四代机基本知识 之 隐身

这F117的方案，第一个图的外形就是这么来的，但是后来研究发现这个菱形方块根本飞不起来，所以后来把两侧拉长，加了个内倾尾翼，成了第二张图的模样





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这个验证机被称之为Have Blue，已经有夜鹰的影子了。而上面的第三个就是真正量产型的F117。第四个方案，加了尾翼的是个海军型的，后来项目被取消。

雷达波也是一种波，所以它具有波的普遍特性。一般而言，波长越长它的频率就越低，而波长越短，他的频率就越高。比如蝙蝠嘴里发射的超声波，就是一种波长短而频率很高的声波，波长短是因为蝙蝠的嘴巴小，只能发出窄的波。高频率的超声波具有指向性好，精度高，不易受干扰，信号回馈速度快，但传播距离短的特点。而低频率的长波则具有相反的特点
古代人天天看星星，于是成了天文学家。天天看河流，于是成了水利学家。天天看石头，成了地质学家。现代人天天看蝙蝠，于是雷达出现了。。。。。。。。囧




雷达的工作频率跟他的工作性质密切相关，当频率低于3MHz时。这时候，电磁波可以沿地球表面传播，而不受地球曲率的影响，所以可以传播的很远。由于雷达电线的尺寸跟雷达的波长成正比，所以这种低频的长波雷达尺寸向来十分的巨大。

这个是雷达各频段的名称。其中频率低的L波段主要用于远程警戒雷达，S波段用于中程警戒与跟踪，X波段由于体积小，所以用于空中或其他移动场合，多普勒导航雷达也是X波段雷达。由于S波段跟X波段是目前应用最广泛，最主要的工作频段，所以隐形飞机的隐形主要就是针对这些波长做文章。
不同波长的电磁波打到飞机上截获的目标截面积RCS（radar cross section）的差异很大。总的来讲，主要分三种。
1．低频区：当雷达波的波长大于目标尺寸时，入射场的相位跟振幅都没有什么变化。这时候整个目标都参与散射过程。所以他的形状和细节并不重要，主要取决于他的体积。换句话说，任你是李逵还是李鬼都不重要，它只要知道有人来了就行。
2．谐振区：当雷达波的波长跟目标尺寸相近时，入射场的相位跟在目标长度上的变化很明显。目标的每一部分都会影响到另一部分的场强，每一点的回波都是由很多部位相互影响的叠加。所以很难预测回波的性质。这时候它还是很难分清李逵和李鬼。
3．高频区：当雷达波的波长小于目标尺寸时候，它的散射符合光学定律，目标形状间的相互作用可以忽略不计。它的总散射可以理解为某些局部散射的单独合成。这个时候，它就能分清李逵和李鬼了，并知道了李逵是拿斧头的，李鬼是拿狼牙棒的。




由于防空雷达和机载雷达都处于分米波和厘米波段，这些波长都小于目标尺寸，处在高频区。所以隐形飞机的研究主要就是对付这些波长小于目标尺寸的波段。但我们也可以看到，对于波长长的米波雷达等，由于波长大于目标尺寸，所以目标的形状不重要，整个目标都会发生散射，所以能有效提前发现隐形飞机。这是一种预报隐形飞机的很好手段，听群里人讲，我们的远程雷达就曾照射到在日本起飞的F22战斗机。


由于雷达有效探测距离和RCS的四次方根呈正比关系。所以要想使探测距离缩短一半，那么目标的雷达截面积（RCS）就要缩小为原来的1/16。换句话说，除非使用隐形手段，否则单纯的依靠减小飞机的尺寸并不能有效减小雷达反射面积。
所以要想有效减小雷达反射面积，采取隐形手段才是王道。前面说过，由于目标的散射在高频区，他的总散射场可以分解为某些局部散射场的合成。那么那些局部的点，线，面的散射源就成了要研究的重点。对于散射回波，主要分有镜面散射波，绕射波和行波，爬行波这几个种类。
对于镜面散射，当电磁波打到光滑的表面时候，能发生镜面散射，就像初中学的光的反射现象一样，由于镜面散射能把大部分电磁波的能量完整的散射回去，所以是一种很强的散射源。另一种强散射源就是边缘绕射。当电磁波打到棱线的边缘时，镜面反射已不存在，这时候，电磁波会沿着边缘产生无数条绕线。边缘绕射是最常见的散射现象，也是一种较强的散射源。当飞机在雷达区消除了镜面散射后，边缘绕射就成了主要的散射源。


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边缘绕射是最常见也是最重要的散射源，当飞机镜面散射消除后，边缘绕射就成了主要的散射源。比如机翼和一些部件的连接处，都容易造成边缘绕射。
除此以往还有几种弱散射源，比如尖顶散射。当电磁波打到尖顶，比如飞机机头时候，会在机头出发生绕射，但这是种弱散射源


尖顶散射是种弱散射源


还有一种就是行波，当电磁波打到物体表面时，电磁波会沿着物体表面进行爬行。这种爬行波在爬行过程中遇到表面不连续处，不同物质的交界处，缺口出等任何有剧烈变化的地方都会向外散射出电磁波，当它爬到物体末端无处可走时，就会产生绕射波。并同时沿着原路返回，在返回途中，遇到任何不连续处会发出第二次散射。




可以看到，在表面任何有剧烈变化的地方，都会产生散射。

一个爬行波的走势图，当雷达波打到飞机时，沿着机体表面爬行，从头走到尾到没路的时候，再沿原路返回，并不断发出散射，不幸的是，这返回的行波的散射方向是直对着雷达方向的。所以飞机表面一定要极力避免出现任何不连续处。




除了上面的一些反射外，还有两个重要的反射源，那就是角反射跟腔体反射。如果两个面互成90度角，那么入射电磁波会在里面互相反射后成强烈的回波，是个强烈的反射源，而对于腔体，也会有相似的情况，也是个强烈的反射源。
那么，在雷达面前，飞机要如何修改才能做到隐身呢？我在最开始，介绍了F117的外形布局来源。这说明，外形的修改其实能很大的影响飞机的RCS值，事实上，飞机外形的优化一直是最好的隐形手段。但除此之外，隐形飞机要应该做到：
1. 飞机表面要尽量的平滑过渡，尽量不要有任何缺口，突出物等任何剧烈改变的地方。



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上面两图可以明显看出，表面的完整跟有缺口的物体对RCS的影响很大。隐形飞机要极力避免出现各类不平滑的地方。



  
2.
把强散射源变成弱散射源


对于一个球体而言，当雷达波照射过去后，它总存在一个方向，是正对着雷达波，因而会形成一个强烈的镜面反射。解决办法就是把它拍拍扁，再把边缘捏的尖尖的（这不就成了一个UFO了么。哈哈），成了边缘散射或尖劈散射。这样一个强的镜面散射源就变成弱散射源。
事实上，圆柱体或纺锤体都会产生镜面散射。普通飞机的机身就可以看成一个圆柱体，它是个强烈的散射源，解决办法就是把机身边缘做的尖尖的，形成尖劈角来减小RCS值。

除此以外，还有一种技术就比较火星了，叫什么阻抗加载技术，反正我常长真臻实在是不明白这名字的意思。大概的方法就是在表面开各种槽，槽里面塞进各种腔体或有特种参数的东西。这样雷达波照上来后，反射出振幅相当，而相位相反的回波，来相互干涉，从而把电磁波的能量相互抵消掉。真是够火星的了。。。。。。。。所以这技术目前还处于理论中
这叫无源阻抗加载技术，既然有无源那就必然有有源的了，其实有源的就已经是属于电子对抗的范畴了，通过电子对抗装置，出动发射出跟入射雷达波振幅相同，但相位相反的波，来互相抵消，这样就能达到隐形的效果。相比而言，这主动式的还是比较有点谱，美帝已经有这方面相关的技术了。


红外隐身技术

红外线其实也是一种电磁波，当物体具有一定温度的时候，就开始向外发出红外辐射。在红外频谱中，红外辐射的高频段与可见光相连，而红外辐射的低频段与无线电波的“极高频段”相连。这个“极高频段”就是大家所说的微波波段。大家厨房里的微波炉就是种极高频段的波。
在这里给大家进行些小科普。电磁波的频率从高到地的顺序分别是

γ射线 > X射线 > 紫外线 > 红外线 > 微波 > 无线电波等波段

他们的波长分别是从短到长。我们太阳光的频谱是个复合频谱，一般而言，他夹杂在紫外线和红外线中间。

那么为什么早上和傍晚的太阳是红色的？

因为早上和傍晚我们离太阳的距离远，那些频率高的紫外线能量衰减的厉害，透过地球大气后只有红外线能剩下来，所以我们就看到了红太阳。而中午的时候由于离太阳近，紫外线就能穿透，所以我们就能看到白色的太阳。

而在天文学上，有种红移现象。人们在观察天体时候，发现他的电磁辐射由于某种原因而出现波长增加，在光谱上表现为向红外线波段移动，所以叫红移。这和多普勒效应是一样的，我们在火车站听远处的火车声是沉闷的低音，火车越来越近，声音就越来越尖。火车发出的声音在近处是种高频的声波，扩散到远处后就减弱成低频的声波。既然如此，天文学家自然能联想到这个天体是发生了移动，而且是离我们地球越来越远。






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红移现象，当天体离我们越来越远时候，电磁波传播过程中频率变慢，波长变长，从可见光区向红外线区移动。相反，若天体离我们越来越近，则波长变短，频率升高，如同火车呼啸而来一样，声音变尖锐，光谱朝蓝光段移动，我们称为蓝移。简而言之，就是看见红移了，说明距离变长了，看见蓝移了，说明距离变短了。这个星体的红移现象是由哈勃最早发现的。


由于发现了星体的红移现象，而且是普遍现象，天文学家认识到我们的宇宙是不断膨胀的。既然是膨胀的，那么把时间倒推过来，宇宙在很久以前比现在的就要小，时间再往前，宇宙更小，那么早晚存在一个时间点，宇宙是被缩小成很小的一个奇点。也就是说，在很久很久很久很久很久很久很久。。。。。。。。以前，大概137亿年以前，宇宙小到只有一个点。我们现在宇宙中所有的物质当时都被高度浓缩在那个小点内。那时候，没有空间，没有黑暗，四周啥都没有，就只有这个奇点，也就是处于传说中的in the middle of no way.
我们甚至不知道那奇点是刚刚产生的，还是一直默默无闻等在那里，非要等到那个日子的到来。什么日子？―――――――轰的一声，宇宙大爆炸的日子

于是，我们的宇宙就从无到有了。。。。。。于是地球诞生了，于是新中国成立了，于是我常长真臻在这里给大家科普了。。。。。





――――――――――宇宙科普完毕，回归到隐形技术―――――――――――――


前面说过，物体只要温度上升到一定程度，就会发出红外线。由于红外线是种高频电磁波，频率高于任何一种雷达的频率，几乎不可能用电子手段进行干扰。所以要想降低红外信号，降低温度才是王道。对飞机而言，热源有飞机的气动加热，太阳光的照射加热，但最大的红外辐射源就是发动机的喷口，所以降低红外信号的隐形手段就是对发动机喷口进行处理。



上面讲的所有隐形修行都是在能够看的见的地方，还有就是看不见的地方，就是从机体结构处下手。因为不同材料的电磁特性不同，有些材料具有一定的透波性，能够穿透机表进入内部，在内部的腔内经过反射后再透出来。所以在有些地方机体结构也要进行一定的优化。

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看这机翼的修形，由于雷达波能穿透某些材料，所以某些特殊的地方，在内部也要进行隐形优化，后面的图中显示了内部也进行了锯齿处理。
由于对这些内部结构的隐形处理网上的资料实在是少，目前能知道的就是对一些部位进行锯齿处理。另一种就是敷隐形蒙皮，而且是整大张的隐形蒙皮，这样就能尽可能的减小需要链接的地方。



等离子隐身



有迹象表明，我们的四代机会采用部分等离子体隐身技术。等离子体是由大量自由电子，自由离子和中性离子混合成的一个体系。高中物理知识告诉我们，当原子获得大量能量后，里面的电子运动变快速，达到一定程度就会逃逸出来。普通气体在受到外界高能作用后，部分电子获得大量能量而脱离原子核的束缚，成为自由电子。而那原子因为失去了电子而成为带正电的离子，这时候，气体就有导电性质。航天飞机或飞船在降落地球大气层的过程中，由于与空气产生剧烈的摩擦，温度急速上升，空气被极化，也会产生等离子体。由于等离子对电磁波有极大的吸收和衰减的作用，隐身效果非常好，而且等离子的胃口也不挑剔，对各个波段都通吃。使得所有的通讯都无法正常进行，这就是所谓的“黑障”。也就是说，要想使空气等离子化，必需要给空气很高的能量。

航天飞机降落地球时，由于速度非常快，与大气剧烈摩擦，空气被极化，成为等离子体。这时候通讯中断，就是我们常说的“黑障”。等航天飞机的降落速度慢下来后，空气摩擦减小，等离子体消失，便又恢复了通讯。

目前的等离子隐身技术主要有开发式和封闭式两种。对于开放式，就是把等离子云“涂抹”在飞机表面。但对于开放式而言，飞机飞速而过，等离子能不能稳定的附着在飞机表面还是个问题。而且需要电源以高频高压的方式放电，击穿空气成为等离子体，这过程需要消耗大量的电力，对战斗机而言，这么大量的电力来源就很成问题。虽然等离子吸收外界电磁波的效果极佳，但他却是个高能量体，自身也会放出红外辐射！！会被红外探测装置探测到。所以即使航天飞机处于黑障区，无法通讯，但航天飞机还是能被红外探测装置观察到，所以我们看新闻，经常能看到红外观察装置拍摄到的航天飞机返回图像。
而另一种封闭式，就是采用双层结构，外层用玻璃钢等高强度的透波材料，把惰性气体或容易电离的气体灌到双层蒙皮中间。把这东西结合到需要隐形的重点部位，需要隐形时就对里面放电产生等离子。这样做不仅电力需求小，而且不会受外界的干扰，红外信号也小，而且能跟飞机结合成一体。把它结合在某些容易产生散射的地方，就能极大的减小雷达信号，这实在是上佳的选择。所以我们的四代重歼很可能使用这种封闭式的部分等离子隐形技术。
由于这种封闭式的等离子隐身造价高昂，而且会付出额外的重量，所以飞机不可能大量使用，只能在某些部位使用，这样的话，就必需好钢用在刀刃上。对一些难以进行隐身处理的地方采用，比如飞机机翼的根部，这样就能大大的减小飞机的总体RCS。


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从这图中可以看出，在飞机进气口，机翼根部前后缘处，都是强信号源。所以可以在这些地方做等离子隐身处理。机身侧面也是大的反射源，但这个就比较大而且难处理了，侧面主要还是靠外形修行。






结语



目前来看，隐形最好的方法还是外形隐形，我在最开始讲F117的时候，已经很直观的用图文讲解了，同一个物体，只是改变下方位，隐形的效果就能相差非常多。但这是理想状态下，事实上，四代飞机不仅要考虑隐形，他同样受飞机气动布局的限制，所以会存在很多的热点，对于这些热点，就需要一点一点的进行处理。
对雷达波而言，波长长的电磁波可以传播的很远，而且通常波长大于战斗机的尺寸，对战斗机的外形不挑剔，都能发生一定的散射。因为民航的交通管制雷达大多是米波雷达，所以经常有民航雷达发现参加航展的F117和B2的情况。但由于长波雷达频率低，分辨率差，而且信号的更新速度慢，不能跟踪快速移动的飞行目标。所以对分辨率要求高的火控雷达和机载雷达都选用高频的短波雷达。隐形飞机的隐形处理也就集中在对付这些短波雷达上。我们在对付F22的时候，单靠一部或一种雷达是很难发现的，当可以多种雷达同时使用。比如使用长波雷达进行远程预警，然后靠多部短波雷达配合预警机进行协同跟踪。这样就能有效对付F22。
对于我们的歼14，通过对隐形知识的了解，我们就可以有个大致的概念。机身平滑，棱角分明，线条流畅完整，各个方向整齐划一，机头机尾尖角突出，开口的地方有大量的平行锯齿，部分等离子隐身。
飞机的隐形处理其实是个很系统的工程，尤其是细节的处理，就好比100个喇叭都发出70分贝声，加在一起，也只不过70分贝左右（排除声音的共振等因素）。但这里面只要有1个发出85分贝的声音，那么接收到的就是85分贝。所以隐形的处理不能放过每一个细节。

（转自美言网》 作者：常长真臻　）

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正面垂直面对雷达/如果我们把方板弯个角度，数据就会骤减为0.1平方公尺

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事实上，还可以做的更厉害点，把方板斜45度，从正面看像个菱形。

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事实上，还是那块方板，面积根本不变，但如果我们把这菱形也弯成一个后倾的角度。那么数据就会降的更厉害， ...

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怎么样，这个外形就是上面讲到的倾斜的菱形。其实这就是洛克希德马丁公司最早的方案。够科幻吧。什么？有些 ...

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这架F117被拆毁，遇到暴力拆迁队，死都不能落个全尸，真是惨。

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苏联早期的远程警戒雷达，对比下面的楼房，就可以知道这雷达有多大了。由于雷达天线的尺寸跟波长成正比，所 ...

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这张图片清楚显示了F35的尾翼，V型垂尾，主翼后襟及机身下部很多地方都大量使用了复合材料。

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最后上张F22正面图，来做为结束。

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