隱身飛機隱身問題剖析（上）

軍情 04-29

原標題：隱身飛機隱身問題剖析（上）

隱身飛機隱身問題剖析

遠望智庫高級研究員楊軍威

隱身技術是現代軍事技術發展的一次重大革命，正像錢學森曾經指出的那樣：「隱身技術的出現，與當年的原子彈具有類似的意義。」隱身技術在戰鬥機上的應用將徹底改變現代空戰的性質。

F-22隱身戰鬥機代表著繼F-117A隱身攻擊機和B-2隱身轟炸機之後的第三代隱身技術，是在不損失機動性和飛行速度的情況下實現隱身的。

隱身是針對感測器而言的，主要分為雷達（針對雷達探測）、紅外（針對光電探測）和射頻（針對電子對抗截獲接收機探測）三個隱身性能，因此研究隱身問題一定要了解相應的感測器特性。

隱身問題有三個要素，目標特性（散射源[雷達]、輻射源[紅外、射頻]）、感測器（主動[雷達]、被動[紅外、ESM]）、傳播介質（空氣[對紅外有明顯影響]）。

一、雷達隱身

隱身問題是從雷達隱身起始的。雷達是信息化作戰條件下發現空中目標的主要手段，雷達是依靠發射電磁波，電磁波遇到物體後產生散射，部分散射的電磁波返回發射雷達，被雷達接收經信號處理後，產生物體圖像。雷達是現代戰場中主要的探測手段，尤其是對於空中目標，因此，在飛機的隱身性能中，雷達隱身性能具有最高的優先順序。我們常說的飛機的隱身性能通常指的是飛機的雷達隱身性能。

傳統三代戰機的雷達散射截面（RCS）一般在10m2左右，如F-15、蘇-27等。隨著隱身技術的發展，出現了F-117A和B-2隱身飛機，其RCS水平達到了0.1m2量級，但其飛行性能受到大幅制約；同時，利用隱身技術改進的三代戰機的RCS也達到了1m2左右的量級，如F-16改進型，殲-10原型機也應在此量級。F-22則在保持高水平飛行性能的基礎上大幅提升了隱身性能，其RCS水平達到了0.01m2的量級。

一般認為目標的RCS在1m2以上為常規不隱身目標，RCS在0.1m2～1m2範圍內的目標為低可探測性目標（LO），RCS在0.1m2～0.01m2範圍內的目標為極低可探測性目標（VLO），RCS在0.01m2～0.001m2範圍內的目標為超低可探測性目標（VVLO）。

隱身技術的發展對作戰的殺傷鏈路帶來了十分明顯的影響，尤其是當目標的RCS達到或低於0.01m2量級時，影響到空中作戰OODA的各個互不環節，載機雷達的探測距離急劇下降，導彈導引頭難以正常截獲目標，導彈引信無法正常啟動。更進一步的是，F-22隱身戰鬥機將隱身、超聲速巡航、高機動、綜合航電等先進技術集於一身，形成了空中作戰的「先敵發現、先敵攻擊、先敵摧毀」的戰場壓倒性「主宰」優勢。

（一）飛機雷達隱身基本特點

飛機雷達隱身具有以下五個基本特點。

1．外部照射特性

飛機的雷達隱身性能是針對敵方雷達感測器的主動探測而言的。飛機的雷達隱身特性是一種需要在外部照射下才能呈現出的特性，雷達是通過目標的二次散射功率發現目標的，因而雷達隱身的實質是一個低可探測性（LO）問題。由於飛機的雷達隱身特性與外部照射相互對應，因此，飛機的雷達隱身性能與外部照射源的技術狀態密切相關，外部照射源的頻率、極化等特性對飛機的雷達隱身性能有直接影響。

雷達發現目標的距離用雷達方程描述，雷達發射功率、天線增益、波長和目標的RCS越大，雷達的靈敏度越高，雷達對目標的探測距離就越遠。

雷達方程：

，雷達作用距離

，雷達發射功率

，雷達天線增益

，雷達波長

，目標雷達散射截面積（RCS）

，雷達最小可檢測信號功率

2．單一參數描述

從雷達方程可知，在雷達性能確定的條件下，飛機的雷達隱身性能則只取決于飛機的雷達散射截面積（RCS）。RCS衡量一個物體把照射到自己的雷達波反射回照射雷達的能力，反射回照射雷達的能量越多，物體的RCS就越大，照射雷達接收到的信號就越強，雷達對這個物體就看得越遠。

從雷達方程知，雷達發現目標的距離與該目標的RCS的四次方根成正比。若飛機的RCS減小一個數量級（1/10），則雷達探測距離相應降低為原來的56%，即減少了44%。即飛機RCS每下降一個數量級（減小為原來的1/10），雷達對它的探測距離便縮短44%左右。

若飛機的RCS減小兩個數量級（1/100），則雷達探測距離相應降低為原來的32%；若飛機的RCS減小三個數量級（1/1000），則雷達探測距離相應降低為原來的18%；若飛機的RCS減小四個數量級（1/10000），則雷達探測距離相應降低為原來的10%。

如果飛機的RCS從10m2（三代機）降到0.01m2（隱身飛機），即原來的1/1000，則雷達對該飛機的探測距離將降低為不到原來的20%。原來設計能看400km的雷達，對隱身飛機只能看80km。加上戰鬥機的飛行速度提高了一倍，對方的預警時間將大幅減少。這種變化對作戰的影響極大，可能使基於攔截三代機構建的防空體系整體失效。

3．固有設計特性

飛機的RCS是一個與飛機總體設計相關的獨立變數，取決于飛機的氣動外形、結構形式和表面的吸波塗層。飛機的氣動布局一但確定，其RCS也基礎就基本確定，因此通過飛機外形的推算和測試即可大致估算該飛機的雷達隱身性能。

降低飛機RCS主要是三個手段，一是氣動布局，二是吸波結構（RAS）設計，三是吸波材料（RAM）。飛機通過氣動布局、結構設計和表面吸波塗層，將雷達的照射的能量向其他方向散射或吸收，大幅減少反射回照射雷達接收天線的照射能量，使雷達接受的信號能量不夠，達不到相應的信噪比要求，分辨不出目標，從而使飛機達到隱身效果。因此，飛機的雷達隱身性能是飛機的一種固有設計特性，一旦設計定型，其雷達隱身性能就基本確定。

氣動布局設計的目的除飛行性能外，主要是使入射的雷達波反射回去的方向不是照射雷達的方向，而是其他方向，使照射雷達收不到散射回來的電磁波，難以對目標進行測量。氣動布局設計對飛機雷達隱身的貢獻率最大，一般大於85%。典型的外形設計如飛翼式結構、翼面前緣平行設計、機頭棱邊設計等。因此，從氣動布局基本可以推測出飛機的大致隱身性能。飛機通過平行設計，即所有機翼的前沿的後掠角度均呈平行狀態，將大部分照射能量反射到非入射方向。

圖示為F-22的氣動布局。F-22的隱身最主要的是通過大量的平行設計使回波波峰集中到少數幾個非重要方向上：F/A-22的進氣道上/下唇口、主翼前緣、平尾前緣、平尾後緣內側、尾撐後緣及矢量噴管表面一側後緣；主翼後緣、平尾後緣外側及矢量噴管表面另一側後緣都是平行的，這樣可把散射波峰合併到偏離頭向及尾向的非重要方向上，儘管這會增加該方向的散射功率，但減少散射波峰數量確實能給隱身帶來更大的好處。

從圖中看出，F-22採用平行設計，各前緣進氣道進氣口角度與垂直尾翼平行，機頭截面呈菱形，兩側翼下菱形截面發動機進氣道，進氣道為CARET不可調節進氣道，進氣道內部有引擎葉片擋板（吸波結構）。艙門採用鋸齒狀設計，鋸齒邊緣符合平行設計原則。

吸波結構設計的目的主要是使入射的雷達波被吸收或衰減掉。典型的吸波結構設計如S型進氣道（蚌式進氣道）、隔柵進氣道、進氣道吸波結構、背負式進氣道、鋸齒形口蓋、內埋式武器艙等。

F-117A採用的是多面體結構，B-2採用的是飛翼式結構，研究證明多面體結構和飛翼式結構具有很好的雷達隱身性能，但帶來了氣動性能不良和飛行控制問題，氣動性能很難滿足戰鬥機的要求。

破壞飛機隱身性能的三大強散射源為：進氣道、座艙、雷達艙。因此需要綜合採用外形設計、結構設計、材料設計等都種措施來減少其RCS。如雷達艙即採用棱邊外形、頻率選擇表面（FSS）、表面塗料、雷達側傾設置等措施。

吸波材料的作用是將入射的雷達波能量衰減吸收掉，減小反射的雷達波能量。理論和實驗證明，吸波材料的塗層厚度與入射波的1/4波長相當時其吸波效果較好，對於X頻段（3cm）的雷達，雷達吸波塗層的厚度在7.5mm左右，因此對於一架飛機而言，雷達吸波塗層的重量很大（幾百千克）。若考慮到對長波雷達的吸波效果，則塗層就會更厚。典型的吸波材料如座艙鍍膜（內、外表面）、頻率選擇表面、表面塗料等。

大量採用複合材料也對提升雷達隱身性能大有益處。F-22在機體上廣泛採用熱加工塑膠（12%）和人造纖維（10%）的聚合複合材料（KM）。在裝備的批量生產的飛機上使用複合材料（KM）的比例（按重量）更高。

飛機外形尺寸與電磁波頻率之間存在嚴格的比例關係，因此可採用縮比模型對飛機外形的RCS進行測試，推算其雷達隱身性能。由於吸波塗層不存在縮比關係，因此縮比模型測試回答不了吸波塗層對縮減RCS效果的問題。

RCS的降低不是無限的。從雷達方程我們知道，RCS與雷達探測距離不是呈線性正比，而是呈四次方根的關係，RCS降低16倍，探測距離才能減半，加之降低飛機的RCS代價很大，受到飛機的飛行性能、成本、材料、工藝等因素的制約。因此，裝備的性能並不是越高越好，而是夠用最好。

4．取值方向明確

飛機的RCS越小，則被敵方發現、跟蹤的可能性就越小。因此，RCS的取值方向十分明確，越小越好。但是，降低RCS的努力是需要付出代價的，包括飛機飛行性能的下降、技術難度、經費時間因素等等。因此，飛機RCS的確定是在滿足作戰需求（與威脅相平衡）、技術經費可行（滿足研製能力）之間尋求平衡的問題，即飛機的雷達隱身是一個在需求與可能之間尋求平衡的問題。

F-117為降低RCS，在雷達隱身性能不過關的情況下，沒有裝機載雷達。即使如此，F-117的隱身外形設計仍使其氣動性能極差。由於F-117的外形是電磁專家設計的，因此F-117的隱身性能是目前隱身飛機中最好的，理論上其隱身性能要高於F-22。

5．地面靜態可測

由於飛機的雷達隱身特性是飛機的一種固有設計特性，只取決于飛機的結構和外部照射源的技術狀態，相對獨立於飛機的飛行狀態，即使舵面偏轉、大幅機動、彈艙開啟等動態行為會使飛機的RCS產生一定變化，這些變化的影響規律也可通過地面靜態測試獲得。加之大氣對電磁波的傳播特性影響較小（這也是雷達是戰場的主感測器的主要原因），因此，飛機的雷達隱身性能可以通過地面靜態測試掌握其絕大部分細節。

（二）飛機雷達隱身感測器特性

飛機的雷達隱身是針對敵方雷達感測器的主動探測而言的，因此研究飛機雷達隱身性能就必須從雷達感測器的角度進行。針對雷達感測器的技術特性和戰術運用特點，飛機雷達隱身感測器特性體現在以下五個方面。

1．方向特性

飛機的RCS是一個與飛機設計結構相關的獨立變數。由於飛機結構獨特點，其各方向的RCS是不一樣的，要做到各方向的RCS都很小是不可能。

另一方面，飛機所面臨的威脅與三維空間角度相關，雷達探測的威脅可能來自4π空間，但各個方向的威脅程度是不同的，構成威脅的武器也不同，武器的狀態也不同，各方向的威脅程度存在明顯差異。如敵方飛機（戰鬥機、預警機）的威脅主要來自前半球，地空導彈的威脅則來自於半球，而遠程地空導彈的威脅則主要來自下半球的上半部分。對於空空導彈和地（海）面防空導彈來說，迎頭攻擊是最常見的一種作戰模式。對於空戰，迎頭攻擊處於機載雷達和空空導彈的最佳作戰角度，而且目標相對飛行狀態穩定；對於地面攔截，迎頭攻擊的殺傷區最大。因此，機頭方向是威脅最大的方向。

因此，飛機在考慮雷達隱身設計時，必須依據作戰需求，對飛機各方向的RCS進行取捨，威脅大的方向要求高，威脅低的方向則可以適當降低要求。

我們提到的隱身飛機的隱身特性通常是指飛機前向的隱身特性，也就是隱身飛機隱身性能最好的方向的隱身特性。飛機側面和尾部的RCS會較大，雷達的探測距離會較大，這也是抗擊隱身飛機作戰運用的方法之一。

2．頻段特性

飛機的RCS對照射雷達頻率的敏感程度較高，這與電磁波的特性有關，電磁波的頻率不同，則波長不同，而電磁波的波長對物體形狀尺寸的敏感程度存在較大差異，從而使外形結構確定的飛機在不同頻率雷達照射下呈現出不同的RCS。當雷達波長與隱身飛機的尺寸相當時，隱身飛機就不隱身了，這也是採用低頻段雷達可提高對隱身飛機的發現概率的理論依據。但波長太長時測量精度會顯著下降，無法支持制導。

另一方面，從戰場看，不同頻段的雷達所構成的威脅程度存在較大差異。雷達的工作頻段一般根據雷達的用途決定，預警雷達一般工作於P、L、S頻段，機載火控雷達一般工作於X頻段，防空武器的制導系統一般是C、X等頻段，導彈的導引頭一般工作在高頻段。因此，從作為制空戰鬥機的隱身飛機的作戰任務可知， X、C、S頻段的威脅遠大於L和Ku頻段。因此，基於制空戰鬥機的定位，F-22雷達隱身的設計重點針對X頻段，其指標要求是最嚴格的。

3．起伏特性

由於飛機結構的特點，飛機在各個方向上的RCS變化並不是平均的，而是存在起伏，起伏所引起的RCS「尖峰」又可能遠大於該區域的RCS平均值。若飛機在機頭方向的平均RCS很小，但在某個角度範圍內，存在較寬的RCS「尖峰」，從而足以使雷達形成發現或跟蹤條件，構成攔截窗口。因此，RCS指標的設計必須考慮這種起伏特性的影響。

RCS「尖峰」的持續寬度應能夠保證雷達至少完成一次信號測量。考慮以下兩種由於RCS「尖峰」引起的惡化情況：一是在某個角度上RCS「尖峰」的持續寬度超過一定值，足以使導彈完成一次攔截過程；二是在某個角度範圍內RCS「尖峰」的個數足夠密集，足以使雷達保持一定的跟蹤數據率，從而構成攔截窗口。

RCS在各個方向上的起伏與飛機的氣動外形、掛載等因素有關。RCS「尖峰」是指RCS超過該方向的平均RCS，接近不隱身的水平。

4．極化特性

由於飛機外形的影響，飛機的RCS對照射雷達的不同極化方式呈現不同的方應特性。如採用水平極化掃描時，雷達對於一根豎立物體的發現概率較大，但信號強度低；若採用垂直極化方式掃描，則雷達雖然對這根豎立物體的發現概率較小，但一旦發現，則信號強度很高。對於一般目標，RCS對不同極化方式的差異最大可達10dB以上。

圖中所示的是F-117A在兩種極化下的平均RCS，可以看出存在明顯差異。F-117A針對所有可能的極化方式專門進行了綜合優化設計，其極化差異仍有2dB左右，F-117A的扁平機身，使其垂直極化RCS的水平低於水平極化的水平。而對於沒有專門進行針對性設計的飛機，RCS對不同極化方式的差異可達到10～15dB。如果飛機的RCS對某種極化方式敏感，就會大大降低其隱身效果。

根據公開資料，美軍「愛國者」和「宙斯頓」系統跟蹤/制導雷達採用垂直極化（線極化）方式，而C-300系列、紅-9系列則採用圓極化。垂直極化具有較好的低空性能，而圓極化具有相對穩定的RCS。不同的極化方式下飛機的RCS差異最大可達10dB～15dB水平（垂直和水平極化），新一代防空雷達中已開始採用變極化和同時多極化技術，以獲取極化增益。

因此，隱身飛機的RCS設計是考慮雷達極化方式的，最好適用於所有的可能極化方式，包括垂直極化和水平極化。由於機載雷達一般採用垂直極化，因此，從制空戰鬥機的任務特點考慮，隱身飛機的重點考慮垂直極化。

5．動態特性

飛機飛行中還存在一些動態特性，如彈艙開啟方式和時間、舵面偏轉、機動飛行等動態狀態對雷達隱身的影響等問題。這些動態問題，有些是作戰使用問題，對研製方案的影響較小（如機動飛行），而有些則對研製方案有較大影響（如彈艙打開方式）。

美國的F-22在參加航展時，總是打開彈艙、或者不收起落架進行飛行的，這就是為了不讓別人測得它的RCS，另外，F-22在機腹下安裝有專門的RCS增強裝置（龍波球），也是出於同一目的。