从远去的F-117看现代隐形技术的发展



早退的F-117


F-117之所以能够隐形,首先,因为它有能吸收雷达波的“隐形”材料,所以才能使隐形战机轻而易举地从雷达眼皮底下逃之夭夭。隐形轰炸机的雷达吸波材料可通过阻止反射无线电波来干扰雷达系统。雷达吸波材料多种多样,包括非共振磁性雷达吸波材料和共振雷达吸波材料。由非共振磁性雷达吸波材料制造的涂料含铁酸盐粒子,可将轰炸机表面“吸收”的雷达波作为热量散发掉。这种材料可降低雷达的“可见度”,并可在一个宽广的雷达波频率范围内使用,它的效率就非常高。经计算,这种材料的厚度与雷达波的波长一致时,就能像被“调谐”了一样可吸收,就像海绵只能保存一定量的水一样。其次,F-117体呈平底三角截面状态,像一个大蝙蝠;机身和机翼融合在一起,根本分不出哪是机身,哪是机翼;没有水平或垂直尾翼,而是采用一个标志性的V形尾翼。该机在当时的世界上是任何一型飞机都无法比拟的。其雷达反射截面积为10~100平方厘米,比普通战斗机低2~3个数量级。

但是F-117为了追求隐形效果,在外形设计上给飞机的其它性能带来了许多弊端,如空气动力性能不好,飞行不稳定,机动性较差,飞行速度低。这些问题也就为F-117的早退埋下了伏笔。美国空军经过伊拉克战争发现,F-117能够完成的作战任务基本上都可以通过F-10、F-15E战机的组合来完成。随着F-22和F-35的服役,专门以隐形为目的的战机设计已经无法在现代战场实现作战目的。F-117名为战斗机,但其毫不具备空战能力,充其量也就是一个轻型轰炸机。F-22的隐形性能是F-117的2倍,生存能力比目前的常规飞机提高18倍,作战效能是F-15战斗机的3倍。这意味着F-117所能执行的任务F-22可以全部替代。另一方面,F-117作为第一代隐形战斗机,美军在开始研制时就把它定义为隐形作战的初步尝试,并没有赋予它更多的使命。


隐形技术的发展


隐形技术不断有新突破,实现战场军事装备隐形化的技术措施多种多样,主要有外形隐形措施、电子隐形措施、红外隐形措施、视频隐形和声音隐形措施等。针对探测技术方面的改进,目前正在酝酿一些新的隐形概念和新的隐形技术。

等离子体隐形技术 实验证明,用等离子气体层包围诸如飞机、舰船、卫星等的表面,当雷达波碰到这层特殊气体时,由于等离子体层对雷达波有特殊的吸收和折射特性,使反射回雷达接收机的能量很少。例如,应用等离子体技术可使一个13厘米长的微波反射器的雷达平均截面在4~14吉赫频率范围内平均减小20分贝,即雷达获取的回波能量减少到原来的1%。美国休斯实验室已进行了这方面的实验。

应用仿生技术 试验证明,海鸥虽与燕八哥的形体大小相近,但海鸥的雷达反射截面比燕八哥的大200倍。蜜蜂的体积小于麻雀,但它的雷达反射截面反而比麻雀大16倍。有关科学家们正在研究这些现象,试图采用仿生技术,寻求新的隐形技术。

应用“微波传播指示”技术这种技术是利用计算机预测雷达波在大气中的传播情况。大气层的变化(如湿度、温度等的变化)能使雷达波的作用距离发生变化,使雷达覆盖范围产生“空隙”(即盲区),同时雷达波在大气里传播时要形成“传播波道”,其能量集中于“波道内”,“波道”之外几乎没有能量。如果突防兵器在雷达覆盖区的“空隙”内或“波道”外通过,就可避开敌方雷达的探测而顺利突防。 开发新型隐形材料 隐形材料是隐形技术发展的关键。目前,世界军事大国正在开发以下几种新型隐形材料:

1.手性材料 手性是指一种物体与其镜像不存在几何对称性且不能通过任何操作使物体与镜像相重合的现象。研究表明,具有手性特性的材料,能够减少入射电磁波的反射并能吸收电磁波。目前研究的雷达吸波型手性材料,是在基体材料中搀杂手性结构物质形成的手性复合材料。

2.纳米隐形材料 近几年来,对纳米材料的研究不断深入,证明纳米材料具有极好的吸波特性,因而引起研究人员的极大兴趣。目前,美、法、德、日、俄等国家把纳米材料作为新一代隐形材料进行探索和研究。

3.导电高聚物材料 将导电高聚物与无机磁损耗物质或超微粒子复合,可望发展成为一种新型的轻质宽频带微波吸收材料。

4.多晶铁纤维吸收剂 这种新型的雷达吸波涂层,系采用多晶铁纤维作为吸收剂。这是一种轻质的磁性雷达吸收剂,可在很宽的频带内实现高吸收效果,且重量减轻40%~60%,克服了大多数磁性吸收剂所存在的过重的缺点。

5.智能型隐形材料 智能型隐形材料和结构是80年代逐渐发展起来的一项高新技术,它是一种具有感知功能、信息处理功能、自我指令并对信号作出最佳响应功能的材料和结构,为利用智能型材料实现隐形功能提供了可能性。

目前,隐形技术正向着综合运用、权衡隐形性能和其它性能、扩展频率范围和应用范围、降低成本等方向发展。


反隐形技术的发展


扩展雷达工作波段 隐形飞行器的设计一般是针对厘米波雷达的,因此将雷达工作波长向两端扩展到米波段和毫米波段以至到红外和激光波段,就将使雷达具有一定的反隐形能力。由于隐形飞行器的外形设计和吸波材料的结构厚度均与它所对抗雷达的波长密切相关,所以,使用长波雷达,一方面可跳出目前隐形飞行器的吸波波段,另一方面也为研制对付长波雷达的隐形飞行器设置了障碍。在米波雷达方面,发展较快的是超视距雷达,其工作波长为10~发60米。在毫米波雷达和激光雷达方面,毫米波雷达成像将广泛用于防空和“发射后不用管”的导弹导引头中。

提高雷达发射功率 隐形飞行器虽然采用了多种外形技术,但不可能完全消除雷达散射截面积。因此,通过加大雷达发射功率可提高探测隐形目标的概率。具体途径有两条:一是采用大的宽的脉冲压缩技术,可增大探测距离,而不降低其分辨率。美国北方预警系统的FPS-117远程三坐标雷达就是采用脉冲压缩技术的典型例子,它可探测到来袭的隐形巡航导弹。二是采用功率合成技术,其中有源相控阵雷达是典型的功率合成雷达,它可将多个发射单元的功率在空间合成,形成高能量脉冲。

采用空载和天基探测系统 隐形飞行器的隐形重点在于减小鼻锥方向左右45度范围内的雷达截面积,而飞行器上顶部的隐形措施则较少。因此,将探测系统安装在空中平台上或卫星上,进行俯视探测,就可提高探测低空突防目标的概率。


研制特殊体制的雷达


1.多基地雷达 这种雷达是将


发射和接收机分置在两个站址或多个站址上,包括地面上、空中平台上和卫星上。

目前研制的隐形飞行器主要是抑制其后向散射的电磁波能量,而多基地雷达可充分利用隐形飞行器散射雷达波信号的空间特征,接收隐形飞行器的侧向或前向散射雷达波信号,达到探测隐形飞行器的目的。理论和实践证明,当目标散射角大于130度时,目标的雷达截面积会明显增加,另外,多基地雷达系统还利用隐形目标偏转的雷达反时波束效应,使设在远离发射机动接收机接收到被目标偏转的雷达回吱。设在不同地址的接收机可以收到目标侧面、背部或腹部的反射回波,所以说,多基地雷达具有探测隐形飞行器的能力。

2.超宽频带雷达 这是一种高灵敏度雷达,带宽至少为中心频率的50%,通常所说的冲击雷达就是一种典型的超宽带雷达。

从理论上讲,这种雷达是具有探测隐形飞行器的能力的,但由于这种雷达覆盖频率范围特别宽,可从直流到几千兆赫,若将发射功率分配在这样宽的频谱内,实际用来探测目标的功率就会很低,难以将小目标信号从背景杂波中和噪声中提取出来,且作用距离只有几十米远,因此,对于应用超宽带雷达探测隐形飞行器的主要技术关键在于提高接收机、发射机的功率。

3.多频信号雷达 在多频信号雷达中,用不同频率的多个连续信号同时照射目标,每个频率的反射信号由独立的通道接收和处理,可以对付在一定频率上采用隐形技术的飞行器。如美国的“大气层内监视技术机载雷达飞机”,就是采用双频雷达,它可探测到的目标雷达截面积仅是普通雷达探测目标的1%。

4.谐波雷达 在研究雷达技术中,人们发现雷达发射的电磁波照射到大多数自然物时,这些物体只散射基波能量,而不产生谐波再辐射。而当雷达波照射到人造金属物体时,除了散射基波外,还散射谐波能量。据此原理,可研制接收金属目标散射的谐波能量信号的谐波雷达。隐形飞行器虽然采用了雷达吸波材料,但仍属于人造金属物,从理论上分析会产生谐波再辐射。因此,研制能接收隐形飞行器散射的谐波能量作为目标回波信号的谐波雷达,将可能成为探测隐形飞行器的一种新体制雷达。但谐波的辐射能量微弱,谐波雷达正处于探索之中。

5.无源雷达 隐形飞行器作为目标,除在雷达波照射下具有电磁波散射特征外,由于它载有无线电和红外等辐射源,还将具有自身的电磁和红外辐射特征。利用这种自身电磁辐射特征,可研制反隐形的无源雷达。使用单站无源雷达可通过探测隐形飞行器自身电磁辐射信号对它进行方位跟踪;使用双站或多站无源雷达系统可对目标进行定位。


高功率微波武器的研究


隐形兵器主要是通过采用吸波材料(结构吸波材料和吸波涂层)达到隐形的。但是,当它遇到高功率微波波束时,会受损害甚至失去战斗能力。美国正在加紧研究高功率微波武器,一种可重复发射的高功率微波武器处于预研阶段,另一种高功率微波弹头处于演示阶段。俄罗斯已研制出方向性很强的高功率微波武器,可用手榴弹、迫击炮、火炮或导弹投掷。

F-117开辟了隐形战斗机的先河,领导世界军事进入了隐形时代。它已经光荣地完成了使命。随着新一代隐形战斗机相继问世,F-117的退役应该是必然的。