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在洛克希德·马丁公司的隐身战斗机F-35A形成初始作战能力之际，要理解当前隐身与反隐身技术的对抗态势，需要深入了解雷达是如何工作的、雷达波长对雷达反射的影响以及目前正在部署的低频雷达性能如何。 雷达频率越低意味着波长越长，比较长的波长在探测隐身飞机时具有较大的优势。大部分火控雷达在X波段（8～12GHz）工作，仅少部分近程雷达系统采用频率更高的Ku波段（12～18GHz）。用于远程探测预警的搜索雷达一般采用S波段（2～4GHz），部分地空导弹（SAM）系统使用C波段（4～8GHz），兼顾搜索和火控任务（这是折中考虑探测距离和分辨能力的结果）。远程预警雷达一般在L波段（1～2GHz）或更低频段工作，具有反隐身特性。飞机结构对于雷达波的反射特性可根据飞机结构与雷达波波长的相对尺寸分为三个区域。 隐身对抗的三个“区” 高频区 高频区是指飞机结构尺寸比雷达波波长大10倍的情况，不可与无线电波术语中的“高频”混淆。在高频区，飞机结构对于雷达波的反射特性主要是镜面反射，即反射角等于入射角，与台球撞击球桌边缘的过程类似。这时，通过一些手段可以减少“后向散射”（即朝入射雷达波相反方向的反射）。比如，通过让飞机结构表面呈特定角度，使之尽量不与雷达波的入射方向垂直；通过内部修形、吸波材料（RAM）或者频率选择表面这类手段抑制发动机进气道和机载天线腔体这类空腔结构的反射。 在高频区，“表面波”对“雷达截面积”（RCS）的影响不大，但依然存在。表面波是雷达波在结构表面上引起的感应电流产生的。感应电流在结构表面来回振荡，从而辐射出电磁能量，这种电磁波也被称为“行波”。如果雷达波长相比结构表面尺寸较短，那么这种效应会比较弱，但当雷达入射角在特定角度时，这种效应的叠加会产生最大回波散射。 当这些感应电流遇到不连续表面，比如表面的边缘，会发生突变并辐射“边缘波”。来自不同边缘的波相互作用，因这些波的相位不同，这种相互作用也各有利弊。其结果是加强了镜面反射方向上的反射，并产生了“旁瓣”。旁瓣是围绕在镜面反射能量周围快速起伏的扇形回波，且这部分回波离镜面反射波束的角度越大，能量就越弱。感应电流还能传导到结构的背面，形成“爬行波”。爬行波会逐步散射能量，这时如果爬行波再回到结构表面，其散射的能量会加强后向散射。 在高频雷达照射条件下，表面波强度较小，但隐身飞机仍需注意它的影响。通过调整不连续的部位，将行波导向无法避免镜面反射的角度，如机翼前缘方向，能够限制其对其他方向的影响。将机体上的小结构面（比如一块蒙皮或口盖）设计成没有直角边缘的结构，从而可以限制辐射边缘波的区域。在相对频率较高的条件下，还可以通过吸波材料抑制表面波。 通过融合两个结构面，呈现出平滑过渡也可以降低表面波的强度。在设计隐身飞机的鼻祖F-117的年代，计算机程序只能预测出平面反射，所以它被设计成棱角分明的形状。但那之后，隐身飞机的机身都采用了融合面，这样的外形具有更好的气动性能，还能使得电流在融合的地方平稳地传导，从而减少表面波辐射。因此，融合布局的隐身潜力要比棱角分明的布局更大。通过精确的数学计算来设计飞机表面融合曲线，能将飞机在方位平面上的RCS减少一个数量级。这样做带来的缺陷是融合区域的镜面反射回波角度范围会略微扩大，但一般敌方雷达不太可能部署在回波方向。这是第二代隐身技术的重大发现之一。 谐振区 随着雷达波波长增加，非镜面反射回波增强，镜面反射的宽度增大。对于平整表面，行波强度与波长的平方成正比，而后向散射峰值部分的宽度与波长的平方根成正比，比如波长为表面长度的1/10时，后向散射宽度超过15°。如果考察一块小结构面，角点绕射和边缘绕射的强度也与波长的平方成正比。 平整表面上的镜面反射强度与波长的平方呈反比，但反射宽度按比例扩大：波长为表面长度的1/10时，镜面反射回波的宽度为6°。此外，随着波长增长，大部分吸波材料的效用降低。鉴于所有这些因素，隐身专家称隐身飞机的RCS从其最低隐身频率起，大致按雷达波波长的平方增大，并且上述效应在波长达到结构尺寸的1/10时变得更为显著。 但是，飞机的RCS并不一定随波长增大呈线性变化。随着表面波效应增大，波的相位能对镜面反射产生积极或消极的干扰，可用球体来表示这种现象。 随着波长相对于球周长增大，绕球体的爬行波强度会持续增大，而其与镜面反射回波产生的相互干扰是变化不定的，这使得球体的RCS有所起伏。在镜面反射波和爬行波的相位相配时，会相继出现波峰，这种现象被称为“米氏散射”。这种现象一般发生在雷达波长为结构尺寸的1～1/10的情况下，这也是在本文分类中的第二个区域——“谐振区”。通常，随着波长增大到与结构的大致尺寸相当时，RCS会最大。 瑞利散射区 一旦波长超过结构尺寸这一临界点，目标具体的几何特征已不再重要，只有其总体外形会影响反射。如果雷达波波长超过结构本身的尺寸，感应电场会将电流从结构一边推向另一边，使得结构具有偶极子的特征，几乎在所有方向上都辐射电磁波，这一现象称为“瑞利散射”。到了这一区域，很多结构外形的RCS与波长的四次方成反比，即RCS随着波长增大迅速减小。 综上所述，对于飞机上的每一个区域，上述效应都是独立发生的，所以多个区域的反射回波会产生相互作用。尺寸较小的区域会先于大的区域表现出上述效应，但其RCS更低。随着方位角的变化，上述效应也会有所不同。 现代隐身飞机在X波段之外的RCS数据没有公开，但无论如何，上述现象使得隐身修形和大部分雷达吸波材料逐渐失去作用，使隐身飞机更容易被探测到。战斗机机翼和尾翼的尺寸处于1m到数米的量级，意味着这些结构可能在L波段雷达照射时会进入“谐振区”，形成甚高频（VHF）“瑞利散射”。当然，“瑞利散射”是否会发生仍然与特定的角度、频率和几何形状有关系。 低频系统的发展 那为什么不为每部雷达设立更低的工作波段呢？原因是它们在较低的工作频率下精度会变差。每个天线都会产生一个独特的波束图形，其中包括被称为“主瓣”的锥状中心区域，大部分能量都是从主瓣中发射出去的，反射回波的能量也主要是从主瓣中回收的。主瓣宽度由天线的孔径和其波长之比决定。波长越长，意味着天线孔径就要越大，这既会增加成本，又会降低天线的机动性，更为重要的是大尺寸天线很难达到火控雷达的精度。在冷战早期，苏联研制了第一批移动甚高频（VHF）雷达（工作频率3～30MHz，低于X波段8～12GHz），例如，P-12“匙架”，但其精度很差，把目标移交给更高波段的火控雷达很困难。由于战斗机机头空间有限，无法安装大尺寸天线，因此战斗机普遍采用X波段雷达。 不过，随着“有源相控阵”（AESA）天线和数字信号处理技术的发展，低频雷达的精度有了很大提高，探测距离也相应增加。现役最先进的陆基甚高频（VHF）雷达系统是俄罗斯的55Zh6UME，由诺夫格罗德无线电工程研究院（NNiiRT）研制。俄罗斯最新型T-50战斗机的雷达套件包括了机翼前缘中的L波段AESA天线（这款L波段雷达型号名称为N036L-1-01）。这些L波段天线也能集成到苏-35战斗机上。 比起同时代的高频段搜索雷达，55Zh6UME能在远得多的距离上探测到隐身飞机。NNiiRT声称，甚高频（VHF）雷达对于RCS为1m2的目标的探测距离为426km，而探测高度可达惊人的29800m。目前，T-50的N036L-1-01雷达探测距离的数据还未公开。不过，L波段雷达可能使F-35和F-22的机翼和尾翼处于“谐振区”的上部，使之可能比发动机进气道或某些小表面区域产生更强的回波。N036L-1-01的孔径更小，功率很可能不如机头的雷达，但L波段的优势也许足以使它比机头雷达在更远的距离上发现隐身飞机。 从探测到交战 使用低频雷达能扩大对隐身飞机的探测距离，提供更长的预警时间，但为了与敌方交战，必须为导弹提供更精确的目标数据，最终使目标处于导弹战斗部的杀伤半径内。导弹内部可用空间的限制使弹载雷达无法升级到频率更高的C波段、X波段和Ku波段，那么如何为导弹提供制导呢？ 一种方法是使用甚高频（VHF）指令末制导。俄罗斯人的设想是把55Zh6UME搜索雷达连接到S-300/400武器系统上，并完全利用这款雷达将导弹全程导向目标。不过，根据NNiiRT披露的数据，55Zh6UME的精度无法满足这一任务的要求。这家制造商曾透露，对一个RCS为1m2的目标，55Zh6UME搜索雷达在方位和俯仰方向上的均方根误差是0.25°。这表明对于一个距离仅32km的目标，其误差可能超过140m，而且探测误差和目标距离成比例。这样的精度无法用于导弹制导。至于N036L-1-01雷达，苏霍伊没有宣传T-50能用它与目标交战，同时，因受限于T-50机翼的厚度，N036L-1-01雷达在俯仰方向的精度可能较差。 另一种方法是使用低频雷达来为火控雷达提供提示，延伸了火控雷达对隐身目标的作用距离。这种思路利用了雷达探测飞机的原理。雷达必须通过自身的电子设备把目标回波从环境杂波及噪声中辨别出来。设计人员选定一个信噪比（典型信噪比为90%），使得雷达探测到真实目标的概率和虚警率（通常是每分钟1次虚警）都可以接受。 为了提高信噪比，雷达要从无数的脉冲中把这些回波综合处理。由于目标存在于每个脉冲中而噪声却是随机变化的，目标信号需要累积，直至达到设定的信噪比，这时计算机会判断探测到的 目标。因此，如果雷达知道目标的大概位置，就可以有针对性往那个方位发送更多的脉冲，从而增大信噪比，提高探测距离。 理论上，这项技术能将火控雷达的探测距离提高到与低频雷达同样的水平，但在实际应用中存在限制，比如需求性能强大的信号处理硬件。雷达必须能产生足够数量的脉冲覆盖整个视场，这意味着对常规搜索来说需要考虑方位角和俯仰角的数千种组合，即使是有提示的情况下对特定区域进行搜索，也需要考虑数十到数百种组合。每个组合对应一个特定角度范围的目标空域，对于每一个搜索区域，雷达都必须把每一次的回波分解成数十个距离单元（range-bin），每个距离单元还必须再次分解成许多速度单元（velocity-bin）。需要对这些单元进行复杂的数学计算，才能得出数值，用以判断是否存在目标。所以，这项技术对于信号处理能力和内存的要求特别高。 另外，回波是模拟信号，需要转换成一段一段的数字信号字段，计算机才能处理。这时，必须设置模数转换器的灵敏度，保证均值以上的信号不会使转换器饱和。但这意味着低电平信号可能被记录为零，而隐身飞机所反射的能量通常只是常规飞机的千分之一。这时，可以考虑使用大一些的字段，但每增大一点都会要求更高的计算处理能力和内存，同时增加成本、重量和复杂度。 S-400地空导弹系统和苏-35战斗机的雷达处理器的细节未曾公开，但从制造商透露的信息判断，它们的X-波段火控雷达的探测距离并未显著扩展。S-400的制造商金刚石-安泰称这款地空导弹系统的Gravestone雷达能在250km距离处探测RCS为4m2的目标，但特意提到要在“大鸟”搜索雷达（S-400系统配备多部雷达）的提示之下。S-400的“大鸟”雷达能探测到338km处RCS为1m2的目标（相当于在478km距离探测到RCS为4m2的目标），能对390km处RCS为4m2的目标给出提示，当然Gravestone雷达的探测距离低于这个数字。至于苏-35的Irbis-E雷达，只有在特定的狭窄角度区域内用最大功率搜索模式，才能探测到400km处RCS为3m2的目标。标准搜索模式下，这款雷达的探测距离仅为200km。这表明，这两款雷达只有接受了外部提示才能实现最大探测能力。 探测隐身飞机的第三种方法是将甚高频（VHF）指令中制导和X波段主动末制导结合。在这种方案中，低频雷达引导导弹飞向隐身飞机的大致方位，直到弹载X波段雷达捕获到目标。美国海军已计划在E-2D上使用特高频（UHF）波段的AESA雷达，为“标准”-6舰空导弹提供中制导。 这个方案有一定应用前景，但前提是低频雷达具备一定的定位精度，使导弹导引头能发现目标。因为功率和增益的限制，导弹导引头的探测距离远小于战斗机雷达。导弹只能在很近的距离内捕获到目标，但对于F-35或F-22这类隐身目标，导弹对目标的捕获距离是常规目标的1/5。此外，即便隐身飞机被导弹探测到，它们的隐身特性会使电子对抗措施更为有效，这是因为欺骗技术（如距离门或速度门拖引等）要求干扰信号完全压制飞机的真实雷达回波，而隐身飞机的真实雷达回波强度较小。 当外界质疑F-35对抗低频雷达的效能时，部分项目官员承认，用低频雷达探测隐身目标是可行的，但无法用于交战。这个说法准确地反映了目前隐身和反隐身对抗的真实状态。然而，随着更快的处理器、更小巧的存储芯片、更强大的发射器、更好的信号处理能力和更优的天线技术的出现，当前隐身技术所享有的优势有可能被削弱。当谈到隐身时，无论是隐身一方还是反隐身一方都无法宣布自己是最终的胜利者。 对隐身飞机被击落的剖析 也许，讲述一个隐身飞机被击落的故事是破除隐身飞机“刀枪不入”神话最好的办法。1999年3月27日，在北约展开对南斯拉夫的空袭4天后，一架F-117A飞机被贝尔格莱德西北部的一套SA-3地空导弹系统击落。此前，北约空军认为南斯拉夫过时的装备不会对F-117A“夜鹰”战斗机构成威胁。他们甚至不在乎群众围观空军基地，据称一些南斯拉夫特工混在人群中，监视作战飞机起飞。 F-117A每天晚上都会沿着相同的路线飞到贝尔格莱德。地面上，南斯拉夫第250防空导弹旅第3导弹营指挥官Zoltan Dani上校窃听了F-117A飞行员和E-3 预警指挥机之间的未加密的无线电通信。Dani上校曾研究过F-117A的技术，然后命令他的作战部队在最佳探测位置上蹲守。 1999年3月27日晚，天气原因迫使北约取消了除8架F-117A以外所有飞机的打击任务。晚8点刚过，塞尔维亚北部的雷达报告发现了一个RCS较小的目标。一架F-117A执行了打击任务后，在7900m的高空从贝尔格莱德向西北方向飞去。 Dani上校下令启动P-18搜索雷达（20世纪70年代 P-12的升级版）。一开始，P-18并未搜索到任何目标，然后他指示操作员启动一项“创新”功能后，雷达屏幕显示在50～60km处出现一个目标。Dani上校拒绝透露该项“创新”的细节，但据信，该项“创新”能使雷达在低于正常频率的频段上工作。当目标足够近时，SA-3地空导弹系统的雷达每隔20s开一次机，以尽量避免引来北约的反雷达导弹。第三次开机时，他们锁定了13～15km外的一个目标并朝4点钟方向发射了两枚导弹。第一枚导弹飞越过了F-117A未能引爆，第二枚则击中目标，炸掉其左侧机翼使其失去控制坠向地面。 该战例的第一个教训是生存性取决于技术和战术的组合。如果军队在使用先进技术时不考虑战术，而对手在战术上很高明，他们就会成功利用某个弱点。Dani上校熟悉F-117的航线，而且了解到附近只有F-117A，没有别的飞机，这种简单环境下的目标更容易被探测到。由此可以看出，战术的重要性不可低估，而隐身技术本身有些因素需要重视起来，比如雷达告警装置和能够绘制“隐身航线”（目的是降低被发现的概率）的计算机。 第二个教训是需要重视联合作战。虽然隐身战斗机能够独自执行一些任务，但如果与宽频隐身飞机、干扰、反雷达导弹、诱饵及防区外武器结合使用，它的作战效能和生存性会更高。F-117A被击落后，美国开始利用EA-6B电子攻击机为F-117A的作战提供支持，并提醒执行打击任务的飞机重视敌方的搜索雷达。 第三个教训是隐身飞机在对抗低频雷达时可能存在弱点。与后续隐身机型相比，F-117A在低频段可能更容易被探测到。虽然F-117A机腹平整，但由于表面波效应，其多面体机身比曲线融合的机身更容易被低频雷达探测到。南斯拉夫的P-18改型雷达很可能就是利用了这一点，从某个角度探测到了F-117A。另一方面，当今的低频雷达探测距离远远超过P-18，如果能够解决精度问题，就能用于与现代化的隐身飞机交战。 （李悦霖、瞿薇、薛槐敏，编译自AWST 2016-8-25） 版权声明：原文刊载于《国际航空》2016年第12期。欢迎分享，请注明出处。 |
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