主流隐身技术

当前相当热门的“隐身技术”是一种减少被敌方探测概率的技术。越晚被发现则我方行动安全性越高，即使被发现，各种反制措施的成功率也会提高。目前，隐身技术是以美国居领导地位，从f-117到现在的f-22、b-2、f-35，大致是以两大途径达成隐身：首先是以特殊设计的形状，将敌方雷达波反射到远离接收机的方向，其次是以吸波涂料与材料吸收雷达波，甚至采用特殊技术屏蔽天线等。这两大路线也为其他航空强国所采用，作者称之为“传统隐身技术”（虽然对于新颖的隐身技术来说“传统”是个奇怪的描述）。另一方面，俄罗斯于1999年公布了其等离子隐身技术，并于2005年通过了国家级试验。由于尚未正式采用且仅俄罗斯拥有，故可排除于“传统隐身技术”之列而单独讨论。

　　隐身技术的分类

　　隐身技术可以概分为三项：

　　1）隐身外形：

　　2）非外形隐身，如吸波材料与天线罩选频技术等，但主要是材料技术：

　　3）等离子隐身（指产生于机体外的等离子）。

　　第一项必须在全新设计的飞机上才能彻底落实，第二项可用于旧战机，第三项理论上可用于旧战机，但考虑到耗电问题，可能要发电能力提升后的旧战机才适合使用。需注意的是，这三大路线并不具有排他性，是可以同时使用的（当然因为有时会冲突所以必须经过一些优化设计）。本文旨在探讨俄罗斯传统隐身技术的发展，其中隐身外形的实现方式详见t-50介绍专文（第4期《航空世界》专题-《“双面”t-50》），等离子隐身技术由于不属传统技术之列，因此另文介绍。

　　俄罗斯itpe（理论与应用电磁研究院）所长拉格日科夫（a. nlagarikov）与苏霍伊公司总经理波戈相（m. a. pogosyan）于2003年共同发表在俄罗斯科学院期刊的《隐身技术的基础与应用问题》一文总览了研究团队在数年期间开发的隐身技术与测试成果，内容涵盖外形设计与材料技术，其中许多技术都已用于苏-35bm上。itpe于2003年参加英国的一场隐身技术研讨会，发表了类似的内容，当时西方媒体以《苏-35的隐身技术》为标题做了报道，然该报道相对于俄文原报道不仅内容缩水甚多，而且与原文也有出入。本文基于俄文原文报道对itpe与苏霍伊合作的隐身技术作一总览。该文内容大致包括：复杂外形的rcs（雷达反射截面积）计算技术、座舱盖雷达波反射层技术、吸波材料的加工、天线屏蔽技术等。

　　复杂外形的rcs计算

　　隐身科技可以说是以rcs的计算为基础的，拥有rcs的估计能力便有助于设计好的隐身外形，或是为传统战机找出急需进行隐身处理的部位。许多人都知道最早提出飞机rcs计算方法的是苏联科学家，事实上这并非偶然，因为这一切的基础正来自粒子物理上的散射理论，这方面的创始人正好也是苏联物理学家福克（v.a. fok），因此苏联早已有深厚的理论基础。然而rcs的计算方法最初因涉及复杂的计算机运算而未被苏联重视，反而被美国发扬光大。不过俄罗斯人大可借助检视大量的“母语”论文而将这些关于散射截面积的科学研究与rcs的计算联系在一起。此外，现有的商用软件包已经允许计算不起眼的小细节所造成的散射截面积，换言之便可计算复杂外形的rcs。itpe便以商用软件为基础发展复杂外形的rcs计算方法，在其计算中考虑了反射、边缘绕射、爬行波、腔室内的多次反射等现象。其中在计算飞机大部分面积对小波长的反射现象时，将飞机表面分割成无数的小型反射面，每个反射面对考虑的波长都很大以至于可以不用考虑不同小反射面间的干扰。

　　相当重要的一步是发展出了进气道rcs的估算法。传统战机的进气道是飞机正面相当大的rcs反射源。其反射现象相当复杂：里面大部分物体尺寸都大于雷达波长故可以考虑为镜射，但这之中又要考虑腔室多次反射以及风扇叶片复杂外形所造成的影响。不过itpe已解决了上述问题，开发出的计算方法与实际试验结果相当吻合。这意味着不论是为旧战机开发发动机屏蔽还是为新战机设计高度隐身的进气道都已具备理论基础，从t-50的照片便可发现其进气道有着极为复杂的隐身外形。

　　座舱盖隐身技术

　　座舱内的各个部件是相当大的反射源，因此座舱盖要能阻挡雷达波的进入。最简单的方法是在座舱盖材料内添加金属以反射雷达波。另一方面，部分热带客户反应座舱内太热，空调不够给力，为此座舱盖还要能反射红外线。换言之，新的座舱盖必须满足对可见光有绝佳的透光率，但必须反射雷达波与红外线。为了制造出这种座舱盖并让反射层有足够的寿命，itpe采用了等离子工艺制造出由金属薄膜与聚合物层交替构成的座舱盖：以等离子化学沉积法制作聚合物舱盖主体，以等离子磁控溅镀上金属薄膜，重复上述步骤而制造出多层结构。

　　目前较新的俄式战机如苏-35bm、米格-35、米格-29k的座舱盖便显得”五彩缤纷”而非过去的全透明，应是因为采用了这种加工技术的结果。此外这些战机的风挡上有成对的金属线或金属条，这些是除雾用的加热电极。

　　2012年3-4月，负责生产这种新型座舱盖的npp technology（“科技”科学生产企业）陆续公开了座舱盖的进一步性能细节。3月23日，俄媒刊登了npp technology总设计师维库林（vvikulin）对t-50座舱盖隐身镀膜的介绍。他指出，t-50座舱盖的金属镀膜未来将引入黄金，届时其金属镀膜将是黄金、铟、锡的混合物。每层膜厚约20纳米，总膜厚约90纳米，可将座舱电子设备的辐射外泄降低至原来的1/250。黄金镀膜的价格尚未确定，但估计每个座舱盖需要2～3克黄金，低于100万卢布，比座舱盖本身便宜许多。总设计师表示，这种复合镀膜除了可以降低雷达信号之外，也能阻止红外线与紫外线，其中紫外线会导致塑料材料的劣化而有潜在危险，他举例说2010年印度战机就曾因座椅安全带劣化而失去固定能力，导致飞行员弹射后丧生。t-50的这种新座舱盖将可以避免这一问题。找出这种“黄金一铟一锡”混合配方的研发人员普罗索夫斯基（oleg prosovskii）还因此获得了国家奖项。 　　4月12日，npp technology旗下负责生产玻璃材料的steklo公司经理进一步指出，金属镀层是镀在座舱盖的内层，总膜厚约80纳米（之前总设计师说是90纳米），能减少40%的日照热量和30%的辐射，至于座舱内电子设备的无线电外泄则减少至1/250，雷达反射信号减少30%，透光率不小于70%。并指出新的镀膜会用在t-50.米格-29k、苏-30和苏-34的座舱。

　　吸波材料

　　原文有相当大的篇幅在探讨吸波涂料的运用。其指出现有的隐身涂料与过去相比有很大不同，不仅可以视需求涂上不同厚度的涂层，涂层的电磁性质也具有显著的非等向性：电磁性质不仅可以依位置也可依厚度而变。

　　进气道处理

　　进气道的隐身是藉由在进气道壁涂上多层铁磁性材料涂层来达成。其中主要的技术难点是黏着剂的研制，因为别的地方的涂料可以脱落，但进气道的涂料脱落可能会引发事故！在量产时涂层将以机器喷涂，而在实验品上则由人工喷涂达成。原文指出至当时已开发出特殊技术，能显著调整所用的铁磁材料的雷达波吸收能力。

　　而英媒的报道指出，itpe打算在进气道内壁及第一级风扇处使用吸波涂料，其涂料不能影响该处的气动与机械性能，且必须忍受200摄氏度的高温。itpe开发了新的材料以取代原先设想但不符合需求的铁氧材料。该新材料以机器进行喷涂，在进气道内壁涂层厚0.7～1.4毫米，在风扇上涂层厚0 5毫米。使用这种技术能使进气道的rcs缩小至原来的约1/10 （10～15db）。

　　喷口处理

　　全新飞机可以设计特殊喷口来隐身，但改进型飞机最简单的隐身方法当然是吸波涂料。用于喷口的吸波涂料需忍受高达1200摄氏度的高温以及极端的应力外，其电磁性能必须在600～1200摄氏度的温度区间保持恒定。itpe采用电弧等离子熔出非导体、金属、半导体的微粒后再镀上喷口。这种方法制做的多层镀膜在原文发表时已进行过数种模式下的飞行试验。

　　一般而言，隐身涂料是由“工作物质”与“黏着剂”构成。其中工作物质就是用来吸收或散射雷达波的物质，如半导体、磁性材料等，但工作物质并不总是能附着在表面，所以要将之溶在黏着剂内，并漆上表面。隐身涂料的性能通常由“工作物质本身的性质”、“工作物质的颗粒大小与波长的比例”（以下简称“颗粒一波长比”），以及“工作物质颗粒间距与波长的比例”（以下简称“间距一波长比”）决定。当间距一波长比远大于1时，雷达波较不受影响：当间距一波长比远小于1时，对雷达波而言就相当于连续介质（而实际上是分散的颗粒）：而当间距与波长相当时，雷达在涂层内除了会被吸收之外，还会经历特殊的干涉过程。

　　正由于工作物质实际上是分散的颗粒，因此理论上如果能在黏着剂中混合不同功能的颗粒，那么一种涂料就可以同时针对多个波段隐身，然而实现这一点并不容易。溶在黏着剂中的工作物质不一定会乖乖地均匀分布，它们会有同类凝结的趋势，这可能导致有的地方颗粒小，有的地方颗粒大的现象，而颗粒大小偏偏又会影响与电磁波的交互作用。此外，要让不同性质的工作物质溶解在相同的黏着剂里也未必简单。

　　等离子制程是解决上述问题的有效方法之一。其一般是用电弧把工作物质气化并解离，然后在电场加速下轰击物体表面，将那些工作物质沉积在物体表面甚至植入内部。这种制造过程的颗粒大小与分布都是很均匀的，而且也可以更容易地把多种工作物质镀在表面上（因为这等于是把工作物质直接打在表面上，不需要考虑工作物质与黏着剂的溶解问题），甚至可以轻易控制镀层的厚度。此外，这种镀层相对牢固不易脱落，也由于工作物质本身就经历了电弧等离子的高温而仍很安定，因此以这种方式制作的镀层不易被高温所破坏，故能用于发动机喷口。

　　不过，在电弧的作用下被气化的工作物质大都会被分解成小颗粒，小到几乎都是原子形态，因此对于需要大颗粒（原子团、分子、分子团）的镀层，就不一定可以用等离子制程来制造。此外，等离子制程通常要在高度真空环境下进行，也就是要在真空腔室内制造，因此无法为太大的物体进行镀膜。例如为战机座舱盖镀膜的真空腔室已经算是相当大了，但其大小却无法为大块蒙皮镀膜。因此至少就现阶段而言，等离子制程只能为急需的局部进行镀膜。

　　纳米吸波材料

　　2003年的原文主要着眼于加入铁磁性材料颗粒的吸波涂料，当时还提到要继续研究铁磁性颗粒的大小与吸波材料性能的关系，以及克服制造问题（如浓度较高时颗粒间的凝聚现象）等，并没有特别提到纳米吸波材料。然而该文发表至今已10多年，现在甚至已出现添加纳米结构颗粒的新型涂料。有俄罗斯报道指出，使用新的纳米结构涂料后，就算不靠外形也能制造出隐身飞机。

　　以下列举2007年由圣彼得堡科技大学的专家出版的《隐形科技的物理基础》一书所提及的纳米吸波涂料研究成果。在含铁磁性吸收体的吸波涂料中，铁磁性吸收体的尺寸必须在50～100微米，若要进一步缩小其颗粒尺寸，吸收能力就会变差，而当颗粒小于1微米时便已不具备需要的电磁性能。此外这类涂料中铁磁性材料的重量必须占总重的20%～50%（如果涂料主体是聚合物），重量太大。

　　为解决铁磁性吸收材料过重的问题，可使用“含金属纳米碳结构”（mfns），其主要是用到碳在缩小到纳米尺寸后会出现的磁性现象。一种由圣彼得堡科技大学开发的“含金属纳米碳结构”吸收材料的吸收体颗粒尺寸为3～5纳米以及10～15纳米，在含3%金属的情况下就拥有磁性以及对超高频波段（vhf）的吸收能力。添加这种物质的吸收涂层对0.8～10厘米波段的吸收率为13～18db，即可将回波降低至1.5%～5%。

　　天线屏蔽

　　天线通常是很理想的反射源，特别是主雷达天线有好几平方米的面积。若像传统战机般使用透波天线罩，则单单天线的反射就可能会让其他的隐身处理变得毫无意义。为了隐身，必须要配备具备选频能力的天线罩。俄罗斯在开发天线屏蔽技术时，也考虑到给改进型战机使用，因此其并非开发全新的天线罩技术，而是在传统的全透波天线罩内动手脚。itpe探索了三种主要的方案：光控半导体薄膜、开缝选频罩、等离子选频罩。 　　光控半导体薄膜

　　这种方案是在传统的透波天线罩的内表面铺设能依据照射的光是可见光还是紫外线而显著改变导电性的半导体薄膜，藉由安装在天线附近的可见光与紫外光源的照射而开关屏蔽。这种屏蔽的问题是在屏蔽的同时自身雷达也被屏蔽，此外尚未找到符合需要的半导体材料【注4】。 【注4】：在之前的英媒报导中，提到俄方找到cdsn或cds，但由于未能量产所以没有使用。但在原文内，上述两种材料仅是具备这种光控性质的“例子”，但并未符合设计需求，且至当时尚未找到符合需求的半导体材料。

　　开缝选频罩

　　开缝选频罩是在屏蔽上依固定间隔布置特定尺寸与形状的缝隙，这些缝隙相当于共振腔，使得只有特定频率附近很窄范围内的波可以穿透，其余的则被反射。必要时这种屏蔽可以搭配可控的半导体系统，以达到完全遮蔽。在俄罗斯的方案中，由于考虑旧战机改进方案，因此这种屏蔽并不是做在雷达罩上，而是额外做在雷达天线外，并且设计成隐身外形，将被隔绝的波反射到远离接收机的方向。按照英国媒体的报道，俄罗斯人认为这种天线罩会限制雷达的性能，所以采用了等离子选频罩。

　　等离子选频罩

　　等离子选频罩与上述开缝天线罩类似，是在雷达天线外包覆一个具有隐身外形的屏蔽，屏蔽内可以形成低温等离子。当等离子屏蔽不启动时，雷达波不受任何影响，而当等离子屏蔽启动后，频率低于等离子频率的雷达波会被部分吸收后被反射到远离接收机的方向，高于等离子频率的波则不受影响。这种技术由于是在封闭环境内产生等离子，所以等离子性质的可控性较高，能依据性能需求选择适当的气体成分与反应速度【注5】。这种屏蔽在该文发表前已搭配bars雷达进行了飞行试验，相当有效。

　　至于在t-50战机上由于机鼻本身已采用隐身外形，因此可以想见天线屏蔽应会与雷达罩整合：以类似技术制作雷达罩，或是在雷达罩内壁制作与雷达罩同样形状的选频罩。

　　【注5】：原文提及所用的等离子为“碰撞等离子”，系指等离子内有显著的碰撞效应之意，这就意味着气体内参杂有较多的中性分子，能大幅减少等离子的生命周期，从而提升反应速度。原文仅提及“足以应付变化迅速的外界环境”，而在英媒的报导中指出其反应速度在数十微秒级。

　　开缝选频与等离子选频的主要差异

　　在此简单比较一下开缝选频罩与等离子选频罩。开缝选频罩仅允许在自身工作频率附近的雷达波通过，而且允许通过的频宽可以做得很窄，因此除非敌方雷达波工作频率刚好与我方相同，否则就会被隔绝。允许通过的主频与频宽由缝隙的尺寸与形状决定，并且是在雷达罩制造时便已决定的。允许通过的频宽做得越窄，屏蔽效果当然就越好，但另一方面也表示我方的雷达也只能工作在很窄的频率区间，这等于限制了自身雷达的性能，对于具备充当电子战系统的aesa（主动相控阵）雷达而言这更是不理想。

　　等离子屏蔽则可以设定成完全速蔽、完全透明以及部分屏蔽，且操作模式可自由调控。在选用部分屏蔽模式时，可以屏蔽我方雷达工作频率以下的雷达波但不影响我方雷达运作，例如在屏蔽预警机与防空雷达常用的l与s波段的同时不影响我方x波段的运作，然而此时若敌方x波段雷达操作频率大于我方，则此时部分屏蔽模式的等离子屏蔽将无效（相比之下，开缝屏蔽此时可能有效）。不过这个缺陷到底影响有多大仍有待商榷，因为在开启雷达时，本来就要有暴露行踪的准备，因为此时就算敌方的主动雷达无法发现我方，其也可能以被动探测方式在更远的距离发现我方。因此等离子选频罩的使用思维可能是“不开雷达时全力隐蔽，开启雷达时允许雷达发挥所有性能并在不影响雷达性能的情况下屏蔽部分雷达波”。

　　附带一提俄罗斯“守护”级护卫舰（20380型）上的选频罩技术。“守护”级的舰桥上方有一个见棱见角的隐身主桅，其内是3ts25e反舰雷达，该雷达除具有超地平线主动探测能力外，也是一部被动搜索雷达。这种需要以被动模式工作的雷达是如何在选频罩内工作的？原来这种隐身主桅是以单向透波的半导体材料制成的，其对从内到外的雷达波是透明的，但对由外到内的雷达波则几乎全反射，仅允许极少量穿透，而3ts25e拥有解读那些少量的入射波的能力。不过这种方案可能不适合用在飞机上，因为3ts25e采用抛物面天线，因此能将小到天线本来感应不到的信号放大到天线可以感应到的程度，而先进机载雷达多使用相控阵天线，这样一来只要回波信号小于天线敏感度，便无法进行解读。

　　其他

　　itpe与苏霍伊也十分重视大尺寸蒙皮的应用。采用大尺寸蒙皮便可以减少表面接缝与铆钉，这样便能降低在铆钉以及表面不连续面（接缝处）的反射与绕射。苏-47的表面便采用许多大尺寸蒙皮，最大的长达8米，而苏-33ub也采用了许多大尺寸蒙皮因此表面相当简洁。当然，俄罗斯也曾考虑使用整体式座舱盖，不过t-50上尚未出现这种座舱盖，可能是仍未攻克其制造工艺问题。

　　实验设备也相当重要，这又概分为室内的电磁实验室和户外实验室。室内无回波电磁实验室用于测试局部隐身设计的效果。俄罗斯人对自己的无回波电磁实验室相当有信心，原文指出“在这方面，俄罗斯的电磁实验室甚至可以出口给发达国家”。而在户外，2001-2003年，老苏-35原型机t-lom-8被改造成隐身技术试验机，安置在户外台架上，允许测量各个水平方向上的rcs，包括在发动机运转的情况下。该机于2006年起改用于进行四代航电系统的试验，如2007年时试验苏-35bm的ksu-35综合控制系统。t-lom-12原型机则被改为飞行实验室，于2002年开始进行隐身技术的飞行试验。至该文发表时为止以上所述的各种隐身技术已完成100小时的地面试验与30小时的飞行试验，其中包括双机（以另一架无隐身处理的苏-27或苏-35当比较样本）对比试验。

　　由这篇2003年发表的文章可窥见俄罗斯至当时为止在传统隐身的各个领域都已有所涉猎并有初步成果。相当重要的是，本来因为计算机技术的关系而被美国所垄断的rcs计算技术，如今以商用计算机搭配软件包便可实现，因而大幅缩小了双方本质的差距，但美国仍多了一二十年的经验优势。材料技术上的垄断性没有那么强，因此在传统隐身技术上，俄罗斯跟美国相比应不会像当年米格1.44与f-22的差距那样夸张。另一方面，俄罗斯还有等离子隐身技术这个“压箱宝”，在战机整体已经采用传统隐身技术而显著降低rcs的情况下，等离子仅需更小幅度的使用便可加强隐身效果，这样一来可以消耗较少电力，因而更具实用性。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/ddb36f05941ea76e59fa0442.html