隱身飛機雷達目標特性初探

程肇睿

摘要：本文在明確隱身飛機主要技術及原理等理論基礎的前提下，對隱身飛機雷達目標特性進行了研究。本文指出，隱身飛機在低波段的RCS值相對較高、隱身性能較差，在高波段的RCS值相對較低、隱身性能較好。此外，隱身飛機在正向和側向隱身性能較強，后向隱身性能較弱。

關鍵詞：隱身飛機;雷達;特性

現代戰爭中，隱身技術的發展使得一系列隱身武器隨之而生，其中又以隱身飛機、隱身坦克、隱身導彈和各類單兵隱身武器為代表。隱身武器的廣泛應用改變了傳統戰爭中的攻防格局，使得傳統雷達難以探測和追蹤，進而促進了防御系統和反隱身技術的發展。

在一眾隱身武器中，由于F-117等隱身飛機在海灣戰爭等重要戰爭中發揮了關鍵作用，中國、美國、歐盟和俄羅斯等國家向來對隱身飛機這一隱身武器的研究極為關注。2010年，美國洛克希德公司研制出了應用于F-35隱身飛機表面的新型纖維材料。隨后，俄羅斯宣布將離子體隱身技術應用于T-50隱身飛機。中國、日本和韓國等亞洲國家也結合自主研發與購買，研制了數代隱身飛機，例如殲-20和殲-31等等。

然而，雖然隱身飛機的研究已然獲得了一定成果，但真正實現飛機全向隱身已然存在較大困難。上述現象的成因一方面在于雷達等反隱身技術主動探測能力的提升，另一方面則在于隱身飛機需要在隱身性能和作戰性能之間找尋平衡。基于此種背景，本文對隱身飛機雷達目標特性進行初步探析，以期為隱身飛機的發展提供參考。

一、隱身飛機主要技術

雷達自出現以來，用途便始終為目標的探測，特別是以飛機、坦克等大型裝備為代表的敵對目標。因此，隱身飛機的主要技術——隱身，是基于反雷達探測而言的。具體來看，隱身飛機的主要技術有六項。

第一項技術是外形隱身設計，意為消除鏡面反射、減少角反射及后向散射;第二項技術是材料隱身設計，意為用于機身等處的涂料可吸收或透過雷達波;第三項技術是紅外隱身設計，意為降低發動機在飛行中向外輻射的紅外信號;第四項技術是電磁輻射隱身設計，意為降低飛機在飛行中的電磁輻射信號;第五項技術是噪聲隱身設計，意為減弱甚至消除飛機在飛行中的噪聲;第六項技術是磁場隱身設計，意為減弱甚至消除飛機在飛行中的磁場強度。

隱身技術能夠幫助飛機在隱身狀態下難以被雷達探測，但無法令飛機在任何條件下都無法被雷達探測，這是由于飛機的隱身性能往往與作戰性能沖突。

二、隱身飛機外形隱身技術原理及特性

（一）隱身飛機外形隱身技術原理

外形特性是隱身飛機最為主要的雷達特性，故本節對外形隱身技術原理進行簡述。外形隱身技術的原則在于消除雷達反射回波，例如可消除隱身飛機表面易于反射、散射電磁波的結構，包括但不限于垂直表面、兩面體、矩形槽、不合理腔體和角反射器。除去被動消除雷達反射回波，外形隱身技術還能夠變更雷達回波的反射方向，包括但不限于三角翼、后掠翼、內嵌式機艙和修圓機翼翼尖等等。

誠如前文所述，隱身飛機需要在隱身性能和作戰性能之間找尋平衡，因此外形隱身設計往往會做出一定讓步，無法令隱身飛機在所有角度和波段完成隱身。從波段這一層面來看，現階段中主流隱身飛機的隱身性能僅能夠規避厘米波段雷達的探測，難以規避毫米和米波段的雷達探測。從角度這一層面來看，現階段中主流隱身飛機的隱身性能僅能夠覆蓋60-120度的俯仰角和0-45度的方位角，無法覆蓋目標的側向和后向。

（二）非隱身飛機SAR成像特性

本節選用預警機E2這一飛機為代表，分析非隱身飛機的SAR成像特性。E2預警機的機長、翼展和機高分別為17.54、24.56和5.58米，機頭初始方向的俯仰角和方位角為90度和0度。值得注意的是，E2預警機的機身上方設有天線罩，增強了該飛機的電磁波反射能力，可能會對其SAR成像特性造成改變。

當俯仰角為90度、方位角為0度（正向入射）和180度（后向入射）時，若正向入射，則SAR圖像中無天線罩，有機頭、螺旋槳和機翼棱邊;若后向入射，則SAR圖像中無天線罩，有尾翼、螺旋槳和機翼棱邊，這是由于天線罩與電磁波平行。

當俯仰角為120度、方位角為45度和135度時，若方位角為45度，SAR圖像中有天線罩、機頭、尾翼、螺旋槳和機翼棱邊;若方位角為135度，SAR圖像與方位角為45度時大致一致。值得注意的是，機翼結構為平板結構，電磁波反射特性偏弱，因此僅能呈現出棱邊。

（三）隱身飛機雷達目標特性

1.隱身飛機多波段雷達散射特性

本節選用戰斗機F-22這一飛機為代表，分析隱身飛機的隱身飛機的多波段雷達散射特性。多波段雷達散射特性分析通常包括前向角域分析、側向角域分析和尾向角域分析，此種劃分的依據為隱身飛機的RCS。

就戰斗機F-22而言，在VHF波段其RCS散射量值較高，這是由于此波段雷達波長大于飛機尺寸，即飛機處于諧振區中。VHF波段中，戰斗機F-22的多波段雷達散射特性與其外形投影尺寸存在顯著相關性，與其外形細節設計不存在顯著相關性。由此觀之，VHF波段下不施加其他隱身措施時，F-22的隱身性能較差。

在UHF、L和S波段，戰斗機F-22的前向RCS達到了0.1m2量級，但仍然存在較高的側向散射。VHF波段中，戰斗機F-22的多波段雷達散射特性與其外形細節設計存在顯著相關性，即低RCS的外形設計令該隱身飛機的前向散射較低。然而，由于側向散射與飛機外形的投影尺寸存在顯著相關性，UHF、L和S波段下不施加其他隱身措施時，F-22的側向隱身性能有所不足。

在C、X、Ku、K和Ka波段，戰斗機F-22的前向RCS達到了0.01m2量級，由此觀之，此波段中戰斗機F-22借助低RCS的外形設計極大程度地降低了前向RCS。

2.隱身飛機SAR成像特性

本節選用戰斗機F-22這一飛機為代表，分析隱身飛機的SAR成像特性。戰斗機F-22的機長、翼展和機高分別為18.92、13.56和5.08米，機頭初始方向的俯仰角和方位角為90度和0度。值得注意的是，本節對隱身飛機SAR成像特性的分析方式參照了非隱身飛機SAR成像特性的分析方式。

當俯仰角為90度、方位角為0度（正向入射）和180度（后向入射）時，若正向入射，則SAR圖像中僅有兩個散射點，這是由于正向入射條件下飛機的隱身性能最佳;若后向入射，則SAR圖像中呈現了全部機艙和部分機頭，這是由于后向入射條件下飛機處于離開戰場狀態，且機艙具有平板結構，隱身性能較弱。

當俯仰角為120度、方位角為45度和135度時，若方位角為45度，則SAR圖像中僅有兩個散射點，這是由于隱身飛機F-22的尾翼具有一定的電磁波反射能力;若方位角為135度，則SAR圖像中呈現出機翼棱邊，這是由于隱身飛機F-22的機翼棱邊對電磁波的反射性較強。

三、隱身飛機性能提升建議

由戰斗機F-22這一飛機的多波段雷達散射特性和SAR成像特性可知，隱身飛機在VHF波段、UHF波段等低波段的RCS值相對較高、隱身性能較差，即隱身飛機在上述波段易于被雷達探測，與非隱身飛機的目標特性差異不顯。其余波段中，隱身飛機相較非隱身飛機則在雷達目標探測層面具有較大優勢。因此，隱身飛機性能的提升可基于降低低波段RCS值入手，以減少雷達對隱身飛機探測的概率。

誠如前文所述，俯仰角和方位角的變化為隱身飛機的多波段雷達散射特性和SAR成像特性帶來了一定變化，且隱身飛機的主要雷達特性集中于機翼棱邊和進氣道側面。本文認為，無尾式布局能夠極大程度地提升隱身飛機的側向和后向隱身性能。具體來看，隱身飛機的尾部可設計成鋸齒狀，齒邊則與兩側機翼前緣平行，目的在于降低雷達散射截面。隱身飛機的進氣口則應盡量遠離兩側機翼前緣，目的在于規避來自下方的雷達波。另外，隱身飛機的機身表面和轉折處還可通過細節設計，將反射波集中在水平面內的數個窄波束。

四、結論

現階段中，世界各國對隱身飛機的研究已然獲得了一定成果，促進了隱身技術和反隱身技術的發展，例如美國的新型纖維材料、俄羅斯的離子體隱身技術和我國研制的殲-20和殲-31等等。然而，當前隱身飛機受到反隱身技術、作戰性能等因素的限制，依然難以真正實現全向隱身。

隱身飛機的隱身特性可通過六項設計實現，分別為外形隱身設計、材料隱身設計、紅外隱身設計、電磁輻射隱身設計、噪聲隱身設計和磁場隱身設計。本文以戰斗機F-22這一飛機為例指出，隱身飛機的多波段雷達散射特性為在VHF波段下隱身性能較弱、在UHF、L和S波段下側向隱身性能有所不足，以及在C、X、Ku、K和Ka波段隱身性能較強;隱身飛機的SAR成像特性則為正向入射和側向入射時隱身性能較強，后向入射時隱身性能較弱。鑒于此，隱身飛機可基于降低低波段RCS值的角度，進行無尾式布局、進氣口改進、機身表面和轉折處細節改進等提升。

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