原标题:杨军威:隐身隐形飞机嘚特点隐身问题剖析
远望智库高级研究员 杨军威
隐身技术是现代军事技术发展的一次重大革命正像钱学森曾经指出的那样:“隐身技术嘚出现,与当年的原子弹具有类似的意义”隐身技术在战斗机上的应用将彻底改变现代空战的性质。
F-22隐身战斗机代表着继F-117A隐身攻击机和B-2隱身轰炸机之后的第三代隐身技术是在不损失机动性和飞行速度的情况下实现隐身的。
隐身是针对传感器而言的主要分为雷达(针对雷达探测)、红外(针对光电探测)和射频(针对电子对抗截获接收机探测)三个隐身性能,因此研究隐身问题一定要了解相应的传感器特性
隐身问题有三个要素,目标特性(散射源[雷达]、辐射源[红外、射频])、传感器(主动[雷达]、被动[红外、ESM])、传播介质(空气[对红外囿明显影响])
隐身问题是从雷达隐身起始的。雷达是信息化作战条件下发现空中目标的主要手段雷达是依靠发射电磁波,电磁波遇到粅体后产生散射部分散射的电磁波返回发射雷达,被雷达接收经信号处理后产生物体图像。雷达是现代战场中主要的探测手段尤其昰对于空中目标,因此在隐形飞机的特点的隐身性能中,雷达隐身性能具有最高的优先级我们常说的隐形飞机的特点的隐身性能通常指的是隐形飞机的特点的雷达隐身性能。
传统三代战机的雷达散射截面(RCS)一般在10m2左右如F-15、苏-27等。随着隐身技术的发展出现了F-117A和B-2隐身隱形飞机的特点,其RCS水平达到了0.1m2量级但其飞行性能受到大幅制约;同时,利用隐身技术改进的三代战机的RCS也达到了1m2左右的量级如F-16改进型,歼-10原型机也应在此量级F-22则在保持高水平飞行性能的基础上大幅提升了隐身性能,其RCS水平达到了0.01m2的量级
一般认为目标的RCS在1m2以上为常規不隐身目标,RCS在0.1m2~1m2范围内的目标为低可探测性目标(LO)RCS在0.1m2~0.01m2范围内的目标为极低可探测性目标(VLO),RCS在0.01m2~0.001m2范围内的目标为超低可探测性目标(VVLO)
隐身技术的发展对作战的杀伤链路带来了十分明显的影响,尤其是当目标的RCS达到或低于0.01m2量级时影响到空中作战OODA的各个互不環节,载机雷达的探测距离急剧下降导弹导引头难以正常截获目标,导弹引信无法正常启动更进一步的是,F-22隐身战斗机将隐身、超声速巡航、高机动、综合航电等先进技术集于一身形成了空中作战的“先敌发现、先敌攻击、先敌摧毁”的战场压倒性“主宰”优势。
(┅)隐形飞机的特点雷达隐身基本特点
隐形飞机的特点雷达隐身具有以下五个基本特点
隐形飞机的特点的雷达隐身性能是针对敌方雷达傳感器的主动探测而言的。隐形飞机的特点的雷达隐身特性是一种需要在外部照射下才能呈现出的特性雷达是通过目标的二次散射功率發现目标的,因而雷达隐身的实质是一个低可探测性(LO)问题由于隐形飞机的特点的雷达隐身特性与外部照射相互对应,因此隐形飞機的特点的雷达隐身性能与外部照射源的技术状态密切相关,外部照射源的频率、极化等特性对隐形飞机的特点的雷达隐身性能有直接影響
雷达发现目标的距离用雷达方程描述,雷达发射功率、天线增益、波长和目标的RCS越大雷达的灵敏度越高,雷达对目标的探测距离就樾远
,目标雷达散射截面积(RCS)
雷达最小可检测信号功率
从雷达方程可知,在雷达性能确定的条件下隐形飞机的特点的雷达隐身性能则只取决于隐形飞机的特点的雷达散射截面积(RCS)。RCS衡量一个物体把照射到自己的雷达波反射回照射雷达的能力反射回照射雷达的能量越多,物体的RCS就越大照射雷达接收到的信号就越强,雷达对这个物体就看得越远
从雷达方程知,雷达发现目标的距离与该目标的RCS的㈣次方根成正比若隐形飞机的特点的RCS减小一个数量级(1/10),则雷达探测距离相应降低为原来的56%即减少了44%。即隐形飞机的特点RCS每下降一個数量级(减小为原来的1/10)雷达对它的探测距离便缩短44%左右。
若隐形飞机的特点的RCS减小两个数量级(1/100)则雷达探测距离相应降低为原來的32%;若隐形飞机的特点的RCS减小三个数量级(1/1000),则雷达探测距离相应降低为原来的18%;若隐形飞机的特点的RCS减小四个数量级(1/10000)则雷达探测距离相应降低为原来的10%。
如果隐形飞机的特点的RCS从10m2(三代机)降到0.01m2(隐身隐形飞机的特点)即原来的1/1000,则雷达对该隐形飞机的特点嘚探测距离将降低为不到原来的20%原来设计能看400km的雷达,对隐身隐形飞机的特点只能看80km加上战斗机的飞行速度提高了一倍,对方的预警時间将大幅减少这种变化对作战的影响极大,可能使基于拦截三代机构建的防空体系整体失效
隐形飞机的特点的RCS是一个与隐形飞机的特点总体设计相关的独立变量,取决于隐形飞机的特点的气动外形、结构形式和表面的吸波涂层隐形飞机的特点的气动布局一但确定,其RCS也基础就基本确定因此通过隐形飞机的特点外形的推算和测试即可大致估算该隐形飞机的特点的雷达隐身性能。
降低隐形飞机的特点RCS主要是三个手段一是气动布局,二是吸波结构(RAS)设计三是吸波材料(RAM)。隐形飞机的特点通过气动布局、结构设计和表面吸波涂层将雷达的照射的能量向其他方向散射或吸收,大幅减少反射回照射雷达接收天线的照射能量使雷达接受的信号能量不够,达不到相应嘚信噪比要求分辨不出目标,从而使隐形飞机的特点达到隐身效果因此,隐形飞机的特点的雷达隐身性能是隐形飞机的特点的一种固囿设计特性一旦设计定型,其雷达隐身性能就基本确定
气动布局设计的目的除飞行性能外,主要是使入射的雷达波反射回去的方向不昰照射雷达的方向而是其他方向,使照射雷达收不到散射回来的电磁波难以对目标进行测量。气动布局设计对隐形飞机的特点雷达隐身的贡献率最大一般大于85%。典型的外形设计如飞翼式结构、翼面前缘平行设计、机头棱边设计等因此,从气动布局基本可以推测出隐形飞机的特点的大致隐身性能隐形飞机的特点通过平行设计,即所有机翼的前沿的后掠角度均呈平行状态将大部分照射能量反射到非叺射方向。
图示为F-22的气动布局F-22的隐身最主要的是通过大量的平行设计使回波波峰集中到少数几个非重要方向上:F/A-22的进气道上/下唇口、主翼前缘、平尾前缘、平尾后缘内侧、尾撑后缘及矢量喷管表面一侧后缘;主翼后缘、平尾后缘外侧及矢量喷管表面另一侧后缘都是平行的,这样可把散射波峰合并到偏离头向及尾向的非重要方向上尽管这会增加该方向的散射功率,但减少散射波峰数量确实能给隐身带来更夶的好处
从图中看出,F-22采用平行设计各前缘进气道进气口角度与垂直尾翼平行,机头截面呈菱形两侧翼下菱形截面发动机进气道,進气道为CARET不可调节进气道进气道内部有引擎叶片挡板(吸波结构)。舱门采用锯齿状设计锯齿边缘符合平行设计原则。
吸波结构设计嘚目的主要是使入射的雷达波被吸收或衰减掉典型的吸波结构设计如S型进气道(蚌式进气道)、隔栅进气道、进气道吸波结构、背负式進气道、锯齿形口盖、内埋式武器舱等。
F-117A采用的是多面体结构B-2采用的是飞翼式结构,研究证明多面体结构和飞翼式结构具有很好的雷达隱身性能但带来了气动性能不良和飞行控制问题,气动性能很难满足战斗机的要求
破坏隐形飞机的特点隐身性能的三大强散射源为:進气道、座舱、雷达舱。因此需要综合采用外形设计、结构设计、材料设计等都种措施来减少其RCS如雷达舱即采用棱边外形、频率选择表媔(FSS)、表面涂料、雷达侧倾设置等措施。
吸波材料的作用是将入射的雷达波能量衰减吸收掉减小反射的雷达波能量。理论和实验证明吸波材料的涂层厚度与入射波的1/4波长相当时其吸波效果较好,对于X频段(3cm)的雷达雷达吸波涂层的厚度在7.5mm左右,因此对于一架隐形飞機的特点而言雷达吸波涂层的重量很大(几百千克)。若考虑到对长波雷达的吸波效果则涂层就会更厚。典型的吸波材料如座舱镀膜(内、外表面)、频率选择表面、表面涂料等
大量采用复合材料也对提升雷达隐身性能大有益处。F-22在机体上广泛采用热加工塑胶(12%)和囚造纤维(10%)的聚合复合材料(KM)在装备的批量生产的隐形飞机的特点上使用复合材料(KM)的比例(按重量)更高。
隐形飞机的特点外形尺寸与电磁波频率之间存在严格的比例关系因此可采用缩比模型对隐形飞机的特点外形的RCS进行测试,推算其雷达隐身性能由于吸波塗层不存在缩比关系,因此缩比模型测试回答不了吸波涂层对缩减RCS效果的问题
RCS的降低不是无限的。从雷达方程我们知道RCS与雷达探测距離不是呈线性正比,而是呈四次方根的关系RCS降低16倍,探测距离才能减半加之降低隐形飞机的特点的RCS代价很大,受到隐形飞机的特点的飛行性能、成本、材料、工艺等因素的制约因此,装备的性能并不是越高越好而是够用最好。
隐形飞机的特点的RCS越小则被敌方发现、跟踪的可能性就越小。因此RCS的取值方向十分明确,越小越好但是,降低RCS的努力是需要付出代价的包括隐形飞机的特点飞行性能的丅降、技术难度、经费时间因素等等。因此隐形飞机的特点RCS的确定是在满足作战需求(与威胁相平衡)、技术经费可行(满足研制能力)之间寻求平衡的问题,即隐形飞机的特点的雷达隐身是一个在需求与可能之间寻求平衡的问题
F-117为降低RCS,在雷达隐身性能不过关的情况丅没有装机载雷达。即使如此F-117的隐身外形设计仍使其气动性能极差。由于F-117的外形是电磁专家设计的因此F-117的隐身性能是目前隐身隐形飛机的特点中最好的,理论上其隐身性能要高于F-22
由于隐形飞机的特点的雷达隐身特性是隐形飞机的特点的一种固有设计特性,只取决于隱形飞机的特点的结构和外部照射源的技术状态相对独立于隐形飞机的特点的飞行状态,即使舵面偏转、大幅机动、弹舱开启等动态行為会使隐形飞机的特点的RCS产生一定变化这些变化的影响规律也可通过地面静态测试获得。加之大气对电磁波的传播特性影响较小(这也昰雷达是战场的主传感器的主要原因)因此,隐形飞机的特点的雷达隐身性能可以通过地面静态测试掌握其绝大部分细节
(二)隐形飛机的特点雷达隐身传感器特性
隐形飞机的特点的雷达隐身是针对敌方雷达传感器的主动探测而言的,因此研究隐形飞机的特点雷达隐身性能就必须从雷达传感器的角度进行针对雷达传感器的技术特性和战术运用特点,隐形飞机的特点雷达隐身传感器特性体现在以下五个方面
隐形飞机的特点的RCS是一个与隐形飞机的特点设计结构相关的独立变量。由于隐形飞机的特点结构独特点其各方向的RCS是不一样的,偠做到各方向的RCS都很小是不可能
另一方面,隐形飞机的特点所面临的威胁与三维空间角度相关雷达探测的威胁可能来自4π空间,但各個方向的威胁程度是不同的构成威胁的武器也不同,武器的状态也不同各方向的威胁程度存在明显差异。如敌方隐形飞机的特点(战鬥机、预警机)的威胁主要来自前半球地空导弹的威胁则来自于半球,而远程地空导弹的威胁则主要来自下半球的上半部分对于空空導弹和地(海)面防空导弹来说,迎头攻击是最常见的一种作战模式对于空战,迎头攻击处于机载雷达和空空导弹的最佳作战角度而苴目标相对飞行状态稳定;对于地面拦截,迎头攻击的杀伤区最大因此,机头方向是威胁最大的方向
因此,隐形飞机的特点在考虑雷達隐身设计时必须依据作战需求,对隐形飞机的特点各方向的RCS进行取舍威胁大的方向要求高,威胁低的方向则可以适当降低要求
我們提到的隐身隐形飞机的特点的隐身特性通常是指隐形飞机的特点前向的隐身特性,也就是隐身隐形飞机的特点隐身性能最好的方向的隐身特性隐形飞机的特点侧面和尾部的RCS会较大,雷达的探测距离会较大这也是抗击隐身隐形飞机的特点作战运用的方法之一。
隐形飞机嘚特点的RCS对照射雷达频率的敏感程度较高这与电磁波的特性有关,电磁波的频率不同则波长不同,而电磁波的波长对物体形状尺寸的敏感程度存在较大差异从而使外形结构确定的隐形飞机的特点在不同频率雷达照射下呈现出不同的RCS。当雷达波长与隐身隐形飞机的特点嘚尺寸相当时隐身隐形飞机的特点就不隐身了,这也是采用低频段雷达可提高对隐身隐形飞机的特点的发现概率的理论依据但波长太長时测量精度会显著下降,无法支持制导
另一方面,从战场看不同频段的雷达所构成的威胁程度存在较大差异。雷达的工作频段一般根据雷达的用途决定预警雷达一般工作于P、L、S频段,机载火控雷达一般工作于X频段防空武器的制导系统一般是C、X等频段,导弹的导引頭一般工作在高频段因此,从作为制空战斗机的隐身隐形飞机的特点的作战任务可知 X、C、S频段的威胁远大于L和Ku频段。因此基于制空戰斗机的定位,F-22雷达隐身的设计重点针对X频段其指标要求是最严格的。
由于隐形飞机的特点结构的特点隐形飞机的特点在各个方向上嘚RCS变化并不是平均的,而是存在起伏起伏所引起的RCS“尖峰”又可能远大于该区域的RCS平均值。若隐形飞机的特点在机头方向的平均RCS很小泹在某个角度范围内,存在较宽的RCS“尖峰”从而足以使雷达形成发现或跟踪条件,构成拦截窗口因此,RCS指标的设计必须考虑这种起伏特性的影响
RCS“尖峰”的持续宽度应能够保证雷达至少完成一次信号测量。考虑以下两种由于RCS“尖峰”引起的恶化情况:一是在某个角度仩RCS“尖峰”的持续宽度超过一定值足以使导弹完成一次拦截过程;二是在某个角度范围内RCS“尖峰”的个数足够密集,足以使雷达保持一萣的跟踪数据率从而构成拦截窗口。
RCS在各个方向上的起伏与隐形飞机的特点的气动外形、挂载等因素有关RCS“尖峰”是指RCS超过该方向的岼均RCS,接近不隐身的水平
由于隐形飞机的特点外形的影响,隐形飞机的特点的RCS对照射雷达的不同极化方式呈现不同的方应特性如采用沝平极化扫描时,雷达对于一根竖立物体的发现概率较大但信号强度低;若采用垂直极化方式扫描,则雷达虽然对这根竖立物体的发现概率较小但一旦发现,则信号强度很高对于一般目标,RCS对不同极化方式的差异最大可达10dB以上
图中所示的是F-117A在两种极化下的平均RCS,可鉯看出存在明显差异F-117A针对所有可能的极化方式专门进行了综合优化设计,其极化差异仍有2dB左右F-117A的扁平机身,使其垂直极化RCS的水平低于沝平极化的水平而对于没有专门进行针对性设计的隐形飞机的特点,RCS对不同极化方式的差异可达到10~15dB如果隐形飞机的特点的RCS对某种极囮方式敏感,就会大大降低其隐身效果
根据公开资料,美军“爱国者”和“宙斯顿”系统跟踪/制导雷达采用垂直极化(线极化)方式洏C-300系列、红-9系列则采用圆极化。垂直极化具有较好的低空性能而圆极化具有相对稳定的RCS。不同的极化方式下隐形飞机的特点的RCS差异最大鈳达10dB~15dB水平(垂直和水平极化)新一代防空雷达中已开始采用变极化和同时多极化技术,以获取极化增益
因此,隐身隐形飞机的特点嘚RCS设计是考虑雷达极化方式的最好适用于所有的可能极化方式,包括垂直极化和水平极化由于机载雷达一般采用垂直极化,因此从淛空战斗机的任务特点考虑,隐身隐形飞机的特点的重点考虑垂直极化
隐形飞机的特点飞行中还存在一些动态特性,如弹舱开启方式和時间、舵面偏转、机动飞行等动态状态对雷达隐身的影响等问题这些动态问题,有些是作战使用问题对研制方案的影响较小(如机动飛行),而有些则对研制方案有较大影响(如弹舱打开方式)
美国的F-22在参加航展时,总是打开弹舱、或者不收起落架进行飞行的这就昰为了不让别人测得它的RCS,另外F-22在机腹下安装有专门的RCS增强装置(龙波球),也是出于同一目的
通过雷达隐身措施,可将雷达对隐身隱形飞机的特点的探测距离压缩到了60km左右然而,F-22正常的作战状态有时处于超声速巡航状态其红外辐射特征明显超过三代机,大气条件良好情况下机载红外传感器对F-22的探测距离超过80km,红外隐身问题又凸显出来原来处于辅助角色的红外传感器(如苏-27),对于探测隐身目標上升到了主传感器的地位。因此在雷达隐身的基础上,隐身隐形飞机的特点还要考虑红外隐身的问题
(一)隐形飞机的特点红外隱身基本特点
隐形飞机的特点红外隐身具有以下六个基本特点。
与隐形飞机的特点雷达散射特性RCS不同的是隐形飞机的特点红外辐射是一種有源目标特征,敌方可利用被动传感器进行探测红外隐身的实质是一个低截获(LPI)问题。
隐形飞机的特点的红外辐射来源于隐形飞机嘚特点的蒙皮热辐射、发动机尾喷管热辐射、发动机排出的尾焰辐射以及隐形飞机的特点对环境辐射(太阳、地面和天空)的反射隐形飛机的特点蒙皮热辐射由两部分组成,隐形飞机的特点飞行时气动加热形成的蒙皮热辐射和蒙皮对环境辐射(太阳、地面和天空)的反射由于对环境辐射的反射较为复杂,且影响较小因此可以忽略。
与雷达隐身相似的是红外隐身可以也用单一参数——红外辐射强度进荇定量描述。红外辐射强度是一个与隐形飞机的特点结构、表面涂料和飞行状态密切相关的变量也是隐形飞机的特点的一种固有特性,┅旦设计定型后就基本确定
红外隐身与雷达隐身相似,参数的取值方向十分明确属性也是越小越好,同样是需求与可能之间的权衡偠与雷达隐身性能匹配。
隐形飞机的特点的红外隐身性能的主要影响因素有三个结构、涂层和飞行状态。结构和涂层是设计参数设计┅定,则红外隐身性能就基本确定因此,隐形飞机的特点的红外隐身性能是隐形飞机的特点的固有设计特性其属性是越小越好。
可以通过隐形飞机的特点的结构设计来减少隐形飞机的特点红外辐射的强度或被探测到的概率如采用遮挡设计,减少发动机红外辐射被侧面探测的概率;采用翼面蒙皮下燃油管散热等措施以减小翼面的红外辐射。据资料报道F-22就可能在蒙皮下采用油管冷却的方式降低蒙皮的表面温度,从而减少蒙皮的红外辐射量采用喷液氮、气溶胶等方法短时间大幅降低隐形飞机的特点发动机的红外辐射,从而使导弹的红外导引头失锁F-22即采用在喷管喷液氮的方法降低尾部的红外辐射。
对于蒙皮红外辐射的缩减在设计上主要是采用表面涂层的方法以降低隱形飞机的特点蒙皮的红外发射率,从而降低隐形飞机的特点蒙皮的红外辐射红外涂层很薄(微米量级),对隐形飞机的特点增加的重量不多(几十千克)但效果不错。
光电传感器迎头探测的主要辐射来源是隐形飞机的特点蒙皮的红外辐射而隐形飞机的特点蒙皮的红外辐射程度与隐形飞机的特点的飞行状态密切相关,且只有在高速飞行状态下才能明显呈现相比之下,隐形飞机的特点的飞行状态对发動机的红外辐射的影响则可以在地面静态测试
6.与传播介质特性相关
与雷达波的传播不同,红外辐射的传播受传播介质的影响十分明显从目标发出的红外辐射,在传播过程中要受到传输介质—大气的衰减。由于红外辐射的传播特性从而使红外辐射的程度受天气的影響较为明显。
(二)隐形飞机的特点红外隐身传感器特性
隐形飞机的特点的红外隐身性能是针对敌方光电传感器的被动探测而言的因此研究隐形飞机的特点红外隐身性能就必须从光电传感器的角度进行。针对光电传感器的技术特性和战术运用特点隐形飞机的特点红外隐身传感器特性体现在以下三个方面。
红外辐射也存在方向特性这主要取决于传感器探测的视角。红外辐射向各方向是同性的传感器观測到的隐形飞机的特点红外辐射的辐射强度与辐射源的辐射亮度与其投影面积的乘积成正比。而传感器从不同方向探测时目视的隐形飞機的特点的几何形状面积是不同的。蒙皮的红外辐射面积由于探测方向的不同将有很大差别在侧视时较大,前视(即迎头观测)或后视时较尛
所有作战隐形飞机的特点起飞后,总的长波红外辐射均呈现迎头弱、尾后强的态势其形状类似于“苹果”。
红外传感器是被动探测与雷达传感器相比,缺乏距离信息因此需要结合其他的辅助测距手段使用,如激光测距、双机定位、单机多点定位等雷达探测可形荿攻击态势,实施导弹发射;而红外探测要形成攻击态势则还要其他手段的辅助因此,相对于雷达隐身而言红外隐身处于从属地位,呮要红外发现距离不大于雷达发现距离即可
不同的热源产生的红外辐射具有不同的波段,由于大气窗口的原因红外探测主要集中在8~12μm的长波和3~5μm的中波两个波段。隐形飞机的特点蒙皮的气动加热红外辐射主要是长波红外辐射(8~12μm)而发动机的红外辐射则主要是Φ波红外辐射(3~5μm)。
长波红外辐射(8~12μm)主要针对先进红外传感器中波红外辐射(3~5μm)主要针对红外导弹(如AIM-9X)。
目前国外的先进战机中采用中波、长波探测的红外搜索跟踪系统均有装备从目前技术发展水平看,先进的长波红外搜索跟踪系统在高空、良好大气條件下对非隐身隐形飞机的特点的迎头探测距离不小于75km尾后不小于150km。
与雷达波的传播不同红外辐射的传播受大气的影响十分明显。从目标发出的红外辐射在大气传输路径上要受到衰减,会被大气散射和吸收即大气对红外辐射的传输起削弱作用,这种作用称为大气衰減大气对红外辐射的吸收形成两个大气窗口,即8~12μm的长波和3~5μm的中波两个窗口
由于红外辐射的传播特性,从而使红外辐射的程度受天气的影响较为明显由于隐身隐形飞机的特点一般在高空飞行,因此可认为大气条件良好红外辐射传播特性相对稳定。
隐形飞机的特点在对付红外导弹是会采用两种措施一是发射红外干扰弹,二是发射气溶胶红外干扰弹的目的是形成比隐形飞机的特点红外辐射更強的红外辐射源,诱使导弹的红外导引头跟踪红外干扰弹但这对于红外成像导引头无效。气溶胶则是阻断隐形飞机的特点红外辐射的传輸路线改变介质传输特性,使导弹的红外导引头丢失目标
通过雷达和红外隐身,压缩了对隐身隐形飞机的特点的探测距离提高了隐身隐形飞机的特点的突防能力。然而隐身隐形飞机的特点要完成作战任务,就必须辐射要辐射信号,就有被发现的可能因此,又引發了射频隐身问题
射频隐身是指目标与无源探测系统之间的对抗。无源探测系统可以根据武器平台上电子设备(系统)辐射的电磁波确萣武器的位置(角度和距离)信息射频隐身是指通过对电子装备射频有源信号进行特征控制,有效避免被敌方无源电子侦察装备截获、汾选识别和定位射频隐身技术是武器平台上的电子设备针对无源探测系统的隐身技术,属于武器平台有源或主动信号特征控制范畴
对瑺规飞行器,机载雷达对它的探测距离200km左右机载IRST(美国的AAS-42)对它的前向探测距离185km左右,无源探测系统(美国的ALR-94)对它的探测距离460km左右洏针对雷达隐身的飞行器,其RCS已经降到0.1m2以下比常规飞行器降低了20~30dB,机载雷达对它的探测距离降低到了只有几十千米作战飞行器将首先被无源探测系统发现,其后将被IRST发现射频隐身已经成为飞行器隐身平衡设计的短板。
美国在开展飞行器雷达隐身的同时就开展了飞荇器射频隐身的研究。据已解密的公开资料美国在1979~1980年就完成了第一个射频隐身的飞行试验,仅滞后于美国第一架隐身飞行器F-117A的验证机“海弗蓝”首飞(1977年12月)一年多的时间该计划开始于70年代中期,由美国国防部预先研究计划局(DARPA)、美国空军和海军主持休斯隐形飞機的特点公司为主承包商。试验的未隐身的雷达为法国“幻影”隐形飞机的特点Cyrano雷达系列射频隐身后雷达参数为5w/波束、9波束、320MHz带宽、天線旁瓣-55dB、LPI波形。射频隐身的作战对象为F-111A隐形飞机的特点载的AN/ALR-62雷达寻的告警接收机RHAW(它是当时美国最先进的RHAW)、ELINT和反辐射导弹ARM试验结果显礻,机载雷达采用射频隐身技术后在保持雷达对目标作用距离不降低的条件下,威胁方RHAW对飞行器的探测距离从346km降低到8.5kmELINT的探测距离从2188km降低到19.3km,反辐射导弹的攻击距离从55km降低到0.48km无源探测系统的探测距离缩减了97%以上,可见飞行器射频隐身的效果是十分显著的
美国的射频隐身发展可以分为三个阶段。第一阶段:F-117A时期意识到射频隐身的重要性,但没有较好的技术解决方案因此F-117A隐形飞机的特点上没有装备机載雷达。第二阶段:B-2时期上世纪80年代后期,美国在B-2隐身轰炸机上装备了具有低截获概率(LPI)的APQ-181相控阵雷达该雷达具有隐身波形和5级辐射功率控制。第三阶段:F-22和F-35时期上世纪90年代到本世纪初,美国为新一代战斗机F-22和F-35研制了射频隐身性能良好的机载雷达、通信导航识别(CNI)等电子设备
总体来说,美国现今已经全面掌握各类机载电子设备辐射能量的自适应控制技术射频隐身波形设计技术等射频隐身技术。对于机载电子设备射频隐身作战使用问题的研究没有相关的公开资料但可以预料美国已经掌握了射频管控方面的相关技术与作战使用筞略。
(一)隐形飞机的特点射频隐身基本特点
隐形飞机的特点射频隐身具有以下六个基本特点
隐形飞机的特点要完成任务,就需要辐射若隐形飞机的特点所有的射频设备都保持静默,则射频隐身就转变成一个雷达隐身问题射频设备在非工作状态下的射频隐身问题,昰一个RCS问题因此,隐形飞机的特点射频辐射是一种有源目标特征敌方可利用被动传感器(ESM)进行探测,射频隐身的实质是一个低截获(LPI)问题
隐形飞机的特点射频辐射所具有主动辐射特性与红外辐射所具有主动辐射特性不同,红外辐射的主动辐射特性只要隐形飞机的特点飞就会存在人为可控的程度较小。而隐形飞机的特点射频辐射的主动辐射特性是与隐形飞机的特点要完成的作战任务密切相关可鉯人为控制,通过收益/风险评估可以选择不同的辐射策略,从而控制射频隐身效果射频隐身的目的就是要以最小的风险完成既定的作戰任务。
与红外隐身特性一样采用截获接收机截获信号只具有方位信息,缺少距离信息
雷达隐身和红外隐身研究的基点是尽量压缩敌方的探测距离,而射频隐身则要复杂得多 隐形飞机的特点的射频设备不辐射则不存在射频隐身问题,而隐形飞机的特点的射频设备不辐射则无法完成作战任务要辐射就必定存在被敌方截获的可能。因此隐形飞机的特点在作战状态下的探测和敌方截获是一种博弈,不是┅种越大越好或越小越好的单向性问题要提升完成作战任务的能力,就要提高辐射的能力;要降低敌方截获的可能就要降低辐射的能仂;这两者之间是相互矛盾的。因此射频隐身问题不是单纯地以降低截获为基点的,而要以隐形飞机的特点完成预定作战任务为基点使隐形飞机的特点以最低的风险完成预定的作战任务。这不仅要在作战使用时根据战场环境、作战对手、作战态势选择最优方式更应当茬隐形飞机的特点设计阶段导入科学、正确、明晰的作战需求作为设计输入,为作战使用时提供更大的灵活度和更好的基础
射频隐身所涉及的射频传感器指利用发射无线电信号来感知目标和环境的设备,有机载相控阵雷达(AESA)、电子战系统(ECM)、敌我识别器(IFF)、数据链(IFDL)、导航设备、高度表等射频隐身的基础是雷达隐身,射频辐射所涉及的设备首先要满足雷达隐身的需求
射频辐射又涉及各射频设備的多种独立和组合辐射状态。有源于任务需求的主动辐射如相控阵雷达的搜索、跟踪、制导、干扰,电子战系统的主动干扰数据链嘚传输,敌我识别器的询问、应答等;还有源于外部威胁的被动辐射如电子战系统被动干扰。
射频辐射涵盖空域、频域、时域和能量域(时、空、频、能)四个维度其中空域涉及4π空间,敌方的截获接收机可能位于4π空间的任意位置。
隐形飞机的特点的射频隐身性能是針对敌方被动传感器(截获接收机)而言的,截获接收机对射频参数的处理主要包括截获、识别、分选、关联、跟踪等过程这些过程具囿串联,一个环节失效则全程失效若对方只能截获信号,但无法完成对信号的识别和分选则隐形飞机的特点仍是隐身的。截获接收机嘚截获只与辐射能量有关而识别、分选、关联等则与频率、波形等辐射参数有关。
因此隐形飞机的特点的射频隐身是一个多设备、多狀态、多维度的影响因素众多的综合性问题。
由于隐形飞机的特点的射频隐身性能所涉及的射频设备多样影响参数众多,因此很难用┅个独立的单一参数定量描述射频隐身的需求。
目前对采用什么参数描述射频隐身的看法不统一,射频隐身的描述参数很难统一对不哃的设备,甚至对不同的作战任务要求可能需要用不同的参数来描述射频隐身性能。
隐形飞机的特点的射频隐身性能涉及射频设备的LPI问題同时还涉及射频设备的作战使用问题,因此隐形飞机的特点的射频隐身特性应分为LPI设计特性和使用设计特性两类。
LPI设计特性是射频設备固有的LPI性能设计特性可以用相关的LPI参数描述。
使用设计特性是对射频设备的射频资源作战管理的设计特性这一特性会随着隐形飞機的特点作战任务、作战过程、作战状态、作战对手和战场环境的不同而变化。
由于隐形飞机的特点射频设备与作战任务密切相关所涉忣射频设备众多,因此射频隐身不同于雷达、红外隐身,不是一个越小越好或越大越好的单向问题而是一个与作战任务密切相关的探測与反探测的博弈问题。雷达隐身及红外隐身要求尽可能地减小目标的雷达及红外特征即目标的RCS及红外辐射强度越低越好。但射频隐身則有很大的不同射频隐身是减少机载传感器系统的射频信号特征,使敌方的无源探测传感器处于不断的信号处理和猜测中从而不能及時发现和确定目标。然而却不能无限制地减小隐形飞机的特点的射频特征,因为电子设备要依靠辐射的电磁波工作电子设备辐射的电磁波能量小到一定值后,电子设备的功能和性能会下降或消失而失去作用因而射频隐身的一大特点或限制条件是需要保持电子设备的功能及性能,满足使用需求因此射频隐身是隐形飞机的特点以完成作战任务为基本目的,在需求与可能的基础上风险与收益之间的权衡。
比如截获接收机信号截获的过程只与信号的强度有关则辐射信号的功率在满足作战任务需求的条件下,越小越好空间特性越精确越恏;而截获接收机识别分选信号的过程与信号的波形、时序、频率等参数有关,越多变、越随机越好而这些参数之间本身又存在一定的矛盾性,因此参数的取值方向并不是单一的而是呈现多样化的局面。这种控制参数多样化、参数取值多样化的局面使得面向作战任务的射频管控十分重要
隐形飞机的特点的射频隐身性能在实验研究方面具有与雷达隐身相似的特性,即多数射频隐身性能可以通过地面静态測试进行实验研究射频隐身的这种基本特点,为地面静态实验研究隐形飞机的特点射频设备的射频隐身性能提供了可能
(二)隐形飞機的特点射频隐身传感器特性
隐形飞机的特点的射频隐身性能是针对敌方截获接收机的被动探测而言的,因此研究隐形飞机的特点射频隐身性能就必须从截获接收机的角度进行针对截获接收机的技术特性和战术运用特点,隐形飞机的特点射频隐身传感器特性体现在以下三個方面
在空间截获隐形飞机的特点射频信号的传感器设备多样,有可能是隐形飞机的特点上的ESM有可能是隐形飞机的特点上的AESA以被动方式截获,也有可能是地面被动雷达不同传感器设备截获的信号可用性存在差异,AESA以被动方式截获信号的质量要高于ESM截获
隐形飞机的特點在作战时,打开雷达探测目标获得的收益是掌握了对方隐形飞机的特点的信息,所面临的风险则是有可能被对方截获己方的辐射信号己方辐射所面临的风险有两种类型。
第一种情况是我机可通过辐射获得敌机的信息在此状态下,我机对所面临的风险可以预计则该類风险为可预计风险。如我机在雷达跟踪状态下来自被跟踪目标的截获威胁所产生的风险就是一种可预计风险。在可预计风险状态下峩方的风险与敌方的收益相平衡。处理可预计风险的对策是一种典型的零和对策一方的得利等于另一方的损失。
第二种情况是我机不能通过辐射获得敌机的信息而敌机可截获我方的辐射并加以利用,则我方所面临的风险是不可预计风险如我机在雷达跟踪状态下,来自被跟踪目标以外或主瓣作用距离以外的目标的截获威胁所产生的风险就是不可预计风险在此状态下,我方的收益为零单向承受着风险威胁。
除可预计风险和不可预计风险两种风险类型外我机的射频辐射风险还可按敌方利用截获我机辐射信号可以实施的作战动作,也就昰按敌方获得的收益的大小划分为高(定位)、中(跟踪)、低(感知)三个级别。敌方的收益越大我方的风险越高。
射频隐身的目嘚就是要以最小的风险完成既定的作战任务因此,射频管控的本质是在收益与风险之间进行权衡以最小的风险完成既定的作战任务。
從可预计风险和不可预计风险的属性可看出风险的类型取决于对战场态势信息的掌握程度。风险是由不确定性导致产生的如果我们全媔掌握战场的态势信息,则不存在风险只存在危险。对战场态势信息的掌握程度越高风险越小,反之风险越大。因此我们可以通過编队或体系信息支援等方式,提高对战场态势信息的掌握程度从而将不确定性的不可预计风险转化为确定性的可预计风险,降低风险程度
因此,对于不同类型的风险需要采取不同的措施降低、规避、转化风险。将不可预计风险转化为可预计风险将高级别风险转化為低级别风险。
对于不可预计风险一是采用低截获(LPI)设计措施降低风险,二是提高对战场态势信息的掌握程度转化风险将威胁程度較高的不可预计风险转化为威胁程度较低的可预计风险。
对可预计风险主要采用管控措施降低或规避风险,面对不同的对手采用不同嘚辐射管控措施,以最大程度地降低作战风险
射频辐射的特点是在进行每一步行动决策时,需要对敌我双方的风险、收益进行综合判断、预测和权衡包括以下过程:
第一步:基于我方的作战任务、作战目标、作战阶段,确定可选择的行动方案;
第二步:评估可选择的行動方案所带来的预期收益;
第三步:基于敌方的数量、位置、状态(能力)、意图等评估可选择的行动方案可能带来的风险;
第四步:權衡收益与风险,按一定准则形成符合风险控制准则的行动决策
在这四个步骤中,第一、二个步骤是基于自身的是完全可控环节;第彡个步骤与敌方信息有关,需要考虑信息的不确定性影响;第四个步骤的核心是射频隐身策略射频隐身策略与作战的阶段密切相关。
因此对于不同作战阶段,具有不同的射频隐身策略射频设备的使用应与相应的作战阶段相匹配,不同的作战阶段应采用不同的射频隐身筞略
雷达、红外、射频隐身是隐身隐形飞机的特点主要的隐身特性,此外隐身隐形飞机的特点还有声隐身、可见光隐身等隐身特性但這些隐身特性对隐身隐形飞机的特点的综合隐身性能影响较小。
表中描述了雷达、红外和射频三个隐身性能之间内在关系
辐射的强度、涳间、时间、频率、波形等特性 |
固有特性,提供管控资源 可控特性面向任务管控 |
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无法用LPI定量衡量射频隐身性能 |
射频隐身性能与相互距离囷任务状态密切相关,在不同阶段其影响重要度不同 |
射频隐身影响因素需要依据作战任务分析对设计指标和管控准则同时提出需求 |
固有特性,一旦设计定型后就基本确定研究侧重于怎么降低,降到什么程度 可控特性,在设计资源保证的条件下研究侧重于怎么管控,管控到什么程度 |
隐身隐形飞机的特点的隐身是一个综合平衡、协调发展问题。依据隐身隐形飞机的特点的特点在雷达、红外和射频三個隐身性能中,雷达隐身具有优先级;依据平衡可观测原则各种隐身技术之间应平衡发展,各种隐身应有大致相近的可观测距离雷达、红外和射频隐身性能应匹配,不应存在“短板”;基于风险/收益权衡原则隐形飞机的特点的射频隐身性能不但要与雷达、红外隐身性能相匹配,还要与隐形飞机的特点的综合探测和综合攻击能力相协调同时还必须与敌方的探测和攻击能力相平衡。
雷达隐身和红外隐身基本上是一个较为单纯的防御性问题研究的基点是尽量降低敌方探测的距离,而射频隐身则要复杂得多射频隐身是一个防御与攻击交織的问题,各种射频设备在非工作状态下的射频隐身问题实质是一个RCS问题而工作状态下的射频隐身问题则与作战任务、作战过程、作战狀态以及作战对手的特性密切相关。