隱身飛機(jī)雷達(dá)目標(biāo)特性初探

程肇睿

摘要：本文在明確隱身飛機(jī)主要技術(shù)及原理等理論基礎(chǔ)的前提下，對(duì)隱身飛機(jī)雷達(dá)目標(biāo)特性進(jìn)行了研究。本文指出，隱身飛機(jī)在低波段的RCS值相對(duì)較高、隱身性能較差，在高波段的RCS值相對(duì)較低、隱身性能較好。此外，隱身飛機(jī)在正向和側(cè)向隱身性能較強(qiáng)，后向隱身性能較弱。

關(guān)鍵詞：隱身飛機(jī);雷達(dá);特性

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，隱身技術(shù)的發(fā)展使得一系列隱身武器隨之而生，其中又以隱身飛機(jī)、隱身坦克、隱身導(dǎo)彈和各類單兵隱身武器為代表。隱身武器的廣泛應(yīng)用改變了傳統(tǒng)戰(zhàn)爭(zhēng)中的攻防格局，使得傳統(tǒng)雷達(dá)難以探測(cè)和追蹤，進(jìn)而促進(jìn)了防御系統(tǒng)和反隱身技術(shù)的發(fā)展。

在一眾隱身武器中，由于F-117等隱身飛機(jī)在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)等重要戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，中國(guó)、美國(guó)、歐盟和俄羅斯等國(guó)家向來對(duì)隱身飛機(jī)這一隱身武器的研究極為關(guān)注。2010年，美國(guó)洛克希德公司研制出了應(yīng)用于F-35隱身飛機(jī)表面的新型纖維材料。隨后，俄羅斯宣布將離子體隱身技術(shù)應(yīng)用于T-50隱身飛機(jī)。中國(guó)、日本和韓國(guó)等亞洲國(guó)家也結(jié)合自主研發(fā)與購(gòu)買，研制了數(shù)代隱身飛機(jī)，例如殲-20和殲-31等等。

然而，雖然隱身飛機(jī)的研究已然獲得了一定成果，但真正實(shí)現(xiàn)飛機(jī)全向隱身已然存在較大困難。上述現(xiàn)象的成因一方面在于雷達(dá)等反隱身技術(shù)主動(dòng)探測(cè)能力的提升，另一方面則在于隱身飛機(jī)需要在隱身性能和作戰(zhàn)性能之間找尋平衡?；诖朔N背景，本文對(duì)隱身飛機(jī)雷達(dá)目標(biāo)特性進(jìn)行初步探析，以期為隱身飛機(jī)的發(fā)展提供參考。

一、隱身飛機(jī)主要技術(shù)

雷達(dá)自出現(xiàn)以來，用途便始終為目標(biāo)的探測(cè)，特別是以飛機(jī)、坦克等大型裝備為代表的敵對(duì)目標(biāo)。因此，隱身飛機(jī)的主要技術(shù)——隱身，是基于反雷達(dá)探測(cè)而言的。具體來看，隱身飛機(jī)的主要技術(shù)有六項(xiàng)。

第一項(xiàng)技術(shù)是外形隱身設(shè)計(jì)，意為消除鏡面反射、減少角反射及后向散射;第二項(xiàng)技術(shù)是材料隱身設(shè)計(jì)，意為用于機(jī)身等處的涂料可吸收或透過雷達(dá)波;第三項(xiàng)技術(shù)是紅外隱身設(shè)計(jì)，意為降低發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行中向外輻射的紅外信號(hào);第四項(xiàng)技術(shù)是電磁輻射隱身設(shè)計(jì)，意為降低飛機(jī)在飛行中的電磁輻射信號(hào);第五項(xiàng)技術(shù)是噪聲隱身設(shè)計(jì)，意為減弱甚至消除飛機(jī)在飛行中的噪聲;第六項(xiàng)技術(shù)是磁場(chǎng)隱身設(shè)計(jì)，意為減弱甚至消除飛機(jī)在飛行中的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

隱身技術(shù)能夠幫助飛機(jī)在隱身狀態(tài)下難以被雷達(dá)探測(cè)，但無法令飛機(jī)在任何條件下都無法被雷達(dá)探測(cè)，這是由于飛機(jī)的隱身性能往往與作戰(zhàn)性能沖突。

二、隱身飛機(jī)外形隱身技術(shù)原理及特性

（一）隱身飛機(jī)外形隱身技術(shù)原理

外形特性是隱身飛機(jī)最為主要的雷達(dá)特性，故本節(jié)對(duì)外形隱身技術(shù)原理進(jìn)行簡(jiǎn)述。外形隱身技術(shù)的原則在于消除雷達(dá)反射回波，例如可消除隱身飛機(jī)表面易于反射、散射電磁波的結(jié)構(gòu)，包括但不限于垂直表面、兩面體、矩形槽、不合理腔體和角反射器。除去被動(dòng)消除雷達(dá)反射回波，外形隱身技術(shù)還能夠變更雷達(dá)回波的反射方向，包括但不限于三角翼、后掠翼、內(nèi)嵌式機(jī)艙和修圓機(jī)翼翼尖等等。

誠(chéng)如前文所述，隱身飛機(jī)需要在隱身性能和作戰(zhàn)性能之間找尋平衡，因此外形隱身設(shè)計(jì)往往會(huì)做出一定讓步，無法令隱身飛機(jī)在所有角度和波段完成隱身。從波段這一層面來看，現(xiàn)階段中主流隱身飛機(jī)的隱身性能僅能夠規(guī)避厘米波段雷達(dá)的探測(cè)，難以規(guī)避毫米和米波段的雷達(dá)探測(cè)。從角度這一層面來看，現(xiàn)階段中主流隱身飛機(jī)的隱身性能僅能夠覆蓋60-120度的俯仰角和0-45度的方位角，無法覆蓋目標(biāo)的側(cè)向和后向。

（二）非隱身飛機(jī)SAR成像特性

本節(jié)選用預(yù)警機(jī)E2這一飛機(jī)為代表，分析非隱身飛機(jī)的SAR成像特性。E2預(yù)警機(jī)的機(jī)長(zhǎng)、翼展和機(jī)高分別為17.54、24.56和5.58米，機(jī)頭初始方向的俯仰角和方位角為90度和0度。值得注意的是，E2預(yù)警機(jī)的機(jī)身上方設(shè)有天線罩，增強(qiáng)了該飛機(jī)的電磁波反射能力，可能會(huì)對(duì)其SAR成像特性造成改變。

當(dāng)俯仰角為90度、方位角為0度（正向入射）和180度（后向入射）時(shí)，若正向入射，則SAR圖像中無天線罩，有機(jī)頭、螺旋槳和機(jī)翼棱邊;若后向入射，則SAR圖像中無天線罩，有尾翼、螺旋槳和機(jī)翼棱邊，這是由于天線罩與電磁波平行。

當(dāng)俯仰角為120度、方位角為45度和135度時(shí)，若方位角為45度，SAR圖像中有天線罩、機(jī)頭、尾翼、螺旋槳和機(jī)翼棱邊;若方位角為135度，SAR圖像與方位角為45度時(shí)大致一致。值得注意的是，機(jī)翼結(jié)構(gòu)為平板結(jié)構(gòu)，電磁波反射特性偏弱，因此僅能呈現(xiàn)出棱邊。

（三）隱身飛機(jī)雷達(dá)目標(biāo)特性

1.隱身飛機(jī)多波段雷達(dá)散射特性

本節(jié)選用戰(zhàn)斗機(jī)F-22這一飛機(jī)為代表，分析隱身飛機(jī)的隱身飛機(jī)的多波段雷達(dá)散射特性。多波段雷達(dá)散射特性分析通常包括前向角域分析、側(cè)向角域分析和尾向角域分析，此種劃分的依據(jù)為隱身飛機(jī)的RCS。

就戰(zhàn)斗機(jī)F-22而言，在VHF波段其RCS散射量值較高，這是由于此波段雷達(dá)波長(zhǎng)大于飛機(jī)尺寸，即飛機(jī)處于諧振區(qū)中。VHF波段中，戰(zhàn)斗機(jī)F-22的多波段雷達(dá)散射特性與其外形投影尺寸存在顯著相關(guān)性，與其外形細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)不存在顯著相關(guān)性。由此觀之，VHF波段下不施加其他隱身措施時(shí)，F(xiàn)-22的隱身性能較差。

在UHF、L和S波段，戰(zhàn)斗機(jī)F-22的前向RCS達(dá)到了0.1m2量級(jí)，但仍然存在較高的側(cè)向散射。VHF波段中，戰(zhàn)斗機(jī)F-22的多波段雷達(dá)散射特性與其外形細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)存在顯著相關(guān)性，即低RCS的外形設(shè)計(jì)令該隱身飛機(jī)的前向散射較低。然而，由于側(cè)向散射與飛機(jī)外形的投影尺寸存在顯著相關(guān)性，UHF、L和S波段下不施加其他隱身措施時(shí)，F(xiàn)-22的側(cè)向隱身性能有所不足。

在C、X、Ku、K和Ka波段，戰(zhàn)斗機(jī)F-22的前向RCS達(dá)到了0.01m2量級(jí)，由此觀之，此波段中戰(zhàn)斗機(jī)F-22借助低RCS的外形設(shè)計(jì)極大程度地降低了前向RCS。

2.隱身飛機(jī)SAR成像特性

本節(jié)選用戰(zhàn)斗機(jī)F-22這一飛機(jī)為代表，分析隱身飛機(jī)的SAR成像特性。戰(zhàn)斗機(jī)F-22的機(jī)長(zhǎng)、翼展和機(jī)高分別為18.92、13.56和5.08米，機(jī)頭初始方向的俯仰角和方位角為90度和0度。值得注意的是，本節(jié)對(duì)隱身飛機(jī)SAR成像特性的分析方式參照了非隱身飛機(jī)SAR成像特性的分析方式。

當(dāng)俯仰角為90度、方位角為0度（正向入射）和180度（后向入射）時(shí)，若正向入射，則SAR圖像中僅有兩個(gè)散射點(diǎn)，這是由于正向入射條件下飛機(jī)的隱身性能最佳;若后向入射，則SAR圖像中呈現(xiàn)了全部機(jī)艙和部分機(jī)頭，這是由于后向入射條件下飛機(jī)處于離開戰(zhàn)場(chǎng)狀態(tài)，且機(jī)艙具有平板結(jié)構(gòu)，隱身性能較弱。

當(dāng)俯仰角為120度、方位角為45度和135度時(shí)，若方位角為45度，則SAR圖像中僅有兩個(gè)散射點(diǎn)，這是由于隱身飛機(jī)F-22的尾翼具有一定的電磁波反射能力;若方位角為135度，則SAR圖像中呈現(xiàn)出機(jī)翼棱邊，這是由于隱身飛機(jī)F-22的機(jī)翼棱邊對(duì)電磁波的反射性較強(qiáng)。

三、隱身飛機(jī)性能提升建議

由戰(zhàn)斗機(jī)F-22這一飛機(jī)的多波段雷達(dá)散射特性和SAR成像特性可知，隱身飛機(jī)在VHF波段、UHF波段等低波段的RCS值相對(duì)較高、隱身性能較差，即隱身飛機(jī)在上述波段易于被雷達(dá)探測(cè)，與非隱身飛機(jī)的目標(biāo)特性差異不顯。其余波段中，隱身飛機(jī)相較非隱身飛機(jī)則在雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)層面具有較大優(yōu)勢(shì)。因此，隱身飛機(jī)性能的提升可基于降低低波段RCS值入手，以減少雷達(dá)對(duì)隱身飛機(jī)探測(cè)的概率。

誠(chéng)如前文所述，俯仰角和方位角的變化為隱身飛機(jī)的多波段雷達(dá)散射特性和SAR成像特性帶來了一定變化，且隱身飛機(jī)的主要雷達(dá)特性集中于機(jī)翼棱邊和進(jìn)氣道側(cè)面。本文認(rèn)為，無尾式布局能夠極大程度地提升隱身飛機(jī)的側(cè)向和后向隱身性能。具體來看，隱身飛機(jī)的尾部可設(shè)計(jì)成鋸齒狀，齒邊則與兩側(cè)機(jī)翼前緣平行，目的在于降低雷達(dá)散射截面。隱身飛機(jī)的進(jìn)氣口則應(yīng)盡量遠(yuǎn)離兩側(cè)機(jī)翼前緣，目的在于規(guī)避來自下方的雷達(dá)波。另外，隱身飛機(jī)的機(jī)身表面和轉(zhuǎn)折處還可通過細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，將反射波集中在水平面內(nèi)的數(shù)個(gè)窄波束。

四、結(jié)論

現(xiàn)階段中，世界各國(guó)對(duì)隱身飛機(jī)的研究已然獲得了一定成果，促進(jìn)了隱身技術(shù)和反隱身技術(shù)的發(fā)展，例如美國(guó)的新型纖維材料、俄羅斯的離子體隱身技術(shù)和我國(guó)研制的殲-20和殲-31等等。然而，當(dāng)前隱身飛機(jī)受到反隱身技術(shù)、作戰(zhàn)性能等因素的限制，依然難以真正實(shí)現(xiàn)全向隱身。

隱身飛機(jī)的隱身特性可通過六項(xiàng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，分別為外形隱身設(shè)計(jì)、材料隱身設(shè)計(jì)、紅外隱身設(shè)計(jì)、電磁輻射隱身設(shè)計(jì)、噪聲隱身設(shè)計(jì)和磁場(chǎng)隱身設(shè)計(jì)。本文以戰(zhàn)斗機(jī)F-22這一飛機(jī)為例指出，隱身飛機(jī)的多波段雷達(dá)散射特性為在VHF波段下隱身性能較弱、在UHF、L和S波段下側(cè)向隱身性能有所不足，以及在C、X、Ku、K和Ka波段隱身性能較強(qiáng);隱身飛機(jī)的SAR成像特性則為正向入射和側(cè)向入射時(shí)隱身性能較強(qiáng)，后向入射時(shí)隱身性能較弱。鑒于此，隱身飛機(jī)可基于降低低波段RCS值的角度，進(jìn)行無尾式布局、進(jìn)氣口改進(jìn)、機(jī)身表面和轉(zhuǎn)折處細(xì)節(jié)改進(jìn)等提升。

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