第10期丨五分鐘瞭解飛機隱身技術

第10期丨五分鐘瞭解飛機隱身技術

摘要

隱身技術對未來武器裝備的生存力和作戰效能影響意義深遠。器系統性的研究已經持續了半個多世紀,湧現出諸如F-117A、B-2、F-22等諸多隱身飛機,對戰場態勢的走向起著關鍵作用。本篇共分為六個章節,為讀者回溯隱身技術的歷史背景,並幫助讀者瞭解隱身技術的作用與內涵、原理與分類,以及隱身技術在現代飛行器上的應用與實踐。

第10期丨五分鐘瞭解飛機隱身技術

部分隱身飛機合集

01 隱身技術的歷史背景

兩次世界大戰期間,飛行器廣泛投入戰場。建立了空中優勢,就意味著取得了戰場的主導權。憑藉戰鬥機和轟炸機,可以為地面提供火力支援,且能有效地摧毀地面諸如碼頭、港口、橋樑、道路、工廠等關鍵設施,挫敗敵方士氣並打擊地面有生力量。

因此,對於處於防守態勢的一方而言,十分重要的一點是,要做好對敵方戰機來襲的預警工作。早期的空襲預警,只能透過目視和聽聲音的方法來實現。

第一次世界大戰期間

負責空襲預警的人員會戴著一種專門的裝備

以提升聽覺的專注度

以便判斷有無敵方戰機

以及敵機飛來的方位

透過這張1917年拍攝的老照片,可以發現,這種裝備實際上就是一個不透光的護目鏡。

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透過這種方式,預警距離有限,在晴朗的天氣裡,還能透過目視看個幾公里,一旦氣象條件惡化幾分,那麼,簡陋的預警方法有效性將大打折扣。原始低效的空襲預警辦法,意味著不能阻止有力的防空火炮,沒有有效的反擊措施,只能被動挨打。

因此,到了第一次世界大戰末期,制空權成了各方爭奪的關鍵物件。畢竟,在當時,飛機就是空中霸主,地面拿他基本沒招。

然而

,歷史性的

轉折點出現了

1930年,美國海軍實驗室的3名科學家用新研發的“連續波長裝置”首次成功探測到了飛機。隨後,英國也開始了這種探測技術的研究。1935年,一名叫羅伯特的蘇格蘭工程師在政府的委派下,在德文郡試驗了用短波無線電探測飛機的可行性,併成功對8公里外飛過的一架漢得利佩奇公司的轟炸機進行了探測。

雷達——這一改變空戰歷史走向的裝置

現了。

雷達,音譯自RADAR,全稱Radio Detect and Ranging,即無線電探測與測距。雷達裝置的發射機天線透過波束的形式,向目標預期方位發射電磁波能量,處在此方向上的目標反射電磁波,電磁波回波被雷達天線接收,送至接收裝置進行處理,從而解算目標的距離、速度、方位、高度等資訊。

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第二次世界大戰期間,雷達技術得到有效應用和發展。

憑藉這種新技術,可以對飛行目標進行全天候地探測、定位,並獲取其飛行高度和方位。從此,對於防守的一方而言,他們便能夠遠距離探測、及時地獲取敵方戰機來襲的資訊,同時將這些情報傳達給指揮部門,讓地面防衛力量做好反擊空襲的準備。

雷達技術的發展,也推動了反雷達探測的研究程序

促使

隱身技術的出現

到了冷戰期間,美蘇軍備競賽的一個方面市提升防空力量,其中,蘇聯出現了可抵禦戰略轟炸機核打擊的薩姆防空系統(SAM,surface-to-air missile),為了尋找破解對策,美國開始研究反雷達探測的策略,即隱身技術的研究。

於是,在冷戰前中期,便誕生了U-2、SR-71高空隱身偵察機,以及具備低空突防能力的B-1B隱身戰略轟炸機。然而,隱身技術並未止步於此,隨著半個多世紀的發展,更是出現了F-117、B-2、F-35等多款隱身戰機,並且仍在持續發展。

02 隱身技術的作用與內涵

本節對隱身技術的內涵及本質展開討論,以便對什麼是“隱身”、為什麼要“隱身”有一個清楚的認識,才便於後面對隱身技術的發展定位、基本原理、適用範圍有一個正確的認識。

什麼是隱身技術?

隱身技術就是對目標的特徵訊號進行有效的控制或抑制的技術,現在也叫低可探測技術。任何事物,只要它客觀存在,就有其固有的特徵和存在的資訊,否則就無所謂存在。因此,所謂“隱身技術”較為正規、科學並能更準確地反映技術內容和實質的稱謂應該是“目標特徵訊號控制(signature control or suppression,SCS)技術”或“低可探測技術”。但目前在大多數場合下大家都已習慣使用“隱身技術”這個較為簡單而通俗的稱謂,因此,在不產生歧義的情況下,也俗稱“目標特徵訊號控制技術”或“低可探測技術”為“隱身技術”。

隱身技術的作用是什麼

隱身的作用就是要降低目標的可探測性,以達到提高目標的生存能力的根本目的,從而提高目標的綜合作戰效能。其作用可在飛機戰場生存機率的定義中體現出來,生存機率定義公式如下所示:

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客觀條件下,從自身角度能做的,首先是降低被探測機率,從生存力公式來看,當被探測機率降低了,飛機戰場生存機率也就提升了。

因此,飛機隱身技術的作用就是提升飛機戰場生存的機率。

03 隱身技術的原理與分類

實際上,現如今隱身技術並不僅僅是指對雷達“隱身”,對於其他型別的探測器和監測裝置也要求降低可探測性。按探測器特性進行分類,主要有:雷達可探測特徵訊號、紅外可探測特徵訊號、光可探測特徵訊號、聲可探測特徵訊號等。

因此

通常來說

隱身技術可分為

幾大

飛行器

雷達

隱身技術

飛行器紅外隱身技術、飛行器射頻隱身技術

、飛行器光學隱身技術、飛行器聲學隱身技術

目前,主要以前三種為主。下面對其基本原理進行概述。

行器雷達隱身的基本原理

反雷達探測技術中很重要的一點是降低雷達回波,雷達回波的強弱很大程度上取決於雷達的波長和被探測目標的尺寸等因素。

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典型飛行器RCS隨頻率變化的統計規律

其中,

探測距離正比於達反射截面積(RCS,radar cross section)的四次方根

。這意味著,

要提升

雷達

低可探測性,就要降低飛機的雷達反射截面積

(RCS),而透過降低雷達反射截面積(RCS)可以迫使敵方雷達損失探測距離,對於SAM防空系統來說,從探測到追蹤,再到開火,有一個響應時間,損失探測距離意味著可能得不到足夠的響應時間來反擊敵機入侵,從而可以提升戰機的生存能力。

也就是說,要將被探測距離降低到1/10,就要將本機的雷達反射截面積降低為1/10000。根據相關文獻中的資料,RCS和被雷達探測的距離有如下關係:

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資料來源“Survivability in the Digital Age: The Imperative for Stealth”

為了減小雷達截面,應明確主要散射源的分佈,

儘量

消除散射源。

特別應注意的是那些在很寬的角度範圍內產生高振幅反射的散射源,而不是個別孤立狹窄的波峰點。控制和處理散射源的措施也應該是寬頻帶的,以減少威脅方稍微改變雷達頻率後就能探測的可能性。對於飛行器,從其前向看,應該注意發動機進氣道、座艙、雷達天線和天線罩,機翼前緣、外掛物及其懸掛裝置,以及飛行器上的縫隙、臺階等,同時要避免出現角反射器等。

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典型的雷達散射源

此外

,飛機從不同方位、以不同姿態行進,其

雷達隱身效能是存在區別的

對於以突防為主的戰鬥機而言,尤其要關注雷達隱身的重要方位角度,以及雷達特徵訊號的重要控制方位和突防姿態。

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RCS隨方位角的變化

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雷達隱身的重要方位角和姿態角

飛行器

紅外

隱身的基本原理

紅外隱身技術是武器平臺針對威脅方的紅外探測系統(無源的)的隱身技術,它屬於武器平臺有源(或主動)訊號特徵控制 (active signature reduce control,ASRC,相對於passive signature reduce control,PSRC)範疇。

紅外隱身技術

的基本原理

是透過冷卻、降溫、遮擋和降低發射率等技術來控制或減縮武器平臺可能被威脅方探測紅外探測器的紅外特徵訊號,降低武器平臺被發現、跟蹤、識別、攻擊的距離和機率。

典型飛行器的紅外輻射特徵源包括三大部分:發動機尾噴口/腔體熱部件、尾部的高溫燃氣噴流、機體外表面。

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一般的輻射源的總輻射能力與其溫度的4次方和材料發射率成正比。因此,要降低紅外可探測性,需要控制紅外輻射源的特徵訊號。

行器

射頻

隱身的基本原理

飛機通常需要裝備雷達等射頻裝置,這些射頻裝置發射出的電磁波,如果被地面無源雷達探測系統等地方監測裝置捕獲,將暴露自身資訊。因此,

射頻隱身的

基本原理

可以理解為

採用隱身波形、控制輻射功率等,降低飛機自身與敵方監測裝置的作用距離。

作戰飛行器進行突防時,一般均要求其保持無線電靜默,否則將很容易被威脅方發現無論其採用隱身技術與否)。在F-117A飛機研製時,由於當時技術水平的限制,還未能研發出可以進行射頻控制和隱身的雷達系統,為了確保其在突防時不被發現,乾脆就沒給F-117A 飛機配置雷達,只給其安裝了無源的紅外探測系統,這也成為嚴重製約F-117A飛機作戰能力的發揮(只能完成對地的攻擊任務,不能完成對空作戰任務)的主要因素。沒有雷達探測系統,對於執行對空作戰的飛行器是難以想象的,由此提出了射頻控制和隱身的技術要求,不僅是雷達,對飛行器上所有機載電子裝置系統,包括電臺、資料鏈、高度表系統等,均提出了射頻控制和隱身的技術要求。隨著飛行器作戰要求的不斷提高和技術的不斷進步,射頻控制和隱身技術也不斷成熟起來。同時,無源雷達探測系統的發展也對飛行器構成嚴重威脅。

04 隱身設計中的平衡策略

飛機研製過程中,要兼顧各種隱身技術的平衡,以及隱身設計與效能、成本等因素的平衡。

任何目標特徵控制技術的應用都是有代價的

。重量增加是最直接的代價,相應的新材料、新工藝還會導致成本的增加。在特定條件下(任務–威脅分析),某些效能的下降、成本的增加換來的是另一種效能的提高與改善,得到的是飛行器總的作戰效能和生存力的提高,總是有得有失。另一方面,特徵控制只是在特定威脅環境下才會有效的,離開了威脅環境分析、戰術使用等客觀因素,在技術上還找不到其他有效的途徑。目前的雷達特徵控制技術研究都是侷限於對付傳統的感測器,而且,對於某些傳統的感測器,至今也仍未找到非常有效的特徵訊號控制措施。這就是其侷限性所在,主要表現在以下幾個方面:

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正在著陸的B-2

以B-2為例,為了提升隱身效能,減小了發動機進氣道面積,使得發動機進氣量也減小,使動力系統增加了設計難度也付出了相關代價。

武器系統進行隱身設計前必須進行系統的非終端威脅分析,這是隱身設計的基礎分析之一。飛行器武器系統的非終端威脅與其他武器系統是有明顯區別的。對飛行器而言,最重要的非終端威脅是雷達、紅外和射頻;而潛艇的最重要的非終端威脅不是雷達、紅外和射頻,而是水下的聲吶(無論是被動聲吶還是主動聲吶)探測器;地面武器系統的最重要的非終端威脅又有別於飛行器和潛艇,主要是近距離的探測,有時候可能還是近場探測。對直升機(旋翼機)而言,最重要的非終端威脅來自於聲學(但有別於潛艇)和可見光探測器。

再針對不同的探測器進行可探測特性分析。在此,以飛行器為例進行討論,應包括威脅方可以用來將飛行器作為目標探測和跟蹤的所有可觀測特徵,應對特徵分析和特徵減縮加以詳細說明。進行特徵分析時,首先應對按規定的最小可探測水平對雷達、紅外、光學、聲響和電磁輻射特徵等加以分析和評價,並按威脅的重要程度進行排序,這一點特別重要。

如果需要,這些分析結果將作為指南,在飛行器的各個研製階段,制訂特徵減縮措施和大綱,減少飛行器目標特徵,以達到規定的水平。

最後,進行可探測特性控制的平衡設計,這一過程非常重要。否則,將會出現我們常說的“木桶效應”或“短板效應”。如:只重視雷達隱身,效能要求提的非常高,紅外隱身效能沒有提出要求或相對較差,將導致面對敵方紅外探測器使將過早暴露自身位置;同時,也有可能因為雷達隱身效能過高導致飛行器研製成本大幅度增加而得不償失。

05 隱身技術的應用與實踐

隱身技術的適用範圍也十分廣泛。

在經歷了半個多世紀的發展之後,隱身技術已逐漸走向成熟,開始在各種不同型別的武器平臺上得到廣泛的應用。

當今的隱身技術,並非僅限於

固定翼飛行器

的應用,在直升機、無人機以及上一代飛機改進

,甚至

各種水上和水下武器平臺、陸上武器平臺

上也廣泛應用

,對各國的傳統防禦體系構成了巨大的衝擊,已迫使各國開始了新一輪的感測器和探測系統研究。

對於固定翼飛行器這類平臺而言,隱身技術研製至今,已經得到廣泛應用。以美國為例,隱身技術的應用與實踐包括早期的U-2、SR-71和 D-21偵察機,上世紀七八十年代出現的F-117A和B-2轟炸機,以及當代的F-22和F-35戰鬥機。同時,在X-45和X-47無人作戰飛機驗證機等無人機平臺上的隱身技術研究和應用也在穩步前進。

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參考資料

《Radar Detection and Stealth Bomber: What Future for Stealth Technology?》

《飛行器隱身技術》

《B-2幽靈轟炸機》

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