珠海航展的重头戏是歼-20的公开亮相。中国希望这款隐形战机将缩小与美国的军事差距。随着中国在东海和南海展示实力,投射空中力量的能力对中国来说至关重要。

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图一、歼-20美照

作为中国自主研制的第五代战机,歼-20亮相备受世界瞩目。据了解,世界上目前服役的第五代战机只有美国生产的F-22战斗机和F-35战斗机。美国有线电视新闻网(CNN)10月31日评论称,歼20可与美国的多种先进战机媲美。在争夺制空权方面,由中国成都飞机工业集团制造的歼20与美军的F-22猛禽战斗机和F-35闪电II型战斗机“不相上下”。歼22的正式亮相,标志中国军机正式进入“隐形”时代。

 

何谓隐形,这还要从遥远的雷达原理说起 

隐形是相对于雷达而言的,能让雷达探测不到即为隐形。

雷达是防空系统中的主要探测设备,其发射机通过雷达天线把电磁波能量射向空间某一方向,当碰到处在此方向上的目标时,部分雷达波会发生反射,返回到雷达天线,雷达天线将接收到的反射波发送至接收设备进行处理,可以获取一定目标信息,如与雷达的距离、速度、方位、高度等。觉得这段晦涩的童鞋们可以参考下图:

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  图2、雷达测速的基本原理

雷达测距的基本原理则来源于经典的多普勒理论:反射的电磁波,其频率及振幅都会随着所碰到的物体的移动状态而改变。若无线电波所碰到的物体是固定不动的,那么所反弹回来的无线电波其频率是不会改变的。然而,若物体是朝着无线电线发射的方向前进时,此时所反弹回来的无线电波会被压缩,因此该电波的率频会随之增加;反之,若物体是朝着远离无线电波方向行进时,则反弹回来的无线电波,其频率则会随之减小。下图为多普勒雷达(Doppler Radar)的基本原理图:

2<==车子朝着无线电波方向前进,其反弹的率频会增加

<==车子朝着无线电波传送的反方向前进,其反弹的率频会减小   

图3、多普勒频移的基本原理

基于反射频率的分析,我们就可以测出探测目标的距离、速度等信息了,这就是雷达测距的原理。

 

至于雷达测向,则是由于雷达基本都配备的是定向天线,当然只有天线主波束对准了目标,才能探测到该目标,及天线的方向则是目标的方向。

 

隐形的秘诀-RCS

衡量目标在雷达波照射下所产生的回波强度常常以物理量雷达散射截面RCS作为依据。它是目标的假想面积,用一个各向均匀的等效反射器的投影面积来表示,该等效反射器与被定义的目标在接收方向单位立体角内具有相同的回波功率。一般用符号σ表示目标的雷达散射截面。实际上,一架飞机的RCS不是一个单值,对于每个视角、不同的雷达频率等都对应不同的RCS。例如F-16的某个波段的RCS值正前方为4平方米,而侧向则大于100平方米。

雷达隐形技术可以简短地概括为缩减雷达散射截面RCS的技术。值得一提的是这个RCS和物体的绝对大小关系不大,只跟有效反射面积有关,RCS值跟物体本身面积的四次方根成正比。

雷达散RCS既与目标的形状、尺寸、结构及材料有关,也与入射电磁波的频率、极化方式和入射角等有关。无人机上的电磁散射源基本类型包括镜面反射、边缘绕射、尖顶绕射、爬行波绕射、行波绕射和非细长体因电磁突变引起的绕射。当电磁波垂直射入局部光滑目标表面时,在其后向方向上产生很强的散射回波,这种散射称为镜面反射,它是强散射源。当电磁波入射到目标边缘棱线时,散射回波主要来自于目标边缘对入射电磁波的绕射,它与反射不同之处在于一束入射波可以在边缘上产生无数条绕射线,是重要的散射源。对于无隐身措施的常规飞机,它的散射场包括反射和绕射场,主要是镜面反射和边缘绕射起作用。

对于隐身飞机,可以采取多种措施,使镜面反射和边缘绕射基本消失。而常见的这些基本措施如下:

  1. 材料隐身技术

即采用吸波材料或透波材料,使目标不反射或少反射雷达波,以降低目标的雷达散射截面RCS。雷达吸波材料是抑制目标镜面反射最有效的方法,早在二战后期,德国潜艇的潜望镜上就涂敷了吸波材料。这就是雷达隐形的初次尝试。现在吸波材料技术种类很多,一般采用铅铁金属粉、不锈钢纤维、石墨粉、铁氧体等具有特殊电磁性能的物质来制成,它们具有吸波雷达波的特性。吸波材料按其使用方法可分为涂料型和结构型。目前广泛使用的涂料型铁氧体吸波材料可大幅度降低反射回波。

  1. 外形隐形技术

即对己方的武器装备采用特殊的形状,以降低目标的雷达散射截面RCS。外形隐形技术历史不长,发展很快,应用十分广泛。目前已成为隐形技术中最重要和最有效的技术途径。所谓外形隐形技术,就是合理地设计武器装备的外形,以降低目标的雷达散射截面RCS;同时使目标的回波偏离侦察雷达的视向。

实验发现RCS和目标的形状密切相关,具有尖侧缘、下部扁平的融合柱体比圆球RCS更小,因为他能使入射波变成反射波,从而降低散射。亲们可以参考下图:

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图4、RCS和目标形状的关系

飞机各个部位的主要散射源和散射机理。头向——座舱、雷达舱和进气道的凹腔效应;正侧向——机身与垂尾的镜面反射、机翼与机身以及平尾与垂尾的角反射;后向——喷口的凹腔效应;斜侧向——机翼和平尾前后缘的边缘绕射;其它——外挂物散射、缝隙绕射、尖点绕射、表面波绕射等。

因此隐形飞机在设计时需要:避免出现垂直相交的连接面,避免出现较大的平面。尽量消除外露突起部分。缩小飞机尺寸;采用平齐进气口,较长的弯曲进气管,尽可能降低镜面反射回波和波导效应等。

 

20如何隐形?

相对于歼20来说,歼20在外形设计综合考虑了多种影响因素(技术帝请进,看晕的筒子们可以直接快进到下一章,知道歼20很厉害就是了):

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图5、歼20的外形设计

1)歼20的座舱盖采用了整体式座舱盖,飞行员环视视野相当优良。在歼20的前机身清晰照片上可以明显看到其座舱盖呈现出略微暗黄色的色调,基本可以确定那就是座舱盖雷达波反射涂层的颜色。与飞机雷达舱必须具备透波能力不同,飞机座舱可以直接在座舱盖上布置反射涂层以将来射雷达波直接反射,从而直接避免了来射雷达波在座舱内的强散射效应。

2)歼20采用的是无附面层隔道超音速进气道,即DSI鼓包进气道。新世纪以来中国继美国在F-35战斗机使用鼓包进气道之后,陆续在枭龙、10B和歼20上使用该类型进气道。歼20采用的鼓包进气道是进气道技术发展的最新成果。

它取消了现在大多数超音速战斗机进气道设计中必不可少的附面层隔道、泄放系统和旁路系统,根据锥型流理论,采用乘波原理将超音速气流降低为亚音速,使得飞机在性能、机动性、隐身、结构和重量等方面获得了较好的平衡。即便是F/A-22进气道也存在不利于隐身的设计,最关键的是还保留附面层隔道,有可能形成一定程度的空腔谐振和集中反射效应。而歼20鼓包进气道则在利用鼓包生成锥形激波面的同时,也成功的对进气道内部进行了遮挡。鼓包在进气道唇口缩小了进气道迎风截面积,减少了入射雷达波功率。入射雷达波在进气道内反复反射并且被进气道内壁的吸波涂料反复吸收,从而减缩了进气道内腔RCS并且遮挡了发动机叶片的直接反射。

3)歼20未来还将将采用中国自行研制的有源相控阵火控雷达(AESA)。由于相控阵雷达采用固定天线,并且可以倾斜放置,这就可以把雷达舱内入射的雷达波反射到敌方雷达接收机无关方向,减缩飞机雷达舱的RCS。

 

从歼20机身的各个细节可以看出,其在设计时各方面均兼顾了隐身的考量,能够起到较好的隐身效果,是一款真正意义上的第五代战斗机。相对于采用了大量成熟技术的F-22和需要兼顾成本的轻型战斗机F-35,采用大量新技术的歼20无疑具有更广泛的升级空间,期待歼20在未来挂上相控阵雷达后,会有着更加优良的隐形表现。

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