YST漫談隱形戰機（IV）：設計與特徵

上接「漫談隱形戰機（III）：「雷達截麵」與「探測距離」

 

（九）如何設計隱形戰機

 

設計隱形戰機的工作雖然很複雜，但是工作的目標卻非常單一，那就是盡量降低「雷達截麵」。從「雷達截麵」的定義來看，它是三樣東西的乘積：

「雷達截麵」 = 「幾何截麵」X「反射性」X「方向性」

，所以隱形戰機的設計工作就可以從三方麵進行。

 

甲. 幾何截麵

 

儘量減少戰機的幾何截麵是最明顯、也是最容易的工作。但是這個工作有天然的限製，那就是任務。

 

首先，需要攜帶大量炸彈的轟炸機，它的幾何截麵不可能比戰鬥機小。幾何截麵的最小化受到嚴重的限製，沒有什麼發展的餘地，最下圖。

 

 

圖01：美國B-2隱形轟炸機投彈中

 

我們看到轟炸機要攜帶大量炸彈，所以它的幾何截麵不可能小，飛機設計師也不能使它變小。

 

其次，任何戰機都要裝載人員、武器、彈藥，所以需要一定的容量空間，幾何截麵不可能每個方向都小。工程師通常都選擇機頭方向的幾何截麵最小化，這個工作並不困難因為尺寸大小都是看得見、可以量、很容易計算的。

 

 

圖02：美國B-2隱形轟炸機的正麵

 

讀者可以清楚看到比起圖01中側麵的碩大體型B-2轟炸機正前方的幾何截麵相當小，在減少B-2頭部方向的幾何截麵上工程師的工作還是做得相當傑出的，比早期的B-52強多了。

 

不過無論如何，幾何截麵的最小化既不太困難、也沒有什麼進步的空間，所以不是隱形戰機研發的重點。

 

乙. 反射性

 

要 把反射性最小化的意思就是做到盡量把飛機攔截到的電磁波能量吸收轉換為熱能，使反射出去的電波能量越少越好。有這種性質的物質我們稱作「雷達吸波材料」 （Radar Absorbing Material，簡稱RAM）。工程師用這種材料塗抹戰機全身或是覆蓋某些重要部位達到降低RCS的效果。

 

「雷達吸波材料」有很多好處：

1.RAM的研究工作獨立於飛機設計之外；

2.RAM的研究工作比戰機本身相對簡單很多、需要的經費也少；

3.RAM的研究成果可以應用在任何飛機、軍艦、車輛、和建築物上，範圍非常廣闊，前途非常看好。

 

由 於上麵的原因，「雷達吸波材料」是各國科學家重點研究的項目，不論有沒有研發隱形戰機，RAM的研發都有其必要性。譬如日本的材料科學非常先進，如果日本 研究出一種又輕又薄吸波效果優異的材料，日本可以把它塗抹在已經成軍的F-2戰機上，F-2立刻就成為一種優良的隱形戰機。YST相信很多國家都在打這種 捷徑的主意，譬如台灣也可以想辦法把自己研發的RAM用在「經國號」上。

 

研發出好的RAM是一回事，研發出能夠用在飛機上的RAM是另一回事，因為用在飛機表皮的RAM需要夠輕、夠薄和耐高溫。

1.「夠輕」是首要考量，飛機的重量都是斤斤計較的，因為它直接影響航程，作戰飛機尤其如此。想想看，機身少一公斤重量就可以多帶一公斤油料或是多帶一公斤炸彈，任何作戰指揮官都會斤斤計較。F-22所用的RAM重達數百公斤，不能不說付出重大的代價。

2.「夠薄」對建築物和軍艦不重要，但是對飛機就非常關鍵，因為它會增加空氣的阻力直接影響飛機的氣動性質。

3.「耐高溫」對戰機上的RAM是一大考驗，戰機在高速飛行時表皮與空氣摩擦會產生高溫，RAM如果不能承受這個溫度就會變形、脫落、降低或失去原始的吸波性質。F-22的RAM脫落現象就非常嚴重，造成維護的困難和高昂費用甚至曾經發生危險事故。

 

中 國大陸在RAM上的研究很有成效。2008年的【科學時報】有報導說中國科學家以碳材料製成直徑為3納米的線排列成六方有序陣列有非常優異的吸波性能。這 篇報導說中國大陸常用的RAM吸波效率達到20dB，而一種有序介孔碳和二氧化珪的複合材料對於微波（8~12GHz）的吸波效率達到40dB。

 

YST 不是RAM方麵的專家，既無法深究、也沒有能力做後續追蹤，所以不能對這篇報導做出客觀的評論。不過40dB似乎 too good to be true 。這篇報導之所以特別引起YST的注意是因為8~12GHz正好是X波段，這是所有火控雷達使用的頻率。火控雷達是追命雷達，X波段是軍用飛機最想躲避的 波段。如果在X波段有40dB的屏蔽功能，那麼所有的火控雷達都不用混了。YST對這類報導多半存非常保守的態度。

 

丙. 方向性

 

雷達探測的功能是建築在接受自己發射後被目標反射回來的電波功率（power）上。所以如果雷達發射出去的電波被目標攔截後絕大部分都折射到其他方向，隻有很少部份的功率反射回到雷達的方向，那麼雷達要發現這個目標就非常困難了，探測距離將大大地縮短。

 

所以把戰機反射回到雷達方向的功率極小化就成為隱形戰機設計工程師最重要的工作。

 

方向性的極小化是隱形戰機設計中最困難、最複雜、最有趣、最基本、最耗資、最主要也是最重要的工作。

 

為什麼我們說方向性的極小化是設計隱形戰機最重要的工作呢？

回答：方向性的最小化決定隱形戰機的外型，而外型產生的隱形是隱形的絕大部分，估計至少佔到戰機隱形效果的九成以上，塗抹雷達吸波材料所作的貢獻頂多隻有一成。

 

我們必須瞭解雷達吸波材料（RAM）應用在飛機上有很多限製而且對頻率非常敏感，所以外形設計是飛機隱形最重要的工作，RAM通常用在外形無法阻止電波反射回雷達方向時在重要部位做“清除”的工作。

 

從現在開始，本係列所有的討論都焦聚在「方向性」的最小化，也就是外型隱身。

 

（十）外型隱身的複雜與困難

 

甲. 一個小例子

 

早 年美國研發雷達製導的空對空導彈時曾經發生一件困惑工程師的事情。那時候導彈已經進入工程驗証階段，是在導彈實驗場真刀真槍的打靶，所以軍方、廠方和武器 設計的工程師們都非常緊張。靶機起飛，戰機也起飛，安排在預定地點遭遇。戰機雷達搜索到靶機，然後追蹤，然後鎖定，飛行員發射導彈，一切都很正常，但是導 彈在最後幾秒鐘的緊要關頭從靶機旁邊飛過，沒有打中。

 

導 彈在實驗試射階段需要實時飛行資料進行事後的分析、研判和改進，所以導彈頭部的戰鬥部（war head）是不裝藥的，戰鬥部的空間就裝了「資料傳輸係統」（telemetry system），這個「資料傳輸係統」把所有的雷達製導資料、發出的指令、導彈飛行的位置、速度、姿態．．．．等等資料實時（real time）傳到地麵。

 

工程師根據這些資料發現導彈的雷達追蹤目標非常正常，從頭到尾都沒有脫鎖，但是為什麼沒有打中靶機呢？

 

工程師一步步比對雷達追蹤的資料和導航指令，最後發現這是「目標閃爍」造成脫靶。

 

這 次的導彈試射導彈是從靶機的上方發動攻擊，這是空對空導彈最常用的基本攻擊方式。除非時間上來不及（譬如近距離發射），導彈設定的飛行軌跡都是先爬升到某 個高度，然後在某個時間開啟雷達搜尋目標，最後是從上向下俯衝進行攻擊。這樣的設計不但使導彈的有效射程比較遠，而且從上向下俯衝在速度上也有很大好處。

 

根據從導彈實時傳回來的資料，工程師發現當導彈用雷達照射靶機上方時，靶機的上部出現三個主宰性的反射源，其他部位幾乎可以忽略不計。這三個主宰性的反射源從頭到尾的順序我們用Ａ，Ｂ，Ｃ來表示。

 

當導彈非常接近靶機時，資料顯示一個非常有趣的現象：

 

在時間點１，Ａ反射回來的電波與Ｂ反射回來的電波振幅相當、相位正好差了180度，於是Ａ的回波抵消了Ｂ的回波，雷達隻看到Ｃ，於是控製係統發出指令校正角度向尾部的Ｃ點攻擊。

 

在時間點２，Ｂ反射回來的電波與Ｃ反射回來的電波振幅相當、相位正好差了180度，於是Ｂ的回波抵消了Ｃ的回波，雷達隻看到Ａ，於是控製係統發出指令校正角度向頭部的Ａ點攻擊。

 

在時間點３，Ａ反射回來的電波與Ｂ反射回來的電波振幅相當、相位正好差了180度，於是Ａ的回波抵消了Ｂ的回波，雷達隻看到Ｃ，於是發出指令校正角度向尾部的Ｃ點攻擊。

 

在時間點４，Ｂ反射回來的電波與Ｃ反射回來的電波振幅相當、相位正好差了180度，於是Ｂ的回波抵消了Ｃ的回波，雷達隻看到Ａ，於是控製係統發出指令校正角度向頭部的Ａ點攻擊。

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如此反覆進行，導彈就不停地在機頭的Ａ點與機尾的Ｃ點來回地擺動，而且擺動的角度越來越大。當導彈非常接近靶機的時候，最後一次導彈過度矯正（overshoot），距離也進入雷達盲區，終於脫靶。

 

上麵這個現象就是「目標閃爍」的一種形式。

 

乙. 「目標閃爍」（Target Scintillation）

 

「目標閃爍」（Target Scintillation）是雷達行話，YST用簡單的普通語言來說明這個現象。

 

當 雷達鎖定目標，雷達天線對準目標連續照射，這時候天線所接收到的功率並不是一成不變的，而是會出現非常不規則的變化，正是因為戰機與靶機都在運動，戰機與 靶機的距離和方位都在不停地變化，從目標不同部位反射回來的電波它們的相位（phase）都不一樣。如果兩個電波的相位相同，振幅（amplitude） 相加就放大了一倍；如果兩個電波的相位相差180度，振幅相加就正好互相抵消。

 

我們必須瞭解X波段的波長大約是3公分，隻要雷達與目標兩個部位的距離相差四分之一的波長，也就是0.75公分，這兩個部位反射回來的電波相位就正好相差180度。

 

你 看，像飛機這樣的目標是非常複雜的，機身每一個部位都會反射電波，他們的強度和相位都不一樣，所以加起來的總結果有很大的變化，有時候很大，有時候很小， 是非常不規則的變化。雷達的展示螢幕是把每個目標接收到的功率依照不同的強弱用不同的亮度顯示出來，所以當目標的回波時強時弱快速變化的時候，雷達幕上顯 示的目標就時明時暗像天上的星星不停地閃爍。所以雷達工程師就把這個現象取名為「目標閃爍」（Target Scintillation）。

 

由於「目標閃爍」的現象沒有任何規則可尋，閃爍的幅度又非常大，所以雷達探測的理論都是用或然率（probability）來敘述。

 

現在讀者應該有點感覺了，設計隱形戰機的外型不是那麼簡單的事。振幅和相位的交互影響是如此繁瑣，工程師要掌握和分析這麼多資料是非常困難和複雜的。

 

丙. 理論計算「目標閃爍」

 

上麵（甲）所敘述的例子是一個過度簡化了的「目標閃爍」，因為所有的計算隻考慮目標上的三個點。這是一個非常湊巧發生的實例。

 

要計算目標反射雷達波的功率首先要做的工作就是把目標的表麵像劃格子一樣分成不同的小塊，然後分別計算每個小塊受到照射時折射的電波，最後把所有小塊的折射電波通通加起來就得到目標回波在某一個方向的功率。

 

由於電波相加對相位非常敏感，所以格子一定要分的足夠細，通常這個長度至少要小於波長的十分之一，這樣所計算得到的結果才有價值。譬如X波段的波長是三公分，如果要計算X波段的目標閃爍圖，那麼格子每邊的寬度就不能超過0.3公分，也就是3毫米。

 

想想看，像J-20或F-22這樣的重型戰機長大約20米、翼展15米、高5米，如果要把表麵積劃分成3毫米的格子，這會有多少格子？

 

在幾乎所有的情形下，像飛機這樣大而複雜的目標有數以億計的散射點，因為飛機的表麵積太大了。計算「目標閃爍」是一個非常、非常巨大的工程，沒有超級計算機是根本不可能辦到的。事實上，即使有超級計算機，以今天的計算能力，沒有好幾年功夫是算不出來的。

 

作為航空技術領先的美國也沒有辦法解決RCS的理論計算問題，直到七０年代末無意間發現一位俄國數學家對電波計算如何簡化的一篇論文才突破這方麵的瓶頸，於是開始進行實際的理論計算，這是設計隱形戰機非常關鍵、也是非常基礎的一大步。

 

丁. 實際測量「目標閃爍」

 

除非你用一層厚厚的吸波材料把戰機密不透波的包起來，否則無論什麼戰機、無論電波如何反射，戰機反射雷達波的總功率是不會變的。

 

那麼，隱形戰機與普通戰機不同之處到底在那裏呢？

回答：如果你能把飛機被雷達在不同的角度照射產生的閃爍圖畫出來，那麼你一比較它們的閃爍圖立刻就會發現隱形戰機與普通戰機不同之處在那裏了。

 

你一定會問：不對呀，你剛才說過計算「目標閃爍」是一個巨大工程和幾乎不可能的任務，這「閃爍圖」的比較從何說起呢？

回答：如果理論上不好計算、沒有能力計算、或是沒有錢計算，沒有關係，隻要製造出來了我們就可以實地去測量它，用實際量出來的數值畫出「閃爍圖」。

 

你可能會問：理論計算「閃爍圖」很難，實際測量「閃爍圖」容易嗎？

回答：也不簡單，要花大錢，但是比理論計算容易得多。

 

就 像錄音室需要裝設四麵吸收聲波的牆壁，測量飛機的雷達回波必須在一個「微波暗室」中進行。所謂「微波暗室」是一個密閉的空間，所有的內牆、天花板、地板都 鋪滿了覆蓋所有波段的吸波材料，通常是各種棱形和錐形的東西（別深究，YST也不懂為什麼要用這些形狀），目的是除了目標反射的電波，沒有任何其他的回 波。

 

「微波暗室」說來容易，實際造一個是非常費事又耗資巨大的，尤其是要大到足夠把飛機放進去。有大型「微波暗室」的國家不多，一隻手都可以數出來。所以不要說去臆測別國的隱形戰機，美國即使把F-22借一架給世界各國，能夠準確測量出它的RCS的國家一隻手都可以數出來。

 

如果有了大型「微波暗室」，各種目標就可以放進這個暗室吊在空中，然後用不同波段的雷達從各種不同的角度測量它們的雷達回波，如此這般一番努力，一個目標的「立體閃爍圖」就可以畫出來了。

 

（十一）隱形戰機的特徵

 

好了，你一定等不及會問：隱形戰機的特徵是甚麼？

回答：隱形戰機的特徵就在它的「閃爍圖」跟普通戰機有顯著的不同。我們現在已經具備足夠的知識在本節做詳細的說明。

 

甲. 隱形戰機與普通戰機的「閃爍圖」

 

下麵是一張做為說明之用的「目標閃爍圖」，同時比較隱形戰機與普通戰機。「目標閃爍圖」用極座標的方式展示雷達探測一架飛機在不同的角度所得到的回波強度，這個強度可以由功率來表示，也可以由RCS來表示。

 

 

圖03:普通飛機與隱形戰機的雷達回波功率圖

 

上麵這張圖告訴我們很多有用的知識，我們做一個簡短的說明。

 

1.左邊的目標是一架普通飛機，雷達回波的功率用RCS表示，單位是「分貝平方公尺」（工程師用dBsm表示），也就是以1平方公尺為比值基礎所畫出來分貝圖。不熟悉「分貝」（dB）的讀者需要回顧一年前的係列文章「彈道導彈攻擊大型海麵船隻」。

所以，

 0 dBsm = 0 分貝平方公尺 = 1   平方公尺；

 5 dBsm = 5 分貝平方公尺 = 3.2 平方公尺；

10 dBsm = 10 平方公尺；

15 dBsm = 32 平方公尺；

20 dBsm = 100 平方公尺；

25 dBsm = 320 平方公尺；

30 dBsm = 1000 平方公尺。

 

2. 右邊的目標是一架隱形戰機，雷達回波的功率用dB（分貝）表示，但是沒有告訴我們基本單位是什麼，也就是我們不知道0dB是什麼、有多大。所以它隻告訴我 們不同角度下回波相對的比值是多少，而不告訴我們絕對值是多少。這樣既解釋了「目標閃爍」的現象，也沒有洩密的問題。

 

3.左右兩個圖形都是「目標閃爍圖」。我們隻消看一眼立刻就會分辨出普通飛機與隱形戰機最基本的特性不同之處在哪裏。

 

4.普通飛機的閃爍是非常不規則的，用或然率的名詞來說就是“隨機的”，也就是說，你隨便取一段，它裏麵都有大有小。

 

5.隱形戰機的閃爍是有規則可循的，譬如它在機頭附近的一段回波一定很弱，在某幾個角度（譬如機尾）一定很強，差別之大可以到達40dB（一萬倍）。這幾個強大回波的角度不是無意鑄成的，而是工程師特別設計成的。

 

6.也就是說，對任何飛機雷達反射的總功率是固定的，普通飛機沒有經過特殊安排，所以雷達回波在各個方向的強度是隨機的（random），而隱形戰機的外型經過工程師的特殊安排把雷達回波的功率盡量集中在少數幾個方向上，這樣就可以達到“隱身”的效果。

 

乙. 為什麼雷達探測隱形戰機會發生困難

 

雷 達的探測是計算或然率的，雷達回波功率的變動（fluctuation）如果是隨機的（random）對探測來說並不要緊，因為雷達對一個目標通常要觀察 很多次，每次觀察的時間大約20~30毫秒，功率的隨機變動隻會偶爾造成目標錯失，譬如每看10次有兩、三次漏掉，這是無所謂的，沒有影響。

 

但 是右邊的圖形就不同了，絕大部份（99％）的角度訊號非常微弱根本探測不到，不過一旦收到訊號，訊號就非常強烈，很可能造成接收器的飽和 （saturation），等到雷達調整接收器（gain control），下一個訊號很可能突然變弱又探測不到了。這種一閃而過的目標非常麻煩，即使探測到也沒法追蹤，因為計算機的資源有限，根據追蹤的規則， 雷達把這種目標編號存檔，然後很長一段時間又收不到訊號，雷達在連續N次探測不到後（N由係統工程師設定），這個目標就被判定「消失」，電腦軟體自動取消 編號並且把目標的檔案刪除。

 

所 以隱形戰機的雷達特徵是回波訊號一閃而過，造成發現（detection）的困難，即使雷達幸運發現它，也無法追蹤，更不用說連續追蹤（雷達術語叫「鎖 定」）了。火控雷達必需先鎖定目標才能發射武器，隱形戰機因此造成雷達很大的困擾。隱形戰機一閃而過的特性我們隻消看一眼它的「閃爍圖」就一目瞭然了。

 

丙. 小結

 

我們在此做一個重要而簡短的結論，點出隱形戰機的特徵：

1.普通飛機的「閃爍圖」是快速地閃個不停，這個雷達好辦； 

2.隱形戰機的「閃爍圖」是長久時間非常陰暗，然後突然強烈地閃一下，這雷達就很難對付了。

 

 

（未完待續）

 

漫談隱形戰機（V）：戰鬥機的分代