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主题：【原创】给猪装上翅膀（一）（完） -- 晨枫
家园 【原创】给猪装上翅膀（一）（完） “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，
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虽然是老帖子，现在拜读依旧受益非浅。晨大，好功力。
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家园 刚发现这还没变名帖, 加推一个 家园 呵呵呵，被转载了。 给猪装上翅膀
——隐身技术漫谈
晨枫
原载于西西河论坛
家园 【原创】给猪装上翅膀（六） 无数研究表明，就现阶段的技术而言，外形是隐身的最重要的手段。除了外形设计外，吸波涂层也可有效地削弱雷达回波。吸波涂层分吸收性和干涉型。吸波型涂层采用电损耗型或磁损耗型材料，将入射的电磁波能量转换为热，和黑色无光漆对光的作用类似。实际上，黑色无光漆并不能完全吸收光线，否则人们也看不见涂黑色无光漆得物体了。同样，吸收型吸波对吸收雷达波的能量的效果也是有限的，这也是单靠吸波材料不能达到隐身的目的的原因。干涉型吸波涂层一般为电磁波长四分之一厚度的涂层。入射的电磁波达到涂层表面时，转成９０度垂直射向基体，然后以９０度垂直反射回来，以入射角的补角离开涂层表面。理想情况下，涂层不吸收电磁波能量，电磁波在铁氧体层内穿行了半个波长后，波形移了１８０度，即和入射波波形相同，但正负相反，因此和后续的入射波互相抵销。干涉型吸波涂层对有效波长范围内的雷达波吸波效果很好，但只对很窄的波长范围有效果。实用上，要将多层吸波型和干涉型涂层结合起来，才可满足实战需要。
在光学波段，有一种单向镜子，在镜子的一侧可以看到另一侧，但在另一侧看到的则是镜子的反光。如果可以制成对雷达波的单向镜面材料，将透射的一面面向雷达入射的外面，反射的一面面向非隐身基体材料的一面，中间填充一定的吸波材料，这样尽管吸波材料的吸波作用有限，入射的雷达波还是被陷在单面镜和基体之间，来回反射几次后终于被吸收，而把“泄露”出来的散射回波降到最少。
除了吸波涂层，机身前缘面向敌方雷达的部位也可采用吸波结构，这就是设法将入射的雷达波关进一个“陷阱”，同时在陷阱里填充吸波材料，把团团转的雷达波吸收掉。
除了降低散射和吸收雷达波等被动隐身手段外，还有主动隐身手段，就是向雷达波的入射方向发射波形、频率和功率相同、相位相反的电磁波，就可以达到对消的作用。但是如果相位相同，将把回波强度增加一倍。所以这一招的实现难度极高，只有在敌方雷达采用固定的波形、频率和功率或按已知的固定规律变换这些参数，这一招才比较可靠，否则可能不打自招，反而强化了回波。
各国军方对隐身的要求不一样，美国空军是坚决的隐身派，新的作战飞机非隐身不要；美国海军和欧洲是半隐身派，有那么点意思就行了，其余的靠机载电子战能力来蒙混过关，这也是在现有技术条件下少花钱、多办事的一个有效途径。不管哪门哪派，隐身飞机是各国军用飞机的发展趋势，不正视这个现实是不行的。那么，猪插上了翅膀，飞起来了。怎么把猪的翅膀剁下来，把猪再摁回到案板去呢？
如前所述，以上讨论对波长小于目标尺寸的情况比较有效。雷达波长远远大于目标尺寸时，目标的形状不再对散射有重大影响。民用的空中交通管制雷达大多在米波段，这也许是航展时F-117和B-2屡屡被民用雷达发现的重要原因。不过发现目标而不能精确地实时跟踪，还是不能击落目标。长波雷达的距离和方位分辨率差，信号更新慢，不能跟踪快速机动的目标，这也是当初为什么火控雷达选用短波长的一个原因。以上讨论也集中在削弱向发射雷达波的方向的回波，对于其他方向的散射，控制手段要差很多。这就是双基或多基雷达的可乘之机。双基或多基雷达有一部发射机，但接收机可以有两部或多部，部署在不同的方位，专门用来捕捉在入射方向之外的回波。双基和多基雷达的技术难点是如何达成发射机和所有接收机之间的同步和在瞬时内实现数据交换，毕竟雷达波和通信电缆里的电磁波都以同样的速度传输，等同步信号到了，回波也到了。要是有更快地信号传播方式倒也罢了，但爱因斯坦早就说了，没有东西比电磁波传播得更快了。目标在收到雷达波的照射时，除了直接的回波外，目标的结构本身会因为波动而诱发振动，产生二次谐波。这是谐波雷达的可乘之机，但是谐波的特性很难预测，如何在貌似杂乱无章的谐波里取出有用的信号，这是一个很大的难题。隐身手段对各个波长的雷达波的效果不一样，这是宽频带或白噪声雷达的可乘之机。在宽频带或白噪声雷达的照射下，不同频率的回波还是能显示出足够的反差，把隐身目标照出原形。这也是在日光下，人眼仍然能够辨识出伪装色的道理，毕竟伪装色只对某一波段特别有效。但雷达波的功率在宽大的频谱内铺开，落在每一个特定的频率上的功率就很有限，过低的功率密度将大大影响探测距离，信号处理和天线设计也大大复杂化。理想隐身可比作一个电磁“黑洞”，因此也可通过观察在散乱天波下的“剪影”而不是“反光”来捕捉隐身目标，不过这要求到处布设接收天线，对实时信号处理和数据交换也有很高的要求，这种“事后诸葛亮”的探测方式对预警很有用，但同样不能用于火控瞄准。最后，飞机发动机的高温使排气部份极化，加力燃烧时尤其如此，形成雷达可探测到的尾迹，排气中的碳化物微粒也可被雷达观察到。
隐身战斗机的使用很像潜艇，为了不暴露自己，互相之间不能通话协调，所以要么采取区域联防打游击，要么由后方的预警机“广播”战场态势，由各架隐身战斗机自主作战，因为预警机也无法确切知道隐身战斗机的位置。对于零星入侵的隐身目标，有效的预警可以引导我方战斗机到隐身目标的附近，然后用机载雷达烧穿隐身的烟幕，引导攻击。对于大批入侵的隐身目标，主要的办法是设法打乱敌人的部署，争取打乱仗；或者迫使敌人互相联系，暴露自己。比如对一个隐身目标围攻，迫使其他隐身战斗机前来救援；或者施放强烈电子干扰，大家一起做聋子和瞎子，摸黑打。
隐身不是无敌的，但确实是难对付的。
这里讨论的只是雷达隐身，对于红外和光学探测手段，也有隐身问题，这超出本文的范围了。