发信人: haoke()
整理人: only(2000-07-23 15:19:55), 站内信件
|
隐身古已有之,但只是众多作战手段之一,技巧也不外乎是利用服装、地形
地物和夜色隐蔽接敌和隐蔽撤离。自从美军的F-117“夜隼”式战斗机在巴
拿马的“正义行动”作战中首次粉墨登场,继而在海湾战争中大出风头以来,隐
身已成为各国军界和新闻界的热门话题,甚至在很大程度上被神秘化了。隐身分
雷达、红外、声学和光学隐身。另一方面,隐身又可分为主动隐身(如干扰、诱
饵等)和被动隐身(如吸波、消声等)。同时,除技术手段外,战术手段也可实
现隐身目的。对于陆战来说,这就是利用地形地物和夜色;对于海战来说,利用
岛岸和风浪也可达到类似目的;对于空战来说,超低空和飞向太阳早已是常用战
术。从这一角度来说,解放军的近战夜战传统远不是什么野路子或人海战术,而
是土八路对现代战争艺术的无师自通。其夜战即是对隐身概念成功的战术应用,
其近战则除有不让敌人发挥重火力的好处外,更和现代运筹学中经典的兰切斯特
平方率(即数量化的集中兵力原则)有异曲同工之妙。本文主要讨论雷达和红外
隐身的技术手段。现在让我们用科学的手术刀,把隐身的神秘外衣揭开。
雷达隐身之一:被动雷达隐身
雷达是现代战场上尤其是海空战中的主要侦察手段。雷达靠稳定的电磁波回
波来探测、锁定目标的。众所周知,隐身的目的不在于从敌方雷达上彻底消失,
而在于推迟敌方雷达发现并锁定我方目标的时机,或减少我方目标暴露于敌火之
下的时间。被动雷达隐身的关键在于削弱回波或使回波闪烁不定。
现代雷达按工作波长来分有米波(常用于远程预警)、分米波(常用于地空
搜索和空战指挥)、厘米波(常用于机载和防空火控雷达)和毫米波(常用于灵
巧武器),按脉冲重复频率来分有高(长于测角)、低(长于测距)和中频(两
者的折衷),按工作体制来分有单脉冲(长于远程探测)、连续波(长于精确跟
踪)和脉冲多普勒(长于捕捉移动目标),按搜索模式来分有线性搜索(多用于
大范围搜索)和圆周搜索(多用于火控)。简言之,形式繁多,特性各异。
雷达回波也分直接反射和漫反射。直接反射即一般光学意义上的前向反射(
即通常所说的入射角等于反射角)。除非反射面正对着雷达,或入射波通过多次
折反射返回入射方向,直接反射一般不为雷达所见。和前向的直接反射不同,漫
反射是侧向和后向的。漫反射的强度和电磁波长成正比,和反射面尺寸成反比。
也就是说,当电磁波长加长和反射面尺寸减小的时候,直接反射渐趋消失,入射
能量大部分通过漫反射散射出去。
雷达探测距离和雷达反射面积成四次根关系,也就是说,如果雷达反射面积
小十倍,雷达探测距离只缩短一半都不到。所以,雷达反射面积必须缩小很多,
才能达到隐身目的。换句话说,除非采取隐身措施,简单地缩小飞机的物理尺寸
对减小雷达反射面积效果不大。顺便说一句,雷达反射面积是几何截面积、材料
对雷达的反射率和反射的方向性的合成结果,所以雷达反射面积可以比几何截面
积大,也可以比几何截面积小,就好像在黑夜里手电照射下,一块小镜子可以远
比一个蒙面黑衣大汉显眼。作为参照,美国的F-15的雷达反射面积为405平方
米,B-1B为1.02平方米,SR-71为0.014平方米,F-22A
为0.0065平方米,F-117A为0.003平方米,B-2A为0.0
014平方米。
雷达回波强度也和反射面的形状有很大关系。就一块方板来说,假定电磁波
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
着雷达直立的方板和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度时,两者相当;完全放平时(如果厚度不计),则反而要小
50倍。如果把方板转45度,即一个角冲着雷达,则后倾八度时回波强度已经
和圆球相当;放到接近水平时,还可进一步降低一万倍。也就是说,若要隐身,
不光要减少和雷达入射方向成直角的平面,还要减少和雷达入射方向成直角的缝
隙和边缘。显然,飞机发动机的风扇或压气机形成最大的反射正面。因此,采用
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,背部进气道和尾喷管也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。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。进气道的平直唇
口和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,所以F-117
A和F-22A上进气道都呈斜角后倾,各种开口都是锯齿形的前后缘。
另外,机头锥、机翼和尾翼前缘和机身也形成一定的反射面,所以F-22
A和其他隐身设计都采用尖锐的机翼和尾翼前缘。F-22A机头锥和机身有一
条折缝线,前机身截面也是菱形而不是常规的椭圆形,以达到“以角代面”。从
侧面来说,直立的垂尾是最大的反射正面。单垂尾时没有办法,双垂尾时应予以
适当内倾或外倾。采用V形尾甚或无垂尾设计更可减小总反射面积,并减轻结构
重量。但V形尾对高机动战术飞机来讲气动设计和飞行控制难度较大,无垂尾设
计更要求可靠的三维喷管和比V形尾要求更高的飞行控制系统。
另一个显著的反射面是雷达天线本身。要使雷达天线既是强反射/聚焦体,
又是隐身体,确是一件难事。F-22A采用主动相控阵雷达,用两千多个发射
/接收单元将一个大抛物面反射天线化整为零,既保证天线的灵敏度,又不致强
化反射回波,就好像用一大束手电代替一个探照灯。但具体技术细节各国讳莫如
深。主动相控阵雷达还有多波束、低旁瓣、不需机械回转的优点,有利于快速跟
踪和充分利用机头锥截面积。
除了上述细节外,机体的总体外形应在气动和其他条件许可时,尽量减小单
一连续平面的面积和加大气动表面和雷达入射方向的夹角。由于计算能力的限制
,F-117A只能采用二维隐身设计,机体表面呈多面体形状。这种多面体除
加大电磁波入射角外,还可象迪斯科舞场的镜面球一样,使残存的雷达回波闪烁
不定,而且集中在几个方向,粗看起来象不规则的白噪声一样。将所有机翼、尾
翼和舱盖的锯齿前后缘平行,也可使雷达回波集中在几个方向,达到类似的效果
。
但是,多面体外形对气动性能不利。随着计算能力的提高,B-2A和F-
22A采用了更先进的连续可变曲率的三维隐身设计,同样可避免稳定回波,既
提高了隐身性能,也提高了气动性能。除此之外,简洁、无外挂、无突出物的外
形也很重要。F-117A、F-22A和米格1.42都采用了机内武器挂架
。但机内武器挂架也有容量较小、对武器尺寸和形状限制较大的缺点,如果一件
武器没有正确地弹射出去,后面的武器可能也无法弹射出去,对舱门的动作可靠
性也要求较高。
以上讨论只涉及到一次反射,多次反射的情况有所不同。对一个又深又长的
有底开孔来说,入射的能量基本上全部反射回入射方向,而和孔内的形状大体无
关,只是内部反射次数的多少而已。这个问题对发动机进气道尤为严重。当然,
如果能通过狭长进气道增加反射次数,并在每次反射中吸收掉一点回波能量,最
终的回波就会削弱很多。除狭长进气道外,弯曲进气道也可达到相同目的。F-
16、B-1B、B-2A、EF-2000、F-18EF、F-22A和最
新的S-37前掠翼战斗机和米格1.42都采用弯曲进气道,但F-16的S
形进气道只能遮挡发动机正面的60%,而EF-2000的“驼峰”形进气道
则可遮挡几乎100%。另外,还可在进气道或尾喷管加装格栅,将入射的电磁
波反射到进气道或尾喷管内壁,而不让其直接照射到发动机前端或后端。除进气
道外,座舱也是一个大开孔,各种板壁、仪器和飞行员(尤其是那圆圆的头盔)
难以一一加以隐身处理,而且无法用狭长或弯曲开孔来补救。目前一般对座舱盖
形状采用隐身设计,并用导电性金属镀膜把电磁波反射到别的方向去。
另一个多次反射的典型情况是直角内角。由于角度互补,除吸收掉的和散射
掉的,入射能量基本返回入射方向。解决办法一般是使垂直表面内倾(如拉法叶
级护卫舰的上层建筑)或外倾(如F-22A的垂尾)。
从整体上来讲,没有机翼和尾翼、采用背部或弯曲进气道的升力体最符合隐
身要求,但这种设计一般机动性甚差,有时根本飞不起来。F-117A的原型H
ave Blue最初的设计是一个钻石形的升力体,但其气动性能之差,被戏称为“没
有希望的钻石”(hopeless diamond)。B-2A是第一个进入现役的飞翼,由
于机翼机身融为一体,也算是一种升力体设计。B-2A没有垂直尾翼,靠一侧
“机翼”上分裂式襟翼部分上翻,部分下翻,形成阻力但没有额外的升力或降力
,把飞机“掰”到指定方向。显然,这只能满足基本的机动性要求,高机动性飞
机必须还有其他措施帮助改变方向。
除了几何设计外,吸波涂层也可有效地削弱雷达回波。吸波涂层一般为电磁
波长四分之一厚度的高导电涂层,通常为铁氧体。入射的电磁波达到涂层表面时
,转成90度垂直射向基体,然后以90度垂直反射回来,以入射角的补角离开
涂层表面。理想情况下,涂层不吸收电磁波能量,电磁波在铁氧体层内穿行了半
个波长后,波形移了180度,即和入射波波形相同,但正负相反,因此和后续
的入射波互相抵销。实际上,铁氧体要吸收一点电磁波能量,对电磁波的折射也
不可能达到理想的90度,所以入射波和反射波将是不完全抵销。另外,这种涂
层只对一个波长有效,实用上要用可变导电率铁氧体和多层涂层,才可满足实战
需要。
虽然以上讨论基本集中在飞机的隐身设计上,同样的原理也适用于舰船和坦
克。由于它们对平滑外形的要求没有飞机那么高,多面体设计加吸波涂层就够用
了。主要问题常在于隐身要求和功能要求之间的矛盾。如英法意三国在合作设计
“地平线”级护卫舰时,法国要求采用单岛式上层建筑以达到隐身,英国则坚持
多岛式上层建筑以保证战损管理,最后还是采用了英国方案。新一代的舰船大多
采用内倾的上层建筑,同时广泛采用吸波涂层,有的对烟囱还加装格栅,或将救
生艇藏入舰舷的大型凹陷内,在其开口上加装可收放的幕帘。瑞典博福斯公司的
隐身舰炮采用三角锥外形,必要时可升降,以进一步减少雷达回波。现役坦克尚
未采用隐身设计,但美军的下一代坦克验证车已可见到明显的多面体设计,甚至
其炮管也是菱形截面(弹膛仍为园形截面)。
值得注意的是,以上讨论对抑制直接反射比较有效,但对抑制漫反射效果不
大。这也是长波雷达尽管技术较老,但反而是目前对抗被动隐身最有效的手段之
一的原因。正巧,空中交通管制雷达大多为长波雷达,各国航展时F-117A
和B-2A屡次被民用雷达发现也就不足为奇了。长波雷达尽管可以发现隐身目
标,但对跟踪和锁定目标不适合。此外,全向隐身比前向隐身要难得多,而且隐
身常常是将部分电磁波反射到其它方向。这样,在雷达网内,用若干台雷达轮流
发射,其余的接收,可有效地从侧后捕捉到隐身目标。这对实时联网和数据处理
的要求很高。另一个方案是用白噪声雷达,白噪声的广谱特性可使大部分吸波材
料失效,但对信号管理和数据处理的要求更高。理想隐身可比作一个电磁“黑洞
”,因此也可通过观察“剪影”而不是“反光”来捕捉隐身目标。最后,飞机发
动机的高温使排气部分极化,加力燃烧时尤其如此,形成雷达可探测到的尾迹,
排气中的碳化物微粒也可被雷达观察到。
-- mmm...
[email protected] OICQ:7959881 ICQ:75600258
※ 来源:.月光软件站 http://www.moon-soft.com.[FROM: 202.104.86.99] 发信人: haoke (bit), 信区: Military 标 题: 漫话隐身 (2) - 主动雷达隐身 发信站: 网易虚拟社区 (Fri Jul 21 18:33:51 2000), 站内信件
如果不能通过降低雷达特徵来瞒天过海,那就只能用障眼术或蒙眼术了,也
就是干扰(包括主动信号对消)。隐身和干扰并不互相矛盾。距离近了,隐身也
有被雷达“烧穿”的时候;对近距离突然冒出来的雷达,隐身也不一定管用;空
战中拼死突破或漏网到视距以内的敌机也不能单靠隐身来对付。
在雷达制导的导弹或高炮打上门来时,最常用的办法是抛撒箔条,对敌方雷
达接收机形成“亮点”或“烟幕”。但箔条和飞机速度相差很大,这“亮点”或
“烟幕”持续不了多久。再高级的,可用内装式或吊舱式干扰机干扰敌方雷达。
时下更流行的办法是用拖曳或自由飞的机外诱饵,在离飞机一段距离外制造一个
和飞机速度和雷达特徵相仿的假目标。简单的诱饵只是一个反射体,复杂的诱饵
可以带完整的电子干扰机。
不管是内装式,吊舱式,或机外诱饵式,电子干扰的第一步是雷达告警。雷
达告警接收机在原理上和收音机相同,也分矿石机和超外差机。前者是宽带接收
机,但灵敏度和分辨率差;后者是窄带接收机,但灵敏度和分辨率好。如果体积
和重量容许,可用几台超外差机覆盖整个频带,同时保留较好的灵敏度和分辨率
。雷达告警接收机一般可在敌方雷达探测到回波很久之前,就可发出告警。如果
雷达告警接收机还具有较高的方向分辨率,则还可用于被动探测。
在接到雷达告警后,理论上,我方可以发射功率和方向与入射信号相同,但
移相180度的信号,来完全抵销入射信号。这要求极为精确的功率和相位管理
,否则无异于“不打自招”。目前除了法国的“狂风”声称有此能力外,公开报
导中现有的电子战系统还没有能做到这一点的。一般能做到的,是欺骗式或阻塞
式干扰。
阻塞式干扰比较简单,在敌方雷达方向和频带上,发射大功率的白噪声就成
了,就好像邻人的喧哗使正常交谈无法听清。此时,敌方雷达无疑已意识到受到
干扰,但只能看到干扰源的方向,而无法判明距离。窄带的白噪声干扰左5c率要
求较低,但易为变频雷达逃脱;宽带的则相反,变频雷达是逃不掉了,但对任一
特定频带,功率密度较低;变频白噪声是一种折衷,但除非正好跟上敌方雷达的
变频,可能会露出一定时间的空隙。阻塞式干扰不分良莠,对干扰频带内的雷达
一概格杀勿论。
欺骗式干扰要复杂得多。首先要摸清敌方雷达的确切信号体制和工作方式,
然后实时地分析信号,并发送似是而非的假回波信号以制造假目标,迷惑敌方雷
达。欺骗式干扰的好处是,敌人不一定马上就能意识到受到干扰而采取对抗措施
。但美军越战经验证明,欺骗式干扰对高度自动化的现代雷达更有效,对老式人
工控制的雷达反而效果有限。
单脉冲雷达靠测量脉冲从发射到回波之间的时间差来测定目标距离。为防止
杂乱信号干扰,一般单脉冲雷达仅在预计将要接收回波脉冲前才打开接收机,这
种工作方式也称距离门。另外,任何雷达天线都有主轴线上强度最大的主波瓣,
和若干个其它方向上较弱的旁瓣。主波瓣和旁瓣都可收到回波信号。为防止误读
旁瓣信号,单脉冲雷达都有自动增益调节,只读最强的回波,而压制掉其余较弱
的回波。“距离门甩脱”就是针对单脉冲雷达的距离门和自动增益调节来的。首
先,干扰机发射一个和真实回波同样时间差但强度更大的脉冲,待敌方雷达错认
这个强回波为真回波时,逐渐增大时间差,造成目标逐渐远去的假象,然后突然
关机,使敌方雷达彻底丢失目标。当然,敌方雷达会重新捕获目标,我方干扰机
则重复前述过程。连续波雷达和脉冲多普勒雷达靠测量发射和回波之间的频率差
来测定目标距离,与距离门相应的概念为速度门。干扰机可在频率差上作文章,
用类似距离门甩脱的原理,进行“速度门甩脱”。
距离门甩脱和速度门甩脱都属于距离欺骗。在对付雷达制导的导弹或高炮时
,距离欺骗还不够,最好能实现角度欺骗。这要从雷达天线的旁瓣入手了。雷达
靠测定回波强度变化来测角。如果干扰机在敌方雷达正对目标时不动声色,而在
偏向其它方向时,用更强的假回波,通过旁瓣“塞”进敌方雷达,使其误认为那
才是目标的真正角度,可达成角度欺骗。
显然,成功的欺骗干扰在于对敌方雷达技战术和位置的精确了解和机敏的敌
变我变。事实上,即使是被动隐身,战术也是很重要的。为最大限度地发挥隐身
效能,接敌和撤离路线应避开已知的敌方雷达,并尽量使残余回波折向没有雷达
的方向,同事经常变换航向,不使残余雷达回波稳定在固定的方向。即使是非隐
身飞机,如果避开雷达截面积较大的正面(由于无遮无掩的发动机正面的缘故),
而采用之字形前进,也可达到推迟对方雷达锁定的时机。海湾战争前夜,伊拉克
一为临阵磨枪,二为鼓舞士气,大举进行防空演习,所有雷达大开,正好让盟军
看了个真切,为几天后的空袭提供了更详尽和及时的电磁特徵和位置数据,犯了
大忌。
顺便说一句,前些时间盛传的两架美国海军EA-6电子战飞机使整个东南
沿海的解放军预警和指挥系统失灵的事,那只能是以讹传讹。确切的电子战能力
是各国军方严守的头等机密,决不轻易示人。再说,在和平时期,美国海军这样
做,一无法核实效果,二构成严重挑衅,极易失控而引起战端,毕竟现代战争大
多由大规模电子干扰开始。
-- mmm...
[email protected] OICQ:7959881 ICQ:75600258
※ 来源:.月光软件站 http://www.moon-soft.com.[FROM: 202.104.86.99] 发信人: haoke (bit), 信区: Military 标 题: 漫话隐身 (3) - 红外隐身 发信站: 网易虚拟社区 (Fri Jul 21 18:34:12 2000), 站内信件
红外是现代战场上另一主要探测手段。由于红外是被动探测,告警较难,所
以一般以被动隐身为主。
红外特徵与热辐射率和温度的乘积的四次方成正比。由于几何形状设计对被
动探测没有什么影响,红外吸波涂层是降低热辐射率的主要手段。热辐射率包括
两部分:热反射率和热放射率。前者指一定温度下材料的红外本征辐射强度,后
者指材料在红外光源照射下反射红外线的强度。低放射率的材料一般反射率较高
,如银色表面;低反射率的材料则放射率较高,如纯黑表面;所以一般难以两全
,现阶段只好对红外探测常用的1到12微米波段中取折衷。理论上,红外吸波
涂层也可用雷达吸波涂层移相对消的原理来降低反射率,但这要求微米级甚至亚
微米级涂层,工艺上难以做到。
技术上,降低温度比降低热辐射率容易。同时,热辐射的频率会随温度升高
而移动,所以实际上说红外特徵与热辐射率和温度的乘积的八次方成正比更为确
切,因而降低温度的效果也就更明显。飞机的主要热源是发动机。实行非加力的
超音速巡航或限制使用加力燃烧的时间,在迎风面积许可时采用较高涵道比(即
常温的旁通气流与通过燃烧室的高温气流之比)的涡轮风扇发动机,均有助于降
低排气温度。对于军舰来说,则可对烟道喷水降温来降低红外特徵,或将烟气排
入水中,而不是排入空中;有时甚至可以对整个舰体喷水幕降温。对于坦克来说
,采用排气量和排气温度都较低的柴油机比用燃气轮机更有利(俄罗斯T-80
坦克的最新型号也是柴油机的,连美国也在试验用柴油机的M-1坦克变型)。
降低红外特徵的另一个办法是遮挡热源,不使热端部件直接暴露于视线之中
。弯曲进气道(遮挡前向热辐射)和尾喷管两侧或下方的挡板(如落选的YF-
23)有助于遮挡热源,B2A、F117A更采用弯曲和带喷流扩散装置的尾
喷管,进一步降低红外特徵。军用直升机上也大量采用弯曲喷管,并借用旋翼的
下洗气流把高温排气降温和吹散。军舰上则常用风冷夹套来遮蔽炽热的烟囱管。
在主动红外对抗中,和箔条相对应的是闪光弹。但闪光弹和发动机喷气的红
外特徵很难做到相同。另一个办法则是从发动机喷出一团燃料,在机外燃烧,以
取得和喷气相似的红外特徵。但这些办法都不能克服速度差的问题,装红外探照
灯或红外激光的机外诱饵更有希望。当然也可简单地用红外探照灯或红外激光强
力照射,使追踪的红外制导导弹或红外探测装置致盲。
-- mmm...
[email protected] OICQ:7959881 ICQ:75600258
※ 来源:.月光软件站 http://www.moon-soft.com.[FROM: 202.104.86.99] 发信人: haoke (bit), 信区: Military 标 题: 漫话隐身 (4) - 结语 发信站: 网易虚拟社区 (Fri Jul 21 18:34:46 2000), 站内信件
隐身只是手段,不是目的。对于不同的系统,隐身有不同的要求。对于战略
侦察机和战略轰炸机来说,由于要在敌方上空长时间飞行,一旦被发现和锁定,
很难逃出死路一条,所以隐身必须是高性能和全方位的;对于战斗机、攻击机和
战术导弹来说,暴露于敌方空域的时间较短,隐身目的更多在于阻滞敌方防空探
测手段锁定和开火,而不一定要在雷达上消失,所以隐身要求稍低,同时以前向
为主,其它方向为辅;对于水面舰艇、直升机和坦克来说,红外和声学隐身与雷
达隐身同样重要,对后二者还应加上光学隐身;潜艇当然是以声学隐身为主。
隐身的使用价值和未来究竟如何?各国对此众说纷纭。美国是坚决的隐身派
。但F-22A的机内载弹能力有限,在执行“空中狙击手”以外的任务,如大
规模空中混战尤其对地攻击时,不顾隐身在翼下挂弹还不够,必须召唤非隐身的
F-15E、F-16C等来帮忙。英国曾作过一对一至八对八的仿真研究,结
论是,以法国的“狂风”为基准,一架“狂风”顶1/9架F-22A,1/3架
EF-2000,5/6架F-15E,1.2架F-18E和1.8架幻影2
000。当然,影响仿真结论的不仅仅是隐身,还包括战场设定、裁判方式、战
术、武器系统、机动性和电子战能力等。数据的可靠性自然不可不信,但也不可
全信。相比之下,俄罗斯似乎还是在高机动、远程精确武器和电子干扰上打转转
,欧洲则是折衷派。但是,隐身对进攻作战比对防御作战更有用,所以对各国来
说,隐身的未来也许和各国的经济、技术实力有关,更和战略目标和战术思想有
关。
读者也许对中国在隐身方面的进展感兴趣。中国至今对此三缄其口,但98
珠海航展展出了吸波材料的样品;最新的“旅海”级驱逐舰的上层建筑较前大为
简洁,并呈现出明显的内倾;成飞的歼-7FS验证战斗机也一改传统的机头进气,
而采用类似波音JSF方案的机头下进气,除加大机头锥外,似也有隐身之意;
98珠海航展以“飞机数字燃油管理系统”为名,展示了一架神秘的双发动机鸭
式布局战斗机的示意图,其中广泛采用了翼身融合和复杂曲面,进气道带S形,
主翼也不似一般的直后缘、尖翼尖的三角翼,而是后缘略为前掠、翼尖较宽的近
似梯形翼的三角翼,恰如波音的JSF方案。最新的007电影倒是把中国的隐
身技术吹得甚高,连皇家海军23型护卫舰对近在眼前的隐身军舰也视而不见,
这只好作为笑谈。
-- mmm...
[email protected] OICQ:7959881 ICQ:75600258
※ 来源:.月光软件站 http://www.moon-soft.com.[FROM: 202.104.86.99]
|
|