给猪装上翅膀——飞机隐身技术漫谈

亚松 发表在军事杂谈
晨枫 原载于西西河论坛
“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。
所以，隐身飞机的外型就应该：
1、减小单一连续的平面的面积
2、增加表面的平滑度，减少开口和缝隙
3、加大开缝和边缘与雷达入射方向的夹角
4、避免互成90度的平面
F-117 案例
SR-71 在设计时已经对隐身有所考虑，但设计的重点是双三（三倍音速，三万米升限），隐身主要是有雷达吸波涂料和圆滑的机体表面来实现的。F-117 是第一架以隐身为主要设计准则的作战飞机。由于计算能力的限制，F-117 只能采用二维隐身设计，机体表面呈多面体形状。最初的设计按隐身要求进行最优化，结果是一个像梭镖一样的扁平、尖利的菱形的升力体，没有常规意义上的机翼，进气道在机体的背部，扁平的进气口和尾喷口都是斜切的，避免与前进方向形成直角，同时扁平的尾喷口可以尽快地把炽热的喷流和周围的冷空气混合，降低红外特征。但是气动分析和风洞试验表明，这个形状根本飞不起来，所以被戏称为“毫无希望的方块”（Hopeless Diamond，diamond 也指扑克牌中的方块或一般的菱形）。没有办法，只好把菱形的两个高度后掠的前缘延长，形成机翼。这样，后半机身就呈锯齿状。为了增加飞机的操纵性，双垂尾也加上去了。当然，隐身的原则不能忘，双垂尾是高度内倾的，垂尾顶端几乎要碰头了。这样一可以避免和机翼形成互成 90 度的平面，二可以对炽热的发动机喷口有所遮挡（减小红外特征，也减小喷口的腔体反射），三可以增加从侧面入射的雷达波的角度，减少回波。试验机的代号 Have Blue，整个飞机的样子就像用纸折出来的，棱是棱，角是角的。Have Blue 飞起来了，隐身性能不错，但飞行操控还是不好，被形容为“会飞的猪”，高度后倾的座舱盖前风挡也严重影响了飞行员的前方视界，给起飞、着陆控制带来不小的困难。工程开发时，除了增大基本尺寸，增设机内弹舱和电子设备外，机翼前缘的后掠角被减小，以增加机翼在大迎角下的升力和总体气动性能；座舱盖前风挡的后倾也减小，以改善飞行员的视界；内倾的双垂尾后移，变成外倾的双垂尾，以增加垂尾的控制效果。最后产品当然就是大名鼎鼎的 F-117。

hopeless diamond，Have Blue，F-117，向美国海军提议的舰载型


Have Blue，F-117 的技术验证机
F-117 的多面体外形除了加大雷达波的入射角外，还可象迪斯科舞场的镜面球一样，使残存的雷达回波闪烁不定，粗看起来象不规则的白噪声一样。为了减少平直缝隙所造成的正面回波，F-117 将舱盖的边缘做成锯齿形。为了将不可避免的回波能量集中在几个方向，给敌方雷达的回波造成一闪而过的效果，而不是稳定的回波，F-117 将所有机翼、尾翼和舱盖的锯齿前后缘平行。
F-117 不光将进气道布置在机背，避免地面雷达的直接照射。F-117 还在进气口加装格栅，进一步加强对入射雷达波的遮挡，避免敌方雷达直接“看到”在雷达波下像镜子一样反光的压气机叶片。

F-117 进气道的防雷达格栅，座舱盖的锯齿状边缘也清晰可见
飞行员和座舱内的设备没有办法作隐身处理，于是座舱盖涂敷高导电透明材料，将入射的雷达波引导到机身上，由机身的隐身特性来处理。
在 F-117 上实现的很多隐身原理在很多后来的飞机上都得到了应用。雷达吸波材料已经在现役战斗机的现代化改装中广泛采用。在新型战斗机设计中，即使不强调终极的隐身性能，边缘对齐也已经是基本的了。用涂覆雷达吸波材料的格栅屏蔽发动机的正面、减少雷达回波的技术已经用于 F-18E 和落选的波音 JSF 技术验证机 X-32。扁平和有下部遮掩的尾喷口被用于 B-2 和落选的麦道 ATF 技术验证机 YF-23，F-22 的矩形喷口也有类似作用。F-117 在当时的历史条件下，无疑是成功的。但是多面体外形对气动性能十分不利。
B-2 案例

高度保密的 B-2“首映式”，百密一疏，让航空杂志 Aviation Week & Space Technology 的一个记者雇了一架小赛斯纳，闯入禁区，拍下了这张照片。本来神神叨叨的不让看这个角度，不让看那个角度，这下子，最重要的角度彻底“春光乍泄”

你要是空军的作战计划人员，看到这张照片会不会口水狂流？
诺思罗普公司在和洛克希德竟标 F-117 失败之后，转攻隐身要求更高的隐身轰炸机。B-2 设计之初是按全向宽频带隐身、高空、远程设计的，要求可在开战之初穿越完好的苏联防空体系攻击核目标并安全返航；具有和 U-2 相仿的巡航高度，以超过几乎所有战斗机的实用升限，并且增加武器投放的距离；可不用空中加油就从美国本土出发攻击苏联境内的纵深目标。雷达吸波材料的有效频段有限，F-117 那样的多面体隐身技术达不到全向隐身的要求。在诺思罗普公司为这个全向隐身焦头烂额的时候，诺思罗普的电磁学怪才 Fred Oshira 带一家人到迪斯尼乐园游玩。随身带着一团橡皮泥，坐在板凳上看孩子兴高采烈地转“转转茶杯”时，随手捏出一个上圆下平、像二战时期英国的锅盖式钢盔一样的形状，圆滑的上表面向周边展沿开来，一直到尖锐的周边。这样，入射的电磁能量的散射大量减少，而是变成表面波，沿弧面向周边“流散”。尽管最终遇到边缘还是要远路返回，但如此劳师远征，来回一跑，在流动的过程中一路按指数规律衰减，形成回波的时候也是强弩之末了。这个隐身原理比 F-117 的多面体要先进很多，既达成全向隐身，又减少对气动设计的影响。这决定了 B-2 的基本形状：上圆下平。B-2 时代更为先进的计算能力使连续可变曲率的复杂大弧面成为可能，在隐身和气动性能之间达到完美兼顾。

诺思罗普为研究全向隐身而研制的 Tacit Blue 研究机，被戏称为“鲸鱼”，像不像？别看样子奇奇怪怪的，这一条边可是作用大大的，把电磁波的能量像水银泻地一样地化为无形

B-2 也遵循 Tacit Blue 上开发出来的设计原理，上圆下平
隐身要求外观尺寸最小，高空飞行要求展弦比、翼展、翼面积最大，远程突防要求机内载油量最大。自然，如果所有的机身结构都用来产生升力和用来装载人员、燃油和有效载荷，就可以省却既不产生升力、又产生阻力的传统的筒形机身，这就是飞翼了。飞翼最大的问题是尾翼（或等效的控制面）和机身重心之间的距离减小，控制力矩减小，飞行控制难度大大增加。诺思罗普在 40 年代就开始研究飞翼，就是因为飞控过不了关而放弃，直到 80 年代线控增稳的出现，才成功地实现了实用的飞翼。飞翼和一般概念上的飞机的形象差别实在太大了，B-2 通体乌黑，又喜欢在若暗不明的夜空出没，孤陋寡闻的人看到 B-2 在的黑暗的天空中悄无声息地滑过时，一定以为见到鬼了。飞翼的结构效率是显著的，B-2 的翼展和波音 707 差不多，长度只比 F-15 稍长，但是载弹量和航程和 B-52 相当。

比较 B-2 和 KC-10 加油机的尺寸差别

但注意和 B-2 的差别：在风洞研究中发现，气动控制面的控制力矩实在太小，结果把控制面后移，B-2 的后半部形成了独特的双 W 形
B-2 的另一个重要特征是无垂尾。B-2 没有用矢量推力，但它的副翼其实是上下两片，可以分别向上下打开。需要时，将一侧的副翼上下同时打开（以避免不需要的横滚力矩），而另一侧保持关闭，就形成不对称的阻力，达成偏航控制。两边同时打开时，就作为减速板使用。一面打开上面的一半，另一面打开下面的一半，就达成横滚控制。据说在“战斗状态”时，为了最大限度地减小雷达特征，B-2 改用两侧发动机的差动推力来控制偏航。无垂尾布局对于隐身的重要性不言而喻，已有多种未来隐身飞机的方案采用无尾飞翼的布局。
B-2 也将发动机深深地埋入机体（机翼）内，从外界入射的雷达波不可能从任一方向直接照射到压气机的叶片，进气口前缘也作了锯齿处理，角度和机翼前后缘都是对齐的。座舱风挡前可以看到一排排的圆东西，这是测量空速用的压力传感器，用上下左右不同压力传感器的差压，测量空速和航向、姿态的变化。一般飞机都用一根尖尖的伸出来的探针一样的空速管，B-2 为了隐身，在这么小的细节上也不放过。

B-2 风挡前的压力传感器

这肯定是哪个人吃多了撑着了，闲来无事、打发时光的作品，但对于深入重兵防守的敌后、攻击重要目标来说，B-2 确实可以节约很多护航和电子战支援的飞机，使出击更及时，而不必等待调集支援飞机才能出动。从这个角度讲，一架 B-2 确实可以顶一队 F-16