神出鬼没说隐身(1)

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导读: [img]http://pic.tiexue.net/pics/2008_2_29_63939_6963939.jpg[/img] 隐身飞机的首次亮相在1989年12月20日,主角是美国的F- 117,突袭目标为巴拿马军营。如果说当时F-117给人留下的印象还只是奇怪的外形的话,那么到了1991年1月17日,F-117这种奇怪的飞机才真正向世人展示了它的威力。空袭的第一天F-ll7A便大显神威摧毁了伊拉克的通信中心、预警雷达站、防空系统指挥机构、国防部、情报部以及内务部等重要指挥机构,为美军后续机群的


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隐身飞机的首次亮相在1989年12月20日,主角是美国的F- 117,突袭目标为巴拿马军营。如果说当时F-117给人留下的印象还只是奇怪的外形的话,那么到了1991年1月17日,F-117这种奇怪的飞机才真正向世人展示了它的威力。空袭的第一天F-ll7A便大显神威摧毁了伊拉克的通信中心、预警雷达站、防空系统指挥机构、国防部、情报部以及内务部等重要指挥机构,为美军后续机群的出击铺平了前进的道路。画面转到1999年3月27日,在南联盟贝尔格莱德市郊F-ll7残骸上,南联盟市民举起嘲讽的标语“对不起.我们不知道你是隐身的!”这是这种不可一世的飞机首次折戟沉沙。 2005年12月15日,美国新一代隐身飞机F- 22A宣布服役,与此同时,美空军透露可能让F-117提前退役。据称,前者集隐身、超音速巡航和攻击力于一身,威力要远高于后者。套用大话西游里的一句台词:这正是“去了一个狠的,来了一个更狠的。”隐身飞机正变得越来越凶狠。

近年来的数次战争与冲突大大提高了空军在诸兵种中的地位,空军的战机、无人机甚至空地导弹的发展也向更高层次迈进,其中隐身化是未来的发展方向。有消息称,俄罗斯有意重新启动第五代战机发展计划,欧洲启动自己的隐身无人机计划,他们都试图在隐身技术领域占据一席之地。

隐身技术又称目标特征控制技术或低可探测性技术,即一种很难被探测或被敌发现的距离很短的技术,这意味着在战场上自己可以先敌发现,先敌攻击,占据先机。隐身技术可分为无源隐身(又称被动/消极隐身)和有源隐身(又称主动/积极隐身)技术两大类。前者尽量减少目标本体的可探测信息特征,主要是通过降低飞行器自身的电磁、红外、可见光、声音等可探测特征,使敌方各种探测系统不能提前发现或发现概率很低,发现距离缩短,即使被发现,其防御系统也已来不及做出反应。而后者主要是采用有源或无源的电子干扰以及光电对抗等方法来欺骗、干扰、迷惑、阻断对方的探测系统,减少被敌雷达、红外、可见光等各种探测系统发现的可能。由于目前侦察探测系统有雷达、红外、可见光、电子、声波等探测系统,所以隐身技术也相应地包括反雷达、反红外、反可见光、反电子、反声波探测等隐身技术。其中反雷达占主要部分,其次是反红外,然后才是反可见光等。本文将重点介绍飞行器的反雷达隐身技术,其次介绍飞行器的红外隐身技术和可见光隐身技术,反雷达隐身技术又分被动隐身技术和主动隐身技术两部分。


屏幕上的黑洞---被动反雷达隐身技术


雷达是靠稳定的电磁波来工作的,发射机发射的电磁波在碰到目标时会发生反射,接收机可以接收这些反射回来的回波,显示在屏幕上便是一个个亮点,通过对这些亮点的解读可以判明目标的位置和其他有关信息。雷达是现代战场上尤其是海空战中的主要侦察手段,因此反雷达探侧是目前武器研究的主要课题。被动反雷达隐身技术是雷达隐身技术的一种,也是应用最多的一种,通过设法降低飞行器本身对雷达波的信息特征——雷达反射截面积,使敌方雷达探测系统不能发现或发现概率很低。主要包括外形隐身设计和采用隐身材料。


外形隐身设计


由于电磁波的反射强度与物体的几何形状密切相关,因此合理的外形布局是减少雷达反射截面积的重要措施,而外形雷达隐身技术的关键在于削弱雷达的回波或使雷达的回波闪烁不定。雷达回波分直接反射和雷达后向散射。直接反射即通常所说的入射角等于反射角的反射。当雷达波的入射角不是很大或目标距离雷达较远时,由于绝大部分雷达入射波都被反射到其他方向上,雷达将接收不到目标反射来的回波,所以目标一般不易为雷达所见。然而当反射面正对着雷达时,或入射波通过多次折射返回入射方向,这种直接反射到雷达接收天线的回波将成为最大的雷达可视信号。


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与直接反射不同,雷达后向散射是各向性的、发散的。它涉及到入射场与整个反射结构的相互作用,对大多数雷达来说其波长大大小于目标的典型尺寸,电磁散射实际上是局部现象;但是当电磁波波长加长或反射面尺寸减小时,直接反射渐趋消失,散射增强,入射能量大部分通过漫反射散射出去。

下面,我们分别拿投影面积相同的一块方板和一个球体来说,假定雷达发射的电磁波长为板边长的十分之一(此亦防空导弹火控雷达的典型波长选取法),一块正对着雷达直立的方板与一个具有同样截面积的圆球相比前者的雷达回波要强一千倍;方板后倾30°时,两者相当完全放平时(如果厚度不计),则反而要小50倍。如果把垂直于水平面的方板沿水平面相对雷达波入射方向旋转45°,即一个角冲着雷达,则后倾8°时回波强度已经和圆球相当放;放到接近水平时,还可进一步降低一万倍。也就是说,它们的雷达截面积相差4个数量级。因此若要隐身,不光要减少与雷达入射方向成直角的平面,还要减少与雷达入射方向成直角的缝隙和边缘。因此为了隐身,飞行器在总体布局上应遵循以下设计理念:

第一,消除镜面成直角的反射。合理控制飞机的整个外形,避免表面采用较大的平面和凸状弯曲面,用小平板外形代替曲面外形,用多方向的镜面反射和边缘衍射代替小角度的、能量集中的大镜面反射,以抑制镜面强反射。将飞机的机头做成多锥形,机身做成多面体并配以低置的下单平底薄翼,F-1l7采用的就是这个设计思想。这样可以使雷达波形成瞬时闪烁的微弱回波,但也会明显影响飞行器的气动性能。

第二,采用简洁的外形。通过实验发现,尽量保持飞行器气动布局简洁,采用翼身融合且机身、机翼、尾翼各端面对称平行,使其各端面在几个特定方向具有同向的反射性,这样做被敌发现的概率要比无规律气动布局低得多,且由于随着飞行器的飞行姿态和相对于探测雷达相位的不断改变,其行踪极难跟踪。B -2、F-22在总体气动外形布局上采用的就是这个设计思想。


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第三,克服角反射器效应。角反射器效应是指目标上的两面体或角体结构产生的散射。当雷达的无线电波射入两个互相的垂直面中的任一个面时,由于无线电波的“镜面反射”效应,就会形成二次反射,最后以与入射波束相同的方向反射波束到雷达。而由3个互成90°的表面形成的角体,当雷达的无线电波射入这3个表面中的任一表面时,可能形成三次“反射”,从而在较宽的“视”角范围内返回很强的电磁波能量到雷达。因此消除角反射器效应应避免出现任何边缘、棱角、尖端、缺口等垂直相交的界面。基于上述原因,飞行器在外形上一般采用机翼、机身、尾翼和短舱连接处光滑过渡,机翼与机身高度融合的构型。飞行器通过采用组合的三维曲度和不断改变曲率半径的外形,避免长而恒定的曲线,还可以避免仰视和俯视雷达回波。对于机翼、机翼上的垂直安定面、水平尾翼、机翼下挂架、翼身连接处等会形成强烈的角反射器效应的部位,常采用内/外倾的双垂尾或无垂尾、翼端(或翼上)安定面、机身侧边等构型。

美国的AGM-129巡航导弹选择了光滑、大曲率半径的流线型弹体和外表光滑、尺寸较小的翼身融合体,弹体下部扁平,侧面为圆形。这种形状可避免直角反射体引起的强散射,可大幅度减小导弹的侧向散射强度,使弹体不会形成较集中的后向散射雷达信号。

在实际设计时,一般以上面所述的三条为设计准则,根据飞行器的任务性质和飞行特征来逐步细化飞行器的每个部位,减少其他强散射部位,来降低RCS。


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例如对于飞行器头部,大多采用大后掠多面体的锥形设计。其雷达天线、空速管等都采用保形设计,尽量缩小机体尺寸。如果该飞行器的任务性质和飞行特性是中高空飞行,由于大部分敌方雷达探测系统是在其前下方,那么这种飞行器的头部设计应注重头锥和头锥以下部分,如 F-117 、 B-2 、 F-22 、 F-35 等。而对于一些采用超低空突防的飞行器,由于探测雷达大部分是在其前方或前上方,所以其头部设计与前者相反。

对于飞行器本身装载的雷达,其隐身性能的研究很受重视。飞行器机载雷达的RCS要尽可能小,研究和试验表明,机械扫描天线由于要在空间大范围转动(方位和俯仰转动范围均可达到120°),因此较易形成周期性的与敌方雷达入射波正交的条件,即有较强的反射波为敌方所接收。另外,雷达天线的转动支架都是其有较大雷达截面积的反射体,若不加以限制,隐身效果将会受到很大削弱。但最近新研制的有源相控阵雷达由于不需要机械扫描,所以敌方雷达只能在有源相控阵面正前方很小的空间角内收到反射波,如F/A-22装备的 AN/APG-77雷达、 F/A-18E/F的AN/APG-79雷达是世界上最早的有源电扫描相控阵雷达,其雷达截面倾斜向上,可将前面入射的雷达波沿几乎垂直于本机的角度反射上去,使对方雷达很难接收到其雷达回波。

在对飞行器机体设计上,也是根据飞行任务性质和飞行特征而定,如果该飞行器的任务性质和飞行特性主要是中高空飞行,那么该飞行器的下表面应该尽量平滑。要求机体各个蒙皮表面光滑无铆钉,舱口盖尽可能少(把大部分舱口盖设在机背上),飞机上的各种矩形舱盖的前后缘也不应正对雷达入射方向,各种开口都是锯齿形的前后缘。接缝紧密且接缝处构形要与飞机布局相适应。减少机体突出物,尽可能去掉外挂物或设计成可收人机内的吊架,如美国B-2隐身飞机采用翼身融合的保形设计,无外挂设计,使机身形成平滑过渡的流线形体,以减少雷达信号。

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在机翼平面设计上,为了降低RCS,飞行器翼面设计最好采用前缘后掠,后缘采用锯齿形设计;合理调整其后掠角、展弦比、根梢比等参数,以减少散射源;用边缘衍射代替镜面反射;采用飞翼或碟形翼气动布局,将机翼翼尖修圆,使弹翼前缘经圆角逐渐过渡到弹翼后缘,使边缘绕射的主散射源变为爬行波次散射源。另外,机翼最好采用无尾气动布局,并将机身和机翼尾部设计成锯齿状。对于常规气动布局来说,不宜采用前小翼,因为飞机隐身的重点就是机身前方,如果鸭翼在前,鸭翼的配平偏转等不能被机翼挡住,加上产生的各种角反射、绕射等会使飞机的前视RCS大很多。而平尾在机翼后面,利用前面的大面积机翼来屏蔽后面的尾翼,对降低前向 RCS 十分有利。

对于发动机进气道、尾喷管、排气口等,都可看作凹状结构,具有较强的雷达信号特征,因此,这类结构隐身一般采用遮蔽法,其要点是利用机体的某一部分遮避发动机的进气道或尾喷口,以减小雷达探测的视角范围。例如,飞机发动机的风扇或压气机形成的反射正面最大,因此合理设计发动机进气系统,采用 S形弯曲进气道,把发动机前端遮起来,可以有效地减低由此引起的直接反射。对于中空和高空突防飞机,最好将发动机的进气道安装在机翼内侧的机背上,因为采用背部进气和背部安装的尾喷管可以有效地遮挡地面雷达对发动机的视线,但对空中预警机则效果有限。

此外,背部进气道在大迎角机动时气流畸变严重,不利于发动机稳定工作,因此不适于在高机动性飞机上使用,如攻击机和轰炸机。而对于那些既要求有良好的隐身性又在经常采用大迎角机动的战斗机,则采用进气口斜切的双斜面外压式楔形进气道,如F-22或F/A-18E用战斗机上的CARET进气道,或者像F-35那样带有附面层分离鼓包的 DSI 进气道。而对于一些超低空突防的飞行器,由于探测雷达大部分是在它的前方或前上方,所以其进气道、尾喷管、排气口等设计与前者相反,如“战斧”超低空巡航导弹等。


雷达隐身材料


雷达隐身材料的应用对隐身技术来说也是很重要的,如果通过合理的外形设计将飞行器的RCS值减少75%以上,那么再使用隐身材料,就可进一步将该值提高到90%以上。雷达隐身材料主要分为雷达透波材料和雷达吸波材料(RAM)以及导电材料。

透波材料 透波材料是一种对电磁波很少发生作用或不发生作用而对其保持透明状态的非金属类复合材料。大家知道,雷达发射的电磁波碰到金属材料时,除一部分被反射外,容易在金属材料中感应生成相同频率的电磁流。电磁流的流动会建立起电磁场,向雷达二次辐射能量。而透波材料则不同,由于材料本身是由一些非金属材料和绝缘材料组成的,故其导电率要比金属材料低得多。因此,当雷达发射的电磁波碰到复合材料时,难以感应生成电磁流和建立起电磁场,所以向雷达二次辐射能量少,最普通的有石墨环氧树脂、凯夫拉等。但由于机体内有其他金属材料制造的发动机、导线和电子设备等,透波材料在减小雷达散射截面积方面作用并不大,不过作为易剥离吸波材料的保护外套或主动隐身技术(如等离子隐身技术)的屏蔽容器应用还是极其重要的。

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吸波材料 吸波材料(RAM)是指能够通过自身吸收作用减少目标雷达散射截面的材料,按吸收机理不同,可分为吸收型、谐振型和衰减型三大类。但其基本原理都是使入射的雷达波能量在分子水平上产生震荡,并通过该运动的耗散作用而转化为热能或其它形式的能量,从而有效地弱化某些关键部位的雷达回波强度。吸波材料又包括如下几种。

• 涂敷性吸波材料 涂敷胜吸波材料也就是涂敷在飞行器表面用来吸收雷达波的涂料。它分普通型、放射同位素型涂料和纳米隐身涂料等几种。

普通型涂料主要是各种铁氧体材料,即在氧化铁类陶瓷材料中加入少量的锂、镍等金属,如用于厘米波段隐身的锉(或镍)锡铁氧体等。F-117A 隐身飞机的表面采用了铁氧体吸波涂层。目前研制出的普通型隐身涂料种类多、效果好。如1987年美国研制出一种非铁氧体基吸波材料,由多种视黄基席夫碱盐组成的含双键的聚合物,其吸波性能良好,重量仅为铁氧体的1/10,对雷达波的衰减可达80%以上,此外美国研制出的另一种新型“铁球状”吸波涂层,价格便宜,涂敷方便,可耐500℃高温,可喷涂在发动机风扇和压气机叶片上,显著地降低了发动机叶片在旋转时反射和衍射的回波,是飞机发动机隐身良好的涂料。

放射性同位素涂料又称有源吸波材料或主动等离子隐身材料,它以钋-210、锯-242、锶-90等放射性同位素为原料,其原理是通过放射性同位素衰变辐射的高能粒子,轰击周围空气分子,形成等离子屏,等离子可吸收高于自己频段的电磁波,对低于自己频段的电磁波则产生绕射、散射、反射,造成雷达的测量误差。其特点是吸收频带宽,反射衰减率高,使用寿命长。但是缺点也很明显:首先,等离子体本身产生的电磁波极易被敌无源被动探测系统发现;其次,等离子体屏蔽雷达探测信号的同时也屏蔽了飞行器自身的导航、通讯、火控等电磁系统,使飞行器和外界失去了联系,成了聋子和瞎子。最要命的是放射性涂料对其乘员和维护保障人员有很大的危害,因此很少被采用。


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纳米隐身材料是将某些吸波材料加工成纳米级,利用纳米材料的特殊结构与入射雷达波相互间产生的量子尺寸效应及隧道效应等来达到很好的吸波效果。如普通的铁氧体材料加工成纳米级,其吸波能力将大增。美国空军在2002年试验的一种新型纳米级磁性雷达吸波材料(AHFM),其除了具有更好吸波性能外还可显著减小维修量。它是一种永久性覆层,隐身飞机上约90%的可卸蒙皮板用这种材料处理,固定这些板的固紧件也涂有这种材料。技师可简单地卸下固紧件和蒙皮板来检修轰炸机内部的系统,所用的方法基本上与检修非隐身军用机相同。如果这种材料满足预期的性能,则它将在今后7年用于 20架B-2轰炸机上。

• 结构型吸波材料 这种材料采用高强度宽波段吸波性的轻质耐热复合材料作为飞行器结构材料,由多层结构材料组成(至少有三层:最外层是透波层.中间层是电磁波损耗层;最内层是基板),具有反射抵消雷达波的特性。由于结构型隐身材料是以非金属为基体填充吸波材料形成的,因此,既是一种承力部件,又是一种具有优良的电磁波吸收性能的复合材料。

目前,国外研制的大致有吸收剂散布型、层板型和夹心结构型三种。吸收剂散布型是由热塑性PFEK、RPS等树脂纺成单丝和复丝,分别和碳纤维、玻璃纤维等特殊纤维按一定比例交替混杂成纱束,再将其编织成织物与同类树脂制成复合材料。 F-1l7的V形垂尾、F-22的机身和机翼蒙皮均采用了此吸波材料。

层板型是将复合材料制成多层结构,最外层为透波材料,中间层为电磁损耗层,最内层则由具有反射雷达波性能的材料构成。

夹心结构型是用透波性良好且强度高的复合材料作面板,以蜂窝结构、波纹结构或锥形结构作芯子,再用石墨、磁粉、泡沫、铁氧体、碳墨等吸波材料填充而制成的复合材料。特点是重量轻,比刚度、比强度高,易做成复杂曲线结构,已得到广泛应用。例如B-1B、B-2、YF- 23等飞机上均不同程度地采用了该种材料,其中B-1B飞机上运用的该种材料竟占整个结构材料的30%。

其它新型隐身材料 目前,国外还在不断研究新的吸波材料,具有蜂窝结构、黑体结构、螺旋结构、旋光性结构以及利用其旋光色散特性吸收电磁波能量的柔性聚合材料;具有轻质宽频带特性的导电高聚物材料;靠电磁涡流损耗和磁滞损耗来降低电磁波辐射的多晶铁纤维吸收材料电流/磁流变吸波材料;半导体隐身材料;可具有感知功能、信号处理功能、自我指令并对信号做出最佳响应的新型智能型隐身材料(例如美国研制的精灵蒙皮材料)等等。相信在不久的将来,新型吸波材料及其相关技术可能会有新的突破,使飞行器的隐身能力更强。

雷达外形隐身技术、材料技术与机载天线技术等被动反雷达隐身技术有机结合起来后,飞行器的隐身能力比仅仅在外形隐身上有了进一步的提高,其RCS值可减少99%。虽然被动反雷达隐身技术发展迅速、应用范围不断扩大,占据隐身技术的半壁江山,成为未来隐身设计的主流,但也存在许多弊端。如采用隐身外形设计加工制造难度大,在一定程度上对飞行器的气动性能和弹药的装载量都有不利影响;吸波材料和涂层等研制复杂、不便维护、成本高昂。而且该隐身技术对长波段雷达,如米波雷达,隐身性能不佳,不便在现有三代机上改进等。目前,只有美国完全掌握了这种技术。


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主动反雷达隐身技术

主动反雷达隐身技术也称为雷达干扰技术,指采用有源干扰或无源干扰方法来规避敌方雷达探测设备探测的一种技术。由于它是一种积极主动的雷达隐身技术,相对于被动反雷达隐身技术来说,主动反雷达隐身技术具有成本低、易制造、容易在现有飞机上安装、维护简便等优点。该技术近十几年来越来越受到各国专家的重视,主要包括低截获概率雷达技术、电磁对消技术、具有压制性干扰和欺骗性干扰的射频干扰机/雷达诱饵技术、等离子隐身技术、锌铂条、角反射器等。


低截获概率雷达技术


这种技术就是在保证完成任务的情况下,尽量减少机载电子设备电磁信号被截获的机会,如自动管理发射功率,雷达一旦捕获到目标,立即自动将辐射能量降低到跟踪目标所需能量的最小值。在时间、空间和频谱方面控制雷达的发射,并快速改变其发射频率等,使敌方以为是杂波而难以发现察觉。例如 F/A-22 的 AN/APG-77 火控雷达系统就采用了这种技术,它由大约 2000 个很小的发射/接收模块组成有源电子扫描阵,可以同时进行搜索、干扰和通信功能。它可以在很短的时间内发出电磁波脉冲,而且似乎以随机变化频率和波形射向不同的地方,使敌方很难探测或者被搞得晕头转向。

F-22利用雷达等传感器和计算机存储器识别敌方的雷达信号,确定敌方雷达锁定目标所需的时间,以便在敌方雷达重新启动锁定循环的同时将雷达波束转到执行其他任务,并在适当时间转回来对敌方进行干扰,直到离开敌方雷达的探测范围。 F-22 的雷达对敌方雷达进行干扰时,只要分出一些发射/接收模块来发出一股很细的波束在很窄的频段内进行干扰即可。 F-22 采用的干扰方法可能涉及保密的速度门拉离和距离门拉离技术,以此来躲避敌雷达被动探测或反辐射导弹的攻击。与此同时, F-22 的飞行员还可利用其雷达来了解敌方的电子战次次序(EOB),术语是指确定战场上的电子信号,识别遇到的设备(如引导面空导弹的雷达)并精确标出它们的位置。


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电磁对消技术



由于雷达靠稳定的电磁波同波来探测目标,因此利用电磁对消技术,使飞行器等效为一个无反射体,那么飞行器就不会被雷达发现了,也就实现了雷达隐身,这就是电磁对消技术的原理。电磁对消可分为无源对消技术,即阻抗(或电抗)加载技术,以及有源对消技术,或称有源加载技术。


无源对消技术就是在目标表面引进另一个回波源,例如在表面开槽或开孔,通过合理设计,使其散射场和原散射场相抵消。这种方法的优点是不破坏原有外形,不增加自重,结构简单、制造容易、经济性好等。但这种方法只对简单形体容易实现,而对有众多散射中心的复杂目标,实现起来比较困难。此外,无源对消技术不可能覆盖所有频率,因此发展前景不大。

有源对消技术是建立在逆反射基础上的,目标必须能预知本身的电磁散射特性,然后发射一幅度与之相等、相位与之相反的电磁波,使之与目标本身的散射场相对消。要实现对消就要对目标本身成像,这就要求设计出一套先进的系统。该系统应其有多种功能,响应速度快,以便调整本机信号源的幅度和相位。有源对消法采用相干手段使目标散射场和人为引入的辐射场在敌方雷达探测方向相干对消,使敌方雷达接收机始终位于合成方向图的零点,从而抑制雷达对目标反射波的接收。目前,美国装备的 B-2 隐身轰击机所载的 ZSR-63 电子战设备就是一种有源对消系统,它主动发射电磁波来消除照射在其机体上的雷达能量,大大降低了自身的RCS。


雷达干扰技术


雷达干扰技术是现代飞机等飞行器应用最广泛最成熟的一种技术,已有几十年的历史。该技术利用雷达告警接收机、射频干扰机以及诱饵等进行电子欺骗和干扰,可使作战飞行器战场生存能力提高50%以上。通过全向雷达告警在360°范围内探测接收来自地面和机载的电磁波信号;用先进计算机鉴别战斗机可能遭到威胁的雷达工作频率,用射频干扰机发射这种频率脉冲,使敌方雷达屏幕上出现虚假信号;或在兵器上安装干扰机,不断发射干扰信号;或采用先进的空射或拖曳诱饵系统。这种诱饵能辨认敌方雷达或红外探测信号,并能快速产生对抗信号,使敌方误认为诱饵是真目标。目前,美欧空军都十分重视雷达电子干扰技术,大部分现役战斗机,如 F-15、 F-16、F/A-18、EF-2000、“阵风”等都装有先进的雷达电子干扰设备。


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等离子体隐身技术


等离子隐身技术是目前谈论最多的一种隐身技术,很多苏俄武器迷对它寄予厚望,希望这种技术与苏式超级机动战斗机结合,可以打造出能够与美式新战机一较高低的未来超级战斗机。

这种隐身技术依赖的等离子体是指当任何不带电的普通气体在受到外界高能作用后,部分原子中电子成为自山电子,同时原子因失去电子而成为带正电的离子。这样,原中性气体变成由大量自由电子、正电离子和部分中性原子组成的新气体,该气体被称为物质的第四态或等离子态。等离子体能够吸收雷达电磁波。当外界雷达波的频率高于目标等离子的本底频率时,高频雷达的波信号进入等离子体,通过波与带电粒子的相互作用,把波的能量转移到等离子体的带电离子上,从而减少反射回雷达站的电磁波信号。

当外界雷达波的频率低于目标等离子的本底频率时,电磁波具有绕过等离子体的倾向。这是因为等离子体对电磁波来说相当于一个凹面镜,电磁波进入等离子体后会偏折方向,自然绕过等离子体,从而绕过被等离子体包裹的物体。

等离子体能够使反射的电磁波失去原有的频率和相位特征。入射的雷达电磁波信号在等离子体中会通过散射而发生频谱展宽、频移、相移,甚至通过激发不稳定性而发生模式转化,使得出射电磁波完全丧失入射电磁波的特征。即使雷达站截获反射信号,也无法计算得到目标的准确位置和速度信息。

生成隐身等离子体的方法主要有脉冲放电式、电子束式、微波/激光激发式、碱金属燃料燃烧、放射性同位素涂层等。

脉冲放电式即在低温下,通过电源以高频和高压的形式提供的高能量产生间隙放电、沿面放电等形式,将气体介质激活,电离形成等离子体。

电子束式是一种仿照老式电视发射机的阴极电子束产生装置,在真空中产生电子束,将气体介质激活,电离形成等离子体。


碱金属燃料燃烧是在燃料中掺有铯、钾、钠等易电离成分,从而形成火箭和喷气式发动机的燃气射流,这些都可以形成弱电离等离子体。


微波激发式采用微波与自转磁体的组合方法激发易电离气体介质,生成等离子体。


激光激发式采用激光激发易电离气体介质,生成等离子体。


放射性同位素涂层是在飞行器的特定部位(如强散射区)涂层放射性同位素对雷达波进行吸收。与前者相比,放射性涂料对其成员和维护保障人员十分危险,维护困难且维护成本极高。(注:在这里有必要说明一下,被动隐身技术与主动隐身技术有时难以截然分开,例如在被动隐身技术中采用放射性同位素涂层产生等离子隐形的功能也包含了积极的隐身技术成分)。

隐身等离子体的存在形式目前在飞行器表面产生隐身等离子体的存在方式分为外部开放式(开式)和封闭循环式(闭式)以及二者混合式。


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外部开放式 就是用于隐身的等离子气体是覆盖在飞行器体表上。根据产生等离子体物质的来源不同又分为大气电离式和携带工作气体介质等离子体发生器。其中,大气电离式就是采用各种激发方法将飞行器外表面的大气电离而形成等离子体,通过大气等离子体来吸收反射干扰雷达波而达到隐身目的。而携带工作气体介质等离子体发生器是利用放电、微波等各种激发方式将工作气体在发生器内电离,然后利用压力差释放到飞行器外面形成等离子体层,从而达到隐身目的。显然,这种发生器相对于大气放电形式具有结构简单、工作可靠、维护便利、成本低廉等优点。

外部开放式等离子体隐身技术与传统的被动隐身技术相比具有很多优点:吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好(尤其对长波)、对飞机的外形没有特殊的要求、无须改变飞机的气动外形设计。此外,在气动上利用等离子体隐身技术还可以大大减少飞行阻力,经试验减阻可达 30%。其缺点主要有对电源要求高,电源要有较高的功率。大气放电需要超过万伏的高压、要覆盖整个飞行器的表面,必须大功率电源才能产生足够量的低温等离子体,能耗太大,电源和燃料都太重。因此,用大气压放电的方法产生包覆整个飞行器的等离子体层不太现实,只能用在重点强反射部位。而等离子发生器也面临同样问题。

外部开放式等离子体流场难稳定维持,很难形成大面积均匀等离子体覆盖层。在大气中高速运动的飞行器表面低温等离子体极难控制。磁约束系统太重,能耗太大,亦不可行,要在飞行器表面形成长时间稳定的大面积均匀等离子体更非易事。

等离子体产生器对于机载弹药也十分危险。产生等离子体通常需要高压,甚至高频微波来电离气体,有引爆机载油料和弹药的潜在危险。等离子体屏蔽雷达探测信号的同时也屏蔽了飞行器自身的导航、通讯、火控等电磁系统,使飞行器和外界失去了联系。


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此外,其最致命的缺点是等离子体自身也辐射一定频率的电磁波(尤其是本底频率),极容易被敌方采用无源被动雷达所探测。另外,开式等离子体有强烈的可视和红外信号源,容易被目视(夜间)和红外探测所发现和攻击,应用前景受到很大限制,不容乐观。

因为开式等离子技术存在上述的种种缺点,限制了其在飞行器上广泛的采用,顶多用在重点强反射部位,其它部位还得使用常规隐形方法。目前只有美国“三叉戟”型潜射弹道导弹装备采用了这种等离子隐身技术。

•封闭循环式 为了解决外部开放式等离子体隐身在大气中高速运动时飞行器表面等离子体难控制、流场难维持稳定以及降低可视和红外信号等问题,科学家自然想到了采用向日光灯那样将等离子体密封屏蔽在透波的材料中的办法。美国早在上世纪 80 年代初就实验了将等离子发生片布置在以酚醛树脂为透波封闭材料的隐身无人机技术,其基本原理就是将等离子发生装置产生的等离子体封闭在酚醛树脂为表面透波材料密闭的空间内,这样做不仅能减小发生器的体积重量、发射功率、还节约了能量,等离子发生器的开闭可自由控制,以实现飞机的隐身或不隐身两种状态。

除了在气动上不能减阻外,相对于开式等离子技术,采用各种透波材料制作的真空腔体内放电激发等离子体的封闭循环式具有的优点是:控制简单,类似控制日光灯,可以解决屏蔽自身通讯问题,激发功率也小得多。最简单的直流辉光放电就能满足要求,消耗能量少、等离子的密度高、对电源的要求低、重量轻、用透波材料制造瓦片覆盖飞行器表面,非常容易实现长时间稳定的大面积均匀等离子体。而且因为是在腔体内放电,不受外界气流的影响,无论周围大气多复杂、气压变化多大、空气成分如何、飞行器运动多快、飞行姿态如何、甚至在空气稀薄的大气层之外也没有任何影响。

采用封闭式等离子隐身的最大难点在装配制造上。如果将飞机的所有表面上铺设闭式等离子材料,其一是结构重量增大,影响机动性能。另外,最难的是飞机机身与机翼接合处、进气道、座舱、起落架、尾喷口等外形复杂的过渡如何加工制造及铺设(这就要求飞机有像 B-2 那样简单一体化的外形设计),因此将闭式等离子体隐身装置瓦片覆盖整个机身表面也不太现实。 B-2 就采用将闭式等离子体隐身装置瓦片覆盖在飞机局部雷达回波强反射区内的方法。它的缺点是载机雷达如何在被动工作状态探测工作以及主动工作时隐身的问题。

自20世纪60年代以来,美国、苏联等国就开始研究等离子体吸收电磁波的性能。美军早在 80 年代就秘密掌握了等离子隐身技术,并成功应用在弹道导弹和 B-2 大型隐身战略轰炸机上 。近年来,等离子体隐身技术在俄罗斯也取得了突破性进展。


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1999年初,俄罗斯克尔德什研究中心就已研究开发出第一代和第二代等离子体发生器(其实这两种都属于外部开放式等离子体隐身技术)并在飞机上进行试验获得了成功。据悉,其第一代产品是等离子体发生片(高频大气放电式),其厚度为O.5-0.7毫米,将该发生片贴于飞机的强散射部位,电离空气即可产生等离子体。第二代产品是等离子体发生器,在等离子体发生器中加入易电离气体,经过脉冲放电,对电离介质的电离,即可在发生器安置部位周围产生等离子体云层。经飞行试验证明,它不仅能减弱雷达的反射信号,还能通过改变发射信号频率实现隐身。

目前,克尔德什研究中心正在应用新的物理知识研制效果更好的第三代产品。据称,第三代产品可能利用飞行器周围的静电能量来减小飞行器的雷达截面。不过笔者认为,俄罗斯遮遮掩掩所谓第三代产品也不过是像 B-2 那样采用的是封闭循环式等离子隐身技术罢了。另外,英、法等国在等离子体研究领域的某些方向上也取得了突破性的成果。如法国航空航天研究院成功地研制了完全隐身的等离子体雷达天线。这种等离子体天线将首先用于反导弹防御系统的预警及跟踪,海军则用于对远程超声速反舰导弹的防御。另据报道,法M-51弹道导弹可能也将采用等离子隐身技术。

综上所述,无论是外部开放式和封闭循环式等离子主动隐身技术,其相对于传统的被动隐身技术具有优点是:吸收、反射、干扰的频带宽、效率高、隐身效果好(尤其对长波),其中外部开放式对飞行器外形没有特殊要求、无须改变飞机的气动外形设计,还可以大大减少飞行器飞行阻力等。但该技术也存在着许多缺点和不足:要想实现飞行器整体隐身,就得使等离子体层覆盖整个飞行器表面,导致所需电源功率极高,整体设备体积庞大笨重。以今天的科学技术,这种飞行器的能否飞行还不得而知。


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此外,其致命的缺点是等离子体自身也向外界辐射大量的电磁波(尤其是本底频率),极容易被敌方采用无源被动雷达所探侧,如捷克“维拉”、美国“寂静哨兵”反主动隐身雷达或者利用 F-16 在 2003 年就实现的 AT30 战术目标定位技术。实际上该技术就是利用三角定理与多普勒原理实现对包括地面、海上和空中目标的辐射源测距定位,以及对敌方与空防有关的射频辐射源进行快速和精确定位。 3 架飞机联网并共享精确信号测量结果,在不使用任何外界硬件的情况下,能够覆盖从 360°方向上任何角度来的敌方辐射源进行快速精确定位。

那种奢望将等离子体覆盖整个机身表面而实现全面主动隐身的想法还不太现实,只能应用在某些局部的雷达强反射区。所以只有等离子隐身技术(适合用于在远程对长波段雷达隐身)和其他隐身技术综合互补,才能取得更好的效果。

红外及可见光隐身技术

就设计目标而言,一架标准的隐身飞行器首先要避开雷达探测,此外还需要通过减少红外辐射、目视、声频、排气尾迹以及航空电子信号等可探测信号特征来降低被敌方探测的概率,后者所占比重约为15%。红外隐身技术和可见光隐身技术作为雷达隐身技术的补充近年来也获得了一定发展。



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