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给猪装上翅膀——隐身技术漫谈

发布时间:2013-04-10  原作者:晨枫   点击数:

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  “如果猪能飞起来…”是英语中的一句常用成语,意指不可能的事。自从雷达在第二次世界大战中发明以来,在雷达的照妖镜之下,什么飞机都难隐踪迹,趾高气扬的飞机就变成屠刀下的猪了。于是,拥有雷达看不见的作战飞机成了各国空军和航空界孜孜以求的目标。但是如何使猪飞起来呢?

   现代战场上散乱的电磁波到处都是,为了避免受杂乱回波的干扰,雷达用各种先进的信号处理手段,把稳定的电磁波回波分离出来,用来探测、锁定目标。这既是雷达聪明的地方,也是隐身可以钻空子的地方。如果飞机能够削弱回波的强度,并使回波闪烁不定,这猪就装上翅膀了。隐身手段不能使飞机从敌方雷达上彻底消失,但可以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。这样,隐身的目的就达到了。

   雷达发射的电磁波照射在目标上,除镜面反射外,还形成散射。镜面反射是指入射角等于反射角的光学意义上的反射。在实际情况中,雷达靠镜面反射捕捉住目标的情况很少,雷达一般是靠散射形成的回波来发现和锁定目标的。

   入射波的波长远远大于目标的几何尺度时,散射的强度和散射的方向有关,散射更和波长的四次方成反比,也就是说,电磁波中,波长越短,散射越强。入射波的波长和目标尺度相近时,入射波的相位会沿目标的长度方向变化,目标的复杂几何形状之间的互相作用会对回波的性质有很大的影响,回波的性质很难预测。入射波的波长远远小于目标的几何尺度时,散射符合光学定律,目标的复杂几何形状之间的交互作用可以忽略不计,回波就是各个部分散射的矢量叠加。由于雷达天线的尺寸和雷达的波长成正比,防空火控雷达和机载雷达都用分米波和厘米波的波段,所以以阻挠敌方火控雷达锁定为主要目标的隐身研究都集中在入射波波长远远小于目标几何尺度的情况。

   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起来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,两者的回波强度相当;方板完全放平时(如果厚度不计),则方板的回波强度反而要小 50 倍。注意,尽管方板的厚度已经忽略不计,方板的截面积在理论上是零,但方板的线性尺度还是在那里,雷达照样可以“看到”它。

  如果把方板转 45 度,也就是把方板的一个角冲着雷达,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。

   雷达的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没有太大的实际效果。这里,雷达反射面积不是目标的几何截面积,而是一个与目标产生同等回波的金属圆球的等效截面积,几何截面积、材质和形状对雷达的反射率和反射的方向性都对雷达截面积有影响,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-22 为 0.0065 平方米,F-117 为 0.003 平方米,B-2 为 0.0014 平方米。

   除了光学意义上的散射造成的回波,雷达波以较小的角度照射在光滑的表面上,还会产生表面波。表面波沿目标表面行进,虽然波的强度按指数规律衰减,但还是一路上还是按“入射角等于反射角”形成散射,但这是波动的方向已经偏离了雷达的方向,所以雷达接受不到这些散射的回波。但是到了表面波无路可走的时候,表面波回原路返回,这时的回波可以被雷达接受到。对于一架飞机,表面波行进到机头或机尾时,只能原路返回,从而形成回波。

   除了表面波,入射的雷达波还可以形成爬行波。爬行波是绕射的一钟。绕射是指波动遇到目标边缘时,绕过边缘,继续前进的情况。在户外窗边照样能听到屋里的声音,就是绕射的缘故。爬行波是波动在绕射后继续沿“背阴面”前进的情况,也按指数规律衰减。爬行波在遇到缝隙和边缘的时候,回原路返回,最终形成回波。在目标尺寸大于爬行波的波长 10-15 倍时,爬行波现象可以忽略不计。

  对于一架典型大小的战斗机,表面波和爬行波的雷达反射面积达到 1-1.5 平方米,对于隐身飞机来说,已经达到不可忽略的地步了。

  雷达回波和另外两个主要来源是角反射和腔体反射,前者是两个互成 90 度直角的平面形成的折角,入射的雷达波的雷达波在这两个平面之间可以形成正对入射源的回波,极大地加强了雷达反射信号。如果三个互成 90 度的平面形成一个角落,反射更强烈,除材质对雷达波的少许吸收外,基本上就是镜面反射。腔体反射就是一个又深又长的有底开孔的情况,在多次反射后,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和座舱尤为严重。

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