la Seconde Guerre mondiale.
Principe
Masse critique et neutrons
Criticité
Une masse de matériel fissible est qualifiée de critique quand elle devient capable d'entretenir une réaction en chaîne, compte tenu de sa taille, de sa forme, de la pureté et de la composition isotopique du matériau. Une mesure numérique du caractère critique est le coefficient multiplicateur de neutron k = f - l, où f est le nombre de neutrons relâchés en moyenne par chaque évènement de fission et l est le nombre moyen de neutrons perdus, soit parce qu'ils s'échappent du système ou parce qu'ils sont capturés par d'autres atomes sans produire de fission. Quand k = 1, la masse est dite critique, quand k <> la masse est sub-critique, et pour k > 1 la masse est dite super-critique.
La masse critique d'une boule de matériau pur (non modéré) en l'absence de réflecteur est d'environ 50 kilogrammes pour l'uranium 235 et de 10 kilogrammes pour le plutonium 239[1]. Si l'on dispose autour de la matière fissile un revêtement renvoyant une partie des neutrons vers elle (réflecteur à neutrons), on peut diminuer la masse critique.
Pour éviter que la réaction ne se déclenche n'importe quand, on donne à la matière fissile une forme facilitant l'échappement des neutrons : séparation en deux morceaux, ou boule creuse, donc de plus grande surface. De cette manière la masse critique n'est pas atteinte et il n'y a donc aucun risque qu'une fission nucléaire s'amorce sans qu'on le désire. Le déclenchement de l'explosion a lieu lorsque toutes les parties de la matière fissile sont brusquement réunies, sous une forme convenable, et atteignent ainsi une masse super-critique.
Passage en assemblage super-critique
Pour obtenir une explosion atomique, il faut déclencher une réaction en chaîne dans un matériau fissible, le faisant passer rapidement d'une configuration subcritique (k = 0.9) à une configuration nettement super-critique (typiquement, k = 3), de manière à ce que les neutrons puissent proliférer exponentiellement. Pour cela, il faut avoir une quantité suffisante de matière fissile, c'est la masse critique, et sous la forme la plus compacte possible, une boule, pour éviter que trop de neutrons ne s'échappent par la surface.
Le principal problème technique à résoudre pour assurer l'efficacité de l'explosion est de maintenir le matériau fissible dans une configuration super-critique suffisamment longtemps pour qu'une fraction substantielle de sa masse ait subi la fission et produit de l'énergie.
Cependant, si la présence d'une masse critique suffit à déclencher une réaction en chaîne, celle-ci n'est pas nécessairement explosive : elle ne l'est pas dans une centrale nucléaire, ni lors d'accident de criticité. Dans les bombes atomiques, la quantité de matière fissile doit même être supérieure à la masse critique, de l'ordre de trois fois en général[réf. nécessaire]. On parle alors de masse sur-critique.
Amorçage de la réaction
Pour éviter une pré-détonation (qui chaufferait et dissiperait le matériau fissible avant qu'il n'ait atteint sa configuration optimale) et assurer une explosion efficace, le matériau fissible doit être amené dans une configuration super-critique très rapidement. Il faut donc à la fois minimiser le temps de mise en configuration super-critique et minimiser le nombre de neutrons ambiants avant l'explosion. Pour cette raison, les armes nucléaires comportent une source de neutrons.
Explosion nucléaire
Une fois la masse critique atteinte, la réaction en chaîne est déclenchée. Dans une réaction complète, chaque noyau de la matière fissile se divise en deux noyaux plus légers (produits de fission) et libère en plus des neutrons. Ces derniers vont alors percuter d'autres atomes de matière fissile, qui à leur tour vont libérer des neutrons et ainsi de suite. La réaction en chaîne est déclenchée, et la matière dégage une énergie colossale en comparaison de la quantité de matière fissile mise en jeu. Cependant, dans une bombe atomique, seule une petite fraction (parfois très faible) du matériau fissible est effectivement consommée avant d'être dissipée par l'explosion, ce qui diminue d'autant la puissance de l'explosion par rapport à celle disponible dans la masse fissible.
À quantité égale de réactifs, l'énergie dégagée lors d'une réaction de fission peut être de l'ordre de la centaine de millions de fois plus grande que celle dégagée par une réaction chimique. Cette énergie se transforme très rapidement en chaleur, par freinage de ces produits de fission dans la matière avoisinante.
Importance de la mise en configuration critique
Pour des raisons évidentes de sécurité, les éléments fissiles d'une bombe atomique sont tenus en configuration sous-critique pour éviter toute fission nucléaire accidentelle. C'est juste avant le déclenchement de la bombe qu'on lève les différentes sécurités mises pour éviter que la forme critique soit atteinte ; on dit alors que la bombe est armée.
Dans une bombe atomique, il est important que les éléments fissiles soient réunis le plus vite possible. En effet, les éléments fissiles utilisés sont par ailleurs radioactifs, et dégagent naturellement des neutrons. De ce fait, une réaction de fission nucléaire peut se déclencher avant que toute la matière fissile n'ait la meilleure configuration. La puissance de l'explosion se trouve alors amoindrie, parce que la petite explosion qui en résulterait dissiperait le reste de la matière fissible sans l'avoir consommé.
Il existe plusieurs techniques pour réunir la matière fissile et ainsi atteindre la configuration sur-critique, qui déclenche la fission nucléaire. On peut citer 2 techniques : par insertion, et par implosion.
La technique la plus simple pour déclencher une explosion est de projeter un bloc de matière fissile contre un autre bloc, constitué de la même matière, ou mieux, un bloc cylindrique à l'intérieur d'un bloc creux. C'est la technique de l'insertion, aussi appelée la technique du pistolet – ou du canon. Ainsi, les conditions critiques sont atteintes et la réaction de fission nucléaire est amorcée.
Le bloc de matière fissile est projeté à l'aide d'un explosif très puissant, pour permettre que la forme soit atteinte rapidement. L'inconvénient de cette technique est que bien que cette forme soit atteinte rapidement (de l'ordre de une milliseconde), elle ne l'est pas assez pour du plutonium 239, qui contient toujours des isotopes, notamment le plutonium 240, dégageant spontanément des neutrons, ce qui amorce l'explosion prématurément, juste au moment où les conditions deviennent critiques. C'est pour cette raison que la technique de l'insertion n'est utilisée que pour les bombes à uranium 235.
La bombe larguée sur Hiroshima, Little Boy, utilisait cette technique. Le fait que cette technique ait été employée sans essai préalable (contrairement au type à implosion utilisé sur Nagasaki) montre à quel point ce mode de fonctionnement est robuste, et relativement facile à maîtriser.
Architecture d'une bombe par insertion (Little Boy)
Schéma de la propagation des ondes de choc et de leur changement de forme dans les explosifs
La technique de l'implosion est plus complexe à mettre en œuvre. Elle consiste à rassembler la matière fissile disposée en boule creuse, puis à la comprimer de manière à augmenter sa densité et ainsi atteindre une configuration super-critique, qui déclenchera la réaction de fission nucléaire et donc l'explosion.
Sa mise en œuvre est très délicate : la compression de la matière fissile est réalisée à l'aide d'explosifs très puissants disposés tout autour. Mais la détonation de ces explosifs est déclenchée par un ensemble de détonateurs qui doivent être rigoureusement synchronisés. De plus, chaque explosion a tendance à créer une onde de choc sphérique, centrée sur le détonateur. Or on doit obtenir une onde de choc aboutissant simultanément à tous les points externes de la matière fissile, que l'on peut imaginer comme une boule creuse. Ces ondes de choc doivent se déformer pour passer de sphères centrées à l'extérieur à une sphère de centre commun. On aboutit à ce résultat en utilisant des explosifs où l'onde de choc se déplace à des vitesses différentes, ce qui amène à sa déformation. L'usinage des formes de ces explosifs doit être fait avec toute la précision de lentilles optiques.
Un problème semblable se pose avec le plutonium, qui peut revêtir plusieurs états (phases) de caractéristiques mécaniques différentes, et qui a donc tendance à devenir inhomogène, ce qui aboutirait à une déformation de l'onde de choc. On y remédie, comme dans la métallurgie du fer – où un additif commun est le carbone – par l'addition de faibles quantités d'un autre élément, souvent le gallium.
La technique de l'implosion permet d'atteindre la disposition super-critique bien plus rapidement que par celle de l'insertion. Par implosion, le délai est de l'ordre de deux à trois microsecondes, ce qui est environ cent fois plus rapide que par insertion. Cette technique permet d'utiliser le plutonium 239 comme matière fissile.
On peut encore améliorer le rendement et/ou diminuer la masse critique en plaçant entre l'explosif et la matière fissile diverses couches qui peuvent soit avoir un effet mécanique par leur inertie ou en étalant dans le temps l'onde de choc (prolongeant ainsi l'explosion), soit ralentir la perte de neutrons (réflecteur à neutrons diminuant la masse critique)
La première bombe atomique de l'Histoire, Trinity, et la troisième, Fat Man, contenaient du plutonium et utilisaient la technique de l'implosion.
La supériorité aérienne est la clé de voûte de la doctrine et de la mission de l'US Air Force. L'armée est convaincue que sa tâche prioritaire est de pouvoir contrôler le ciel quels que soient le lieu et le moment. Ainsi, les avions ennemis ne peuvent pas gêner les opérations aériennes et au sol, ou effectuer des missions de reconnaissance. Cette mission, accomplie tout à fait honorablement depuis la fin des années 1970 par le F-15 Eagle de McDonnell Douglas, va prochainement être confiée au F-22 de Lockheed Martin. Lors de l'entrée en service prévue du F-22 en 2004, il y aura plus de 20 ans que l'US Air Force aura créé un bureau chargé du programme de Chasseur tactique avancé ATE (Advanced Tactical Fighter), pour définir l'avion destiné à remplacer le F-15. Au début des années 1980, ii était évident que les Soviétiques avaient trouvé trois manières de contrer la menace représentée par les nouveaux avions de combat américains très manoeuvrants. Tout d'abord, ils développèrent des avions de combat rapides, agiles et très lourdement armés: le MiG-29 et le plus imposant Su-27 à grand rayon d'action. Le développement de missiles sol-air améliorés était tout aussi inquiétant. Il était clair que l'Union Soviétique travaillait également sur des armes anti-piste.
L'USAF a décidé en 1982 que sa première priorité était d'augmenter le nombre de ses avions d'attaque à basse altitude, en modifiant un avion déjà existant. C'est ainsi que fut créé le F-15E Strike Eagle. La deuxième étape fut de produire un nouvel avion de chasse qui serait supérieur aux nouveaux chasseurs soviétiques, tout comme le F-15 et le F-16 avaient surclassé le MiG-23.
Le nouveau chasseur devait répondre aux trois critères suivants: furtivité, croisière supersonique et décollage et atterrissage courts. La furtivité devrait permettre de protéger l'avion contre les chasseurs et les missiles sol-air et, en combat, lui donnerait l'avantage d'être le premier à voir l'ennemi et à tirer - (Cependant, peu de gens connaissaient les secrets jalousement gardés de la furtivité, et ceux qui les connaissaient n'étaient pas tous convaincus qu'ils puissent s'appliquer à un chasseur supersonique très manoeuvrant.) La croisière supersonique - la possibilité de voler à une vitesse supersonique sans utiliser la postcombustion devrait permettre au pilote de choisir d'attaquer ou non des cibles plus lentes, s'il le souhaite. Le DAC (décollage et atterrissage courts) devrait compliquer la tâche d'un ennemi voulant interrompre les opérations aériennes en bombardant les pistes d'atterrissage.
L'US Air Force voulait que l'ATF ait un rayon d'action plus grand que celui du F-15. Ceci lui permettrait d'opérer à partir de bases arrière en Europe et d'intervenir de façon plus efficace dans des champs de bataille tels le Moyen Orient où les distances sont plus grandes. Avec ces simples éléments, l'USAF a pu faire une estimation de la taille de l'ATF et commencer à développer des réacteurs (après les problèmes de conception des réacteurs du F-15, l'USAF était bien décidé à commencer la construction de ceux de l'ATF le plus tôt possible). En septembre 1983, Pratt & Whitney fut chargé de concevoir le XF119 et General Electric commença a travailler sur le XF120.
Au cours des deux années qui virent, l'USAF publia plusieurs spécifications provisoires de l'ATF, les modifia en fonction des réactions des constructeurs, et essaya aussi de réduire les risques de surprises techniques lors des derniers stades du développement.
Finalement, l'USAF décida de mener grand programme de démonstration et de validation avec au main deux concurrents, au cours duquel les technologies les plus risquées seraient testées en grandeur nature.
Ce fut en septembre 1985 que l'USAF formula les dernières propositions pour le programme de démonstration et de validation. Il y avait alors encore sept bureaux d'étude d'avions de chasse aux USA et tous répondirent a l'appel d'offres: Boeing, General Dynamics, Grumman, Lockheed, McDonnell Douglas, Northrop et Rockwell.
Lockheed et Northrop avaient été beaucoup plus loin que leurs rivaux dans leur intégration de la furtivité aux vitesses supersoniques et à l'agilité. Ceci a permis à l'USAF de concentrer tous les fonds du projet Démonstration/Validation sur deux modèles, permettant ainsi la construction de prototypes opérationnels. Comme il était clair que l'argent de l'USAF ne serait pas suffisant pour construire l'avion choisi, et que les constructeurs devraient fournir un apport de fonds substantiel, cinq des concurrents décidèrent de joindre leurs forces: Boeing et Lockheed avec GD, et Northrop avec McDonnell Douglas. En octobre 1986, le YF-22 de Lockheed et le YF23 de Northrop furent choisis.
La Démonstration/Validation fut le plus long concours de chasseurs de l'histoire, elle dura quatre ans et coûta presque 2 milliards de dollars. Chaque équipe construisit deux prototypes, l'un équipé du YF119 de P&W, l'autre du YF120 de GE. Les équipes avaient construit des systèmes avioniques totalement intégrés et les avalent testés sur des avions de servitude. Elles avaient testé la surface équivalente radar en grandeur nature et effectué des milliers d'heures d'essais en soufflerie.
Le concours commenca mal pour Lockheed qui, en juillet 1987, renonça a son modèle original d'aile en fléche car il était trop lourd. D'autres modifications intervinrent au fur et à mesure que l'USAF modifiait ses demandes: les spécifications de décollage et d'atterrissage court (DAC) furent assouplies de façon à éliminer les inverseurs de poussée trop lourds et les objectifs en matière de poids furent aussi modifiés.
Lorsque le YF-22 et le YF-23 furent dévoilés, durant l'été 1990, il était clair que les deux équipes étaient parties dans des directions différentes. Les ailes trapézoïdales et la queue en V de Northrop montraient que l'accent était mis sur la furtivité; les tuyères à poussée vectorielle et les commandes plus conventionnelles de Lockheed dénotaient le souci d'améliorer la maniabilité a faible vitesse. Northrop fut le premier dans les airs (27 août 1990); le premier YF-22 vola le 29 septembre, dès que ses moteurs YF120 reçurent leur certification pour le vol. Les deux équipes firent voler leur second appareil fin octobre.
Une période d'essais en vol courte et intense s'ensuivit - les deux F-22 effectuèrent 74 essais en vol en trois mois. Début novembre, le premier YF-22 atteignit une vitesse stabilisée de Mach 1,58 sans postcombustion. Au cours du mois de décembre, il démontra sa manoeuvrabilité spectaculaire à faible vitesse en effectuant des tonneaux complets avec une incidence de 60°.
Les deux avions répondaient aux critères principaux et la décision finale ne dépendait pas seulement des promesses faites par les constructeurs concernant le développement et la fabrication de l'appareil, mais aussi de la confiance qu'avaient les clients en la capacité des fabricants de livrer l'appareil. Début 1991, alors que l'USAF était en train d'évaluer les prototypes, McDonnell Douglas, le partenaire de Northrop, se trouva impliqué dans l'échec de l'A12 Avenger, alors que le F-117 de Lockheed était devenu le héros de la guerre du Golfe. De plus, dans certains domaines importants, Lockheed était plus avancé dans ses programmes de démonstration. Seul le YF-22 avait volé à grande incidence, tiré des missiles et volé avec un prototype de cockpit très sophistiqué
Tout ceci, associé au fait que les capacités du F-22 en combat aérien étaient aussi supérieures, fit que Lockheed remporta le contrat de construction en avril 1991. Le F119 de Pratt & Whitney fut choisi comme groupe propulseur du F-22.
Depuis, le développement se déroule bien, à part quelques problèmes concernant le poids et la détection radar, en grande partie résolus maintenant. La cause principale du retard pris fut le manque de financement: des coupes budgétaires ont retardé la date du premier vol d'août 1995 à mai 1997 et celle de sa mise en service de 2001 à 2004. De plus, le Pentagone a réduit le nombre prévu d'avions de sa flotte de F-22 de 648 à 442 avions.
De ce fait, le F-22 a coûté plus cher. Le coût total du programme: développement, 442 appareils, pièces détachées, équipement au sol et construction - s'élève a 73,5 milliards de dollars de l'époque. Ce chiffre tient compte d'au moins dix années d'inflation estimée. Le prix moyen clés en main du F-22 est maintenant estime à 71 millions de dollars de 1995 (ce prix n'inclut pas les pièces détachées ni les armes). Le cour du développement s'élève à 11,5 milliards de dollars de l'époque.
Neuf F-22A monoplaces et deux F-22B biplaces sont en cours de construction pour le développement. Les quatre premiers F-22 seront utilisés pour les tests de structure, de performance, et de maniabilité et le quatrième sera un biplace (le membre de l'équipe qui trouvera un nom pour ce F-22 aura droit à un vol en avant-première). Le cinquième F-22 disposera de systèmes de communication, de navigation et d'identification. Le septième appareil sera équipé du Système de Contre-mesures Electroniques Intégré (INEWS), et le huitième sera le premier F-22 disposant d'un système d'armement et de mission complet; le cinquième et le sixième seront équipés d'un tel système au cours des tests. Le neuvième et le dixième seront utilisés pour les essais d'intégration et d'armement; enfin le onzième appareil sera construit de façon à effectuer les tests de signature radar.
L'apparence de cet appareil est très conventionnelle, mais les apparences sont trompeuses. Sa vitesse et ses capacités d'accélération démentent sa forme assez massive et sa taille n'est pas représentative de sa manoeuvrabilité et sa détectabilité. De plus, certaines de ses caractéristiques internes sont aussi remarquables que ses performances de vol.
La forme du F-22 répond aux besoin de furtivité, de croisière supersonique et de manoeuvrabilité. Pour qu'un avion soit furtif, toutes ses armes et son carburant doivent être transportés en interne, la forme de ses surfaces externes ainsi que leur angle doivent répondre à des critères précis. Pour voler à une vitesse supersonique, ce qui implique une aile en flèche relativement accentuée et des profils minces pour les ailes et les empennages. L'agilité est obtenue grâce à des ailes d'une grande envergure et de grande surface et des commandes efficaces - ces dernières permettent également d'effectuer des décollages et atterrissages courts.
La forme furtive du F-22 est inspirée du F-117. Ces deux appareils ont une forme simple, monolithique qui contraste avec la partie avant et les nacelles séparées du YF-23. Les surfaces et les bords sont alignés entre eux : les bords d'attaque et de fuite des ailes et de l'empennage horizontal sont parallèles, tout comme les dérives verticales inclinées avec les parois inclinées du fuselage. Les bords des grandes trappes d'ouverture telles que celles du train d'atterrissage et de la soute d'armement sont en "dents de requin". Les petites ouvertures sont en forme de losange. Ceci permet de dévier les réflexions radar secondaires sur les arêtes vives et les fentes loin des radars qui éclairent l'avion.
Des techniques de prédiction utilisant des ordinateurs ultra-puissants ont permis aux concepteurs d'incorporer des courbes a des surfaces et des arêtes vives ainsi que d'utiliser à bon escient les matériaux absorbant les ondes radar. Ainsi, on ne les retrouve pas sur toute la surface de l'appareil, comme sur le F-117, mais simplement sur les arêtes, les cavités et les discontinuités de surface. De nouveaux matériaux absorbants et résistant à la chaleur sont utilisés sur les tuyères moteur et de larges bandes de matériaux absorbants améliorés ont été intégrées dans les arêtes des ailes. Le radôme est un type à bande passante qui réfléchit les signaux de toutes les fréquences sauf celles utilisées parle radar du F-22. Un nouveau système de capteurs aérodynamiques à faible signature radar, comprenant quatre sondes réparties sur l'avant du fuselage fut installé. Le F-22 est le premier chasseur dont la verrière n'a pas la moindre armature, ce qui élimine la signature radar de l'arceau du pare-brise.
Les ailes sont de grande surface en delta, efficaces à haute vitesse, légères et pouvant contenir de grandes quantités de carburant. Elles sont plus sophistiquées qu'elles n'en ont l'air: des volets de bord d'attaque importants et une courbure complexe les rendent plus efficaces, à faible vitesse et à grande incidence, que les ailes delta antérieures.
Le F-22 a été construit de façon à pouvoir atteindre des angles d'incidence très élevés tout en restant totalement contrôlable, et à se rétablir sans danger après un vol à grande incidence sans même l'aide de la poussée vectorielle. L'aile est située très en arrière et les empennages horizontaux en sont si près que les volets de bord de fuite de l'aile sont échancrés de façon à ne pas interférer avec leur bord d'attaque. Les gouvernes travaillent symétriquement pour le tangage et par action différentielle pour le roulis. Lorsque les tuyères vectorielles fonctionnent, elles fournissent la plus grande partie du contrôle en tangage et les empennages de queue sont utilisés principalement pour le contrôle en roulis.
Les dérives sont grandes de façon à améliorer la stabilité et la maniabilité à grande incidence, phase de vol pendant laquelle des dérives plus petites seraient masquées par le fuselage avant très large. Les gouvernes de direction peuvent être dirigées simultanément vers l'extérieur afin de servir d'aérofreins.
Le coeur de la structure du F-22 est la partie centrale du fuselage, construite par Lockheed Martin Tactical Aircraft Systems à Fort Worth. (En 1994, Lockheed a augmenté sa part dans le programme F-22 grâce à l'aquisition de l'unité d'avions tactiques de General Dynamics.) Cette section comprend les quatre soutes d'armement, les trains d'atterrissage principaux et des tunnels d'entrées d'air sophistiqués, qui sont incurvés vers l'intérieur et vers le haut à partir des entrées d'air pour masquer les faces avant des réacteurs vis à vis des radars. La partie avant du fuselage est rattachée à la partie centrale de l'avion; elle comprend le cockpit et l'avionique, construits par Lockheed Martin à Marietta. Aussi rattachés à la partie centrale de l'avion se trouvent les ailes, la partie arrière du fuselage, les compartiments réacteur et les poutres de queue, construits par Boeing. Lockheed Martin est aussi responsable des empennages arrière et des arènes absorbant les ondes radar.
Cinq gros cadres renforcés en titane dans la partie centrale du fuselage absorbent la plus grande partie des charges structurales. Le plus grand mesure 4,87 mètres entre les points de fixation des ailes et 1,82 mètres de haut en bas. C'est aussi au départ la plus grosse pièce forgée en titane du monde avec ses 2 975 kg, 95 % de sa masse est enlevée en cours de construction, la pièce finie pesant ensuite 149 kg. Le F-22A utilise plus de titane et moins de matériaux composites que le YF-22, principalement parce que les pièces en titane sont beaucoup moins coûteuses.
La plupart du revêtement est en fibres de carbone dans des composites en bismaleimide. Les bismaleimides ont remplacé les matériaux composites époxy utilisés pour les avions précédents. En effet, ils résistent mieux aux hautes températures du revêtement dues aux vitesses de croisière supersoniques. Malgré cela, la vitesse maximum a été ramenée de Mach 2,0 à Mach 1,8 environ, ceci afin d'éviter d'avoir recours aux thermoplastiques résistant encore mieux a la chaleur.
Sur le papier, le F-22 est plus lent que la plupart des chasseurs actuels. La vitesse maximale est déterminée par la température de la cellule de l'avion et par l'utilisation d'entrées d'air à géométrie fixe, les entrées d'air à géométrie variable n'étant pas aussi furtives. Mais le F-22 pourra atteindre sa vitesse maximale avec toutes ses armes à bord et la plus grande partie du carburant pour sa mission, ce qu'aucun autre chasseur actuel ne peut faire. Sans la postcombustion - qui ne peut être utilisée que quelques minutes par mission - sa vitesse est supérieure de 50% à celle de tous les autres chasseurs actuels. Sa capacité d'accélération et sa manœuvrabilité, en particulier à haute vitesse, devraient elles aussi s'avérer excellentes.
Le F119-PW-100 de Pratt & Whitney est le réacteur le plus puissant jamais conçu. C'est une des raisons pour lesquelles un avion aussi gros est si rapide et si agile. Avec sa poussée augmentée maximale de plus de 17 tonnes, le F-22 est plus puissant que deux F-4. Mais la poussée maximale n'est pas le seul facteur à prendre en compte. Parce que le cycle du F119 est proche du turboréacteur, sa puissance "militaire" (puissance sans postcombustion) représente une part plus importante de sa puissance maximale que pour les générations de réacteurs précédentes. De plus, il peut résister à des températures de turbine bien supérieures, il n'est donc pas nécessaire de réduire autant les gaz à vitesse élevée. A Mach 1,4, sans postcombustion, le F119 est deux fois plus puissant que le F100-PW-200.
En dépit de sa poussée plus importante, le F119 a 40% de pièces de moins que le F100. De nouvelles techniques aérodynamiques assistées par ordinateur ont permis de dessiner des aubes de compresseur et de turbine plus épaisses et plus chargées donnant ainsi plus de compression avec moins d'étages. Le F119 dispose d'une soufflante à trois étages, d'un compresseur à six étages et de turbines basse et haute pression à un étage. Ses attelages sont contrarotatifs: ceci rend le réacteur plus léger, plus court et plus efficace.
Sur toute la longueur de la soufflante et du compresseur, les disques et les aubes sont des pièces d'un seul tenant. Les grandes aubes creuses du premier étage, en titane, sont fabriquées séparément et montées sur le disque grâce à une soudure à friction linéaire, une technique par laquelle l'aube est frottée si fortement contre le disque qu'elle y adhère. Les tuyères axisymétriques peuvent orienter le jet du réacteur à pleine puissance de 20° vers le haut ou le has en une fraction de seconde, elles donnent aussi à l'appareil les caractéristiques de furtivité sur son secteur arrière.
Le F-22 est armé de six missiles air-air avancés de moyenne portée (AMRAAM) AIM-120C dans les soutes ventrales. L'armement avait fait l'objet de controverses. Dans l'idéal, un chasseur disposant de soutes à missiles internes devrait avoir un missile compact avec des gouvernes repliables; mais cela signifierait que le F-22 ne pourrait pas emmener de missiles conventionnels, et que les gouvernes repliables des missiles du F-22 ne pourraient pas résister aux contraintes d'emport externe sur des chasseurs conventionnels. L'AIM-120C est un compromis: ses ailes et son empennage sont plus courts que ceux des AMRAAM précédents; ainsi il peut être transporté dans une soute interne mais ses performances sont quasiment identiques et il va devenir le missile standard de tous les chasseurs de l'USAF. L'AIM-120 sera propulsé hors des soutes par des éjecteurs hydropneumatiques.
Au départ, les soutes latérales transporteront chacune un missile AIM-9 Sidewinder. Toutefois, le futur AIM-9X aura de petits empennages au lieu des grandes ailes du AIM-9 actuel; il est donc fort probable que le F-22 pourra en emmener deux de chaque côté. Les AIM-9 seront lancés à partir d'une rampe en trapèze qui se déploiera avant que le missile ne soit tiré, afin que l'autodirecteur infrarouge du missile se verrouille sur la cible avant le tir. Un canon M61A2 de Lockheed Martin, version plus légère de l'ancien M61 avec des tubes plus longs en matériaux composites, est monté au-dessus de l'emplanture de l'aile droite. Une porte s'ouvrant vers l'intérieur recouvre l'ouverture afin de préserver les qualités de furtivité du chasseur.
En 1994, l'USAF demanda à Lockheed de développer une capacité air-sol pour le F-22. Les soutes à armes inférieures furent modifiées pour accueillir une bombe GBU-30 Joint Direct Affan Munition (JDAM) de 500 kg de chaque côté. Le GBU-30 est guidé par un simple système GPS/inertiel, mais les versions ultérieures auront un autodirecteur radar programmable pour les attaques de précision. Un mode radar à ouverture synthétique (SAR) est actuellement ajouté au radar des F-22 pour les missions air-sol.
Pour les opérations où la furtivité ne joue pas un rôle primordial, le F-22 peut transporter jusqu'à 2 270 kg de charge externe sur chacun de ses quatre pylônes de voilure. Ces derniers peuvent également recevoir chacun un réservoir de carburant de 2270 litres.
Le F-22 innove dans tant de domaines que les capteurs et les systèmes d'affichage conventionnels sont inadaptés. Les combats aériens se dérouleront plus rapidement pour le pilote du F-22, du fait de sa vitesse supérieure. L'appareil compte sur sa furtivité pour se protéger des défenses aériennes hostiles, mais cette furtivité risque d'être compromise par les émissions de ses propres systèmes. La furtivité donne au pilote de nouveaux facteurs à considérer; le F-22 est plus ou moins furtif suivant les radars et les ondes radar ne sont pas réfléchies de la même manière selon l'orientation du radar.
La furtivité donne l'initiative au F-22 dans les combats en BVR (Beyond Visual flange - hors de portée visuelle) ce qui permet au pilote d'attaquer ou d'éviter un appareil avant d'être lui-méme détecté. De plus, grâce à la croisière supersonique, le pilote peut réduire le temps d'approche au début d'un combat et s'échapper et dégager à la fin d'un combat.
Les capteurs et les visualisations du F-22 innovent aussi afin de répondre à ce défi. La fusion des capteurs coordonne les données provenant de tous les capteurs afin de visualiser une cible à l'écran. Ainsi le pilote n'a pas besoin de comparer différentes visualisations pour avoir une bonne représentation de la bataille. Grâce à la gestion des capteurs, le pilote n'a pas â contrôler leradar, sauf cas exceptionnel. En effet, ce contrôle est effectué automatiquement suivant la situation tactique. La fonction de gestion des capteurs effectue aussi le contrôle des émissions (EMCON), elle maintient automatiquement les émissions électroniques au plus bas niveau possible.
La technologie de l'affichage à cristaux liquides à matrice active (AMLCD) a permis d'installer dans le cockpit d'un chasseur de grands écrans couleur lisibles en plein soleil. L'écran central est un écran de situation tactique de 20 cm de large; sous cet écran, à gauche et à droite se trouvent trois écrans de 15 cm de large.
Cette visualisation est révolutionnaire. Sur les chasseurs actuels, le radar, le système électronique de combat et les systèmes de communication, de navigation et d'identification sont séparés et chacun dispose de ses propres calculateurs. En revanche, les capteurs du F-22 ne sont pas des systèmes indépendants mais, de même que les écrans d'affichage, ce sont des périphériques qui alimentent le calculateur commun intégré de GM-Hughes, Common Integrated Processor ou CIP, comprenant deux banques de modules de calcul 32-bits à refroidissement liquide logées dans la partie avant du fuselage. Ce système dans son ensemble fonctionne grâce à 1,6 million de lignes de code Ada dans le CIP. Les principales sources d'informations du pilote sont l'écran de situation tactique et les écrans se trouvant de chaque côté: l'écran de gauche pour la défense et celui de droite pour l'attaque. Ces derniers reprennent un sous-ensemble des données de l'écran de situation tactique et ajoutent des détails. Tous les écrans utilisent les mêmes symboles et la même perspective: une vue de dessus, le F-22 étant représenté au centre de l'écran sous la forme d'une flèche dirigée vers le haut. Les symboles utilisent un système de double codage: autant que possible, ils diffèrent les uns des autres par leur forme et leur couleur; ils sont ainsi facilement repérables et les écrans seront utilisables même lorsque le pilote devra porter des lunettes de protection laser.
Les fonctions de gestion des capteurs et de contrôle des émissions contrôlent automatiquement les capteurs et les systèmes de communication afin de détecter et de suivre les cibles et de coordonner les attaques sans trahir la présence du chasseur. Les capteurs les plus importants sont le radar APG-77 de Westinghouse/Texas Instruments et les systèmes de surveillance électronique passive incorporés au système de combat électronique de Lockheed/Sanders. L'APG-77 dispose d'une antenne à balayage électronique (electronically steered antenna ou AESA), qui comprend plus de 1 000 modules de transmission et de réception de la taille d'un doigt, encastrés dans une antenne fixe. Le tout de ces modules a été un problème crucial dans la conception du radar. Une paire de modules de transmission et de réception du radar en cours de développement pèse seulement 15 g et fournit plus de 4 W de puissance. Le but est de faire baisser le cour de façon à ce que tous les modules défectueux puissent être jetés et remplacés facilement.
On s'attend a ce que l'APG-77 soit très agile, capable de changer la direction, la puissance et la forme du faisceau radar très rapidement afin d'obtenir des données sur la cible tout en minimisant les risques d'interception ou de poursuite de ce faisceau. Il devrait aussi être fiable: de nombreuses pannes de radar sont de nos jours provoquées par des problèmes d'émetteur au d'alimentation en énergie, mais ces pannes sont en grande partie éliminées par la conception modulaire de l'antenne de l'APG-77 et de son alimentation.
Le système de contre-mesures électroniques est bien plus sensible et précis que celui de tous les chasseurs actuels. Grâce à de grandes antennes encastrées dans les saumons d'ailes et les bords d'attaque extérieurs, il peut déterminer la direction de la cible et, dans une certaine mesure, sa distance.
Le chasseur comprend aussi un système de transmission de données sophistiqué qui peut recevoir des informations sur une cible à partir d'avions AWACS en arrière de la zone de combat. Il dispose aussi d'un système de transmission de données à courte portée, difficilement détectable, qui peut transférer des informations sur le système et les cibles entre des F-22 de façon à ce que tous les pilotes d'une même patrouille puissent voir les mêmes visualisations.
Les fonctions de gestion des capteurs et de contrôle des émissions divisent l'espace aérien autour du F-22 en zones concentriques. Dans la zone externe, les cibles ne sont pas suffisamment proches pour représenter une menace et le système ne rompra pas le silence radar pour les identifier. Au fur et à mesure qu'elles s'approchent et entrent dans la "zone d'appréciation de la situation", le système est programmé pour les identifier et les suivre.
La zone suivante est définie comme étant celle où le pilote a le choix entre engager ou éviter le combat. La limite inférieure est définie par la portée des missiles de l'ennemi. Dans ces deux cas, le système utilise le radar le temps minimum nécessaire au suivi de la cible. Au fur et à mesure que la cible s'approche, le radar l'éclairera plus souvent.
Lorsque les cibles sont détectées - par l'AWACS, le radar du F-22 ou par les mesures de surveillance électronique - le logiciel des F-22 leur assigne un fichier de suivi. Lorsque les autres capteurs les détectent également, les informations sont placées dans le même fichier de suivi et les meilleures données sont extraites du fichier et affichées. Par exemple, la visualisation affichera les informations de distance et de vitesse obtenues par l'APG-77 et les informations de direction obtenues par les mesures de surveillance électronique.
Le calculateur commun intégré identifiera les avions hostiles et calculera le domaine de détection du radar hostile et de ses missiles par rapport au F-22 à son relèvement actuel. Le PCI agira de même pour tout radar de système de missile sol-air.
Les ordinateurs aident aussi le pilote à établir une "liste de cibles à tirer": les cibles sont placées par ordre de priorité et suivies pour l'attaque. L'écran d'attaque affiche la portée maximale des missiles du F-22 - en tenant compte de la vitesse et de l'altitude de lancement - et la portée effective des missiles de la cible. La fonction liste de cibles sélectionne et arme automatiquement les missiles.
Le pilote du F-22 peut voir quand la cible sera à portée et quand il doit dégager. Il peut ainsi utiliser ces informations pour décider s'il doit tirer le plus tôt possible - et dégager plus rapidement - ou s'il veut se rapprocher de la cible et lui donner moins de chances de s'échapper. Les simulations ont montré que le F-22 parvient souvent à tirer ses missiles AMRAAM dans leur domaine d'efficacité sûre (ne laissant aucune chance à la cible) avant même que cette dernière n'ait détecté son attaquant.
Un casque à affichage intégré (CAI) n'était pas prévu pour le F-22, mais un CAI est en train d'être développé grâce à un programme distinct et il devrait être disponible au moment où le F-22 entrera en service.
En dépit de ses capacités remarquables, le F-22 ne devrait pas être un appareil excentrique, difficile à entretenir. Dès le départ, le but principal du programme a été de produire un appareil nécessitant moins de personnel d'entretien et moins de support logistique que le F-15. Chaque pièce du F-22 a été conçue par une équipe de production intégrée qui comprend des ingénieurs et des spécialistes de la production et de l'entretien. L'avionique est conçue par modules qui peuvent être enlevés et remplacés sans outils. L'entretien externe du F119 peut être effectué avec un jeu de clés à vis, de clés à cliquets et de clés à douille. Avec moins de pièces détachéeset plus d'équipements auto-testés, une unité composée de 24 F-22 n'a besoin que de huit C-141B chargés d'équipements pour un déploiement de 30 jours, par rapport à 18 pour le même nombre de F-15.
Il est facile d'être blasé, voilà longtemps que le chasseur tactique avancé est en cours de développement et peu de personnes se rendent compte que lorsqu'il entrera en service, il représentera la plus grande avancée technique jamais réalisée dans le domaine de l'aviation de chasse. Le F-22 bénéficiera de la plus grande augmentation de la vitesse de croisière depuis l'utilisation du réacteur. Il prend la manoeuvrabilité du F-16 et l'étend au domaine supersonique. Il utilise à plein toutes les possibilités de furtivité au cours du combat aérien et y associe une avionique ultra-sophistiquée qui donne au pilote des moyens d'appréciation de la situation sans précédent. S'il se montre à la hauteur de son potentiel, cet appareil sera le maître incontesté des airs durant les premières décénies du 21ème siècle.
La supériorité aérienne est la clé de voûte de la doctrine et de la mission de l'US Air Force. L'armée est convaincue que sa tâche prioritaire est de pouvoir contrôler le ciel quels que soient le lieu et le moment. Ainsi, les avions ennemis ne peuvent pas gêner les opérations aériennes et au sol, ou effectuer des missions de reconnaissance. Cette mission, accomplie tout à fait honorablement depuis la fin des années 1970 par le F-15 Eagle de McDonnell Douglas, va prochainement être confiée au F-22 de Lockheed Martin. Lors de l'entrée en service prévue du F-22 en 2004, il y aura plus de 20 ans que l'US Air Force aura créé un bureau chargé du programme de Chasseur tactique avancé ATE (Advanced Tactical Fighter), pour définir l'avion destiné à remplacer le F-15. Au début des années 1980, ii était évident que les Soviétiques avaient trouvé trois manières de contrer la menace représentée par les nouveaux avions de combat américains très manoeuvrants. Tout d'abord, ils développèrent des avions de combat rapides, agiles et très lourdement armés: le MiG-29 et le plus imposant Su-27 à grand rayon d'action. Le développement de missiles sol-air améliorés était tout aussi inquiétant. Il était clair que l'Union Soviétique travaillait également sur des armes anti-piste.
Ce fut en septembre 1985 que l'USAF formula les dernières propositions pour le programme de démonstration et de validation. Il y avait alors encore sept bureaux d'étude d'avions de chasse aux USA et tous répondirent a l'appel d'offres: Boeing, General Dynamics, Grumman, Lockheed, McDonnell Douglas, Northrop et Rockwell.
Tout ceci, associé au fait que les capacités du F-22 en combat aérien étaient aussi supérieures, fit que Lockheed remporta le contrat de construction en avril 1991. Le F119 de Pratt & Whitney fut choisi comme groupe propulseur du F-22.
Des techniques de prédiction utilisant des ordinateurs ultra-puissants ont permis aux concepteurs d'incorporer des courbes a des surfaces et des arêtes vives ainsi que d'utiliser à bon escient les matériaux absorbant les ondes radar. Ainsi, on ne les retrouve pas sur toute la surface de l'appareil, comme sur le F-117, mais simplement sur les arêtes, les cavités et les discontinuités de surface. De nouveaux matériaux absorbants et résistant à la chaleur sont utilisés sur les tuyères moteur et de larges bandes de matériaux absorbants améliorés ont été intégrées dans les arêtes des ailes. Le radôme est un type à bande passante qui réfléchit les signaux de toutes les fréquences sauf celles utilisées parle radar du F-22. Un nouveau système de capteurs aérodynamiques à faible signature radar, comprenant quatre sondes réparties sur l'avant du fuselage fut installé. Le F-22 est le premier chasseur dont la verrière n'a pas la moindre armature, ce qui élimine la signature radar de l'arceau du pare-brise.
La plupart du revêtement est en fibres de carbone dans des composites en bismaleimide. Les bismaleimides ont remplacé les matériaux composites époxy utilisés pour les avions précédents. En effet, ils résistent mieux aux hautes températures du revêtement dues aux vitesses de croisière supersoniques. Malgré cela, la vitesse maximum a été ramenée de Mach 2,0 à Mach 1,8 environ, ceci afin d'éviter d'avoir recours aux thermoplastiques résistant encore mieux a la chaleur.
Au départ, les soutes latérales transporteront chacune un missile AIM-9 Sidewinder. Toutefois, le futur AIM-9X aura de petits empennages au lieu des grandes ailes du AIM-9 actuel; il est donc fort probable que le F-22 pourra en emmener deux de chaque côté. Les AIM-9 seront lancés à partir d'une rampe en trapèze qui se déploiera avant que le missile ne soit tiré, afin que l'autodirecteur infrarouge du missile se verrouille sur la cible avant le tir. Un canon M61A2 de Lockheed Martin, version plus légère de l'ancien M61 avec des tubes plus longs en matériaux composites, est monté au-dessus de l'emplanture de l'aile droite. Une porte s'ouvrant vers l'intérieur recouvre l'ouverture afin de préserver les qualités de furtivité du chasseur.
Cette visualisation est révolutionnaire. Sur les chasseurs actuels, le radar, le système électronique de combat et les systèmes de communication, de navigation et d'identification sont séparés et chacun dispose de ses propres calculateurs. En revanche, les capteurs du F-22 ne sont pas des systèmes indépendants mais, de même que les écrans d'affichage, ce sont des périphériques qui alimentent le calculateur commun intégré de GM-Hughes, Common Integrated Processor ou CIP, comprenant deux banques de modules de calcul 32-bits à refroidissement liquide logées dans la partie avant du fuselage. Ce système dans son ensemble fonctionne grâce à 1,6 million de lignes de code Ada dans le CIP. Les principales sources d'informations du pilote sont l'écran de situation tactique et les écrans se trouvant de chaque côté: l'écran de gauche pour la défense et celui de droite pour l'attaque. Ces derniers reprennent un sous-ensemble des données de l'écran de situation tactique et ajoutent des détails. Tous les écrans utilisent les mêmes symboles et la même perspective: une vue de dessus, le F-22 étant représenté au centre de l'écran sous la forme d'une flèche dirigée vers le haut. Les symboles utilisent un système de double codage: autant que possible, ils diffèrent les uns des autres par leur forme et leur couleur; ils sont ainsi facilement repérables et les écrans seront utilisables même lorsque le pilote devra porter des lunettes de protection laser.
La zone suivante est définie comme étant celle où le pilote a le choix entre engager ou éviter le combat. La limite inférieure est définie par la portée des missiles de l'ennemi. Dans ces deux cas, le système utilise le radar le temps minimum nécessaire au suivi de la cible. Au fur et à mesure que la cible s'approche, le radar l'éclairera plus souvent.