隐身飞机隐身问题剖析(上)

空天大视野2021-11-28 11:44:18


隐身飞机隐身问题剖析

远望智库高级研究员  杨军威 

隐身技术是现代军事技术发展的一次重大革命,正像钱学森曾经指出的那样:“隐身技术的出现,与当年的原子弹具有类似的意义。”隐身技术在战斗机上的应用将彻底改变现代空战的性质。

F-22隐身战斗机代表着继F-117A隐身攻击机和B-2隐身轰炸机之后的第三代隐身技术,是在不损失机动性和飞行速度的情况下实现隐身的。

隐身是针对传感器而言的,主要分为雷达(针对雷达探测)、红外(针对光电探测)和射频(针对电子对抗截获接收机探测)三个隐身性能,因此研究隐身问题一定要了解相应的传感器特性。

隐身问题有三个要素,目标特性(散射源[雷达]、辐射源[红外、射频])、传感器(主动[雷达]、被动[红外、ESM])、传播介质(空气[对红外有明显影响])。

一、雷达隐身

隐身问题是从雷达隐身起始的。雷达是信息化作战条件下发现空中目标的主要手段,雷达是依靠发射电磁波,电磁波遇到物体后产生散射,部分散射的电磁波返回发射雷达,被雷达接收经信号处理后,产生物体图像。雷达是现代战场中主要的探测手段,尤其是对于空中目标,因此,在飞机的隐身性能中,雷达隐身性能具有最高的优先级。我们常说的飞机的隐身性能通常指的是飞机的雷达隐身性能。

传统三代战机的雷达散射截面(RCS)一般在10m2左右,如F-15、苏-27等。随着隐身技术的发展,出现了F-117A和B-2隐身飞机,其RCS水平达到了0.1m2量级,但其飞行性能受到大幅制约;同时,利用隐身技术改进的三代战机的RCS也达到了1m2左右的量级,如F-16改进型,歼-10原型机也应在此量级。F-22则在保持高水平飞行性能的基础上大幅提升了隐身性能,其RCS水平达到了0.01m2的量级。

一般认为目标的RCS在1m2以上为常规不隐身目标,RCS在0.1m2~1m2范围内的目标为低可探测性目标(LO),RCS在0.1m2~0.01m2范围内的目标为极低可探测性目标(VLO),RCS在0.01m2~0.001m2范围内的目标为超低可探测性目标(VVLO)。

隐身技术的发展对作战的杀伤链路带来了十分明显的影响,尤其是当目标的RCS达到或低于0.01m2量级时,影响到空中作战OODA的各个互不环节,载机雷达的探测距离急剧下降,导弹导引头难以正常截获目标,导弹引信无法正常启动。更进一步的是,F-22隐身战斗机将隐身、超声速巡航、高机动、综合航电等先进技术集于一身,形成了空中作战的“先敌发现、先敌攻击、先敌摧毁”的战场压倒性“主宰”优势。

(一)飞机雷达隐身基本特点

飞机雷达隐身具有以下五个基本特点。

1.外部照射特性

飞机的雷达隐身性能是针对敌方雷达传感器的主动探测而言的。飞机的雷达隐身特性是一种需要在外部照射下才能呈现出的特性,雷达是通过目标的二次散射功率发现目标的,因而雷达隐身的实质是一个低可探测性(LO)问题。由于飞机的雷达隐身特性与外部照射相互对应,因此,飞机的雷达隐身性能与外部照射源的技术状态密切相关,外部照射源的频率、极化等特性对飞机的雷达隐身性能有直接影响。

雷达发现目标的距离用雷达方程描述,雷达发射功率、天线增益、波长和目标的RCS越大,雷达的灵敏度越高,雷达对目标的探测距离就越远。

雷达方程:

,雷达作用距离

,雷达发射功率

,雷达天线增益

,雷达波长

,目标雷达散射截面积(RCS)

,雷达最小可检测信号功率

2.单一参数描述

从雷达方程可知,在雷达性能确定的条件下,飞机的雷达隐身性能则只取决于飞机的雷达散射截面积(RCS)。RCS衡量一个物体把照射到自己的雷达波反射回照射雷达的能力,反射回照射雷达的能量越多,物体的RCS就越大,照射雷达接收到的信号就越强,雷达对这个物体就看得越远。

从雷达方程知,雷达发现目标的距离与该目标的RCS的四次方根成正比。若飞机的RCS减小一个数量级(1/10),则雷达探测距离相应降低为原来的56%,即减少了44%。即飞机RCS每下降一个数量级(减小为原来的1/10),雷达对它的探测距离便缩短44%左右。

若飞机的RCS减小两个数量级(1/100),则雷达探测距离相应降低为原来的32%;若飞机的RCS减小三个数量级(1/1000),则雷达探测距离相应降低为原来的18%;若飞机的RCS减小四个数量级(1/10000),则雷达探测距离相应降低为原来的10%。

如果飞机的RCS从10m2(三代机)降到0.01m2(隐身飞机),即原来的1/1000,则雷达对该飞机的探测距离将降低为不到原来的20%。原来设计能看400km的雷达,对隐身飞机只能看80km。加上战斗机的飞行速度提高了一倍,对方的预警时间将大幅减少。这种变化对作战的影响极大,可能使基于拦截三代机构建的防空体系整体失效。

3.固有设计特性

飞机的RCS是一个与飞机总体设计相关的独立变量,取决于飞机的气动外形、结构形式和表面的吸波涂层。飞机的气动布局一但确定,其RCS也基础就基本确定,因此通过飞机外形的推算和测试即可大致估算该飞机的雷达隐身性能。

降低飞机RCS主要是三个手段,一是气动布局,二是吸波结构(RAS)设计,三是吸波材料(RAM)。飞机通过气动布局、结构设计和表面吸波涂层,将雷达的照射的能量向其他方向散射或吸收,大幅减少反射回照射雷达接收天线的照射能量,使雷达接受的信号能量不够,达不到相应的信噪比要求,分辨不出目标,从而使飞机达到隐身效果。因此,飞机的雷达隐身性能是飞机的一种固有设计特性,一旦设计定型,其雷达隐身性能就基本确定。

气动布局设计的目的除飞行性能外,主要是使入射的雷达波反射回去的方向不是照射雷达的方向,而是其他方向,使照射雷达收不到散射回来的电磁波,难以对目标进行测量。气动布局设计对飞机雷达隐身的贡献率最大,一般大于85%。典型的外形设计如飞翼式结构、翼面前缘平行设计、机头棱边设计等。因此,从气动布局基本可以推测出飞机的大致隐身性能。飞机通过平行设计,即所有机翼的前沿的后掠角度均呈平行状态,将大部分照射能量反射到非入射方向。

 

图示为F-22的气动布局。F-22的隐身最主要的是通过大量的平行设计使回波波峰集中到少数几个非重要方向上:F/A-22的进气道上/下唇口、主翼前缘、平尾前缘、平尾后缘内侧、尾撑后缘及矢量喷管表面一侧后缘;主翼后缘、平尾后缘外侧及矢量喷管表面另一侧后缘都是平行的,这样可把散射波峰合并到偏离头向及尾向的非重要方向上,尽管这会增加该方向的散射功率,但减少散射波峰数量确实能给隐身带来更大的好处。

从图中看出,F-22采用平行设计,各前缘进气道进气口角度与垂直尾翼平行,机头截面呈菱形,两侧翼下菱形截面发动机进气道,进气道为CARET不可调节进气道,进气道内部有引擎叶片挡板(吸波结构)。舱门采用锯齿状设计,锯齿边缘符合平行设计原则。

吸波结构设计的目的主要是使入射的雷达波被吸收或衰减掉。典型的吸波结构设计如S型进气道(蚌式进气道)、隔栅进气道、进气道吸波结构、背负式进气道、锯齿形口盖、内埋式武器舱等。

F-117A采用的是多面体结构,B-2采用的是飞翼式结构,研究证明多面体结构和飞翼式结构具有很好的雷达隐身性能,但带来了气动性能不良和飞行控制问题,气动性能很难满足战斗机的要求。

破坏飞机隐身性能的三大强散射源为:进气道、座舱、雷达舱。因此需要综合采用外形设计、结构设计、材料设计等都种措施来减少其RCS。如雷达舱即采用棱边外形、频率选择表面(FSS)、表面涂料、雷达侧倾设置等措施。

吸波材料的作用是将入射的雷达波能量衰减吸收掉,减小反射的雷达波能量。理论和实验证明,吸波材料的涂层厚度与入射波的1/4波长相当时其吸波效果较好,对于X频段(3cm)的雷达,雷达吸波涂层的厚度在7.5mm左右,因此对于一架飞机而言,雷达吸波涂层的重量很大(几百千克)。若考虑到对长波雷达的吸波效果,则涂层就会更厚。典型的吸波材料如座舱镀膜(内、外表面)、频率选择表面、表面涂料等。

大量采用复合材料也对提升雷达隐身性能大有益处。F-22在机体上广泛采用热加工塑胶(12%)和人造纤维(10%)的聚合复合材料(KM)。在装备的批量生产的飞机上使用复合材料(KM)的比例(按重量)更高。

飞机外形尺寸与电磁波频率之间存在严格的比例关系,因此可采用缩比模型对飞机外形的RCS进行测试,推算其雷达隐身性能。由于吸波涂层不存在缩比关系,因此缩比模型测试回答不了吸波涂层对缩减RCS效果的问题。

RCS的降低不是无限的。从雷达方程我们知道,RCS与雷达探测距离不是呈线性正比,而是呈四次方根的关系,RCS降低16倍,探测距离才能减半,加之降低飞机的RCS代价很大,受到飞机的飞行性能、成本、材料、工艺等因素的制约。因此,装备的性能并不是越高越好,而是够用最好。

4.取值方向明确

飞机的RCS越小,则被敌方发现、跟踪的可能性就越小。因此,RCS的取值方向十分明确,越小越好。但是,降低RCS的努力是需要付出代价的,包括飞机飞行性能的下降、技术难度、经费时间因素等等。因此,飞机RCS的确定是在满足作战需求(与威胁相平衡)、技术经费可行(满足研制能力)之间寻求平衡的问题,即飞机的雷达隐身是一个在需求与可能之间寻求平衡的问题。

F-117为降低RCS,在雷达隐身性能不过关的情况下,没有装机载雷达。即使如此,F-117的隐身外形设计仍使其气动性能极差。由于F-117的外形是电磁专家设计的,因此F-117的隐身性能是目前隐身飞机中最好的,理论上其隐身性能要高于F-22。

5.地面静态可测

由于飞机的雷达隐身特性是飞机的一种固有设计特性,只取决于飞机的结构和外部照射源的技术状态,相对独立于飞机的飞行状态,即使舵面偏转、大幅机动、弹舱开启等动态行为会使飞机的RCS产生一定变化,这些变化的影响规律也可通过地面静态测试获得。加之大气对电磁波的传播特性影响较小(这也是雷达是战场的主传感器的主要原因),因此,飞机的雷达隐身性能可以通过地面静态测试掌握其绝大部分细节。

(二)飞机雷达隐身传感器特性

飞机的雷达隐身是针对敌方雷达传感器的主动探测而言的,因此研究飞机雷达隐身性能就必须从雷达传感器的角度进行。针对雷达传感器的技术特性和战术运用特点,飞机雷达隐身传感器特性体现在以下五个方面。

1.方向特性

飞机的RCS是一个与飞机设计结构相关的独立变量。由于飞机结构独特点,其各方向的RCS是不一样的,要做到各方向的RCS都很小是不可能。

另一方面,飞机所面临的威胁与三维空间角度相关,雷达探测的威胁可能来自4π空间,但各个方向的威胁程度是不同的,构成威胁的武器也不同,武器的状态也不同,各方向的威胁程度存在明显差异。如敌方飞机(战斗机、预警机)的威胁主要来自前半球,地空导弹的威胁则来自于半球,而远程地空导弹的威胁则主要来自下半球的上半部分。对于空空导弹和地(海)面防空导弹来说,迎头攻击是最常见的一种作战模式。对于空战,迎头攻击处于机载雷达和空空导弹的最佳作战角度,而且目标相对飞行状态稳定;对于地面拦截,迎头攻击的杀伤区最大。因此,机头方向是威胁最大的方向。

因此,飞机在考虑雷达隐身设计时,必须依据作战需求,对飞机各方向的RCS进行取舍,威胁大的方向要求高,威胁低的方向则可以适当降低要求。

我们提到的隐身飞机的隐身特性通常是指飞机前向的隐身特性,也就是隐身飞机隐身性能最好的方向的隐身特性。飞机侧面和尾部的RCS会较大,雷达的探测距离会较大,这也是抗击隐身飞机作战运用的方法之一。

2.频段特性

飞机的RCS对照射雷达频率的敏感程度较高,这与电磁波的特性有关,电磁波的频率不同,则波长不同,而电磁波的波长对物体形状尺寸的敏感程度存在较大差异,从而使外形结构确定的飞机在不同频率雷达照射下呈现出不同的RCS。当雷达波长与隐身飞机的尺寸相当时,隐身飞机就不隐身了,这也是采用低频段雷达可提高对隐身飞机的发现概率的理论依据。但波长太长时测量精度会显著下降,无法支持制导。

另一方面,从战场看,不同频段的雷达所构成的威胁程度存在较大差异。雷达的工作频段一般根据雷达的用途决定,预警雷达一般工作于P、L、S频段,机载火控雷达一般工作于X频段,防空武器的制导系统一般是C、X等频段,导弹的导引头一般工作在高频段。因此,从作为制空战斗机的隐身飞机的作战任务可知, X、C、S频段的威胁远大于L和Ku频段。因此,基于制空战斗机的定位,F-22雷达隐身的设计重点针对X频段,其指标要求是最严格的。

3.起伏特性

由于飞机结构的特点,飞机在各个方向上的RCS变化并不是平均的,而是存在起伏,起伏所引起的RCS“尖峰”又可能远大于该区域的RCS平均值。若飞机在机头方向的平均RCS很小,但在某个角度范围内,存在较宽的RCS“尖峰”,从而足以使雷达形成发现或跟踪条件,构成拦截窗口。因此,RCS指标的设计必须考虑这种起伏特性的影响。

RCS“尖峰”的持续宽度应能够保证雷达至少完成一次信号测量。考虑以下两种由于RCS“尖峰”引起的恶化情况:一是在某个角度上RCS“尖峰”的持续宽度超过一定值,足以使导弹完成一次拦截过程;二是在某个角度范围内RCS“尖峰”的个数足够密集,足以使雷达保持一定的跟踪数据率,从而构成拦截窗口。

RCS在各个方向上的起伏与飞机的气动外形、挂载等因素有关。RCS“尖峰”是指RCS超过该方向的平均RCS,接近不隐身的水平。

4.极化特性

由于飞机外形的影响,飞机的RCS对照射雷达的不同极化方式呈现不同的方应特性。如采用水平极化扫描时,雷达对于一根竖立物体的发现概率较大,但信号强度低;若采用垂直极化方式扫描,则雷达虽然对这根竖立物体的发现概率较小,但一旦发现,则信号强度很高。对于一般目标,RCS对不同极化方式的差异最大可达10dB以上。

图中所示的是F-117A在两种极化下的平均RCS,可以看出存在明显差异。F-117A针对所有可能的极化方式专门进行了综合优化设计,其极化差异仍有2dB左右,F-117A的扁平机身,使其垂直极化RCS的水平低于水平极化的水平。而对于没有专门进行针对性设计的飞机,RCS对不同极化方式的差异可达到10~15dB。如果飞机的RCS对某种极化方式敏感,就会大大降低其隐身效果。

根据公开资料,美军“爱国者”和“宙斯顿”系统跟踪/制导雷达采用垂直极化(线极化)方式,而C-300系列、红-9系列则采用圆极化。垂直极化具有较好的低空性能,而圆极化具有相对稳定的RCS。不同的极化方式下飞机的RCS差异最大可达10dB~15dB水平(垂直和水平极化),新一代防空雷达中已开始采用变极化和同时多极化技术,以获取极化增益。

因此,隐身飞机的RCS设计是考虑雷达极化方式的,最好适用于所有的可能极化方式,包括垂直极化和水平极化。由于机载雷达一般采用垂直极化,因此,从制空战斗机的任务特点考虑,隐身飞机的重点考虑垂直极化。

5.动态特性

飞机飞行中还存在一些动态特性,如弹舱开启方式和时间、舵面偏转、机动飞行等动态状态对雷达隐身的影响等问题。这些动态问题,有些是作战使用问题,对研制方案的影响较小(如机动飞行),而有些则对研制方案有较大影响(如弹舱打开方式)。

美国的F-22在参加航展时,总是打开弹舱、或者不收起落架进行飞行的,这就是为了不让别人测得它的RCS,另外,F-22在机腹下安装有专门的RCS增强装置(龙波球),也是出于同一目的。