隐身那些事儿——讲述隐身技术发展及应用的故事

万磁王

作者：中华暖风
已刊登于《惯性世界》119、120 期

　　现代隐身技术，又称为低可探测技术，是一门在军事对抗中发展而来、主要服务于军事的综合性尖端学科，其作用是针对现代雷达、光学和声学等主要侦测手段，采取降低雷达散射截面（RCS）、光电对抗、视觉伪装、消音和机动规避等主被动措施，降低被对手发现和跟踪的概率，提高战场生存能力，并藉此获取不对称作战的优势。　　纵观隐身技术的发展历程，其技术驱动的特性十分明显，所谓“道高一尺，魔高一丈”，探测技术的每一次进步，对应的反侦测、隐身干扰手段也会随之升级换代。设想一下，丛林中浑身迷彩伪装潜伏的神枪手趁敌不察用消声枪械实施阻击，和具备低 RCS 特征的战斗机静默状态下利用敌机雷达信号被动定位悄然逼近发起导弹攻击，从战术思想上来说二者并没有什么本质的不同，区别只在于隐蔽的手段和战斗的方式，一个是视觉伪装和消音，一个是雷达波低可探测性和无源侦测；一个是借助丛林掩护阻击，一个是利用隐身能力空战偷袭。比较相同的是，两个案例中实现隐身所采取的手段均与对应的探测技术紧密相关或属同等类型。
　　本文侧重从主流隐身技术，特别是雷达隐身技术在军事航空领域的发展和应用来对其进行较为全面的分析介绍，相关的依据和结论也可参照用于其他领域。
一、可见光隐身和声学隐身
　　可见光领域视觉隐身和声学领域听觉隐身的方法是人类创造最早、适用最广、生命力也最持久的技术。严格来说可见光视觉隐身只是光学隐身技术的一个分支，现代红外隐身技术的重要性更为突出，本文在后续章节中单独论述。
　　潜伏隐蔽、伪装突袭等手段很早就被人类发明创造出来用于战争，从冷兵器时代发展到近代两次世界大战，基本沿袭的都是色彩、外形的视觉伪装和静音消噪这两种路线，从未真正超出声学和可见光的范畴。在这段漫长的时期里，隐身技术的种类和层次还远未达到构成独立学科体系的地步，在整个战争体系中的地位也完全属于配角，作为一种辅助手段被掩盖在各种战略战术和武器威力的光芒之下，声名不显。
　　视觉隐身的典型案例是各国空军战机伪装色的演变。二战期间英国皇家空军从早期的醒目色调改为较为柔和的低可视度伪装色调，如在夜间轰炸机下表面涂上粗糙亚光的黑色 RDM2 漆，空军战机上表面采用绿色、黄褐色和土灰色搭配，下表面天蓝色或浅灰白，海军战机选择深海灰色，其目的是达到从不同视角特别是主要威胁的上下方观察，能够形成与停放地和战场背景混淆掩盖，引发视觉判断模糊或形成错觉的隐身效果，如图1，类似的德、苏、美、日等各参战国战机也都有根据各自本土和外部主战场设计的伪装涂装方案，如图2。为了隐身，人们甚至还设计过用透明材料比如赛璐珞来作为机身蒙皮材料，以减小机身在空中目视可见投影的大小，后来因为反光强烈等各种原因效果不佳才放弃作罢。

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

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　　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，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

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二、雷达和红外隐身
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 0.75~1000μm（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”——0.75~2.5μm、3~5μm 和 8~14μm，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 8~14μm，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。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-4 和 F-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，基本都已达到或超过 70~80 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 80~90%，辐射波瓣也大幅缩小，达到了极佳的红外隐身效果。

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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（25~30 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

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3、雷达隐身技术的黎明和前苏联的目不识珠
　　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 4π 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径向横截面积的大小，比如某物体 RCS 为1m^2，即等同于半径是 0.564m 的金属球（几何横截面积1m^2）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：
　　①. 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；
　　②. 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；
　　③. 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；
　　④. 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：
　　①. 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；
　　②. 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；
　　③. 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“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

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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身极易与橡胶混合并保持谐振特性，而橡胶又很容易制成薄片胶贴到机身表面，所以这种吸波材料在上世纪 50 年代最先应用在了飞机隐身上。
　　为了拓宽吸波材料的吸波频带范围，早期专家们曾通过叠加多层电阻率逐渐降低的吸波材料，初步实现了较宽频带的吸波，这种材料也叫乔曼材料。二战时期德国希望研制一种用于潜艇表面隐身（水面航行时）的材料，当时的方法是 7 层导电率不断降低的含碳纸，每层间用不导电的泡沫塑料薄层分割。可以吸收 3 厘米和 10 厘米两种波段电磁波，但材料本身厚度达 6.35 厘米且很难弯曲，最后未能投入实用。
　　铁氧体最早由东京工业大学阳五郎加藤博士发明，并在 1932 年卖出专利。后来 NEC 公司通过把铁氧体磁性粉末混入环氧树脂液制造出了一种可以像油漆那样喷涂的窄带吸波涂料，后来逐步演进形成系列。铁氧体吸波材料的比重较大，吸波效率与入射波频率和涂敷厚度有关。国外一种产品在涂敷厚度 2mm 时，对 8~12GHz 厘米波段的两个选定频率吸收效率可以达到 98~99.4%，峰值外附近频段可吸收 90~97%，但每平方米涂层的重量已达到了 6kg 的程度。据悉 F-117 机表应用的也是这类材料，其全机表面涂敷的吸波材料总重量将近1吨。这类材料的另一个明显缺点是高温时（400~500℃）会迅速氧化，在 300℃ 以上一段时间后也会逐渐失效，因此基本上不能用在发动机喷管附近的高热部位。
　　如果能制造一种导电率连续变化的材料，把空气和机体的导电率平滑地连接匹配起来，就不会形成导电率上的突变或跳跃点，不会对入射波形成反射。吸波棱锥体就是基于这种思路设计的，当入射波从椎体顶部开始向底部传导时，导电率是连续平滑下降的，没有反射面，能量不断地被阻抗消耗直至基本消失。这种吸波棱锥体就是我们经常见到的微波暗室中的那些深黑灰色锥形物体，上世纪 60 年代这种椎体形吸波材料还被设置在 SR-71 型高速侦察机的机翼前后缘结构内，通过多次反射吸收入射波达到降低 RCS 的效果。由于结构重量和体积较大，这种形状的材料在飞机上只能局部进行应用。

图 16、尖棱锥形吸波结构是构造微波暗室的基础材料

　　上世纪 80 年代期间，一种导电塑料物质被用于研制吸波结构材料，美国人通过多层不同导电率缓变的导电塑料薄片组合达到了多层介电型吸波材料较宽频吸波的效果。这种导电塑料的添加剂含有有毒化合物，曾经引起了一桩员工健康控诉案件，并且有消息说这种材料已经被用在了“黑计划”的项目中。1987 年卡耐基.梅隆大学在研究中意外发现了一组复杂的席夫碱基盐类化合物，这种物质具有比铁氧体基材料更强的吸波特性和仅 1/10 的重量，并且具备系列化吸收各频段电磁波的特点，只需解决粘合剂问题就可以应用到隐身用途。擅长爆料的《航空周刊》杂志报道了这条消息，但随后有关这种材料的消息进入了保密状态，使用情况不详。
　　涂敷型吸波材料还有一个缺点，如果希望把吸收频段扩展到 S 或 L 波段，涂敷厚度和重量会增加到不可接受的地步，对米波波段就更不用想了。为解决这个问题，后来设计出带柱状蜂窝、锥形蜂窝、泡沫等夹芯构型的含碳吸波耗能材料，表面覆盖玻璃钢或凯芙拉类透波材料薄层，可以在夹芯中构成多次反射耗能，取不小于波长 1/10 的厚度，即能在 S 波段也具备较好的吸波效率。这种结构用在嵌入复合材料进气道管壁时，可以取得很好的吸波和消音效果，并且比重较轻，目前也被大量应用，图 17 展示了 F-117 翼面的内部吸波蜂窝结构。

图 17 这块 F-117 翼面残骸清晰地展示出了内部的柱状蜂窝吸波结构

　　随着 RCS 计算问题的解决和吸波材料的不断进步，工程化隐身的应用前景已经十分明朗，制约隐身技术大发展黎明前的黑暗已经过去，历史悄然翻开了新的一页。

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三、早期的隐身飞机设计　　早期的隐身飞机实际都只在局部采取了一定隐身措施，有限降低了 RCS，不具备真正的隐身能力，但作为隐形技术的先期验证，在隐身外形、吸波材料等的研制和应用中逐步积累了较多的经验和教训，为后续 70s 中期到 80s 年代隐身技术的飞跃奠定了坚实的工程基础。
Horton go.229
　　历史上首开雷达隐身技术工程化应用尝试先河的其实是德国人。二战末期时，德国研制了几种降低雷达 RCS 的验证飞机，其中对后世隐身战机设计最有影响的是 Horton go.229 飞机，见图 18。该机采用了十分前卫的飞翼型设计，结构使用局部钢管加强的木质结构，机翼前缘的板材结构中被加入了特制的碳质材料，当时德国人发现这种碳质材料可以吸收雷达波，能够有效降低飞机的 RCS。以现代人的视角，但凡第一次看到 Horton go.229 的设计都会大吃一惊，这款具备明显隐身特征的飞机无论是从翼身融合的飞翼外形、为波形反射优化的边缘轮廓、进气道和喷口的屏蔽，还有吸波结构应用（碳质材料）和弱电介质蒙皮（木质）的一整套设计思路和技术应用，与后世的 B-2 都存在着惊人的相似点，令人不得不由衷地佩服德国人在二战期间隐身设计思想的前瞻性和创造力。遗憾的是这款飞机出现太晚，随着德国的战败最终未能完成研发，曾有传言战后其部分技术资料被美国人获得，而诺格公司也确实曾经复制出一架 Horton go.229 样机进行分析测试，证实了其隐身特性。时至今日个中曲折已无法辩其真伪，只是不知道当风华绝代的 B-2 隐身轰炸机幽幽掠过欧洲航展上空之时，这个世界上还有多少人能够依稀回想起曾经惊艳一时的 Horton go.229。

二战中的 Horton go.229 原型机

图 18、昙花一现、生不逢时的纳粹德国 Horton go.229（复制机）

　　德国人的隐身技术研发虽然拔了头筹，只可惜实在生不逢时，历史不可重来，从冷战时期前苏联官员慷慨送出大礼包的那一刻起，铸就隐身技术春天的荣耀注定将落在对此锲而不舍、雄心勃勃的美国人身上。

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U-2
　　上世纪 50~70 年代，从朝鲜战争到越战和冷战，华约的防空体系日益增强，给美国空军的侦察和战斗行动带来了的巨大威胁。1953 年，美国空军起草了一份关于研制一种能在 21,000 米以上高空飞行对前苏联地面目标进行侦察的飞机，其生存力主要依赖于飞行高度，但也同时提到了要减缩飞机的 RCS 以降低被防空雷达探测到的机率。虽然降低 RCS 作为一个设计目标被列入洛克希德的 U-2 方案和马丁的 RB-57 方案中，但以当时的技术基础其实没有什么实际措施能够采用。位于美国内华达州马夫干湖床区神秘的 51 区被洛克希德“臭鼬工厂”选作 U-2 的试验场地，经测试服役后，U-2 被用于对苏联、中国、古巴等国家进行高空侦察。在其服役的头三年里可谓风光无限，因为前苏联当时还没有能在 2 万米高空以上拦截它的导弹和战机，不过雷达可以轻易跟踪到 U-2 的飞行轨迹。随着前苏联具有 25,000 米高度拦截能力的 S-75 导弹开始装备并在 1960 年首次击落 U-2 后，美国逐渐减少了 U-2 在高威胁地区的飞行任务。

图 19、U-2 高空侦察机

图 20、位于美国内华达州马夫干湖床区神秘的 51 区

　　为降低 U-2 的 RCS，减少被雷达发现跟踪和导弹攻击的概率，1957 年洛克希德的设计天才凯利•约翰逊曾打算用在机身表面贴敷新研制的铁氧体胶合物吸波片，并围绕机身布置谐振导线网的方法实现雷达隐身，这个方案被称为“彩虹”。但随后的实验证明“彩虹”U-2 的方案是失败的，吸波贴片造成机体热量难以散发过热，外部导线增加了飞行阻力也使得飞机升限下降 1,500 米，航程减少 20%，如图 21。在 1957 年 4 月的一次试飞中由于发动机过热熄火导致座舱失压，飞行员面罩脱落缺氧昏迷，最后飞机失控坠毁。此前“彩虹”U-2 也曾经进行过实战飞行，但发现前苏联雷达仍然可以排除干扰保持跟踪，而且飞机性能的下降也增加了被拦截的风险，因此 1958 年该计划被取消。

图 21、U-2“彩虹”隐身试验机

图 22、洛克希德“臭鼬工厂”的传奇设计大师凯利•约翰逊

　　U-2 是最早应用隐身吸波涂层的有人战机，并逐步改进具备了较强的电子对抗能力，从上世纪 50 年代开始到现在，先后共发展了多达 18 种型号。由于其使用维护相对简单、滞空时间长等各种原因，能够以低成本满足大多数场合的使用需求，因此目前仍在服役中，空军对其退役时间也一推再推，最新消息可能会延寿使用到 2023 年，是一款名副其实的长寿机。

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A-12
　　早在1956 年初，美国中情局（CIA）就已开始着手寻找一种全新的、强调降低雷达反射截面（RCS）和高空高速的间谍机来取代 U-2。当时的技术条件下，拥有极高的飞行速度会造成雷达信号检测和显示不稳定闪烁甚至消失，跟踪困难，如果结合降低  RCS 措施，能极大地压缩雷达制导防空导弹的反应时间，降低拦截成功率。在多家飞机制造商提出的方案竞争中，洛克希德凯利•约翰逊带领团队设计的具有翼身融合和吸波结构设计的高速大三角翼 A-12 方案（经历了 A-1 到 A-11 等多个方案演进而来）最终赢得了胜利。

图 23、编号 06932 的 A-12 在飞行中

　　洛克希德公司在 A-12 的方案设计中吸取了“彩虹”U-2 隐身改进计划失败的经验，在当时的理论技术水平上尽一切可能设计制造出外形对雷达隐身的飞机，这些经验包括：
　　1、发动机与飞机内一切金属结构必须用吸波材料进行屏蔽；
　　2、不能被屏蔽的结构必须用透波材料制造；
　　3、为防止 S 波段和 X 波段雷达的探测跟踪，飞机的外形必须能把入射波反射到远离雷达的无威胁方向；
　　4、为降低反射，飞机的外形边角应该柔和过渡，使得结构导电率变化平缓连续，例如翼身融合结构。

图 24、A-12 金属样机在 51 区外场测试 RCS

　　A-12 第一架原型机在 1962 年 4 月首飞，先后一共制造了 13 架，其中包括 3 架截击型 YF-12A 和两架无人机载机 M-21（这两项计划均以失败告终）。A-12 从 1963 年开始服役，由于担心前苏联地空导弹的巨大威胁，以及技术安全和保密原因，CIA 并未把 A-12 用于前苏联和古巴等危险地区，而主要对北越和北韩的空中侦察。1968 年 A-12 由于财政预算和让位于 SR-71 等原因退役。

图 25、携载了 D-21 无人机（子机）的 M-21 验证机（母机），合称 MD-21

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SR-71
　　SR-71 属于“黑计划”发展项目，其前身来自为 CIA 所做的 A-12 设计。60 年代初美国空军也在寻找 U-2 的替代机型，经比较后发现 A-12 的性能潜力超过空军一直在发展的马赫 3 级 RS-70（即 XB-70 的改型），1962 年 12 月，美国空军决定在 A-12 基础上秘密发展一款新型的战略侦察机。洛克希德确定的厂家编号是 R-12，生产型出来时原本空军定的正式编号是 RS-71，但当时的空军参谋总长李梅却更喜欢 SR（Strategic Reconnaissance——战略侦察）这个缩写的意义，于是最终定为 SR-71。
　　空军对新机的要求与 CIA 的 A-12 不同，机身更长更重，以便携载更多燃油，改成双人驾驶，侦察设备方面也加装了电子侦听和侧视雷达等新系统。在继承 A-12 外形隐身设计的基础上，进一步加宽边条增强隐身性能，机身截面看起来更扁平，有利于把入射波反射到较远的无威胁方向，保留内倾双垂尾设计，机翼前后缘成锯齿状布置三角锥形吸波结构材料，当雷达波进入后会在机翼结构中来回反射逐渐被吸收削弱，见图 26 和 27。进气锥高速时向前移动，完全遮挡后部的发动机，避免雷达波直接照射叶片。测试中发现飞机RCS主要反射位置在进气口前缘和垂尾前端，后来又采用半透波的耐高温复合材料取代了垂尾上的钛合金蒙皮。经过上述这些改进，生产型的 SR-71 前向 RCS 减少到了 10 平方米左右，在当时已经算是很不错的结果了。当然实际上 SR-71 在雷达上并不隐身，其飞行时尾迹中含有大量带电离子，仍然会被雷达发现，但由于其高速性进行持续跟踪会比较困难。此外，由于飞行高度达到 24,000 米以上，黑色表面吸波涂装在仰视侧视条件下也有利于融入深色的太空背景中，有一定的视觉隐身作用。

隐身那些事儿——讲述隐身技术发展及应用的故事

图 26、SR-71 三面图，注意机翼前后缘排列的锯齿状三角锥形吸波结构

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图 27、SR-71 的生产车间，注意机翼前后缘的吸波区结构框架设计

　　SR-71 未采用红外隐身设计措施，因为以马赫 3 以上的极高速飞行时，机身的气动加热现象十分严重，机表局部温度甚至高达 500℃。想象一下一团数百摄氏度燃烧的火球拖着长长的高温尾流划过天空是什么场景，其拉风程度只怕较之太阳神战车巡游也不遑多让，这种情况下任何抑制红外辐射的措施都是没有意义的，相反倒是需要重点解决如何使机体不致过热而造成结构变形损坏。最后在不增加低温环控设备的情况下，特别设计了一套利用燃油沿机身边条结构内部循环降温的方法，取得了较好效果。

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图 28、一架刚刚完成空中加油的 SR-71（翼面上还有脱离时渗漏的油迹）

　　SR-71 在 1966 年 1 月正式装备美军，由于极高的速度和具备一定的隐身能力，当时的雷达很难持续跟踪到这种飞机，也没有哪种飞机和导弹能跟得上它的高度和速度，因此根本无法进行拦截。前苏联一直到 3 年后的 1969 年米格-25 战斗机装备部队时，才初步具备了对 SR-71 的遏制能力，最关键的是，在隐身技术研究和应用上，前苏联远远落在了美国之后。