楊 濤
(中國飛行試驗研究院,西安 710089)
對軍機的特征信號進行抑制是軍機隱身最基本的要求和手段,通過控制軍機的特征信號,能夠極大地增加敵人探測、跟蹤、制導、控制和預測平臺與武器在空間位置的難度,大大降低敵人獲取信息的準確性和完整性,降低敵人成功運用各種武器進行防御和攻擊的機會和能力,從而提高飛機的作戰(zhàn)能力和生存能力[1]。軍機的特征信號包括雷達、紅外、可見光、聲、電磁輻射等多種,其中雷達和紅外作為制導武器的最主要探測手段,是飛機特征信號抑制的最主要要求。本文將綜合分析國內外相關標準規(guī)范的內容和我國軍機面臨的威脅環(huán)境,提出我國現階段軍機雷達和紅外特征信號抑制的基本要求。
美軍涉及軍機非核生存力的有關標準和手冊如MILHDBK-268[2]、MIL-HDBK-336[3]等都論及飛機的特征信號控制,并將其歸為飛機的敏感性設計內容。同時,美國三軍聯合使用規(guī)范指南 JSSG-2001A[4]、JSSG-2007A[5]等文件中詳細說明了在制定飛機設計指標時需要考慮的項目,指出了各特征信號抑制的需求原則、指標制定指南等內容。
MIL-HDBK-268、MIL-HDBK-336等文件主要從技術實現方面論述飛機的特征信號控制,這些文件指出了常規(guī)飛機的主要特征信號源,如對雷達散射截面(RCS),MIL-HDBK-268指出固定翼飛機的強散射源包括發(fā)動機進氣道、座艙、天線和天線腔、機翼邊緣、外部吊艙及設備,以及其他的腔體和角反射器等,采用的特征信號消減技術包括賦形、涂敷雷達吸波材料(RAM)等。MIL-HDBK-336不但描述了飛機、發(fā)動機的RCS特點及其對雷達發(fā)現距離的影響,而且說明了對飛機RCS進行評估的工具和技術,并特別強調了強散射源成像技術的應用。MIL-HDBK-336指出,目標的幾何特征和材料電磁特性決定了目標的RCS特征,并指出RCS的減縮要與其他特征信號的減縮達到平衡,其減縮水平由飛機所要承擔的主要任務而定。另外,MIL-E-5007D和MIL-E-8593A對飛機發(fā)動機的特征信號抑制也進行了詳細的要求。
JSSG-2001A《飛行器》規(guī)定的特征信號主要有:雷達散射截面、紅外信號、可見光信號、聲音信號以及輻射控制等。在RCS方面,JSSG-2001指出,為了使飛機在執(zhí)行任務時具有足夠的生存力,需要對RCS特征與控制技術進行一體化設計,具體要求由飛行任務和對飛機的總體需求決定,要與任務階段的威脅狀態(tài)相適應,可以根據對武器系統(tǒng)能力的分析或類似系統(tǒng)的測試來確定。在紅外特征方面,JSSG-2001A指出,現代及未來研制的紅外導彈所使用的光譜越來越復雜,其在空間及時間上的對抗 -反對抗(Counter-Counter Measures,CCM)能力越來越強。為使武器系統(tǒng)有較好的生存力從而完成其目的任務,必須限制紅外信號。在確定飛機紅外信號規(guī)范極限值之前,必須首先確定飛機的任務及操作狀態(tài),使用規(guī)則及戰(zhàn)術要求,以及可能遇到的威脅。飛機的所有紅外信號由飛機的不同熱源所產生的紅外信號組成,對于多數固定翼飛機,這些熱源是機體反射的太陽光、散熱的部件及發(fā)動機尾氣。JSSG-2001A對于可見光信號、聲信號、有意和無意的電磁輻射特征信號的抑制要求也進行了詳細說明。
JSSG-2007A《航空渦輪發(fā)動機》對由發(fā)動機引起的軍機特征信號電平進行了詳細的規(guī)定,包括了噪聲信號、紅外信號、雷達信號等。JSSG-2007A指出,戰(zhàn)場生存力取決于保持特征信號的量級低于敵方發(fā)現和利用的量級,或者低于瞄準或打擊飛機的量級。飛行器規(guī)范應當從飛行器在其較低的可探測性結構時,綜合考慮任務、威脅鎖定、跟蹤性能和要求的工作條件,由整個飛行器系統(tǒng)量級的生存力分析推導出。JSSG-2007A給出了軍機特征信號要求的格式與例表,指出確定指標要求時應注意能夠簡化設計過程的跟蹤,簡化驗證,并能確保軍機對所承擔的每一種任務都能滿足最理想條件的要求。JSSG-2007A給出了不同特征信號的規(guī)范參數,并給出了規(guī)范要求的經驗教訓。
美軍的標準和規(guī)范對軍機特征信號的抑制有兩大原則:首先是要與飛機所要承擔的任務和面臨的威脅環(huán)境相一致;其次是不同特征信號的抑制要相互平衡,即飛機對不同的探測源都要達到相近的隱身效果。
國外大力發(fā)展隱身技術,研制隱身飛機。F-117于1981年6月15日試飛成功,作為美國前洛克希德公司研制的隱身攻擊機,F-117是世界上第一種可正式作戰(zhàn)的隱身戰(zhàn)斗機,自1982年8月23日起共向美國空軍交付59架。F-117為了達到隱身的目的,犧牲了30%的引擎效率,并采用了一對高展弦比的機翼,為了向兩側折射雷達波,還采用了很高的后掠角的后掠翼。F-117采用了獨特的多面體外形,將表面反射的能量散射到其他方向,并采用了各種吸波材料和表面涂料,同時還使用吸波符合材料格柵將進氣口屏蔽起來,防止雷達波直接照射到具有強反射特性的發(fā)動機風扇葉片上。F-117有一套整合精密導引和攻擊系統(tǒng)的數字化飛航控制裝置。為了降低電磁波的發(fā)散和雷達截面積,它沒有配備雷達。這些復雜的隱身措施使其RCS達到0.003 m2左右。F-117從2006年開始逐步退役,至2008年4月21日全部退役。
F-22是第4代殲擊機的典型代表。其先進性主要表現在超聲速巡航能力、隱身能力、過失速機動和推力矢量化、多目標跟蹤和攻擊能力等方面。
F-22采用了多種隱身技術,如小反射外形、吸收無線電波材料、用無線電電子對抗器材和小輻射的機載無線電電子設備等。F-22的垂尾、前機身和進氣道等設計成有一定的傾角,機翼和機身按融合體設計,結合圓滑無棱角。其兩側進氣口裝在翼前緣延伸面下方,與噴嘴一樣,都做了抑制紅外輻射的隱身設計。主翼和水平安定面采用相同的后掠角和后緣前掠角,都是小展弦比的梯形平面形。F-22主要部件的輪廓線,如機翼和尾翼的前后緣、尾噴口的“之”字形邊緣等力求相互平行,使全機對雷達的反射形成少數幾個波束,在其他方向反射極弱。F-22將武器全部內掛、在進氣道內涂以含碳鐵化合物吸波材料。F-22的隱身設計使其RCS為0.0001~0.0002 m2左右,也有報道稱其迎頭方向的RCS約為0.065 m2(比蘇 -27、F -15低兩個數量級),側向RCS僅為2~3 m2(僅為典型3代機的1/1000左右)。F-22上也采取了有效的紅外隱身措施,如采用散熱量低的渦扇發(fā)動機和能夠使排氣系統(tǒng)的紅外輻射源快速消散在大氣中的二元扁平式尾噴管,F-22還采用了矢量可調管壁來降低發(fā)動機及其尾焰的紅外輻射強度,同時在發(fā)動機尾噴管里裝設了液態(tài)氦槽來降低噴嘴的出口溫度。在F-22的表面、發(fā)動機、后機身及排氣系統(tǒng)等紅外輻射源集中的部位涂覆低輻射率紅外涂料,使該機具有更好的紅外隱身特性。
美國B-2隱身轟炸機于1989年7月首次試飛,具有機翼和機身完全融為一體的飛翼氣動外形。飛翼是一種沒有平尾,翼身融合的布局形式,整個飛機外形呈光滑曲線,進氣道是S形,前后端均呈扇貝狀,機長21.03 m,翼展52.73 m。B-2除了采用與F-22戰(zhàn)斗機相同的隱身措施以外,還有其他不同的特點:B-2沒有垂直尾翼,有利于減縮雷達散射截面;飛翼的平面外形由12條直線組成,分別平行于機翼前緣,把雷達波從后緣上沿兩個方向反射出去。B-2隱形轟炸機整體分為6大區(qū)域,除中央機翼及左右中部機翼段之間有兩段用鈦合金制造,其他結構采用碳纖維/環(huán)氧樹酯所生產的復合材料形成完整的雷達絕緣材料,蒙皮吸波結構為一種六角形蜂窩夾芯碳纖維/環(huán)氧樹脂吸波結構材料,這種碳纖維截面為方形,表面沉積有一層微小空穴的碳層,可有效提高碳纖維的雷達吸波性能。B-2的設計經過了幾次大的更改,使RCS達到0.0001 m2左右。B-2不僅雷達隱身,并對紅外隱身也采取了許多先進技術,如采用50%~60%的降溫隔熱復合材料,并且在發(fā)動機的排氣道的設計上,使噴嘴外側成唇溝狀的排氣道平置于翼尾緣的前方,既可降低噴嘴溫度,又能形成機翼邊界氣流的輔助進氣道,進一步降溫。
1996年11月美國決定研制生產聯合攻擊戰(zhàn)斗機(Joint Strike Fighter,JSF)F-35。由于隱身性能比F-22差,F-35大量采用了F-22的隱身技術,但F-35出于減重和降低成本的考慮,并沒有裝備矢量噴口,而是采用了帶鋸齒邊緣的環(huán)形噴管。F-35的DSI進氣道對于短波雷達的隱身特性較好,但隨著對方雷達波長的增加,其隱身效果會逐漸降低。
美國RAH-66“科曼奇”直升機RCS比一般直升機小得多,僅為它們的1%,主要是因為它采用了可隱身的外形,廣泛使用了復合材料和雷達干擾設備。RAH-66機身避免了圓柱體和半球體強烈全向散射雷達波的弊病,尾梁兩側有圈置的“托架”,可偏轉反射掉雷達波。尾部涵道尾槳傾斜,避免形成強烈反射雷達波的角反射器。它的兩臺發(fā)動機包藏在機身內,進氣道在機身兩側上方懸埋入式,且進氣道呈菱形,不會對雷達波形成強反射。RAH-66在紅外隱身上采用了波瓣混合紅外抑制器和大寬高比的二元噴管,使排氣溫度明顯降低,降低了紅外輻射。
國內對飛機特征信號做出較為詳細要求的軍標主要有:GJB1301《飛機生存力大綱的制定和實施》[6]、HB7111《飛機非核生存力大綱要求》[7]、HB/Z266《常規(guī)武器威脅下提高飛機生存力的設計與評估指南》[8]等。GJB1301和HB7111指出,提高飛機生存力的基本要求首先是減少發(fā)現,規(guī)定應將包括任務所需外掛物在內的飛機系統(tǒng)的雷達截面減小到所要求的值,并應符合飛機專用規(guī)范或生存力大綱中所規(guī)定的紅外輻射要求。對于飛機的目視可見度、噪音以及電磁輻射等,GJB1301和HB7111也都作出了一定的規(guī)定。HB/Z 266是目前對軍機特征信號論述最為詳細的正式文件,其內容涵蓋RCS、IR、可見光、聲、電磁輻射等多個方面,對不同特征信號的產生機理、分布特征、影響因素、抑制方法及需要重點考慮的問題等都進行了詳細的說明。此外,GJB/Z121-99《飛機非核生存力機體要求指南》規(guī)定了飛機設計中提高飛機機體非核生存力技術的一般要求,并提供了一般的和專用的設計技術、評估方法及有關資料。GJB/Z81-96《航空發(fā)動機非核生存力設計指南》著重論述了渦輪發(fā)動機降低紅外、雷達、可見和可聽等可探測信號的設計技術。GJB 2537《固定翼飛機風擋系統(tǒng)通用規(guī)范》、GJB 1393《飛機座艙蓋系統(tǒng)通用規(guī)范》、GJB3813《飛機進氣道設計要求》、GJB4669《航空武器裝備主要作戰(zhàn)使用性能論證要求》、HB/Z 290-1996《飛機座艙透明件設計手冊》等也就涉及分系統(tǒng)的特征信號抑制作出了簡要的要求。
國內外現有的這些標準規(guī)范都是從戰(zhàn)術原則上對軍機的特征信號進行要求,沒有涉及具體的指標要求,既不能作為隱身飛機設計的管理性文件,也不能作為隱身飛機設計的技術依據,只能作為不同型號軍機隱身設計的技術參考性文件。具體存在以下不足。
1)沒有指出不同軍機的隱身要求。由于不同的軍機執(zhí)行的任務不同,其面對的威脅環(huán)境也不一樣,這樣,對于具體的軍機型號,即使無法給出適合于當時敵對環(huán)境的隱身指標要求,也應該給出機體隱身設計的側重點。JSSG-2001A要求,軍機的所有的隱身技術要求都需要軍方和承制方進行深入的技戰(zhàn)術討論后確定,這是一個折中性的要求,其簡單的規(guī)范條款中隱含著巨大的工作量。
2)飛機不同隱身技術的有效性問題。進行飛機隱身改裝的技術和方法很多,理論上都可以達到理想的隱身效果,但在實際使用中,任何單一的隱身改裝技術都無法使軍機進行有效隱身,需要對這些技術進行統(tǒng)籌安排、綜合使用,使其使用效果達到最優(yōu)化。MIL-HDBK-268以及由其轉化而來的HB/Z266指出了可以采用的各種隱身技術,但對其有效性問題都沒有給出明確的說明。有人指出,隱身飛機“外形設計不好,使用再多的隱身材料也無法彌補”[9],但外形技術和材料技術對軍機隱身指標貢獻的大小目前還沒有一個比較客觀的評估,對其他隱身技術同樣存在著這樣的問題。
3)沒有說明軍機不同階段的特征信號驗證方法。JSSG-2001A指出,在軍機的不同發(fā)展階段,需要采用不同的方法進行驗證,并指出了不同的驗證技術。但事實上由于測試環(huán)境、測試設備等因素的影響,對同一目標,不同的測試技術所得到的結果往往會有一定的差異,這就需要明確飛機不同發(fā)展階段以及大修后其特征信號的驗證依據。
4)國內缺少像JSSG-2001A這樣的軍機研制聯合規(guī)范指南。JSSG-2001A雖然只是指導性文件,但其內容可裁剪成飛機研制及制造的所有規(guī)范。JSSG-2001A在軍機特征信號方面開創(chuàng)的新的管理方式值得我們學習。對于不同的軍機特征信號,JSSG-2001A從條款上都給出需求內容和驗證方法兩部分:1)需求部分,首先用填空方式給出對某種特征信號的某種需求,隨后給出需求依據、填空指南以及對該特征信號的經驗教訓等;2)驗證部分,首先給出軍機不同發(fā)展階段特征信號的驗證方法,對驗證的原則及主要的驗證內容進行說明,然后給出了驗證的數據格式樣本及經驗教訓。由于軍機隱身性能的要求隨著軍機設計使命及威脅環(huán)境的不同而不同,因此,JSSG-2001A對軍機特征信號的要求格式是比較合理的,能夠靈活地反映出型號的差異和技術的進步。
在未來可以預期的時間內,對飛機生存力構成最大威脅的仍然是敵方防空系統(tǒng)以及作戰(zhàn)飛機的雷達探測和紅外探測。對周邊國家和地區(qū)裝備的雷達與紅外探測裝置進行簡要的分析如下。
5.1.1 防空雷達
包括超遠程、遠程搜索雷達(含陸基、?;淅走_、引導雷達和預警雷達等)和陸基與艦載的防空火控雷達(含防空導彈制導雷達、高射炮雷達等),這些雷達根據功能的不同,其工作頻率也有所區(qū)別,預警雷達工作在VHF(0.15~0.2 GHz)和 S波段(3~4 GHz);地面控制截擊雷達工作在S波段(2~3 GHz);空空導彈制導雷達工作在X波段(9 GHz);地對空戰(zhàn)略導彈制導系統(tǒng)在探測時工作在VHF、L、S波段,頻率范圍覆蓋0.15 ~3 GHz,在跟蹤時工作在 C、X、Ku波段,頻率范圍覆蓋5~13 GHz;地對空戰(zhàn)術導彈制導系統(tǒng)在探測時工作在S、C波段,頻率范圍覆蓋2~6 GHz,在跟蹤時工作在C、X波段,頻率范圍覆蓋5~13 GHz;雷達制導高射武器工作在Ku波段(14~16 GHz)。
5.1.2 預警機
空中預警飛機一般工作在 UHF波段(0.3~1 GHz)、S波段(2~4 GHz)和 X、Ku波段(8~18 GHz)。目前周邊國家和地區(qū)裝備的預警機主要有:E-2C、E -2T、E -737、E -767、C -130、TU -126、A -50 等,其裝備的預警雷達分別為:AN/APS-145、AN/APY-2、FLATJACK 等,工作頻率分別為 0.4 GHz、3 GHz和2.4 GHz。AN/APS-145預警雷達,對低空戰(zhàn)斗機一類目標探測距離達到360~440 km,而TU-126預警機裝備的FLATJACK預警雷達,對低空小目標的探測距離達到200 km。
5.1.3 機載火控雷達
目前周邊國家和地區(qū)裝備的機載火控雷達大都工作在X波段,其中F-16C/D飛機裝備的APG-68對典型目標作用距離上視可達103 km,下視可達70 km,F-1S飛機的APG-63雷達作用距離可達150 km,幻影-2000飛機的RDI雷達上視距離120 km,下視距離最遠可達500 km。
5.1.4 光學探測裝置
紅外探測裝置屬于無源探測,具有高度的隱蔽性,同時不受電磁干擾,再加上目標探測角精度高,國外的大部分先進戰(zhàn)斗機均已裝備機載紅外搜索跟蹤系統(tǒng)(IRST)和機載前視紅外系統(tǒng)(FLIR),同時,紅外尋的導引頭技術也取得了長足的進步,目前,紅外探測裝置對目標的定位精度已達到5%水平。已裝備的典型IRST包括:F-14A飛機裝備的 AWG -9,工作波長3.5~4.8 μm;F-14D和F-16裝備的AAS-42工作在8~12 μm;E2C 裝備的SIRST 工作在3.4 ~4.8 μm 和8.2 ~9.2 μm;蘇27/30飛機裝備的 OEPS工作在3~5 μm;“陣風”裝備的OSF工作在3~5 μm和8~12 μm。這些已裝備的IRST,在高空對飛機的探測距離最大超過200 km,尾后探測最大超過300 km。
5.2.1 頻段要求
通過前述內容可以看到,對于軍機的特征信號抑制,首先應解決好雷達和光學隱身問題。
在雷達領域,應重點解決好的頻段包括UHF、L、S、X,同時考慮到其他機載雷達、地面跟蹤雷達以及雷達導引導彈的威脅,還應考慮C、Ku和Ka波段的飛機隱身問題,覆蓋的頻率范圍為0.4~18GHz和35GHz。在光學領域,應實現全方位、多頻段的紅外隱身,重點波段為3~5 μm 和8 ~14 μm。
5.2.2 姿態(tài)要求
由于空戰(zhàn)雙方飛行高度存在差異,雷達對軍機的照射存在著仰視、俯視和平視3種,這樣,選擇軍機的隱身姿態(tài)角時就必須同時對隱身方位角和隱身俯仰角展開研究。雖然人們希望軍機在全部姿態(tài)角范圍內都具有低的RCS與紅外輻射,但由于技術發(fā)展以及軍機制造與維護成本的限制,目前無法實現全隱身,必須根據飛機作戰(zhàn)使用的特點和承擔的主要任務,選擇受威脅最大的方位角和俯仰角進行隱身處理。
在方位角的選擇方面,對于戰(zhàn)斗機來說,在沒有雷達引導時,在迎頭視向,飛機進入主動攻擊狀態(tài)和被攻擊狀態(tài)的概率都是最大的,飛機最需要進行隱身處理的方位角也就是正前向某一角度范圍內,其大小可取為0°±(30°~60°)。但在地面或預警雷達引導下,戰(zhàn)斗機也可以采取側向攻擊戰(zhàn)術,所以對飛機側向進行隱身處理也是必不可少的,其方位角選擇可為90°±(20°~ 40°)。而對于執(zhí)行遠距離突防任務的飛機來說,除了前向和側向外,其尾向也可以遭到敵方地面和空中制導武器攻擊,需要進行隱身處理的角度大致為180°±(20°~40°)。隱身方位角的選擇原則是:從作戰(zhàn)使命的需要出發(fā),最大限度地縮小敵方探測裝置對己方飛機的威脅區(qū)域。
對隱身俯仰角的選擇,需要考慮地面雷達和機載預警雷達在不同狀態(tài)下的最大作用距離,同時設定典型的預警機飛行高度、機載火控雷達的巡航高度以及戰(zhàn)斗機的突防高度等。根據前人對戰(zhàn)斗機突防方面的技術研究,設定0°±(20°~25°)的隱身俯仰角要求是比較合理的。在這個俯仰角范圍內,比較重要的散射源和輻射源都已包括在內,如座艙、雷達艙、進氣道、排氣管等。
5.2.3 性能要求
由前面的標準規(guī)范內容分析可知,飛機的隱身性能要求與軍機的作戰(zhàn)使命和遇到的電磁環(huán)境有關。軍機對各種探測裝置的燒穿距離不但與軍機自身的特征信號電平和探測裝置性能有關,而且也與自身攜帶武器的攻擊距離和自身探測裝置的性能有關。
美國F-22飛機裝備的APG-77雷達具有敏捷波束搜索/跟蹤、低可探測、電子反對抗和低截取概率等特征,在空戰(zhàn)能力方面取得了巨大突破,同時F-22飛機也在航電系統(tǒng)中為IRST的使用留下接口。F-35飛機不但要裝備AN/APG-81有源電掃相控陣雷達,具有分辨率高、探測距離遠、全天候工作和低截獲概率的特點,其探測范圍要達到目前機載雷達的3~4倍,而且裝備了FLIR、IRST、光電分布式孔徑系統(tǒng)(Electro-Optical Distributed Aperture System,EO DAS)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)以及能提供敵我識別能力和高速數據傳遞能力的通信、導航與識別系統(tǒng)(Communication Navigation Identification,CNI),F-35飛機先進的傳感器系統(tǒng)使其飛行員對戰(zhàn)場態(tài)勢的了解程度達到了空前水平,并保證F-35始終遠離敵方的威脅。
為了對抗強大的對手,新一代軍機應在隱身設計方面提出高要求。為了能與F-22這樣先進的戰(zhàn)斗機進行抗衡,同時能有效地攻擊敵預警機和地面防空系統(tǒng)并使對方無法組織有效還擊,根據我國現有機載武器和對抗設備的發(fā)展現狀,我國下一代空戰(zhàn)飛機在RCS方面達到F-22的水平,其他特征信號的指標確定需要根據我國相關技術研究的發(fā)展水平而定。需要說明的是,對特征信號進行抑制,只是提高軍機戰(zhàn)場生存力和任務完成能力的一個途徑,其唯一目的是降低敵方探測裝置對我方軍機的探測敏感性。所以,特征信號的抑制水平和敵我雙方探測、反探測技術與裝備的發(fā)展有密切的關系,其數值需要隨著承擔不同作戰(zhàn)任務的軍機型號及對抗與反對抗裝備的發(fā)展情況而分別確定。
對軍機的特征信號進行抑制,能夠很好地提高飛機武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能和生存能力,是現代和未來武器裝備的重要發(fā)展趨勢。從相關標準來說,國內外都將其歸結為軍機生存力設計的敏感性指標來進行管理,并且都包括了雷達、紅外、可見光、聲、電磁輻射等多個方面,對不同特征信號都給出了具體的要求內容和技術途徑,但這些標準和規(guī)范都具有原則性和原理性,存在著許多不足。對軍機特征信號的抑制要求,需要考慮不同型號飛機所承擔的具體任務,以及自身裝備的對抗與反對抗設備等內容,其技術指標的內容和格式需要軍方和承制方協(xié)商而定。對于我國新型戰(zhàn)斗機研制來說,當前應重點研究特定姿態(tài)范圍內0.4~18 GHz和0.4~35 GHz的雷達隱身和中波、長波紅外隱身。
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