(图文并茂)四代机基本知识 之 隐身

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导读:转帖自尊敬的:常长真臻 常长真臻一直苦于不会发图,所以很多帖子都不好发,现在好了,经群里朋友的点拨下,终于会发图了,那么就可以痛快的发帖子了。 网上很多网友发的四代图都是自己随性想象画作,并没有很好的理论参照,大多停留在表面。而我发的这帖子,将会有大量的理论数据作为后盾,并同时将进行大量的科普图文讲解,虽然会很长,但绝对不会枯燥。这样美言网友看后,就能明白到为什么要这么设计,并且相信大家看了后对自己的军事知识会有个很大的飞跃。 而隐形将最先开讲,因为四代机的隐形太重要了,后面讲的所有

转帖自尊敬的:常长真臻



常长真臻一直苦于不会发图,所以很多帖子都不好发,现在好了,经群里朋友的点拨下,终于会发图了,那么就可以痛快的发帖子了。

网上很多网友发的四代图都是自己随性想象画作,并没有很好的理论参照,大多停留在表面。而我发的这帖子,将会有大量的理论数据作为后盾,并同时将进行大量的科普图文讲解,虽然会很长,但绝对不会枯燥。这样美言网友看后,就能明白到为什么要这么设计,并且相信大家看了后对自己的军事知识会有个很大的飞跃。

而隐形将最先开讲,因为四代机的隐形太重要了,后面讲的所有内容都是离不开隐形的。好了,下面进入正题。


四代机之隐身


作为一款四代重歼,具备高隐形,高机动,超音速巡航等这些是必备的基本能力。在与美帝F22对抗的过程中,我们必须处于相似的水平,这样才能具备对抗的能力。在四代机中,隐身是非常重要的一个因素,那飞机如何做到隐身呢?


现代战场漫天飞舞电磁波,面对复杂电磁环境下,不明真相的群众路过,雷达为了避免复杂电磁环境的干扰,在****的先进思想指导下,采用各种先进的信号处理手段,把那些杂乱的电波和谐掉,只有构建出和谐的电磁天空,才能找到某位外部特征明显的打酱油路过的同志。但那位外部特征明显手里拎着酱油瓶的同志,岂会束手就擒??于是那位同志经过一番乔装打扮,做了顿面部整容手术后,把手里准备砸人的酱油瓶藏在内衣内裤里。这样在复杂电磁环境下,就能蒙混过关了,或者推迟被发现的时间,给自己争取到足够的时间丢酱油瓶,这样的话,隐身的目地也就达到了。


雷达波发射出去了是一回事,回波就又是另外一回事了。事实上,雷达回波的强度跟被照射物体的形状有很大的关系。我们假设一块一平方公尺的方板,但他正面垂直对着雷达时,得到的雷达发射截面大约是一千平方公




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正面垂直面对雷达



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如果我们把方板弯个角度,数据就会骤减为0.1平方公





事实上,还可以做的更厉害点,把方板斜45度,从正面看像个菱形。




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事实上,还是那块方板,面积根本不变,但如果我们把这菱形也弯成一个后倾的角度。那么数据就会降的更厉害,直接成0.001平方公尺




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可以看到,同是一块方板,我们把它用不同的角度对准雷达,反射的截面积从1000平方公尺变成0.001平方公尺。变化相差了整整100万倍!!!!!所以,如果把一架飞机的外形,做成像菱形那样。那他的雷达信号会变的极其小,隐身的效果就处来了。因而自然有人想到了这个外形布局。





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怎么样,这个外形就是上面讲到的倾斜的菱形。其实这就是洛克希德马丁公司最早的方案。够科幻吧。什么?有些美言老鸟看着有点眼熟?没错,这就是大名鼎鼎的F117夜鹰型隐形飞机最早的方案!!!!






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F117的方案,第一个图的外形就是这么来的,但是后来研究发现这个菱形方块根本飞不起来,所以后来把两侧拉长,加了个内倾尾翼,成了第二张图的模样







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这个验证机被称之为Have Blue,已经有夜鹰的影子了。而上面的第三个就是真正量产型的F117。第四个方案,加了尾翼的是个海军型的,后来项目被取消。






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海军型的F117,当然叫海鹰了。






F117毕竟是第一代的隐形飞机,这飞机最大的毛病在于为了追求隐身而导致机动性超级差,而且很多地方受当时条件的限制,计算机只能处理二维面,所以处处棱角分明。在南联盟被打下一架后,他的地位就急转直下,因为缺点突出,没几年后就开始退役,到2008年,全部的F117退役,一代名机,就这么匆匆下场,无不让人感慨。。。。。






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科索沃战争中,被打下来的F117残骸


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这架F117被拆毁,遇到暴力拆迁队,死都不能落个全尸,真是惨。




雷达波也是一种波,所以它具有波的普遍特性。一般而言,波长越长它的频率就越低,而波长越短,他的频率就越高。比如蝙蝠嘴里发射的超声波,就是一种波长短而频率很高的声波,波长短是因为蝙蝠的嘴巴小,只能发出窄的波。高频率的超声波具有指向性好,精度高,不易受干扰,信号回馈速度快,但传播距离短的特点。而低频率的长波则具有相反的特点




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古代人天天看星星,于是成了天文学家。天天看河流,于是成了水利学家。天天看石头,成了地质学家。现代人天天看蝙蝠,于是雷达出现了。。。。。。。。囧






雷达的工作频率跟他的工作性质密切相关,当频率低于3MHz时。这时候,电磁波可以沿地球表面传播,而不受地球曲率的影响,所以可以传播的很远。由于雷达电线的尺寸跟雷达的波长成正比,所以这种低频的长波雷达尺寸向来十分的巨大。






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苏联早期的远程警戒雷达,对比下面的楼房,就可以知道这雷达有多大了。由于雷达天线的尺寸跟波长成正比,所以大家就可以估计这雷达波的波长有多长了。它的传播距离非常远,是用来监视美国的弹道导弹的。






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这个是雷达各频段的名称。其中频率低的L波段主要用于远程警戒雷达,S波段用于中程警戒与跟踪,X波段由于体积小,所以用于空中或其他移动场合,多普勒导航雷达也是X波段雷达。由于S波段跟X波段是目前应用最广泛,最主要的工作频段,所以隐形飞机的隐形主要就是针对这些波长做文章。


不同波长的电磁波打到飞机上截获的目标截面积RCS(radar cross section)的差异很大。总的来讲,主要分三种。


1.低频区:当雷达波的波长大于目标尺寸时,入射场的相位跟振幅都没有什么变化。这时候整个目标都参与散射过程。所以他的形状和细节并不重要,主要取决于他的体积。换句话说,任你是李逵还是李鬼都不重要,它只要知道有人来了就行。


2.谐振区:当雷达波的波长跟目标尺寸相近时,入射场的相位跟在目标长度上的变化很明显。目标的每一部分都会影响到另一部分的场强,每一点的回波都是由很多部位相互影响的叠加。所以很难预测回波的性质。这时候它还是很难分清李逵和李鬼。


3.高频区:当雷达波的波长小于目标尺寸时候,它的散射符合光学定律,目标形状间的相互作用可以忽略不计。它的总散射可以理解为某些局部散射的单独合成。这个时候,它就能分清李逵和李鬼了,并知道了李逵是拿斧头的,李鬼是拿狼牙棒的。






由于防空雷达和机载雷达都处于分米波和厘米波段,这些波长都小于目标尺寸,处在高频区。所以隐形飞机的研究主要就是对付这些波长小于目标尺寸的波段。但我们也可以看到,对于波长长的米波雷达等,由于波长大于目标尺寸,所以目标的形状不重要,整个目标都会发生散射,所以能有效提前发现隐形飞机。这是一种预报隐形飞机的很好手段,听群里人讲,我们的远程雷达就曾照射到在日本起飞的F22战斗机






由于雷达有效探测距离和RCS的四次方根呈正比关系。所以要想使探测距离缩短一半,那么目标的雷达截面积(RCS)就要缩小为原来的1/16。换句话说,除非使用隐形手段,否则单纯的依靠减小飞机的尺寸并不能有效减小雷达反射面积。


所以要想有效减小雷达反射面积,采取隐形手段才是王道。前面说过,由于目标的散射在高频区,他的总散射场可以分解为某些局部散射场的合成。那么那些局部的点,线,面的散射源就成了要研究的重点。对于散射回波,主要分有镜面散射波,绕射波和行波,爬行波这几个种类。


对于镜面散射,当电磁波打到光滑的表面时候,能发生镜面散射,就像初中学的光的反射现象一样,由于镜面散射能把大部分电磁波的能量完整的散射回去,所以是一种很强的散射源。另一种强散射源就是边缘绕射。当电磁波打到棱线的边缘时,镜面反射已不存在,这时候,电磁波会沿着边缘产生无数条绕线。边缘绕射是最常见的散射现象,也是一种较强的散射源。当飞机在雷达区消除了镜面散射后,边缘绕射就成了主要的散射源。






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边缘绕射是最常见也是最重要的散射源,当飞机镜面散射消除后,边缘绕射就成了主要的散射源。比如机翼和一些部件的连接处,都容易造成边缘绕射。





除此以往还有几种弱散射源,比如尖顶散射。当电磁波打到尖顶,比如飞机机头时候,会在机头出发生绕射,但这是种弱散射源





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尖顶散射是种弱散射源




还有一种就是行波,当电磁波打到物体表面时,电磁波会沿着物体表面进行爬行。这种爬行波在爬行过程中遇到表面不连续处,不同物质的交界处,缺口出等任何有剧烈变化的地方都会向外散射出电磁波,当它爬到物体末端无处可走时,就会产生绕射波。并同时沿着原路返回,在返回途中,遇到任何不连续处会发出第二次散射。





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可以看到,在表面任何有剧烈变化的地方,都会产生散射。







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一个爬行波的走势图,当雷达波打到飞机时,沿着机体表面爬行,从头走到尾到没路的时候,再沿原路返回,并不断发出散射,不幸的是,这返回的行波的散射方向是直对着雷达方向的。所以飞机表面一定要极力避免出现任何不连续处。






除了上面的一些反射外,还有两个重要的反射源,那就是角反射跟腔体反射。如果两个面互成90度角,那么入射电磁波会在里面互相反射后成强烈的回波,是个强烈的反射源,而对于腔体,也会有相似的情况,也是个强烈的反射源。






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对于飞机机头的雷达整流罩而言,如果是不透波的,那么机头就会有尖顶散射,是种弱散射源。如果是透波的,那么入射雷达波就能“看见”里面各种设备从而构成多角反射器,成了一个强反射源。图上的这个F35用的APG-81雷达,就呈一个斜上的角度固定在那,避免互成90度,来减少反射面积。






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对飞机座舱而言,存在腔体反射,是个强反射源。对于此,F22的座舱玻璃罩涂有金属导电层,来减小反射面积。所以F22的玻璃座舱盖有明显的金属感。






那么,在雷达面前,飞机要如何修改才能做到隐身呢?我在最开始,介绍了F117的外形布局来源。这说明,外形的修改其实能很大的影响飞机的RCS值,事实上,飞机外形的优化一直是最好的隐形手段。但除此之外,隐形飞机要应该做到:


1. 飞机表面要尽量的平滑过渡,尽量不要有任何缺口,突出物等任何剧烈改变的地方。





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上面两图可以明显看出,表面的完整跟有缺口的物体对RCS的影响很大。隐形飞机要极力避免出现各类不平滑的地方。














2. 把强散射源变成弱散射源






对于一个球体而言,当雷达波照射过去后,它总存在一个方向,是正对着雷达波,因而会形成一个强烈的镜面反射。解决办法就是把它拍拍扁,再把边缘捏的尖尖的(这不就成了一个UFO了么。哈哈),成了边缘散射或尖劈散射。这样一个强的镜面散射源就变成弱散射源。


事实上,圆柱体或纺锤体都会产生镜面散射。普通飞机的机身就可以看成一个圆柱体,它是个强烈的散射源,解决办法就是把机身边缘做的尖尖的,形成尖劈角来减小RCS值







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这个样子怪怪东西是诺思罗普为研究隐身而研制的Tacit blue研究机。注意到他下面的边线条了没有?这个边线条的作用就是把强散射源变成弱散射源。通过尖锐的线条,把雷达波“劈开”,并让雷达波一路沿着边线爬到尽头的尖锐角,再让它从尖锐角处呈尖顶散射开来。这样几经折腾,散射出去的能量就非常小了。









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飞机的尾喷口是个腔体,也是个强散射源,解决办法就是把喷口做锯齿处理,把强信号特征的边缘绕射改为弱的尖顶绕射,减小反射面积。这架F35B的喷口正在往下转动,锯齿的喷口清晰可见




3.对强散射源进行遮挡






对发动机口这些无法避免的强散射源,就应该进行一些遮挡来减小RCS,比如对发动机进气口进行遮挡,采用S型进气道,或者像B2那些采用背部进气道,这样地面的防空雷达就照射不到B2的发动机口了,这样就能减少RCS。












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F117的发动机不仅放在机背,地面防空雷达无法照到发动机口,而且在进气口有金属格栅,用来遮挡雷达波。








4.控制散射方向






比如采用大后掠角机翼,这样从前方照射来的雷达波经过大后掠翼后,能把散射的回波传到雷达的非危险区域。F117的后掠翼非常大,这样就能把回波呈大角度的散射开,不易被雷达接收到。对于存在的垂直角反射区域,由于垂直尾翼跟尾翼呈90度,是个强烈的散射源,所以可以改成V型垂尾,避免角反射。事实上,隐形飞机的任何部位都要避免互成90度的夹角。





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F117的V型垂尾,这样避免了和机身成90度的夹角。而且F117的垂尾,机翼和机身各部分后掠的非常大,雷达波从前面照射来,都被反弹到了那遥远的远方。。。。。。








事实上,还有一种方法,就是集中把回波的能量控制在很窄的几个方位内。就好像黑夜里你打开大灯,对面有人拿镜子对你晃一下,你只会看到一闪而过的光线。这样就算你看到了闪过的光线,但你还是无法确认他的方位。







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注意划红线的部分,所有的红线都是平行的,这样就把控制面集中在同一个方向上。B2的特殊外形布局,把散射面集中控制在4个方向角上,这样就算在某点被雷达照射到了,但由于一晃而过,RCS值瞬间又变的急剧小,在雷达屏幕上就只出现一晃而过的点,雷达并不能准确捕获到他。






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F22也是这样,注意看他所有的棱线,都一致集中在几个方向上,整齐划一。连尾喷口都做了相同的处理。甚至他表面所有的锯齿都不是胡乱开的,方向性都保持一致。对每一个细节都不放过。




吸波材料




由于飞机的隐身特殊布局会受到空气动力学的限制,它的作用是有限的。要想进一步降低雷达的RCS,另一个有效方法就是用吸波材料。因为隐身不仅跟物体的外形有关,而且也和物体的电磁特性有关。吸波材料的基本功能就要求当电磁波穿过材料时候,电磁能被损耗,转化成热能并散失掉。怎么样,有点像电流经过电阻时的能量损耗吧?其实吸波材料依据的就是这个原理。


吸波材料又分两种,一种是涂上去的,另一种是结构型材料(如复合材料)。早期的隐形飞机F117和B2,用的都是吸波涂料,所以每飞一次回来,就要重新涂上一遍,而且飞机还要付出额外的重量代价,很不划算。






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U2其实最早使用了吸波涂料,用的是铁氧体涂料。黑色的铁氧体吸波性能好,据说F117用的也是铁氧体涂料。只可惜他们都被打下来过。






而对于复合材料,由于他本身就具有一定的透波性和吸波性,而且复合材料比金属材料的强度好,抗疲劳度高等优点,所以现代战斗机越来越喜欢用复合材料。

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