战机隐身外形 : 从“毫无希望的菱形”到“曲面风筝”

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  随着越来越多的国家部署了具有前向隐身能力的战斗机(降低迎头作战时的可探测性),各国对于隐身技术的探索正在持续向更深的方向发展。在低可探测(LO)设计中,有两个因素正变得越来越重要:一个是如何减小飞机的侧向和后向雷达截面积(RCS);另一个是“宽频带隐身”,即雷达频率降低后,飞机的目标特征能随之降低到何种程度。

  当前的空防系统正向着一体化趋势发展,并且配备了更精确、低频的反隐身雷达,这就要求隐身战斗机在突破这种系统时具备全向宽频带隐身能力。要预测隐身的下一步将如何发展,就有必要了解这项技术迄今为止的发展历程。

  20世纪70年代末传出美国正在发展雷达规避技术时,大多数分析学家都认为该技术的重点是使机体圆弧化以消除雷达的直线反射。但在1988年,首次亮相的F-117为完全的多面体外形,之后的B-2截面全部是曲面,这让分析学家们惊呆了。

  两种飞机体现了两种截然相反的外形设计原理,但此后隐身设计的发展在不同程度上汲取了这两种技术。其原因在于RCS建模越来越先进、隐身飞机任务的不同以及不断发展的隐身材料抵消了一部分外形设计上的难题。

  

  破解“代码”

  雷达反射原理由詹姆斯·麦克斯韦(James Maxwell)在19世纪60年代初建立的4个方程式确立,这些方程式把电磁场和材料的电磁特性及电流特性联系了起来。雷达反射可划分为5类,分别是:镜面反射、边缘衍射、行波、爬行波与边缘波。

  “镜面反射”,指入射波在平面上沿与入射角相等且相反方向上发生的反射。

  “边缘衍射”是指当电磁波为平行极化方式时,射线到达边缘后激励一个衍射射线锥,衍射锥的半角等于入射线与边缘间的夹角,尖顶衍射为360°。

  入射波的垂直分量在表面产生电流,又发射出三种“表面波”。

  “行波”是由电流沿表面行进时发射的波,并会在边缘产生镜面反射。

   “爬行波”是经过目标被遮蔽一侧后返回被照射一侧的行波。

  “边缘波”是由表面电流冲击表面边缘时发射的波,它们会增大并加宽镜面回波的主瓣并在镜面反射周围产生扇形回波(即旁瓣)。

  用麦克斯韦方程组求解各个观察方向上的复杂三维目标的难度非常大。解决这一问题的数学方法已经开发出了,最常用的方法是矩量法(Method of Moments),但采用这种方法计算复杂特性的电大目标(大小由波长尺寸确定)需要生成完整的RCS图,而这一步所需的计算量也非常庞大,甚至连如今先进的计算机也难以完成。

  一直以来,隐身技术发展的最大驱动力之一是如何以更精确的方法估算相对于高频的RCS,相对于高频是指目标的特征至少为5~10个波长长度。对于计算这类电大目标,不同特征之间的电磁相互作用是有限的,可以先把雷达总散射效应分解为分散的散射中心,之后再求和,最后近似计算出雷达的总散射效应。

  最简单的估算法称为几何光学法,它通过跟踪波前光线来确定镜面反射。物理光学法则是尝试通过多次估算,拟合入射波在表面形成电流而产生的磁场。两种方法各有优点,但都无法精确预测反射,尤其对衍射较严重的小角度光线而言。几何衍射理论(Geometric Theory of Diffraction)在这方面取得了进步,但在重要的角度上仍然遇到了问题。

  

  使洛克希德F-117成为可能的重大突破来源于苏联物理学家彼得·乌菲姆采夫(Pyotr Ufimtsev)于1962年发表的一篇关于边缘衍射估算新方法的论文,即后来闻名于世的物理衍射理论(Physical Theory of Diffraction)。但该论文当时在苏联并没有得到关注,而美国空军对外技术部在1971年将这篇论文译成了英文。

  1975年,洛克希德“臭鼬”工厂的电气工程师丹尼斯·奥瓦霍塞(Denys Overholser)把乌菲姆采夫的方法应用到“回声1号”(Echo 1)计算机程序中,它把目标分解成数千个三角结构面,通过对每个三角结构面的RCS进行估算后再求和,得到了整个目标的雷达特征。不过由于当时计算机计算容量有限,只能计算二维外形的反射。

  研制B-2时,新一代超级计算机已可计算曲面RCS了。20世纪80年代中期,麦道公司开始开发更复杂的RCS分析代码。那时已经出现了基于结构面的分析代码,运行速度很快,但运算精度不及曲截面代码。由结构面模型造成的误差称为“结构面噪声”(facet noise),它会导致RCS预测值过高,如在低角度的LO设计中,其RCS预测值高达20dB。若希望精确度接近曲面模型的水平,目标必须按照每波长两个结构面来建模,那么一架X波段战斗机需建立大约一百万个结构面,这将极大地增加了结构面建模时间。

  

  1987年,麦道公司在新代码内融入了精确曲面分析技术,曲面由飞机设计师通过建模来定义,但并不是基于结构面,而是基于大量的标准化条带建模,每个条带都有自身的几何及角度考虑,从而使LO飞机设计中关键的双曲面外形预测得到了高仿真度。该程序在每个方向每个波长选取了8个样本进行典型建模。对于传感器突起这类“鼓包”,选取16个样本来精确估算效果。

  这些新代码还考虑了缝隙、边缘衍射、多反射结构、透波、平面-边缘相互作用、雷达吸波材料(RAM)和边缘处理等因素。在计算上所花费的时间比基于结构面的技术研发至少多出两个量级,但结果更加精确,特别适于计算具有复杂曲面、低目标特征的外形,最终也缩短了整体的设计时间。

  曲面对RCS的影响有几个通用的规则。球体的RCS随球体半径平方增大;单曲平面的RCS随半径增大,也随长度平方增大;简单双曲面体的RCS与两个曲面的半径成比例。但在有些情况下,比如当半径连续变化时、当在曲面上加入平面时、当半径的电特征很小或当涉及到有缝隙或RAM时,只能由复杂的建模代码来确定,而这些代码通常有版权限制。20世纪90年代B-2和F-22的设计经验表明,即使是最复杂的建模结果,也必须在RCS测试场进行全尺寸验证。

  

  六面防护

  从后向观察一架常规战斗机的雷达特征与从前向看到的数量级相似,而从侧向观察的RCS则要大一个数量级。在侧向45°看到的雷达特征通常是最小的,大概比前向和后向低5~10dB。

  后向RCS的特点与前向类似,主要的原因来自发动机尾喷口。从飞机后方进入尾喷管的雷达波会以接近入射的方向反射,同时射到喷口调节片边缘的雷达波也会沿相同的方向发出衍射回波。机翼或尾翼的无掠后缘也延同一方向发出衍射波。由喷口调节片产生的强表面波有可能提高大部分后向区的RCS。

  从侧面看,常规机体有较大的几何截面,通常具备成为良好的雷达反射器的外形。竖直平面在侧面产生镜面闪烁(specular flash),垂尾和平尾构成的直角在方位平面上方产生强镜面雷达回波,而由翼身或挂架构成的直角在飞机下方也产生相同的回波。像尾喷管和发动机短舱这类柱状外形也在垂直于其表面的所有角度上持续产生强烈的镜面回波。

  

  但除了目标特征,LO设计还必须考虑探测源。当目标周围有很多背景杂波时,处于这样观察角上的雷达必须把目标从背景杂波中分辨出来,这时雷达的性能会降低。雷达大部分的能量通过与天线孔径对齐的主瓣进行发射与接收,但有少量能量进入旁瓣,这些能量几乎指向所有方向。杂波可以通过旁瓣进入接收机,且处理机无法获知回波并非来自主瓣,这类回波能掩蔽目标回波。

  现代雷达采用多普勒处理技术来减少这种现象的发生。利用脉冲多普勒雷达可记录回波的到达时间,并比较回波与发射波的相位,两者的差分可揭示目标的径向速度。利用计算机可创建所有回波的二维距离/速度矩阵,将临近目标置于没有静止地面杂波的网格内。这样,通过机载雷达可显示出临近目标的最佳探测距离。

  但如果目标处于被跟踪状态,其径向速度将与部分地面杂波相匹配,从而很难被探测到。例如,苏霍伊公司研制的苏-35“Irbis-E”型机载雷达在大功率、窄波束搜索模式下能前向探测到400km处的一个3m2(32ft2)大小的目标,而对同样目标的后向探测距离仅有150km。如果在一般搜索模式下,两种探测距离都要减半。最难发现的空中目标是那些相对于雷达垂直运用的目标,因为它们的多普勒剖面与飞机的正下方地面相匹配。

  

  另外,所有导弹的探测范围在追踪目标时都会缩小。例如,俄式R-27ER1半主动雷达制导空空导弹(相当于AIM-7“麻雀”的后期型),对临近目标的探测距离为93km,而尾追时的探测距离仅有26km。

  相同的原则也适用于地基雷达,但地基雷达的天线是固定的,对于离远目标和临近飞机的适用情况大致相同。不过,地基雷达面临的特别挑战是探测垂直运动的目标,因目标的多普勒剖面和周围的静态杂波相匹配。战斗机飞行员由此开发出针对地面雷达采取的战术手段,称为“槽切”,即操纵飞机转向使之垂直于雷达波的方向飞行,将飞机置于“多普勒槽口”(Doppler notch)内,此处雷达的探测能力将大幅衰减。

  同时,现代雷达使用相控阵天线,其利用固定模块之间的相位差,以电子方式引导发射波束并扫描。对这类天线来说,当波的扫描离开其物理孔径时,波瓣可随余弦角变宽,60°角时波瓣可增宽50%,这是大多数相控阵的极限。因此,若造成发射到目标的能量变少,探测距离可能会减少30%。

  “毫无希望”的菱形

  自从美国开始致力于缩减RCS以来,工程师们一直努力使侧向和后向的雷达特征最小化。就侧向而言,在美国中情局的A-12侦察机(公认为是SR-71“黑鸟”的前身)上实现的突破是在先前的子弹形机身上增加机身边条。而后向的解决方案是,在无法对飞机巨大喷管的圆形外形进行处理的年代,只好靠使用燃油添加剂电离尾流,以期待能降低RCS。A-12是运用低可探测性设计重塑战斗机外形的第一个标志。

  

  A-12从未被用于突破华约组织的空防,而F-117则是专为这一目的而生。20世纪70年代中期,飞行速度达到Ma3已不足以保证飞机的生存能力,而且根据“回声1号”项目的经验表明,使RCS最小的最优外形是平底菱形。洛克希德公司的空气动力专家怀疑这种外形是否能飞起来,给其取绰号为“毫无希望的菱形”(Hopeless Diamond)。不过他们并没有放弃,通过切割出尽可能少的结构面,让“毫无希望的菱形”变为了现实,正式名称为DARPA“海弗蓝”(Have Blue)隐身演示验证机,于1977年首飞。

  

  将机体分割为结构面的做法可以把所有镜面回波都集中到少数几个角度上。边缘设定尽可能偏离天线孔径,并和后缘一起对准镜面回波。在雷达回波达到峰值时,这些镜面回波会因方位角的变化又迅速跌落。平整的机腹防止了镜面回波返至那些尚未直接仰视飞机的雷达,而机背平板都向内倾,向上发射镜面回波和部分旁瓣。“海弗蓝”的尾翼向内倾,与机身两侧对齐,不过之后两架原型机的坠机凸显了该设计的不稳定隐患。因此,在生产型F-117上将尾翼改为外倾。

  在后向上,F-117采用“鸭嘴兽”布局降低了红外特征,同样也保证了后向实现低RCS。尾喷口狭窄,连缘唇边前伸盖过,角度稍微向上,阻止位于飞机下方的雷达探测到飞机喷管。F-117机载后视搜索雷达也可能会被尾喷口的短窄部件部分遮挡,这是因为雷达的无线电波不能进入孔径,除非其最小尺寸至少满足半个波长长度。

  

  F-117采用完全多面体外形的原因在于,“回声1号”程序不能计算曲面RCS。直到研制B-2时,计算机具有更高计算能力后发现,曲面和隐身并非无法兼容,而是互为补充的关系。洛克希德公司为了赢得“先进战术战斗机”项目竞标(最终以F-22中标),实际上早在获知如何对曲面目标特征建模之前就启动了曲面外形飞机的飞行项目。

  更先进的建模技术和RCS测试手段证明,用半径连续变化的曲面连接结构面更加有效。这种做法拓宽了在两个表面连接处的镜面回波而不会增大该角度的RCS,原因可能是降低了连接处的边缘波。与此同时,曲面减少了传回翼尖的行波,降低了方位面上的RCS,降低程度达到10 dB。

  

  和F-117不同的是,F-22的机身侧面处于机翼下方,但由于侧面机身以一定角度对齐垂尾,镜面反射仅会将回波发射到远距离的地基雷达。边缘处理可能减小了对前缘大后掠的需要,而综合建模和测试的结果也可能证明了虽然作动器和起落架舱上有小鼓包,但其目标特征在可接受的范围之内。

  

  虽然F-22的高机动能力设计要求需要使用推力矢量喷管,但由楔形组成的矩形喷口能对镜面反射有所限制。飞机涂层也可以抑制行波,而边缘处理能抑制衍射波和边缘波。最后,尾翼延伸盖过喷口,沿方位平面方向进行遮挡。

  体形较小的F-35也吸收了F-22的一些隐身修形技术。在系统密集扎堆的机体周围配置了更多带复杂曲面的整流罩。不过从建模和测试结果来看,这些配置对关键角度上的RCS影响很小。得益于RCS建模技术的进步,普惠公司制造出非对称喷管,其雷达目标特征接近F-22的二维尖劈。

  

  宽频带隐身

  当频率减小而波长增大时,雷达反射的主要变化是镜面回波减弱加宽,同时非镜面机制增强。来自扁平平板的镜面回波以波长的平方减小,但主瓣变宽。行波强度以波长的平方增大,最强回波的角度以平方根增大。

  曲面边缘的衍射随波长增大,而直楔的衍射以波长的平方增大。一个15m(50ft)长、后掠45°的尖劈前缘在X波段前部可能测得-49dBsm,但在VHF波段测得高出很多的-13dBsm。尖顶的衍射也是以波长的平方增大。在100MHz(UHF波段),一个锐角翼尖本身在每个方向都超过-10dBsm。从平板上的边缘波产生的旁瓣以波长的平方增大,但双曲面表面产生的边缘波非常弱,因为电流在边缘逐渐变小。

  当结构尺寸达到5~10个波长时,这些影响更显著,而且目标开始表现出谐振现象,RCS呈波动增大,持续增大到结构尺寸为0.5~1个波长为止。由于只需要移动一个波长,这时平面波达到最大,随后以波长的四次方减小。

  

  宽频带隐身平台设计的第一步是要在主结构确定之前,去掉可能出现这类谐振现象的平面,B-2正是基于这一原因设计为无尾。尾翼在许多角度上都会增大RCS,因为会在切角处产生行波、边缘波,大角度下镜面反射会加宽,以及在多个角度都会发生衍射。因此,双尾翼平面的战斗机(如YF-23)比四尾翼平面的战斗机(如F-22和F-35)在所有波长上都更具隐身性。

  为了控制行波并使RCS的方位峰值最小,B-2的边缘仅存在于水平平面,并与前缘严格对齐。B-2的大体型可提供大量区域进行涂层以衰减表面电流,甚至对那些长的雷达波长也能应对。为使正侧方镜面回波和边缘波回波最小,飞翼布局的机体为侧向隐身提供了新颖的方法:完全没有侧向回波。

  从剖面看,B-2是由两个曲平面以非常小的夹角连接起来的。曲面在多个方向上不断改变半径但都尽量平滑,同时避免形成极度呆板的横截面,机身中部有足够深的空间容纳发动机、武器舱,以及充分满足飞行员视野的座舱盖,机头下方的雷达天线倾角满足对正前方160km(约100mile)地面目标成像的要求。除了飞机的正上方或正下方,几乎没有其他能产生强镜面回波的角度。

  B-2的平滑曲面限制了镜面反射发生的角度,并将表面电流反射控制到最小。虽然曲面仍然会反射电流,使表面波加剧,但不如有夹角的连接处严重。半径在1m以上的曲面造成的表面波一般可忽略。

  

  为了限制发动机回波,B-2采用敷有雷达吸波材料(RAM)的S形进气道和窄喷口,避免雷达发现旋转风扇和涡轮。进气道和尾喷口位于上表面,边缘插入飞机的前后缘内。雷达若要观察到这些特征,必须和飞机间有一个非常小的相对角度,即雷达必须处在距离很远的位置。

  使飞机的RCS在所有雷达波段都保持较低值是这一设计特征的关键。抑制发动机进气道回波的基本方法是在进气口上涂覆一层薄的RAM,并使之成为曲面,这样不管RAM厚度如何,入射波在内壁上多次反射后都会被抑制。这种办法对于X波段效果很好,因为波长比进气道形成的腔体小很多,薄层RAM足以抑制回波。

  波长较短时,覆有RAM的S形进气道能按照设计要求起作用,雷达波反复反射直到衰减为止。而当雷达波长是进气道最小尺寸的两倍以上时,也不用担心进气道的隐身问题,因为这时孔径会像固体表面那样反射信号。需要担心的是当波长处于这两者之间时的情况。

  当波长增加到超过腔体尺寸的1/5时,进气道就从“自由空间”转变为“腔体谐振”,并开始出现类似波导的现象,强烈地反射入射波。此外,随着波长增大,RAM的减弱程度也变轻。当入射波波长为进气道最大尺寸的1~2倍时,进气道的RCS将达到最大值。这或许解释了F-35在其进气道加厚涂覆RAM的原因,但更好的解释是避免雷达发现目标特征。

  

  B-2机身上仍存在一些能产生衍射并反射表面电流的棱边(这些表面电流抵达飞机边缘时仍未消失)。一般认为,可以通过采用尖顶角最小的凸喙形来使边缘外形的RCS最小。这些棱边当中绝大部分都覆盖了两种RAM:一种是磁性RAM,能使VHF雷达波衰减20dB,使UHF雷达波衰减10dB以上,而涂覆厚度不到0.006m(0.25in);一种是导电RAM,厚度估计超过0.3m(1ft),足以使Ku波段到L波段甚至UHF波段的反射减少20dB。

  关于B-2的RCS,唯一提及的官方说明来自1990年美国空军参谋长的参议院证词。美国空军曾提交过一份列有数种鸟类及昆虫RCS的册子,其中昆虫RCS的例子有0.001m2、0.0001m2和0.000063m2等。当被问及B-2在这份表中的位置时,参谋长只回答“在昆虫类”,拒绝进一步指明。分析人士据此估算B-2的RCS在0.001~0.0001(-30~40dBsm)之间。但20世纪90年代末,负责B-2项目的官员暗示:RAM的进步使得RCS缩减,而且这一趋势将继续下去。

  结束语

  时至今日,原本用来解决全向宽频带隐身问题的无尾飞翼或“曲面风筝”外形仅在大载荷、长航时的轰炸机和无人机上才能看到,尚未在有敏捷性需求的战斗机上实现。不过,洛马公司最新的“下一代空中优势”(Next-Generation Air Dominance)概念,表示正在为美国空军和海军研究的“第六代”战斗机,这一概念采用的正是平滑曲面的无尾构型设计。这意味着未来战斗机的外形可能再次出现转向。

  来源:国际航空

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