黃 坤 張 劍 雷 靜 吳定剛 董曉明

(中國艦船研究設計中心 武漢 430064)

1 引言

隨著國防科技和軍事理論的發(fā)展,高科技武器逐漸在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中占據(jù)主導地位,先進的戰(zhàn)略戰(zhàn)術武器紛紛亮相,給傳統(tǒng)的戰(zhàn)爭模式帶來了巨大的沖擊:隱身飛機、激光武器等等,就是這些高科技武器中杰出的代表。

所謂隱身飛機[1](Stealth Aircraft),是指通過一定的隱身技術手段,如改變外形與氣動布局設計、采用雷達波吸收材料等,使得電磁(雷達、紅外)特性、音響特性與目視特性顯著減弱的飛機。它的最大特點是能降低飛機在飛行過程中的目標特性,以提高它的突防能力和攻擊能力。在世界范圍的近幾次的局部戰(zhàn)爭中[2],以美國為首的西方發(fā)達國家,依靠隱身飛機對其敵國頻頻發(fā)動襲擊,取得了驚人的作戰(zhàn)效果。

在未來高科技局部戰(zhàn)爭中,敵方的隱身飛機有可能對我國構(gòu)成嚴重的威脅。研究隱身飛機一方面有助于發(fā)展我國自己的隱身飛機事業(yè),另一方面,也可以尋找隱身飛機的“軟肋”,以己之長克敵之短。本文簡要介紹了隱身飛機的特點和現(xiàn)狀,分析研究了隱身飛機探測方法,以此為我國的反隱身技術發(fā)展提供了一些借鑒和啟發(fā)。

2 隱身飛機的現(xiàn)狀

隱身飛機是一種敵方利用常規(guī)防空探測設備難以探測到目標的電磁特征和飛行軌跡的飛機。飛機隱身有六大要素:雷達、紅外、視覺、噪音、煙霧、凝跡。

迄今為止,美國已研制出10余種準隱身飛機、8種隱身飛機、12種無人駕駛隱身飛機、7種準隱身垂直/短距離起落飛機,其中F-117A隱身戰(zhàn)斗機、B-2隱身轟炸機、F-22先進戰(zhàn)術隱身戰(zhàn)斗機是隱身飛機家族中的杰出代表,它們均采用了不同類型的隱身技術。目前美國的隱身飛機處于國際領先地位,俄 、德、法、英 、瑞典、加拿大、日本等國家對隱身飛機的研究也在緊鑼密鼓地進行著。

為獲得良好的隱身效果,設計制造隱身飛機時所采取的具體措施是:1)設計出獨特的氣動外形;2)采用能夠吸收雷達波的復合材料和涂料;3)采用有源或無源電子干擾;4)采用屏蔽技術降低飛機的紅外輻射。

隱身飛機可分為3類:第1類是“純隱身”飛機,這類隱身飛機在研制時主要考慮其隱身性能,對于其他性能一般不考慮,如F-117A;第2類是在飛機的機動性、敏捷性與隱身性能之間尋求優(yōu)化折衷,使其兼有兩方面的優(yōu)點的飛機,F-22就屬于此類;第3類是對現(xiàn)役飛機進行隱身性能的改進,在飛機上涂敷吸波材料,或者對飛機的外形結(jié)構(gòu)稍作修改,使它具有一定的隱身性能,如俄羅斯目前的T Y-95H戰(zhàn)略轟炸機、“海盜旗”戰(zhàn)略轟炸機、米格-29、米格-31、蘇-27殲擊機等作戰(zhàn)飛機,就嘗試使用了多項隱身技術。

迄今為止,世界上有兩種著名的隱身飛機已投入實戰(zhàn):F-117A隱身戰(zhàn)斗機和B-2隱身轟炸機。F-22是美國空軍21世紀初主力重型戰(zhàn)斗機,該機綜合滿足了隱身性能、超音速巡航、敏捷性、可靠性和維護性的不同要求,能在任何天氣下使用和維護。俄羅斯研制的多用途殲擊機米格-1.44和蘇-35也具有良好的隱身性能。

表1 世界主要隱身飛機RCS對照表

3 隱身飛機目標探測手段分析

隱身飛機目標是海上對戰(zhàn)斗艦艇最大的威脅之一。各國都在致力于反隱身技術的研究,特別是美國,在突破隱身技術的同時,開始了反隱身技術的研究。目前,在雷達系統(tǒng)中,通常采取多種反隱身技術以提高雷達系統(tǒng)的反隱身能力。

隱身性能是一定條件下的低可探測性,而不是一切條件下均無法探測,隱身要求往往和作戰(zhàn)飛機的其他性能要求相矛盾,為了保證一定的全機綜合性能,只能在隱身方面做出一些讓步。另外,隱身技術本身也存在難以完全解決的矛盾,很難兼顧全向雷達隱身和全頻段雷達隱身性能。目前隱身飛機設計主要是針對厘米波雷達,而對毫米波、米波、紅外波段的雷達,隱身效果就會下降,特別是在長波雷達的監(jiān)控下幾乎沒有隱身效果。雷達隱身效果還與雷達相對于目標的觀察角有關,當觀察角大于40°時,隱身效果明顯降低。目前的雷達反隱身手段主要有頻域反隱身和空域反隱身。前者就是利用了隱身飛機不能在所有頻段都具有良好隱身性能的缺陷;而后者利用了隱身飛機 RCS值的有向性。我國可在現(xiàn)有的技術條件下進行研制或改進,使具備探測隱身飛機的能力,滿足探測隱身飛機的要求。可從以下方面開展工作。

3.1 頻域反隱身

目前隱身飛機由于受到氣動力學和吸波材料頻率響應的限制[3],雷達隱身效果最佳的頻段在1～20GHz之間。如果雷達工作頻率超出此范圍,就可以顯著提高雷達探測能力,使隱身飛機隱身效果大大降低。頻域反隱身技術就是利用隱身技術頻域的局限性應運而生的。

3.1.1 米波雷達、毫米波雷達

當雷達波照射到目標時,其主要的散射形式為鏡面反射、邊緣衍射、尖端繞射和爬行波。當前的雷達外形隱身技術的實質(zhì)就是改變散射中心的回波方向,消除角反射體和多徑鏡面反射源,使受威脅的主要方向上的電磁散射強度最大限度降低,從而獲得最佳隱身效果。米波雷達的工作波長通常為0.3～10.0m,是一種低頻雷達。當米波雷達照射目標時,在鏡面反射和爬行波之間會發(fā)生諧振現(xiàn)象,形成較強的反射回波尖峰,通常米波RCS要比微波RCS大幾十倍甚至幾百倍。毫米波雷達的工作波長一般為1～10mm,工作頻率在30～300GHz之間。用毫米波雷達照射目標時,目標表面任何不平滑部位和縫隙都會產(chǎn)生電磁波散射,而且目標的邊緣衍射和尖端繞射效應會顯著增強,這樣目標就會形成許多新的強散射中心,導致其RCS增大。

從雷達隱身材料的隱身機理來看,無論是吸波涂料還是結(jié)構(gòu)型吸波材料,都是針對厘米波雷達的。如果入射波長發(fā)生很大變化,材料的吸波效率就會急劇下降,失去隱身效果。所以米波雷達和毫米波雷達對付材料隱身技術也十分有效。

根據(jù)有關方面提供的資料可知,在俄羅斯已經(jīng)裝備部隊的萬能級雷達就是運用其所掌握的先進技術的米波系列雷達。其工作波長為2～10m,采用收發(fā)天線陣列分置的方式,發(fā)射為寬波束,接收采用數(shù)字波束形成;采用固態(tài)發(fā)射機,發(fā)射信號具有線性調(diào)頻的形式。信號處理采用了一定數(shù)量的多普勒數(shù)字濾波器,并還有一個目標頻率特性的數(shù)據(jù)庫,及能通過先進計算機實現(xiàn)的特殊算法。雷達可通過此特殊的算法,優(yōu)選所用的頻率,從而獲得目標的最大的RCS,以達到檢測目標的目的。

我國擁有大量處于基礎階段的老式米波雷達,如果能采用新的算法濾去采集信號中的噪聲,就能改造成反隱身雷達,將較大提高我國對隱身目標的探測能力。

3.1.2 高頻地波超視距雷達

高頻(HF)地波超視距雷達[4](GW-OTHR)利用雷達波束繞地表面衍射作用,能探測視距外的艦船、低空飛機和巡航導彈,不僅覆蓋面積大、費用低,能彌補常規(guī)微波雷達低空盲區(qū)和天波超視距雷達的近距盲區(qū),也無需注意電離層的變化,且可反隱身、抗反輻射導彈,因而在許多國家的國民經(jīng)濟和國防領域中得到了廣泛的應用。

由于空氣是極有效的介質(zhì),海水是良導體,海平面既是空氣的最底層,又是海洋的最頂層,且富含鹽份,這就形成了一個特殊的區(qū)域—高頻輻射受到內(nèi)部反射的制約,波束貼緊海面向前傳播,其范圍要比一般雷達遠。地波超視距雷達正是利用高頻(2～30MHz)垂直極化電磁波沿海面?zhèn)鞑p耗低、距離遠的這一特點,來檢測視距外的艦船、飛機甚至巡航導彈等目標的。采用先進的信號處理技術,其最大作用距離可在400km左右。由于地波超視距雷達具有不受電離層波動影響、傳播穩(wěn)定;工作波長長,能發(fā)現(xiàn)對微波雷達隱身的目標;能監(jiān)視常規(guī)微波雷達的低空盲區(qū)和彌補天波超視距雷達照射不到的近程盲區(qū)等一系列優(yōu)點,它受到世界各國特別是瀕海國家的高度重視。

根據(jù)平臺所處的位置,地波超視距雷達又可分為岸基型和艦載型兩種。安置在海岸上,全天候、全方位地對海域進行超視距探測,可成為早期預警的有效手段。裝配在艦船上,則可根據(jù)需要靈活地調(diào)動位置,機動性好,同時也使其載艦能夠進行一定的探測預警,從而提高了生存能力。

一個有上千公里海岸線的國家差不多有近40萬km2的專屬經(jīng)濟區(qū)(EEZ)。傳統(tǒng)的微波雷達由于受視距限制,只能覆蓋一小部分;飛機和巡邏艇效費比太差(按馬可尼公司報價,一部地波雷達1600萬美元,僅為一架價值2.5億美元的E-3A預警機的約1/15,地面設施及維護費也低得多),也不能實現(xiàn)全天候監(jiān)視。天波超視距雷達又是“遠視眼”,數(shù)百公里內(nèi)的目標反而看不見,而且受電離層變化影響太大,結(jié)構(gòu)和技術也遠比地波超視距雷達復雜,所以地波超視距雷達是監(jiān)視專屬經(jīng)濟區(qū)的最佳選擇當然也可以用來監(jiān)視低空和隱身目標。尤其是艦載型目標,因機動性好、生存能力強,頗受發(fā)達國家重視。

3.2 空域反隱身

目前隱身飛機的設計只在幾個主要方位上減小其RCS,如果雷達從其他方位采取俯視、仰視和側(cè)視等多方向探測同一隱身飛機,那么隱身飛機就將失去隱身能力?？沼蚍措[身技術就是針對隱身飛機這一弱點發(fā)展起來的。我們可以通過雷達組網(wǎng)和預警機探測兩種手段來發(fā)現(xiàn)隱身飛機目標。

3.2.1 雷達組網(wǎng)

海上編隊雷達組網(wǎng)是提高編隊海上作戰(zhàn)能力的重要途徑之一,在單傳感器探測性能十分有限的情況下,編隊各艦艇間進行雷達組網(wǎng)將極大地提高編隊對作戰(zhàn)態(tài)勢的獲取能力,使編隊盡早地發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標,盡早地對目標的威脅等級進行判斷,以采取及時有效的攻擊或防御措施。

現(xiàn)代海戰(zhàn)中,隱身飛機以其優(yōu)良的反探測性能被首選為突擊兵力,但隱身目標也并非完全不能被發(fā)現(xiàn),因為它不能在所有角度上都具有同樣的隱身效果,會給雷達探測留有空間窗口和頻率窗口。隱身技術的整體設計主要針對易受攻擊的正前方向上水平±45°、垂直±30°的單基地雷達,而在其它方向上尚存在著一定的前向散射,所以通過編隊雷達聯(lián)網(wǎng),利用各艦雷達在空間上的分布來提高對小目標或隱身目標的檢測概率是必要的,而且是可行的。

然而,正如隱身技術綜合運用了多種技術手段一樣,不論是空域、頻域、極化域還是時城內(nèi)的單項反隱身技術都有各自的局限性,雷達組網(wǎng)反隱身也很難使用某一項技術或少數(shù)幾項技術就可以達到良好的反隱身效果,而必須綜合空域、頻域、時域和極化城內(nèi)的各種技術,選取各種體制的雷達,根據(jù)一定的原則,進行合理布站,以先進的通信設施鏈接,將采集到的數(shù)據(jù)選人中央計算機進行實時的綜合數(shù)據(jù)處理,才能形成對隱身目標搜索、跟蹤、定位、制導一體化的指揮控制系統(tǒng)。

雷達組網(wǎng)反隱身最本質(zhì)的原理在于對共同空域?qū)崿F(xiàn)多重覆蓋,即對空域內(nèi)的同一目標具有一定的觀測重疊系數(shù),以挖掘低RCS目標的空間相關性,提高系統(tǒng)對隱身目標的探測能力。例如,對某一空域,當雷達重疊系數(shù)等于3時,假設單部雷達檢測概率均為0.5,則雷達網(wǎng)對該空城內(nèi)目標一次掃描發(fā)現(xiàn)概率為:

可見,組網(wǎng)后系統(tǒng)對隱身目標的檢測能力明顯優(yōu)于單部雷達的檢測性能。

雷達組網(wǎng)的技術基礎是多傳感器信息融合技術。從作戰(zhàn)角度來看,信息融合可以定義為這樣一個過程:把來自不同傳感器和信息源的數(shù)據(jù)和信息加以聯(lián)合、相關和組織,以獲得目標的精確狀態(tài)和屬性估計,以及對戰(zhàn)場態(tài)勢、威脅和重要程度適時的綜合評估。信息融合從結(jié)構(gòu)上來說,可以分為集中式、分布式和混合式三大類,因為雷達組網(wǎng)的目的是反隱身,所以應該采用集中式的結(jié)構(gòu),因為集中式結(jié)構(gòu)擁有更高的跟蹤精度,且能提供更多的目標信息。集中式結(jié)構(gòu)是將每個雷達產(chǎn)生的點跡全部送入多雷達跟蹤系統(tǒng)中加以處理,最終產(chǎn)生一條隱身飛行器的航跡。如圖1所示。

圖1 雷達組網(wǎng)集中式信息處理結(jié)構(gòu)圖

雷達組網(wǎng)后,各部雷達已不是一個個孤立站了,而是雷達網(wǎng)中的一個節(jié)點,要把這些節(jié)點有機地聯(lián)系起來協(xié)調(diào)工作,各部雷達就必須在時域、頻域、空域上有效地協(xié)調(diào)一致工作,達到數(shù)據(jù)融合處理、資源共享的目的。因此無論采取哪種組網(wǎng)方式,在多傳感器信息融合技術之外還需要解決一系列關鍵技術問題。

1)時間同步技術

各雷達天線的掃描通常是完全異步的,如果沒有統(tǒng)一的時間標準,就很難進行信息融合,因此雷達組網(wǎng)時,各雷達之間的時間基準信號嚴格統(tǒng)一是組網(wǎng)的前提條件。解決時間統(tǒng)一的途徑有:一是利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)的高穩(wěn)定時鐘。如使用我國的雙星定位系統(tǒng)和美國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS),精度滿足要求,但易受干擾。二是在各站使用高穩(wěn)定的銣原子鐘作為同步信號,使用前進行統(tǒng)一時間校準。

2)精確標定站位和標校技術

雷達網(wǎng)內(nèi)各站的精確定位和空間幾何標校是對目標精確定位的基礎,是雷達網(wǎng)內(nèi)各站通過坐標變換共享數(shù)據(jù)的基礎。由于地球曲率和缺少目標高度數(shù)據(jù),在坐標變換中若誤差太大,將會發(fā)生目標分裂成假目標的現(xiàn)象,其誤差將直接進入信息處理系統(tǒng),形成目標定位的系統(tǒng)誤差,影響雷達的跟蹤精度。站址定位不須實時進行,可以利用衛(wèi)星定位獲得各站的精確地理位置,其精度可達3m以內(nèi)。一種理論上較好的雷達標校方法是“全相對坐標變換法,即將本雷達以外所需組網(wǎng)的雷達也看作為一個目標或?qū)?然后與真實目標一起測量就可確定他們之間的相對坐標,以達到消除坐標變換中諸多誤差源的目的。

3)通信傳輸技術

在雷達組網(wǎng)工作中,通信是橋梁,是整個網(wǎng)的命脈,各單站雷達靠通信系統(tǒng)相互聯(lián)系構(gòu)成網(wǎng)絡,因此雷達網(wǎng)內(nèi)的通信對雷達網(wǎng)的性能和可實現(xiàn)性有決定性的影響?；诟咚?、高穩(wěn)定性、低誤碼率、安全性及高效能費用比等方面的考慮,對于站間距小于30km,可以采用短波、超短波通信;對于站間距大約為60km,通信網(wǎng)可以考慮用光纜通信,或者采用微波通信的方案,使用中繼站進行接力。

表2 幾種通信方式及其應用

3.2.2 預警機探測

隱身飛機隱身重點在于減少鼻錐方向±45°范圍內(nèi)的雷達截面積,飛行器的上頂部隱身措施則采用較少,因此將探測雷達安裝在空中平臺或衛(wèi)星上進行俯視探測,可提高低空突防的隱身目標的被探測概率。預警機和具有下視能力的飛行器,一般都具有探測隱身目標的能力。

預警機(全稱預警和控制系統(tǒng)飛機)是一種裝有遠距離搜索雷達、數(shù)據(jù)處理、敵我識別以及通信導航、指揮控制、電子對抗等完善的電子設備,集預警、指揮、控制、通信和情報于一體,用于搜索、監(jiān)視與跟蹤空中和海上目標并指揮、引導己方飛機執(zhí)行作戰(zhàn)任務的作戰(zhàn)支援飛機,起到活動雷達站和空中指揮中心的作用,是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中重要的武器裝備,按作戰(zhàn)使用可分為戰(zhàn)術預警機和戰(zhàn)略預警機[5]。

戰(zhàn)術預警機主要是在局部戰(zhàn)爭中探測空中特別是超低空入侵的目標,指揮引導己方防空和空中力量。它的續(xù)航能力較弱,控制功能較少,造價和使用費用較低,如E-2C。而戰(zhàn)略預警機除具有戰(zhàn)術預警機的功能外,還可擔負國土戰(zhàn)略防御任務,具有高級空中指揮和控制功能,續(xù)航能力強,系統(tǒng)復雜,造價和使用費用高,如E-3系列、A-50。

預警機雷達(機載雷達)在探測目標的過程中,主要表現(xiàn)有以下三個特點:

1)機載雷達“站得高、看得遠”,可以克服地球曲率對雷達觀測視距的限制,發(fā)現(xiàn)更遠的的敵機或?qū)?為防空系統(tǒng)提供更多的預警時間。

2)可探測低空、超低空目標。

3)機載雷達機動性大,生存能力強,不易被敵方摧毀。特別是機載相控陣天線雷達的出現(xiàn)使得預警機的外形發(fā)生了很大的變化,機頂不再裝有碩大的天線罩,從而減小了其在飛行中的阻力,不僅減小了天線的重量和體積,提高了天線的性能,增加了雷達探測距離,還提高了預警機的生存能力和機動性。

4 結(jié)語

隱身飛機大都綜合采用了多種隱身技術措施,與之相對抗的任何一種單一的反隱身技術都不太可能大幅度增加隱身目標的可探測性和被摧毀概率。因此,只有綜合運用各種對隱身目標的探測技術,并進行信息的匯集,才能獲得最佳的反隱身效果。鑒于我國目前的技術現(xiàn)狀,我們對隱身飛機目標的探測可以首先利用超視距雷達發(fā)現(xiàn)遠距離的隱身目標,確定目標所在的區(qū)域。雖然超視距雷達對距離和方位的分辨力以及測量精度均很差,但是因為吸波材料對短波是無效的,所以它能獲得隱身飛機較大的雷達散射截面積,提高了對隱身飛機的探測性。當超視距雷達發(fā)現(xiàn)來襲目標的區(qū)域,隨后即派出預警機飛至該區(qū)域跟蹤目標并進行定位,此時目標的雷達散射截面積不會很小,預警機可從任意側(cè)面視覺觀察隱身飛機。在其后當目標進入我雷達探測范圍內(nèi)以后,便可用各種不同頻段的地面雷達組成雷達網(wǎng),從不同視角進行探測,則隱身飛機的隱身能力就會完全喪失。從而實現(xiàn)對隱身飛機目標的完全探測。

[1]王狂飆.隱身飛機的戰(zhàn)術技術特點分析與防御對策[J].火力與指揮控制,2003,28(6):1～5

[2]藺國民,孫秦,李艷華,等.隱身飛機綜述[J].航空制造技術,2005(9):73～76

[3]吳丹.隱身飛機探測技術研究[J].航空科學技術,2005(5):36～39

[4]劉春陽,王義雅.高頻地波超視距雷達述評[J].現(xiàn)代防御技術?探測跟蹤與目標環(huán)境特性:38～45

[5]陳捷,顧國忠.預警機作戰(zhàn)使用初探[J].飛機工程,2005(2):5～8