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隐形飞机是指什么样的飞机(隐身飞机为什么能“隐身”)

近些年,越来越多的国家开始踏足隐身飞机领域,隐身战斗机、隐身轰炸机、隐身侦察机以及隐身无人机等各种隐身飞机开始遍地开花,在大街小巷也都能时长听闻有关隐身飞机的种种讨论,那究竟隐形飞机是指什么样的飞机(隐身飞机为什么能“隐身”)

 

隐形飞机是指什么样的飞机(隐身飞机为什么能“隐身”)

隐形飞机是指什么样的飞机(隐身飞机为什么能“隐身”)

 

其实,“隐身”的概念有很多种,主要有光学隐身、雷达隐身、红外隐身、声隐身以及磁隐身等,而隐身飞机中所讲的“隐身”并非传统意义上的“肉眼看不到”,而主要是指雷达和红外的“低可探测性”,使其对雷达探测达到“隐身”的效果!

 

飞机是如何被发现的?

最早在飞机应有于战场的时候,主要是靠肉眼观察和声音发现敌方飞机的到来的,后来人类学会了使用无线电波和热辐射,对敌探测也就逐渐演变为现代化战争讲究的超视距作战。在目前各种探测敌方飞机的手段中,其中有60%是来自雷达探测,有30%是来自红外探测,其他一些探测方式都很难起到作用!

雷达探测原理

 

对于雷达探测来说,地面或者机载雷达探测器会主动发射无线电波,当无线电波在空中遇到物体时会发生发射,而其中镜面反射的一部分无线电波会沿原路返回雷达探测设备,然后通过发射以及接收雷达波的时间差加以计算就可以确定被探测到飞机的距离,多次探测之后也能得出飞机的具体位置、飞行速度以及飞行方向!

B-52轰炸机的红外成像

 

而对于红外探测来说,飞行的飞机本身特别是利用高温高压燃气在尾喷管中持续喷出的涡扇/涡喷/冲压发动机等就是一个巨大的热源,巨大的热源相对于周边的环境来说会“释放”出较强的热辐射,红外探测设备则可以依靠飞机的红外特征,准确探测到飞机的具体位置,不过相比较而言红外的探测距离相比雷达探测来说要近不少!

 

隐形飞机是指什么样的飞机(隐身飞机为什么能“隐身”)

飞机如何实现隐身?

既然知道了飞行中的飞机是如何被发现的,为了飞机不被发现,那设计者就会尽可能地朝降低被探测可能性的方向发展,躲避雷达探测和红外探测以达到“隐身”目的。为了实现飞机的“隐身”,目前大致可以分为外形设计优化、采用吸波材料以及降低红外探测三种方式:

 

1、外形设计优化

为了使飞机能够飞起来且拥有多种功能,这就使得飞机的气动外形一般都较为复杂,总会有很多部分会强烈地反射雷达波,像飞机上凸出部件和外挂武器、发动机进气道和尾喷口、机身上的尖角和平面等都极易对雷达波产生镜面发射暴露位置,而飞机回波强度通常用”雷达散射截面积”(RCS,单位平方米)来表示,RCS值越小就代表隐身效果越好。

▲150 兆赫/VHF 波段 J-20 和 苏-57(T-50)的雷达反射截面积模拟结果

所以,飞机要想降低RCS值,以达到雷达波“隐身”效果,就需要将探测雷达发射而来的雷达波反射到其他方向,让探测雷达无法接受来自自身的反射波,而这就需要在飞机的气动外形上做优化了。根据相关文献表明,气动外形的优化对于飞机的隐身贡献效能可以超过85%,所以隐身飞机要尽可能的消除的能对雷达波产生镜面发射的外形结构。

F-117A隐身飞机图解

首先,在飞机外形设计上避免采用大的平面和大的凸状曲面,最好的办法就是将部件采用斜置外形设计,例如采用倾斜式立尾、平板形表面机身或者多面体机身、斜切进气口、斜切翼尖等设计,以将雷达波直接反射到其他方向,在这方面最典型的例子就是第一款真正意义上的隐身飞机F-117A,全身上下几乎找不出一个凸装曲面,B-2隐身轰炸机则简单暴力,直接取消了垂尾和平尾。

然后,消除能够产生角反射器效应的外形组合(三个互成90°的平面构成的角体称为角反射器)或者小于等于90°角的结构,对于隐身外形设计也是非常重要的,比如用双立的V型尾翼代替单立尾翼、合理设计飞机座舱盖不让雷达波进入座舱、取消导弹外挂架等可以减少角反射器效应,这些都是现代隐身战机的典型设计。

隐形飞机是指什么样的飞机(隐身飞机为什么能“隐身”)

隐身飞机的S弯进气道

另外,用飞机上其他弱散射部件遮挡强散射部件也可以优化隐身外形,比如采用大后掠角机翼遮蔽机身的侧向散射、S弯进气道(蚌式进气道)遮挡发动机的散射、直接将外挂的武器弹药内置到机身之中等都是为了遮挡飞机上的强散射部件,或者直接将发动机进气道布置到机体上方,用机身来遮挡进气道的复杂外形可能反射的各种方向雷达波!

歼-20的做工

除了上面列举的三种外形上的优化设计,对于飞机来说,粗糙的外形会对雷达波产生更多的漫反射,这对于隐身飞机在控制反射雷达波方向上会有一些意想不到的结果发生,所以更好的做工、光滑的外形对于隐身飞机也有一定的帮助。

2、采用吸波材料

不过,隐身飞机想要更好的对雷达波“隐身”单单依靠外形的优化是不够的,飞机作为一个庞大且复杂的整体,首先还是要更好的飞行的,像F-117A那样依靠超级计算机计算的怪异外形,能够飞起来可以说是全靠发动机了,这也使得它的机动性和速度差了不少,这时候“吸波材料”的作用就体现出来了。

吸波材料原理

 

“吸波材料”依靠雷达波在材料中感生的传导电流,产生磁滞损耗或介电损耗,使得照射到飞机上的雷达波的电磁能可以转化为其他能量并散发掉,没有了二次反射波雷达也就无法探测到了。对于一些无法通过外形优化的部件或者整体采用雷达吸波材料,可以使得隐身飞机达到更好的隐身效果。

 

隐身飞机为什么能“隐身”,它是如何做到的?

“吸波材料”一般是采用不锈钢纤维、石墨粉、稀有金属和铁氧体等具有吸收转化电磁波性能的材料制作的,随着技术的不断成熟“吸波材料”越来越多低用到隐身飞机之上,不仅是制作隐身涂层涂敷到机身之上,一些特殊部件则直接采用吸波材料或者透波材料来制作的。

 

3、降低红外探测

 

战斗机上产生的热辐射大致可以分为发动机的辐射、尾喷气流的辐射、飞机蒙皮的热辐射以及飞机反射阳光的热辐射,对于战机来说这些热辐射在红外探测设备面前可以说是十分明显,虽然远距离是红外探测效果并不显著,但目前先进的机载红外搜索跟踪系统(IRST)对采用涡扇/涡喷等发动机的战斗机的前向探测距离已经可以达到180公里了,可以说是已经接近记载雷达探测的距离,这对隐身飞机的隐身效果的影响也十分明显。

F-22战机二元矢量尾喷口

 

目前,在红外隐身方面最为有效的就是发动机采用矩形二元喷管了,可以使得尾喷流的火舌变得扁平,同时降低红外特征;虽然降低发动机喷口的温度也是降低红外特征的方法之一,可目前先进发动机涡轮前的温度越来越高(已达2000K),所以只能利用热屏蔽或冷却的方法以降低外界探测的温度;另外,将红外隐身涂层涂于飞机表面,也能抑制飞机外表的红外辐射。总之,红外隐身的实施相比于外形和材料上的隐身要困难不少。

F-22被红外设备探测到

 

不过,隐身飞机即便在外形设计、吸波材料以及红外隐身三个方面同时做优化,也无法对探测设备达到绝对的“隐身效果”,因为雷达发现目标的距离是和多种因素有关的,比如雷达发射功率、天线增益、波长和目标的RCS越大,这时候雷达对目标的探测距离就越远(和雷达波波长也有关)。

飞机被雷达发现的

 

而目前,任何隐身飞机的”雷达散射截面积”RCS值也不能减少为0,即便是F-22战机和B-2的RCS值最小也只有0.01平方米,达到这一RCS值的隐身飞机即便是普通雷达在20公里的距离内也是可以轻易发现(不过这时候发现已经没有太对意义);另外,同时布置多个联合雷达,一个雷达发射探测波,使用其他雷达接受隐身飞机反射出的雷达波,再理论上也可以远距离发现隐身飞机。

 

隐身飞机的未来发展

目前,隐身飞机的隐身效果只对短波雷达有效,对于米波雷达以上的长雷达波,就很难达到隐身的效果,而更好地为了应对隐身飞机各国也在发展米波雷达(米波雷达探测精度不足),这对隐身飞机的“隐身”来说有了新的挑战,所以未来隐身飞机的发展肯定是要兼顾针对短波、长波雷达的隐身,甚至达到全频段雷达波隐身;

另外,隐身飞机外形设计的最优结果本就不应该有垂尾、平尾、鸭翼等这些结构的,只有这养才能更好的控制反射发射而来的雷达波的。当然,没了这些操作面,飞机本身的机动性也将大大降低甚至丧失,所以这时候三元矢量发动机的好处就体现了出来,取消垂尾、平尾、鸭翼等结构后,三元矢量发动机也将成为未来战机的标配之一。

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