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现代战斗机隐身技术窥见

中科院物理所
2016-12-01
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今年十月份,中国空军新闻发言人申进科大校宣布,空军试飞员将驾驶国产歼20战斗机在第11届珠海航展上进行飞行展示。歼20首次公开亮相,举国振奋,中国空军正式进入隐身时代。当然这里说的“隐身”可不是像科幻片中那样消失不见,而是通过一些手段使飞机不被敌方雷达所探测到。那么战斗机为什么会被探测到呢?现代战斗机又是怎样实现隐身的呢?让我们来探索现代战斗机的隐身之谜。

▲采用中国空军涂装的歼20战斗机

战斗机为什么会被探测到?

雷达是防空系统中的主要探测设备,其发射机通过雷达天线把电磁波能量射向空间某一方向,当碰到处在此方向上的目标时,部分雷达波会发生反射,返回到雷达天线,雷达天线将接收到的反射波发送至接收设备进行处理,可以获取一定目标信息,如与雷达的距离、速度、方位、高度等

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衡量目标在雷达波照射下所产生的回波强度常常以物理量雷达散射截面RCS作为依据。RCS是目标的一种假想面积,值越小,表明该飞机反射的雷达能量越小,被敌方发现的可能性也就越小。一架飞机的RCS不是一个单值,不同的视角会有不同的值。以F-16战斗机为例,其正前方RCS为4㎡,而侧向大于100㎡。

主要影响目标RCS特征的因素有

1

目标的形状

通过实验可以发现RCS与目标的形状密切相关。如垂直于雷达波束的平板,其反射面积是圆球的10000倍。而具有尖侧缘、下部扁平的融合柱体比圆球RCS更小,这是因为它能使入射波变成表面波,从而降低散射。如何在满足结构功能需求的前提下使飞机上的部件性状RCS越小也成为一个非常热门的研究方向。

▲图:不同几何形状对应的RCS

2

角反射器和空腔体的存在

角反射器(如导弹挂架)和腔体(如进气道,座舱盖)可以使雷达波原路返回,因此,要减小RCS必须消除角反射器和腔体,而通过改变角反射器的形状和腔体的类型就是一种不错的选择,例如将进气道直管道改成S型后,就可通过增加入射波的反射次数来增加对入射波的吸收,这种技术就成熟的用于美国B-2轰炸机上,进气道采用了“背负式锯齿型并列双发大S弯”设计来增强其的隐形功能。

▲图:美国B-2轰炸机

3

目标表面的不连续和缝隙

雷达波诱导产生的表面波和爬行波在目标表面遇到结构边缘、翼面后缘和缝隙时,会产生原路返回的雷达波。因此要减小RCS必须使飞机尽量光滑,减小边缘和缝隙,同时要使边缘和后缘后掠,避免原路反射。

现代战斗机怎样实现隐身?

隐身技术的实质其是就是要尽量降低飞机的雷达、红外等信号特征,使敌方各种探测设备很难发现、探测和跟踪。由于雷达是防空系统中的主要探测设备,因此一般都以减小RCS作为隐身的首要任务。

对于战斗机,在前方,座舱、进气道和发动机是主要的RCS贡献者。在侧前方,机翼是主要的RCS贡献者。在侧面,机身和垂尾是主要RCS贡献者。在尾部,发动机涡轮和尾喷管是主要的RCS贡献者。因此对于战斗机

需要采取的隐身措施可以包括以下几个方面:

在减小雷达的反射方面,是将雷达波向其他方向反射、使雷达波转化成表面波、避免角反射器和空腔等。主要做法有:

采用倾斜的双垂尾,或去除垂尾;采用S形和背部进气道,用金属网隐藏发动机风扇;采用扁平的尾喷管,隐藏发动机涡轮;座舱盖镀膜;采用后掠/前掠的翼面前后缘;取消外挂物,采用内部弹仓;采用低可探测性内嵌式天线和特殊设计的压力传感器;采用DSI进气道;为了避免与水平方向雷达入射波相垂直的平面,将机身侧面倾斜,并采用带有侧边緣的菱形截面机身。

▲倾斜垂尾

▲S形进气道

▲隐藏发动机喷口

▲座舱镀膜

▲内埋式弹仓

▲采用DSI进气道

减小表面波和爬行波造成的回波方面,采用锯齿形/菱形的舱盖门,或者使回波集中在很少的几个方向,减少被探测的概率,例如使所有的边缘都后掠,且平行。

采用雷达吸波材料方面,使用铁氧体吸波材料,涂料中含有外部包裹着铁氧体的小球,将电磁能转换成热能。它经常被涂抹于三代半飞机的机体关键部位上,以降低RCS。

隐身技术作为第五代战斗机最显著的特征,从歼20机身的各个细节可以看出,其在设计时各方面均兼顾了隐身的考量,能够起到较好的隐身效果,是一款真正意义上的第五代战斗机。

相对于采用了大量成熟技术的F-22和需要兼顾成本的轻型战斗机F-35,采用大量新技术的歼20无疑具有更广泛的升级空间。

歼20的诞生绝不是偶然,它是中国航空人奋斗数十年的产物,凝聚了几代中国航空人的心血。歼20的服役,标志着中国空军的装备水平在时隔60年之后重新回到世界顶尖水平,它的量产标志着世界上拥有严格意义上第五代制空战斗机的国家已经从美国的独领风骚演变为中美分庭抗礼,从这个角度来看,其战略意义不亚于当年的“两弹一星”。

出品:科普中国

制作:翱翔者联盟

监制:中国科学院计算机网络信息中心

编辑:zcl

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