5隐身那些事儿上讲述隐身技术发展及应用的故事Word文档下载推荐.docx

1、图 1、英国喷火式战斗机涂装图 2、德国 Bf 109G-6 型战斗机涂装二战后到冷战初期，很多国家空军曾短期放弃过伪装色，改为原装金属银色，原因一是为超音速减阻和去掉多余重量，二是据称这样对核战辐射有一定防御效果，因此只在部分海军战斗机上还保留了深蓝和浅灰等色系的组合涂装。但美国自从 70 年代越战中面临北越空中威胁和战损越来越大以后，就再次恢复了战斗机伪装色涂装，基于越南亚热带丛林地貌的背景特征，在机身上部采用丛林绿、中部绿色褐色混杂，下部浅灰色，以降低视距内被发现的概率，这就是著名的“越战迷彩”。此举后来也带动了其他国家纷纷效仿，一直到现在美国空军都还在持续对低可视度涂装进行研究，以尽可

2、能获取空战和对地攻击时的相对视觉隐身优势。值得一提的是，在较远的距离上，涂装亮度和对比度对视觉感知的影响远大于色彩上的差异，消除高亮度反光和过大的对比度、清除阴影区是低可视度涂装的一个重点设计方向。虽然隐身战机利用低可探测性优势可以在中远距离上获得便利，但也不能排除一旦战场态势复杂化很可能会进入近距离视距作战模式，因此采用低可视度伪装涂装仍然是今后提高战机生存力的一项必要措施。目前美国战机主要伪装涂装已形成几种标准系列，如应用于空军战机的深灰/浅灰色系列组合“幽灵灰”色调，用于欧洲战场的灰/绿/浅绿“1 号方案”，用在海军的灰白涂装和陆战队的蓝灰/灰白涂装方案，以及陆军航空兵的橄榄绿/褐色涂装

3、，见图 3 和 4。图3、F-22和F-15的空优涂装有一定相似性图 4、带不同“假想敌”迷彩涂装的美军战机听觉隐身主要体现在武器、舰艇和飞机等的消声处理措施上，例如用于枪械的消声器、潜艇的发动机减震阀和表面消音瓦、航空发动机和螺旋桨降噪等等，目的也都是为了将听觉/声纳等探测手段效果降到最低实现己方隐蔽。一战时由于飞机速度慢，利用扩音器结构设计出来的声波定位器曾被与探照灯组合广泛用于要地防空警戒，有效距离可以达到十多公里以上，一直到二战期间都还有继续使用。由于声波定位器具备了一定的预警和定位能力，各国于是想方设法降低航空发动机和螺旋桨噪音，缩短飞机被探听发现的距离。图 5、一战、二战期间的声学

4、预警雷达声音定位器消音技术对于枪械和潜艇等的意义不言而喻，对航空也同样具有重要价值。现代的军用航空领域，降低机身各部位因气动、振动等各种原因引发的噪音，特别是发动机和螺旋桨噪音始终是一项持续性的研究课题，对于需要绝对隐蔽性的特种作战行动更是如此。2011 年美国特种部队乘坐经隐身和消音处理的直升机潜入巴基斯坦腹地击毙拉登的行动，过程中因为一架隐身直升机的意外坠毁使得这种神秘装备首次被公之于众。美国人的这次反恐行动震撼了世界，行动过程中不仅巴方雷达防空系统对这些飞机毫无察觉，而且因为消音效果显著，所过之地居民甚至都没有明显感觉。长期以来，人们对隐身手段的关注点一直集中在主流的雷达和红外探测技术领

5、域，声学方面进展更多的是研究水面舰艇、潜艇等应对声纳探测的消音措施方面，对军用航空装备战场消音并未给予足够重视。例如武装直升机等有必要降噪的情况，设计时基本上不会将消除噪音与性能问题等放在同一级别上去对待，降低到可接受的程度也就罢了，然而出乎很多人意料之外，在隐身技术上执牛耳的美国人原来一直也没真正撂下过对这门技术精益求精地投入和研发，在这方面又搞出了登峰造极的作品。这次事件也再一次证明传统隐身技术仍然具有强大的生命力，隐身技术作为一个体系化的学科，必须结合不同场景下的军事需要进行统筹研究和综合运用，存在的即是合理的，研究上不应有厚此薄彼的想法。神秘的隐身“黑鹰”MH-X 已初露端倪二、雷达和

6、红外隐身1、红外探测技术和隐身措施红外线波长位于可见光和电磁波之间，从 0.751000m（分为近、中、远和极远红外四个子波段），除了具备在介质中传导和辐射、反射等基本特性外，还可对一些活跃金属如硒产生光电导效应。在红外光照射下，这类金属的导电性会产生改变，利用这一特性可以把红外辐射强弱转化为流过金属导体的电信号大小变化，经放大后在屏幕上显示出来，或作为信号源用于目标分析。不同类型的物体对近红外线反射特性差别较大，可以据此在转换出的图像上进行区分识别。自然界的任何物体本身都会产生红外辐射，温度越高，波长越短，对于特定温度范围的物体其辐射的红外波长范围也是一定的，因此可以有针对性地选择合适的感应

7、器进行探测。此外，大气中红外线传递有3个主要的传递“窗口”0.752.5m、35m 和 814m，分属于近、中、远红外波段，恰好也是各类导弹、发动机的主要热辐射波段，可以透过大气远距离传导。军事上正是利用了红外线具有的这些特殊效应来实现红外探测，具体实现方式上分为主动和被动两类。上世纪 30 年代首部红外变像管装置诞生，制造红外探测装置变为现实。之后美、德等国二战期间将第一代的主动红外探测装置用在了战场上，通过自带的光源设备主动产生近红外辐射照射目标区域，然后接收目标返回的红外信号，转换为可视图像进行观察分析。例如德国研制的车载主动红外夜视仪可用于夜间无灯光条件下隐蔽行进，并通过这种手段避开同

8、盟国的监视，秘密地把 V-2 导弹运送到前线。美国在太平洋岛屿战中，把一种略嫌笨重的主动式红外瞄准具装在了步兵枪械上，取得了夜战中对日军的优势。由于主动式红外探测器需要携带光源发生装置和电池等，体积和重量较大，而且近红外波段受大气环境中云雾和烟尘干扰较严重，探测距离较短，适用性上受到较大限制，60 年代后其地位逐步被被动式红外探测器即热成像仪所取代。图 6、红外成像系统原理结构及成像原理1964 年，美国人研制出世界上第一部热成像仪，经过不断完善，并在 70 年代按照通用化、模块化、组件化思路优化生产后开始大规模装备陆、海、空三军。热成像仪可以通过检测物体自身辐射波长的不同，把温差以图像色彩和

9、亮度的差异显示出来，不需要自身携带红外光源，实现了全天候被动式探测。借助温差分辨能力，使用热成像仪可以轻松识别伪装目标，包括隐藏在掩体后的目标，而且还可以结合目标局部温度的动态变化判断其发动机或武器工作状态，尤其适合远距离观察人和装备等常温目标（热辐射波长在 814m，不易受大气环境中云雾和烟尘干扰，传导距离远）。第一代红外热像仪主要采用光机扫描等技术实现热点搜索扫描，效率和精度受到光学部件结构和机械旋转的限制。第二代热像仪则采用了红外 CCD 焦平面凝视技术，能够在几个平方厘米大小的阵面上集成上万个探测器件（例如 128X128、256X256 阵列），以类似人眼视觉的方式进行并发激励，不仅

10、大大减少了活动部件，体积和重量大大减小，而且提高了搜索效率、分辨率和可靠性，探测距离可远达数十公里。图 7、美国 AIM-9 响尾蛇系列导弹（图中型号不全）二战后红外制导导弹和机载红外搜索跟踪系统（IRST）的出现给隐身技术带来了新的挑战。50年代美国率先研制出了著名的响尾蛇导弹（AIM-9 系列），前苏联 1956 年推出了 K-5（北约代号 AA-1），后续各国都陆续研制了类似的近红外波段的空空弹，发展到今天已经历经了四到五代的演进。目前普遍采用了红外成像导引技术，如 AIM-9X、R-73、ASRAAM、IRIS-T、怪蛇-5 等，导引头敏感度和分辨能力大幅提高，性能和命中率得到极大提升

11、。有数据显示现代空战中红外制导弹击落敌机的数量占到空空导弹击落总量的近 9 成，足见其对空军战机的巨大威胁。此外，上世纪 50 年代末 60 年代初，休斯公司研制的红外搜索跟踪系统（IRST）开始陆续安装在了F-101、F-102、F-106等机型上，探测距离超过 5 公里，与雷达信息结合可以有效解决对方电子干扰和箔条干扰迷惑等问题。后续又研制过几型 IRST 系统，如 AAA-4 等，装备在F-4F-14等战机的部分型号上。现代的F-117、F-22 和F-35，俄罗斯米格-29、SU-27、T-50和欧亚各国主战战机也都配套开发有新的热成像搜索跟踪系统，并且 IRST 有效探测距离大大增加

12、，基本都已达到或超过 7080 公里以上的水平，F-35 上装备的 EODAS 系统更是实现了 360 度全向搜索跟踪能力。图 8、三、四代战机上普遍安装了前视红外搜索跟踪系统由于红外探测不受电子干扰和箔条丝等技术影响，一般只能采取大过载机动结合红外诱饵的方式对其进行干扰和摆脱。这种方法在对付早期采用位标法等方式搜索跟踪的红外制导弹有一定效果，但在对付后期采用热成像技术，尤其是采用了凝视焦平面阵列导引头，并具备质心分析、轨迹推测等能力的新型导弹时，就显得完全力不从心了。图 9、1974 年一架改装的 QF-4B 无人机在测试中被一枚响尾蛇导弹击毁面对红外搜索系统和红外制导导弹的威胁，必须研究降

13、低战机主要气动热点、发动机和尾焰红外辐射的措施，通过降低自身热辐射水平和与环境温差，尽可能减少红外制导头有效探测距离，同时改进红外诱饵的信号逼真程度，增加导弹识别判断难度。降低本机辐射水平比较常见的解决措施包括采用尾翼或机身遮挡、增加循环冷却系统、增加冷空气混合、涂覆红外变频涂料、在燃料中混入具有降温效果的化合物等。特别是四代隐身战机，为了达到全频隐身的效果，普遍都采取了比较全面的红外隐身增强措施。据说F-22 除采用较扁平的二元矩形喷口增加冷空气掺混冷却效果外，还在尾喷口结构中增加了喷口强制制冷系统（携带液氮），可以在被红外制导导弹咬尾跟踪时，择机短时强制制冷，并结合红外诱饵和大过载规避机动

14、迅速摆脱追踪。据分析，F-22 的尾喷口设计可以使得尾部红外辐射减弱 8090%，辐射波瓣也大幅缩小，达到了极佳的红外隐身效果。2、雷达出现对战争带来的巨变英国是最早研制出雷达的国家，1935 年 2 月 26 日，罗伯特.沃森-瓦特爵士利用一套如今看起来相当原始的收发装置实现了人类历史上第一次利用电磁波信号对飞机目标的探测和回波接收，见图 10，这一探测技术在当时被称为“无线电定位技术”，这套设备也成为了现代雷达的鼻祖。当时的理论水平对电磁波的产生和发射机制有了足够的认识，但对电磁波遇到物体感应的散射机理认知还很粗浅，只知道当电磁波照射目标时可以在其中感应出电磁流，这个电磁流的运动会产生二次

15、辐射形成反射，但具体规律和计算方法如何基本没有什么明确的概念，如图 11。同时专家们也发现尺度为半波长的导电体在雷达波照射下会产生强烈的二次辐射，因此普遍观点认为，要有效的探测空中目标，最好选取典型轰炸机翼展或机长（2530 米）两倍的波长，即频率 6 兆赫、波长 50 米的雷达波。但测试发现，该波长会被高空电离层折射造成回波信息杂乱无法分辨，后来又陆续测试了 26 米/11.5 兆赫和 13 米/23 兆赫两种波长/频率，结果23兆赫效果较好，以此为基础建成了“锁链之家（Chain Home）”预警雷达。战争期间，英、德专家又研究发现继续缩短波长一方面有利于在同等天线尺寸下获得更窄的波束，提

16、高雷达精度和分辨率，另一方面也有利于减小天线大小和雷达设备体积实现舰载和机载，这一结论对后续雷达探测技术得以在飞机、舰艇等各种平台上广泛应用和发展意义重大。图 10、英国科学家 1935 年完成的人类历史上第一部雷达接收装置图 11、早期对雷达波散射机理的理解比较简单二战期间，随着无线电和半导体技术的进步，雷达探测技术开始应用于战争中。英、德、美等技术领先国家除装备陆基雷达探测装置外，还普遍在其夜间战机、轰炸机和海军主战舰艇上装备了雷达，初步具备了在视觉不利条件下探测和作战的能力，并取得了显著战果，如图 12。这一时期设计制造的飞机上应用了大量的金属，由于隐身外形设计和吸波涂层技术尚在萌芽中没

17、有可实用的成果，飞机设计的关注点主要集中在性能方面，也因此飞行目标很容易被雷达探测到。尽管当时的雷达频率不高，多为几十到数百兆赫，功能非常简单，探测距离短，只具备粗略定位和测距能力，故障率也较高，但即便如此也已经极大地改善了防空预警能力和视觉不佳条件下的作战能力。随着战事的发展，人们渐渐意识到掌握战争的平衡已经开始被打破，传统的战术和武器性能决胜论变得不再可靠，隐约中有一种无形的力量开始越来越显著地左右着战场态势的发展。图 12、装有 90 MHz 甚高频 FuG 220 Lichtenstein SN-2 雷达系统的德国 He 219A-5 型夜间战斗机3、雷达隐身技术的黎明和前苏联的目不识

18、珠二战期间，各国为了对付日益增长的雷达威胁，减少战场上的被动和损失，除尽快装备同等的雷达系统外，也纷纷加速研究雷达波散射的机理，以及如何躲避、干扰雷达探测。正是从这个时期开始，隐身技术的触角开始延伸到了一片更为宽广莫测的舞台。上世纪 40 至 50 年代，雷达散射的一些基本原理和机制基本被揭示明确，雷达散射截面积（RCS）的概念被定义出来，用于衡量物体对雷达波散射的强弱程度。1947 年 E.M.铂赛尔在辐射实验室丛书雷达系统工程卷中有这样的描写“重要的是懂得，一个给定目标的截面积不仅取决于波长，也取决于雷达观测目标的角度”、“雷达截面积随目标方位的变化是由目标各个部分的反射波间干扰引起的只有

19、在一些特殊的情况下才能粗略计算出雷达截面积，对于大多数目标来说，雷达截面积必须从雷达数据推导出来。”这些内容文字是有据可查的，对雷达截面积概念较早和较系统化的描述。如今我们已经知道，雷达散射截面积实际上是一个“虚拟的面积”，它衡量的是在雷达辐射场中，目标被照射后产生散射，到达雷达天线处可被截获接收的辐射功率。从测量的角度，RCS 的大小等于目标在单位立体角内向接收天线散射的功率和入射到目标处单位面积内的功率之比的 4 倍。本义上 RCS 是一个无量纲的比值，后来为定义和度量使用方便，电子工程师们采用了等效几何面积和米制的概念，把一个物体的RCS等效为同一电磁场内系统可测得相同散射能量的标准球体

20、径向横截面积的大小，比如某物体 RCS 为1m2，即等同于半径是 0.564m 的金属球（几何横截面积1m2）所反射的 RCS 效果。通过实验和研究发现，一个目标的 RCS 大小与探测距离无关，但会随下列四个因素变化而变化：.目标的几何形状（含大小）及材料的电性能。同样的形状的物体，导电率越高引起的散射辐射越强；.入射波的频率。当波长远大与目标长度时，目标体积决定了反射量的大小，此时称为瑞利散射；当波长与目标尺度相近时会引发谐振，其中目标长度为半波长时谐振和二次辐射最强；但波长远小于目标尺度时，散射效应接近于光学散射特性，称之为光学区；.雷达天线的极化方式。电磁波在介质中的传递可以分解为一对相

21、互垂直的电场矢量和磁场矢量以波动方式向前传播，对雷达而言可测量的是其电场分量。天线极化方向即指其可接收和发送的电场矢量方向，只有与天线极化方向一致的电波才能被雷达有效接收，其它方向的电波接收增益会明显下降或不能接收；.目标相对于入射方向和雷达接收方向的姿态角。除各向同性的均质球形物体外，目标相对辐射场的姿态角发生改变时，在辐射场中引发的散射效应会有明显差别。雷达波散射理论体系逐渐清晰后，在实现雷达波隐身和找到工程化应用的道路上，还面临着另外一个大难题需要解决如何准确计算不同形状目标的 RCS。早期的飞机外形隐身措施更多的是靠定性的推测和试验来摸索，缺少定量的计算方法和实用化技术手段，研究方向比

22、较盲目，试验的时间周期和成本代价较高，研制进度和成效往往很不理想。对于无形无相的电磁波来说，实验手段多数情况下只能作为辅助验证和修正，没有计算方法和理论指导，就无法进行量化的分析推导，从而找到减少 RCS 的具体方向和解决措施，更无法与飞机的空气动力学外形设计结合落实到工程制造。历史上 RCS 计算问题的解决颇有一些戏剧性。早在 1953 年，美国数学家约瑟夫B 科勒提出了几何绕射理论，通过积分方程来精确描述电磁波的绕射效应，但该理论只能分析几种极简单的几何结构，最初在美国并没有引起很大反响。1962 年，莫斯科大学无线电工程专业的首席科学家乌菲姆谢夫受到几何绕射理论和另一美国人克莱莫提出的边

23、缘电流理论启发，在莫斯科学院无线电工程学报上发表了一篇名为“物理衍射理论中的边缘波行为”（Method of Edge Waves in the Physical Theory of Diffraction）的论文，其中阐述了几个非常重要的结论：. 物体对雷达电磁波的反射强度和物体的尺寸大小无关，而和边缘布局有一定数学比例关系；. 远绕射场可以近似为镜面反射场加上一个修正量，而这个修正量可以用绕射系数来描述，并且该修正量可以等效为由一个边缘电流所产生；. 说明了如何计算导体表面和边缘的雷达反射面。根据他的理论，导电体的雷达散射截面积是可以精确计算逼近的，而且无论飞机大小轻重，都可以被设计成能够

24、“隐身”的。由于当时前苏联官员对隐身的概念和重要性还没有什么认识，经过官方审查后，这项后来被证明在隐身技术发展史上具有重大奠基性意义的理论被认为是没有军事价值的，因此完全没有采取任何保密措施，论文得以公开出版。而在同一时期，为了收集了解苏联在雷达技术方面取得的进展，美国空军收集和翻译了大量俄文文献，1971 年 9 月 7 日，乌菲姆谢夫的理论被美国空军司令部怀特-帕特森分局的国外科技处翻译成了英文。当 1975 年洛克希德的工程师丹尼斯奥瓦霍塞正在为解决 RCS 计算正确性问题走投无路时发现了这个英译版，立刻意识到该理论很适合于精确计算飞机的雷达散射截面积，因为这个平面中的边缘电流效应是可累

25、加的，即复杂物体的散射场可以模拟成众多细小的平面反射场加上所有边缘电流的总效应，而边缘电流的电磁场效应是可以精确计算的，依据该理论完全可以解决困扰多年的 RCS 计算问题。几个月后，这套理论方法就被融汇编写进了臭鼬工厂的“ECHO-1”RCS 计算软件中，并依靠这套软件完成了 F-117 战斗机的隐身设计，而此时前苏联的官员们对由于自己的无知评判拱手送出的大礼包还毫无知觉。如果没有这次乌龙事件，也许 RCS 计算和工程实用化的工作还只能继续依靠摸索、猜测和试验积累缓步推进，隐身技术的鼎盛时期也不会这么快到来。图 13、乌菲姆谢夫是现代隐身技术理论奠基人之一乌菲姆谢夫的论文在西方公开出版战斗机的

26、外形构成包含了大的方面气动布局和小的方面大量具有复杂形状和组合关系的细节部件，在高频电磁波区域，除了各类部件自身具备的 RCS 特征贡献外，还需要考虑部件组合在一起以后的多重耦合效应，因此要比较精确的计算一架飞机的整体 RCS 是一项非常复杂且计算量十分庞大的高难度工作。根据合适的理论和计算方法构建算法，并利用高速计算机进行模拟演算，可以在相对短的时间内找到最适合既定气动布局和隐身指标要求的降低外形可探测性方案，再通过不同比例的样机进行微波试验全面验证优化，最终设计制造出符合设计目标要求的隐身战机。对于采用传统设计未经隐身处理的战斗机，在机身上会存在一些具有高散射特征的区域或部位，这些部位是构

27、成整机 RCS 大小和特征的主要源头或称“亮点”，如图14。如果采取适当的隐身措施对这类“亮点”进行局部改造，降低该区域散射能量水平，综合起来就可以显著降低战机整体的可探测性，达到在相关方位角降低雷达发现距离和压缩反应时间，以较小的成本和性能代价换来提高战场生存力的目的，这也正是近年来对三代战机进行降低雷达散射截面改造提升到三代半的主要思路。图 14、米格-25的非隐身特征4、雷达吸波材料的进步在雷达探测和隐身理论技术不断发展的时候，对雷达吸波材料的研究也在同步推进前行中。雷达吸波材料的产生起源于早期的介电材料导电性研究，在实验中先后发现了两类具有吸波特性的介质，一类是宽频吸收型，一类是谐振型

28、介质，例如碳和铁氧体磁性材料。在后续对吸波效果的探索研究中，又演进出了两种物理实现形式，即涂敷型和结构化型（RAM）吸波材料，其中涂敷型材料可用于表面喷涂，但不具备承力特性，而结构化材料可用于承力部位。不同的隐身材料实际基本形式都是这四种因素的组合。谐振型吸波材料的基本设计思想是针对特定波长，构造一种具有 1/4 波长厚度的介质材料衬以金属反射底板，当进入介质并被金属底板反射回表面的部分电磁波与介质表面直接反射的部分电磁波叠加时，因为前者来回多走了半个波长，其相位刚好与后者相反，于是互相干涉对消，如图 15。但这种材料只对特定波长有效，且物理体积和重量与波长有关，比较笨重，适用性比较差。图 15、谐振型吸波材料原理示意图之后又设计出了介电型吸波材料，这种材料表面是一层透波薄片，中间是可以将电磁能量转化为热能的介电材料，如碳，通过电阻耗能使得最终散射出去的能量减少。测试发现这种材料效果并不理想，于是又推出了基于铁氧体磁性介质的吸波材料，由于材料中的磁偶极子随着入射波谐振运动而耗能，最终同样达到减弱散射能量的效果，厚度合适的话还能把干涉和耗能衰减两种效应结合起来。最关键的是这种材料本