漫談飛機的雷達截麵積(組圖)

兵器知識      2007年第06期

 

    美國F-22隱身戰鬥機進駐日本衝繩，隱身轟炸機B-2也可駐紮關島。對隱身飛機作戰問題的熱烈討論，帶熱了一個詞——飛機雷達截麵積。 

    雷達截麵積是一個人為的參數，牽涉因素很多，而且因為它關係到飛機作戰效能，因此所有國家都不會公開自己飛機的精確數值，或發表一些模糊的誤導宣傳值，所以人們從報刊或正式文獻上看到的數據差別很大。本文將粗略地談一談有關這個參數的問題。 

    雷達截麵積（RCS）是什麽參數？ 

    隱身飛機要盡量減少其向外輻射並能為外界感知的特征信息，所以隱身技術應包括雷達隱身、光學隱身（可見光、激光和紅外線等）和聲學隱身等方麵。最被重視的是雷達隱身，因為雷達是目前遠距離發現飛機的主要設備。雷達對不同飛機的發現距離不同，除雷達本身及環境因素外，與飛機關係很大。而飛機外形十分複雜，大小不一。為便於對比，所以建立了一個人為的參數，稱為“雷達截麵積”（Radar Cross Section簡稱RCS），也可稱為雷達切麵。本來測量或計算出的飛機對雷達波的反射強弱是用電磁學單位，即分貝平方米（dbsm）表示，有時隻用分貝（db）表示。為了讓人更好理解，很多資料改用平方米表示。有人通俗解釋為，它表示飛機對雷達波的反射能力相當於多少平方米麵積的垂直金屬平板。這個解釋是否精確存在爭議。至於分貝平方米與平方米的關係，有一個通用的數學公式：分貝平方米＝10×log平方米。 

    外界雷達可以從飛機四麵八方照射，方位有360°，俯仰照射也是360°。不同角度照射時，飛機的RCS都不同。如果每1°測量一次，飛機的RCS就應該有360×360即129600個數值。但到目前為止，似乎還沒有人進行過這樣精密的測試或計算，一般隻有平麵的（俯仰照射角可限製在0～30°之內）數值。不同俯仰角照射數據更少，往往隻限於飛機正上方或正下方。 

    平麵的RCS值一般又分前方（或稱迎頭）、側方和後方（或稱後向）三大類。而前方的RCS可以是真正0°的數值或前方±30°、±45°的平均值。同一架飛機這三種算法所得結果差別很大。一般資料往往不給出是什麽計算條件下的數值，但多指後兩種。側方和後方RCS值也是同樣情況。有些資料出於宣傳目的，隻用某一方向1°的RCS值。從本文後麵給出的實測數據就可以看出其中奧妙。 

    飛機RCS與雷達波長有一定關係。同一架飛機，對於波長較長的雷達，其RCS值就會稍大一些，但兩者並不一定是線性關係。例如某型飛機對X波段雷達（波長3.2厘米）水平極化，前方±45°平均RCS是0.4平方米，而對L波段雷達（波長23厘米）,RCS增大到0.8平方米。 

    更為複雜的是，在試驗室內或室外，一部雷達對同一種飛機測量RCS值時重複性差，這表明RCS是一個隨機變數，需要測量很多次再用統計方式表達。當然，實際上測量次數也不可能太多，否則科研費承受不了。所以飛機的RCS值並非一個十分精確的參數，變化幅度有可能達到0.5甚至1平方米。而對於計算機模擬作戰來說，有雙方飛機的較全麵的RCS數值是很必要的。 

    與RCS有關的主要因素 

    飛機的RCS值是由飛機上許多散射中心或稱局部散射源決定的。這些散射源分布在飛機機體的各部分，是一個三維的分布。如要減少RCS，必須將各散射源弄清楚，先著手改進最強的反射源。飛機主要散射源有五種。 

    鏡麵反射——如機身側麵、外掛架、垂直尾翼等產生的反射； 

    邊緣散射——飛機表麵不連續處引起的散射，如機身機翼及尾翼的連接處以及翼麵前後緣等； 

    尖頂散射——如機頭前端、空速管、副油箱前端等處引起的散射； 

    凹腔體散射——主要為座艙、進氣道、尾噴管等處產生的很強的散射； 

    蠕動波散射——入射波經過物體後部又傳播到前麵來形成的散射，各種外掛物可能對一定波長的雷達產生這種散射。 

    此外還有飛機表麵各種不連續處，例如飛機上各檢查口蓋邊緣。即使其表麵對氣流來說是光滑過渡，但由於介質不同，導電性能不同或有縫隙，都會產生散射。 

 

    當然飛機的幾何尺寸大小是一個基本的決定因素，尺寸越大RCS也越大。如果飛機外露的物體尺寸與雷達波波長相近或者是雷達波長的倍數，都可能會形成一個強散射源。所以隱身飛機外麵一般都沒有什麽外露物體，更沒有現役飛機那些貓耳朵式的小進氣口。 

    根據測試，現代新式戰鬥機各散射源對前方RCS的“貢獻”比例約為：各種平麵10％～20%；進氣道15％～25%；翼麵前緣35％～45%；座艙10％～25％。當然，這種影響大小與各部分的位置、尺寸、設計考慮以及是否采用隱身技術有關。一般來說，翼麵前緣、進氣口（含進氣道）和座艙是需要特別關注的部位。 

    RCS的測試及表達方法 

    飛機RCS的測定可以用直接測量方法，也可以用理論計算方法。前者還可分為兩種：直接用飛機進行室外測量和電磁波暗室測量。關鍵在於是否有合適的測試設備和手段。 

    當然，也可用幾何外形相似的模型來進行測試，但最好是和飛機一樣大小的1:1比例模型，否則要考慮“比例效應”。例如擬測試10厘米波長雷達的飛機RCS，模型隻有原飛機一半大小，則測試要用5厘米波長雷達。所以當模型太小時，例如1：10，如模擬3厘米波長雷達，試驗時要用0.3厘米波長雷達。這種雷達不好找，就不好進行測試。當然，實在沒有合適的雷達，將測試結果作理論修正也是可以的。 

    與此同時，模型表麵反射雷達波的特性要與飛機相同或很相近。所以木製模型外表要貼金屬片。另外測試所用模型可分用和不用雷達吸波塗料兩種，這就可以知道用或不用塗料的效果。如果要模擬的飛機除使用吸波材料外還用雷達吸波結構（RAS），則模型的製造就更複雜了。例如B-2飛機的機翼前緣除表麵有吸波材料外，內部為吸波鋸齒形結構。一般遇到這情況隻好不模擬雷達吸波結構的作用，所得數值還要進行這方麵的人工修正。 

 

    沒有條件測試RCS時，也可用計算方法求得。根據目標尺寸與雷達波長的關係，通常分為三個區：低頻區、諧振區和高頻區。目標在各區的雷達波反射特性不同。現代飛機受到的主要威脅是厘米波雷達，因此應關注飛機在高頻區的RCS數值。目標在高頻區的雷達散射特點是散射的獨立性和局部性，即可以忽略各部分散射的相互作用。這一特點為飛行器等複雜目標RCS的計算提供了方便，即可以先進行各部分單獨計算，再求其總值。目前，幾何光學法（GO）、物理光學法（PO）、幾何繞射理論（GTD）、物理繞射理論（PTD）和等效電磁流法（MEC）等高頻分析方法已發展得比較成熟。其中幾何光學法和物理光學法是最常用的方法，計算結果與實測結果相當一致。 

    美國在研製F-117前即已發展出一套計算方法，到設計B-2時更為完善。蘇聯也有自己的計算法。近年俄羅斯研發出一種計算複雜形狀物體電磁波散射的數學工具。例如對具有全部外掛導彈武器的蘇-35，將其分解為局部的小型反射體，同時考慮電磁波的邊緣繞射和表麵電流，即可求出蘇-35全機的RCS值。 

    測出飛機的RCS後表示方法有三種，即極坐標法、直角坐標法和表格法。如果把飛機作為一個點來考慮，它的RCS值隻用前方、側方和後方各一個數字表達即可。但實際上該方式不夠全麵。較科學的表示方法是用飛機作中心的極坐標圖。在俯仰角變化不大的條件下，不同照射方位角的RCS值可以清晰地表示出來。如果俯仰角改變不大，這種極坐標圖隨俯仰角改變而引起的變化很小。但很多時候，為簡便起見用普通直角坐標表示，橫坐標表示照射方位角，縱坐標表示RCS。此外也可以用表格的方法來表示。 

    實際上常見的資料隻給一個數字，也不附加其它說明。一般理解，這是飛機前方RCS值。但到底是前方一定角度的平均值或某一點的特定值，就隻好靠猜想了。 

    RCS值對作戰效能的影響 

    隱身飛機遂行對地攻擊任務效果很好，因為對方雷達發現距離大大縮短，往往可達到突襲的功效。但雷達發現飛機的距離與RCS的1/4次方成比例。即將飛機的RCS降低90％後，雷達對它的發現距離隻降低44％。即使將RCS降低99%，例如RCS原為10平方米的飛機，通過隱身技術減少到0.1平方米，雷達發現距離也隻減少68%，即原來發現距離是100千米，現在則是32千米。所以隱身技術隻能減少飛機一半或3/4的被雷達發現距離，其作用也不宜估計過高。 

    不過在設計飛機時貫徹隱身概念，盡可能結合隱身要求來考慮則是可行和值得的。目前各國對現役飛機進行“準隱身”的改進很普遍，一般不需要改動飛機結構，主要是在座艙蓋、翼麵前緣、進氣口、進氣道等處下功夫。 

    另一方麵，現代防空係統中用光學、聲學探測目標的設備正在發展，雷達的組網和雙基雷達的使用已脫離理論階段，被動式雷達已在不少國家服役。所以為對抗隱身飛機，各國技術部門都在暗暗使勁。

 

    在空戰方麵，隱身性能隻對超視距作戰起作用，雙方接近到目視距離就不靈了。所以隱身飛機RCS的降低必須達到一定值，使得對方飛機雷達的發現距離減少到飛行員對空中戰鬥機平均有效視距以內（10～15千米），這樣才能充分發揮隱身的威力。 

    在實際作戰中，隱身飛機也要考慮很多具體戰術問題。例如美國已決定將F-117全部退役，說明該機對波長較長的地麵警戒雷達效果還不太好。飛機的RCS在垂直機翼前緣方向有一個強峰值，即約前方±60°處峰值RCS高達20dbsm(100平方米)。即使在峰值附近約±10°處，平均值也達到約0dbsm（1平方米）。因此它必須在出／返航過程中通過航線安排來避免將此峰值對準敵防空雷達。在對南斯拉夫作戰時，F-117是通過一種地麵任務規劃係統來實現這一要求的，因此它的飛行路線比較呆板，並且要確保飛行環境周圍的雷達位置已知（在沒有電子幹擾機伴隨支援的情況下），而且還寄希望於對方雷達沒有新的變化。B-2則通過機載電子偵察係統和威脅規避係統實現這點。F-22和F-35都具有機載實時任務規劃能力。因此避開地麵雷達的關鍵技術是機上具有能計算對方起威脅作用的雷達探測包絡的機載軟件，並能用其確定飛機的規避航線。這種軟件高度敏感，因為從中可分析出怎樣才能探測到隱身飛機。這是美國堅持不向外國提供飛機作戰軟件源代碼的重要原因之一。