飞机隐身技术发展趋势研究

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【红山导读】

隐形技术是一种通过降低友方武器系统被敌方雷达和监视传感器检测到的概率来提高友军生存能力的技术，随着美国隐形飞机在海湾战争和伊拉克战争中发挥重要作用，对隐形技术的需求就凸显出来。

在现代战场环境下，随着各种探测传感器和战场监视系统的发展，没有隐身能力就很难生存，因此隐身武器系统的发展至关重要。相应地，发达国家纷纷投入巨资研发隐身技术，并将已研发的隐身技术列为秘密并积极保护。本文旨在描述隐形飞机技术的现状和发展趋势。

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关键词：隐身飞机，作战研究

一、隐形技术

世界各国都运行响应系统来监视和拦截渗透的敌机，以保护其领空免受敌机的攻击。代表性的监视系统包括雷达和红外传感器，此外，还可以通过飞行过程中产生的噪声和尾流云来检测飞机。因此，隐身技术是一项集雷达、红外、声学、视觉技术于一体的复杂技术。

【图1】隐身技术应用于F-22 *资料来源：《隐身飞机技术与未来航空战场》，KIMST学报，第2卷。2019年81~92日。

具有隐身性能的飞机在实际任务中可以有多种用途。在非隐身飞机的情况下，由于防空威胁密集，任务性能受到限制，而在隐身飞机的情况下，敌方雷达可探测到的探测范围缩小，使其能够躲避敌方防空威胁并对深层目标执行监视和打击任务。

【图2】非隐身/隐身飞机任务对比

事实上，美国研制的第一款隐形战斗机F-117从海湾战争一开始就开始部署，突破了伊拉克军队密集的防空网络，摧毁了其通讯网络，从而为友军战机确保了通行通道。安全地攻击。F-117 在海湾战争中负责执行 40% 的战略目标，尽管 F-117 只占所有出动架次的 2-3%。隐身飞机之所以在对地攻击任务中占比如此之高，是因为隐身飞机不暴露在敌人面前，可以让飞行员集中精力执行攻击任务，从而导致任务成功率很高，并保证了机组人员的生存能力。在空战情况下，隐身战机很难被敌方发现，因此在现代战争中拥有先见后攻的绝对优势。事实上，由 F-22 和 F-15 组成的蓝军与由 F-15、F-16、F/A-18 和 E-3 预警机组成的红军之间的模拟混战， 2006 年在美国举行的“北方边缘”演习期间，蓝军的数量比红军多了 2:241，其中蓝军仅损失了两架 F-15。

【图3】隐身在空战中的效果

总的来说，隐形飞机是非常具有成本效益的武器系统，尽管存在争议，因为它们需要高昂的初始采购和运营和维护成本。例如，海湾战争期间一架F-117投下的制导炸弹重约2000吨，总成本约为1.46亿美元，但如果发射同等重量的战斧巡航导弹，估计会耗资约48亿美元。另外，考虑到隐身战斗机和常规战斗机的任务成功率和生存率，隐身战斗机的经济可行性将进一步增加。

二、雷达信号

与其他探测方式相比，雷达的探测距离最长，因此在大多数防空武器系统中作为探测方式，雷达制导也主要用于中远程防空导弹，这些导弹是对抗、因此雷达信号对隐身飞机的探测反应非常重要。RADAR（无线电探测和测距），顾名思义，是雷达发射的电磁波信号，经目标反射后由雷达接收机接收，可用于计算目标位置和速度。目标反射电磁信号的程度用目标的雷达散射截面（RCS）来表示，单位为㎡或dBsm。飞机的RCS值根据飞机的尺寸、材质、形状以及探测雷达的频率和反射角度而变化。一般来说，隐身飞机与普通飞机的区别是RCS值为1m²（ 0dBsm）或更低。对于大型常规轰炸机，RCS 值约为 1,000 平方米（30 dBsm），对于常规战斗机，RCS 值为 10 至 100 平方米（10 至 20 dBsm）。另一方面，就最近研制的第4.5代战斗机F/A-18E/F而言，应用了一些隐身技术，将RCS值降低至1m²（0dBsm），而在最新的第5代隐身战斗机中，战斗机F-35和F-22，RCS值降低到1m²（0dBsm），已知该值为0.001~0.0001m²（-30~-40dBsm），这是昆虫的水平。飞机的RCS值之所以重要，是因为雷达可以检测到飞机的最大距离（Rmax）与飞机的RCS值（σ）的1/4次方成正比。因此，为了减少飞机被雷达探测到的距离，就必须降低其RCS值。例如，可以在165公里的距离检测到RCS值为10平方米的常规战斗机的雷达，可以在16.5公里的距离检测到RCS值为0.001平方米的隐形战斗机。换句话说，要将检测距离减小到1/10，RCS值必须减小到1/10,000。为了开发能够实现这种战术效果的高级隐形飞机，需要付出巨大的 RCS 降低努力。

[图 4] RCS 尺寸和雷达探测范围 *来源：“Airborne Stealth in a Nutshell – PART I”，WAYPOINT，2003 年。

战斗机是形状复杂的目标，会发生复杂的散射现象。特别是，机身和机翼前缘、发动机进气口和喷嘴、武器、垂直尾翼、天线罩和驾驶舱等外部附件和天线发生的镜面反射和多重反射对战斗机 RCS 的影响最大。另外，在形状不连续或材质发生变化的地方，如各种气体中的拐角、间隙等，会发生衍射和散射，在圆形气体的表面，会产生蠕动波，并沿表面反射。

[图5]战斗机中的电磁波散射特性

减少飞机RCS的方法包括设计飞机的形状，使电磁波尽可能少地反射，以及吸收入射电磁波，使其不被反射。其中，飞机外形的设计难度很大，但为了实现高水平的隐身性能，还必须采用吸收电磁波的方法。[图6]显示了隐形飞机和普通飞机的RCS对比。在隐身飞机的情况下，通过角角对准，某些方向的RCS较高，但在其余角度，由于无线电波吸收器等隐身降低设计，RCS大大降低。

[图6]隐形飞机和普通（非隐形）飞机RCS比较 *来源：《RF Stealth导论》，SciTech，2004年。

2.1.RCS外形设计

降低隐身飞机RCS的最有效方法是设计飞机的形状，使入射到飞机上的电磁波尽可能少地被反射。第一款隐形战斗机F-117（夜鹰）基于大后掠翼排列了飞机的各个角角，以向不同方向反射传入的雷达波，并且飞机的外部由多个倾斜表面组成，这最大限度地减少了直接反射的镜面反射。反射分量。RAH-66（科曼奇）是一款隐身直升机，它还通过在飞机侧面配置倾斜平面来增强隐身性能。这种方法简化了复杂形状飞机的RCS问题，即使在性能相对较低的计算机上也能准确预测RCS，因此被应用于早期隐形飞机的设计中。然而，这种设计不可避免地从空气动力学角度严重限制了飞机的性能。

[图 7] 隐形飞机 F-117（左）、RAH-66（右） *来源：“隐形技术”，特里凡得琅巴顿山政府工程学院，2009 年。

F-117被称为第一款隐形战斗机，但由于其独特的外形，无法超音速飞行且转弯半径较大，因此被用作只能执行空对地任务的攻击机。事实上，成熟的电传操纵技术（允许计算机控    制不稳定的飞机）在 F-117 开发的成功中发挥了重要作用。

2.2.电磁波吸收体

如果通过隐身形状设计已经最大限度地减少了雷达波的反射成分，那么下一步就是吸收入射的雷达波。一般来说，当雷达波入射到飞机表面时，一部分被反射，其余的被飞机表面吸收。此时，电磁波反射率根据飞机表面材质的不同而不同，一般飞机蒙皮常用的导电材料如铝，反射率较高，反射大部分入射电磁波，而电磁波。吸波器旨在吸收电磁波。电磁波吸收体中使用的电磁波吸收材料根据其各自的特性主要分为电介质、磁性材料和导体，并且通过将粉末形式的电磁波吸收材料与树脂混合来制造。此时，当电磁场施加到介电和磁性的电磁波吸收材料时，电偶极子或磁偶极子与电磁场对齐并根据电磁场的变化而旋转。特别是，当输入雷达波的频率与无线电波吸收材料的固有频率匹配时，由于共振现象而发生高速振动，在此过程中，通过摩擦产生热量并耗散能量这些物理现象。称为介电损耗和磁损耗。换句话说，介电损耗是一种通过将入射电场能量转换成热量来吸收无线电波的方法，磁损耗是一种通过将磁场能量转换成热量来吸收电磁波的方法。该原理与在微波炉中通过微波使材料中所含的水分子旋转来加热水分子的方法相同。代表性的具有磁性的电磁波吸收材料是铁氧体。铁氧体是一种铁基材料，其谐振频率在数百MHz范围内会产生磁损耗，在谐振频段内具有较高的吸收率，但其缺点是在其他频段的吸收性能大大恶化，并且重量较重。具有介电性能的代表性电磁波吸收材料是炭黑。炭黑非常轻，重量不到铁氧体的1/10，并且具有即使在高频下吸收性能也不会恶化的优点。根据需要，无线电波吸收体可以用作介电材料和磁性材料的混合物。当从外部施加电磁场时，具有导电性质的电磁波吸收材料在其表面感应出感应电流，通过自身电阻产生热量，吸收电磁波能量。具有导电性能的代表性电磁波吸收材料包括聚吡咯或聚苯胺系列的导电聚合物，已知它们具有高电磁波吸收效率并且在宽频带内相对更有效。

[图11]电磁波吸收材料的原理 *来源：“雷达目标识别技术趋势和前景”，韩国信息通信学会杂志，第13卷，第2期，2012年。

2.3.等离子隐身

与美国主导的现有隐身技术不同，利用等离子体的隐身技术是一项起源于俄罗斯的技术。等离子体被定义为物质因强电场或热量而分裂成电子、中子和离子等粒子的状态。等离子体的隐身原理是在1957年苏联发射世界上第一颗人造卫星时偶然发现的。人造卫星，人造卫星。前苏联曾试图用地面雷达跟踪人造卫星，但失败了，分析原因发现是地球大气层外电离层中自然分布的等离子体层吸收雷达波造成的。随后，通过后续研究，科学家发现，当雷达波入射到电离等离子体时，会转化为能量并被吸收或扭曲为其他波长并反射。利用这一原理，人们提出了这样的概念：如果飞机可以被等离子体包围，那么普通飞机就可以变得隐身。为了更具体地说明这一点，提出了一项计划，即在飞机前部安装等离子体发生器，使等离子体沿着机身流动，并在机翼两端安装磁场发生器，使产生的磁场固定等离子体层并吸收雷达波。

【图13】等离子隐身概念

然而，这个概念也包含许多需要解决的技术挑战，因此在实际应用中存在很多困难。首先，能够在大气压条件下产生足以包围飞机的尺寸和厚度的等离子体的装置和功耗、将所产生的等离子体维持在飞机表面的技术、等离子体对飞机上设备的电磁干扰，以及高速飞行以及启动过程中如何维护质膜是需要解决的代表性问题。此外，基于等离子体的隐形飞机可能无法被雷达探测到，但等离子体本身可以通过其他电磁手段探测到。事实上，当航天飞机进入大气层时因高热产生等离子体而导致雷达探测受到限制时，美国开发了专用设备来探测等离子体。近日，俄罗斯研制的第五代隐形战机SU-57的研制过程被媒体介绍，并且有一些推测文章声称应用了等离子隐身技术，但考虑到SU-57的出现。与之前开发的隐形战斗机类似，很可能使用了等离子隐身技术，假设该技术没有被应用或被有限地应用以减少RCS，当内部武器掉落时RCS会增加。

2.4.低拦截概率（LPI）技术

典型的主动雷达自身辐射电磁波，利用目标反射的电磁波来探测目标，但飞机本身辐射的雷达波和通信、数据信号很容易通过对方的电子战设备探测到。这种探测方式相对于现有的发射电磁波、接收反射波的雷达来说，可以直接接收敌方信号，因此探测距离相对较长，而且由于敌方探测状态未知，飞行员无法提前做出反应。因此，隐形飞机必须最大限度地减少敌方雷达反射，同时抑制自身的电磁波发射，使自己尽可能暴露在敌方领土内。事实上，当隐形飞机接近任务区域时，它会停止操作各种通信和射频设备，并使用IRST等无源传感器或使用低拦截概率（LPI）传输和接收技术来执行任务，以防止敌人发现它。做。最常见的LPI方法主要是将电磁波发射信号的输出降低到敌方探测传感器无法接收的大小，广泛扩展信号宽度，然后用高增益天线发射和接收。

以F-35隐形战斗机为例，它配备了先进的多功能数据链（MADL：多功能高级数据链），用于在F-35之间传输战术数据，MADL被认为应用了定向波束和LPI技术避免接触电磁波。F-22还配备了IFDL（飞行间/飞行内数据链），其概念与MADL类似。此外，大多数隐形飞机的雷达都配备有LPI模式的有源电子扫描阵列（AESA）天线。LPI模式下发射的低功率雷达波被敌方雷达探测器视为噪声级，因此敌方飞行员可以在不完全意识到敌方飞机的情况下被探测到并射击。

2.5.天线罩技术

当敌方雷达波通过飞机雷达的天线罩时，不仅内部设备引起漫反射，而且还会被自身天线放大反射。因此，隐身飞机的雷达罩配备了FSS（频率选择性表面）技术，可以根据频率选择性发射自身雷达波，并阻挡外界输入的雷达波。然而，由于大多数战斗机都使用X波段雷达，应用FSS天线罩并不能阻止敌方使用相同波段的雷达波进入。

因此，大多数隐形战斗机上安装的AESA雷达都是向上倾斜安装的，以向不同方向反射传入的敌方雷达波，并且内部结构还配备电磁波吸收器以减少反射。

三、红外签名

隐形飞机中继雷达信号之后的下一个最重要的元素是红外信号区域。物理上，所有绝对温度高于0°K的物体都会发射红外线，发射的辐射能与绝对温度的四次方成正比。例如，即使温度为 0°C 的冷冰，其绝对温度也为 273°K，并发射红外辐射能。这样，即使在夜间也能通过目标与周围区域之间的红外辐射量差异来检测物体的红外传感器已经被开发出来，并正在应用于武器系统。特别是，大多数针对飞机的近程防空导弹长期以来都采用热寻的方式，可以跟随飞机发出的热源进行攻击，事实上，其中89架飞机（包括直升机）被击落1979 年和 1993 年 据了解，超过 % 的地区被热寻导弹击中。此外，近年来，IRST（红外搜索与跟踪系统）等红外探测设备与雷达一起应用于防空武器系统，红外信号探测的威胁逐渐增大。一般来说，热寻导弹的导引头利用大气穿透力较高的中红外波段（MWIR：3-5μm）和远红外波段（LWIR：8-12μm）信号来探测目标。在较远的距离。就飞机而言，红外热源包括发动机废气和喷嘴附近加热结构产生的中红外波段红外信号、高速飞行期间空气压缩和摩擦在机头和机翼前缘产生的空气动力加热，以及太阳反射有远红外波段的IR信号。[图14]显示了战斗机产生的红外热源和红外图像。

[图14]战斗机产生的红外热源和图像 *来源：“采用红外隐身形状的无人战斗机电体热流场的计算分析和生存性分析”，庆尚大学，硕士论文，2019年。

四、视觉签名

人眼可见物体的原理与雷达通过反射电磁波来检测物体的原理类似。换句话说，光源发出的光被物体反射并传输到人眼，人类可以视觉识别该物体。一般来说，人眼能够检测到飞行中的飞机的距离非常有限，但是使用光学设备，可以在很远的距离检测到飞机。特别是，飞机在飞行过程中产生的轨迹（例如尾迹）可以为更轻松地检测飞机提供线索

五、声学特征

飞机产生的噪声是检测飞机的重要因素。飞机噪声是由飞行过程中发动机和气流产生的噪声引起的。发动机噪音是由发动机内的高速空气流动产生的，噪音的大小根据发动机的类型而变化。一般来说，涡轮螺旋桨式是最小的，噪音按以下顺序增加：涡轮风扇和涡轮喷气发动机。

六、发展方向

隐身技术正朝着优化现有隐身技术和开发新型隐身技术的方向发展。早期的隐身飞机积极应用RAM和RAS来降低RCS，导致飞机重量大幅增加，但近来，隐身飞机已经发展到可以通过开发和优化，最大限度地减少重量增加并保持隐身性能的水平。轻质材料。作为一种新型隐身技术，主动雷达波对消技术正在得到发展，它可以实时检测和分析飞机上发生的雷达信号并做出响应。这种方法的优点是能够在不改变其外观的情况下，通过在现有飞机上安装额外的设备来使其隐身，但在技术上，存在许多必须解决的挑战，因为它需要实时分析传入的电磁波并产生相应的电磁波。有限时间内一波又一波。考虑到目前正在研制的第4.5代或第5代隐形战斗机的AESA雷达和内置电子战设备的性能，假设主动雷达电波消除技术已应用于部分型号。最近，超材料作为用于减少雷达、红外、可见光和声信号的隐形材料而受到关注。在韩国，还开发出了利用超材料同时减少 RCS 和 IR 信号的技术和轻质噪音吸收材料。虽然目前还处于基础阶段，但利用超材料的隐形斗篷技术也正在研发中，因此预计70年代热门电视剧《神奇女侠》中的隐形飞机将在未来成为现实。主要先进国家认识到隐身技术是未来战场的必备技术，并正在重点发展相关技术，但隐身技术并不是万能的。现在的隐身技术并不是一种使检测不可能的技术，而是一种减少检测的技术，并且与隐藏技术一起，搜索技术也在迅速发展。就雷达信号而言，现有的隐身技术在响应包括低频在内的各个频段的探测雷达方面存在根本性的限制。事实上，在海湾战争和伊拉克战争中发挥重大作用的隐形战斗机F-117，在1999年南斯拉夫内战期间就被塞尔维亚军方防空网络发现并击落。因此，众所周知，最新的隐形战机除了采用隐身技术外，还利用电子战技术来应对敌方探测雷达。例如，高频雷达如果用隐身技术对抗可以更有效，低频雷达如果用强大的电子战干扰机对抗可以更有效，以及用电子战干扰敌方雷达后秘密接近的隐形战斗机干扰器可以是一种更强大的手段。事实上，在2007年美国空军最强隐形飞机F-22与美国海军电子战飞机EA-18G的模拟战斗中，EA-18G利用其强大的电子战设备对美国海军电子战飞机进行了干扰。F-22雷达，创造了优越的作战态势。因此，综合考虑研制成本和技术水平，隐身性能与干扰设备相结合的策略可能是最有效利用隐身技术的最佳途径。高隐身性能不仅需要设计，还需要精密的制造技术。F-117研发过程中生产的一台原型机测量到的RCS值高于预期，结果发现外部结构上的螺钉没有拧紧，这就是问题所在。造成原型机 RCS 增加的原因。对于RCS值达到鸟类或昆虫水平的高性能隐形飞机来说，即使很小的制造误差和缺陷也可能导致较大的RCS，因此不仅在生产过程中，而且在操作和使用过程中都需要精心管理。维护阶段。直到最近，雷达还是唯一监测天空的设备，但最近，IRST 等红外探测系统已经开发出来并投入实践。此外，AIM-9X等第五代近程空空导弹配备热成像（IIR）导引头，大大增加了其探测距离，对飞机构成重大威胁。特别是，在未来隐形战机之间的空战中，相互探测距离预计会变得更短，近距离作战将不可避免。因此，红外信号的比例预计将显着增加，需要更多的努力和投资来确保红外减弱技术。现实中，雷达的探测距离与目标RCS值的1/4次方成正比，因此要减小探测距离，飞机的RCS必须大大降低，但就IR而言，辐射能量与目标的RCS值成正比。温度的4次方，所以即使温度稍微降低一点，检测范围的降低效果也是比较大的。这意味着IR降低技术在隐身性方面可以比RCS降低技术更有效。目前正在研发第六代战斗机的美国，据悉已经生产出原型机并正在进行飞行测试，但该机的外形尚未透露。不过，有专家预测，在隐身性方面，相比5代战机，美国6代战机的配置将体现出更大的减少IR信号的设计重量。在隐形技术中，电磁波吸收技术不仅在国防领域，而且在私营部门也越来越受到关注，用于防止高性能电子设备因电磁干扰而发生故障以及屏蔽和吸收有害电磁波。特别是，随着卫星广播和移动电话等商用频段扩展到GHz频段，使用为军事目的开发的无线电波吸收器的可能性正在增加。最近，韩国材料研究所开发了一种电磁波吸收和屏蔽材料，通过将网格形式的导电纤维缝制成混合磁性材料和聚合物的复合薄膜，在5G通信频率下表现出优异的吸收性能。该技术未来有望应用于手机、自动驾驶汽车、通信卫星等前沿领域，提高系统可靠性。

七、结论

现代战争的胜负取决于谁先发现对手。反过来说，这也是一个谁不会先被对方发现的问题。尤其是隐形飞机，在不确保制空权的情况下无法被敌方发现，是决定未来战场胜败的关键力量。尤其是在防空威胁逐渐增加的战场情况下，发展隐身飞机以提高生存能力的需求变得更加突出。此外，尽管有人批评隐形飞机初始采购和运营成本较高，但考虑到任务成功率和生存能力以及实战中的战术灵活性，它是一种非常经济的武器系统。相应地，先进国家都在大力投入隐身技术的发展，国内也在努力保障隐身技术的发展。隐身飞机是复杂的系统技术，需要众多的细节技术进行平衡和集成。然而，在韩国，隐形技术仅在某些领域可用，因此需要额外的技术开发。发展F-35等高水平、自主的国产隐身飞机技术，不仅需要保障系统级的隐身设计，还需要保障单元部件级的详细设计和制造技术。为此，还需要积极的产学研合作和政府层面的支持。

目录

一、 隐形技术

二、 雷达信号

2.1. RCS外形设计

2.2. 电磁波吸收体

2.3. 等离子隐身

2.4. 低拦截概率（LPI）技术

 2.5. 天线罩技术

三、 红外签名

四、 视觉签名

五、 声学特征

六、 发展方向

七、 结论

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