隐身技术是对目标的特征信号进行有效控制或抑制的技术,也称低可观测技术(LO技术)。隐身的根本目的就是降低目标的可探测性,以提高目标的生存能力,从而提高目标的综合作战效能。目标的可探测性通常指武器系统的辐射能量被防御武器系统探测、捕获、跟踪,并用于将导弹导向目标。这些辐射特征包括雷达、红外、光学和声响特征等,还包括偶然和必然的电磁辐射。目前各种武器平台针对探测器可能出现的可探测频谱及目标特征信号如下图所示。
隐身的概念是在不让敌军发现友军存在的情况下进行行动或隐藏。这个概念首先是通过伪装来探索的,以使物体的外观融入视觉背景。伪装自古就为兵家所重视。《孙子兵法》指出:“兵者,道也。故能而示之不能,用而示之不用,近而示之远,远而示之近。”这是关于在战争中如何运用伪装的最早论述。
有趣的是,同时期俄罗斯空军工程学院的设计师尼古拉·茹科夫斯基也设计了一种“隐形” 雅科夫列夫 AIR-3单翼飞机(如下图所示),也采用透明蒙皮。虽然这种材料为飞行员提供了更广阔的视野,但工程师发现闪亮涂层的反射使飞机在明亮的日光条件下高度可见。
1916年,英国改装了一艘小型SS级飞艇,用于对西线德军防线进行夜间侦察。该飞行器配备了静音发动机和黑色气囊,从地面上看去既看不见又听不见,但在德国控制的领土上空进行的几次夜间飞行几乎没有产生任何有用的情报,因此这个想法被放弃了。
第二次世界大战期间,德国在其潜艇的通气管上涂上了雷达吸收涂料,以使其不易被盟军反潜飞机携带的雷达发现。德军设计飞翼式喷气试验机和在潜艇上使用吸波材料,是今天雷达隐身技术中隐身外形和隐身材料技术的首次应用,这些都是早期的隐身技术的运用。
1945年美国研制出RADAR含铁吸水涂料。它能够使飞机减少雷达反射,但很重;这种被称为 MX-410的材料的多层涂层可能会使飞机变得笨重,甚至太重而无法飞行。然而,隐形发展在战后几年仍在继续。特别是这段时期杰克·诺斯罗普 (Jack Northrop) 设计了YB-49 飞机(如下图所示),它具有光滑的表面和圆形边缘,但没有尾翼。在雷达屏幕上产生的图像相对较小,但当时并没有引起太大兴趣,YB-49 于 1949 年被取消。
在 20 世纪 60 年代,一篇不起眼的论文《衍射物理理论中的边缘波方法》(Method of Edge Waves in the Physical Theory of Diffraction)中,俄罗斯物理学家彼得·乌菲姆采夫 (Pyotr Ufimtsev) 提出一个模型,用于预测电磁波(例如雷达)在2D 和 3D 表面如何散射,该模型可以计算从平坦表面反射的电磁波并用于估计雷达的回波。该论文提出的创新的方程式以预测几何形状的雷达反射率,后来被美国人称之为“带来隐身技术突破的魔法石”。他的发现被所有人忽视,包括俄罗斯人。直到美国国防承包商洛克希德公司注意到这一点并将他的作品翻译成英文,该理论在美国隐形飞机 F-117 和 B-2 的设计中发挥了关键作用。乌菲姆采夫的工作成为现代隐形技术的基础,他也被称为俄罗斯隐形技术之父。
最终带资入组的洛克希德公司笑到最后,赢得了合同,在此基础上研制了世界第一款全隐身技术的战机F-117A,也即第一代隐身飞机。1989 年 12 月,美国将 F-117 战斗机投入到入侵巴拿马的实战中,引起了世人的广泛关注。1991年1月,F-117 在海湾战争中雄风再现、名声大震,为隐身技术荣登宝座提供了难得的机遇。美国在海湾部署了43架F-117A隐身飞机,出动了1270 架次,攻击了伊拉克40%的战略目标。
美国空军1981年开始发展第二代隐身飞机-B-2隐身轰炸机的研制。B-2 隐身轰炸机作为一种世界上最先进的、具备全球作战能力的极其有力的武器,自1995年试飞圆满结束以后已于1997 年在美国空军投入使用。2000年有21架B-2飞机进入服役状态。
据报道,美国空军发布了一份针对下一代隐身战斗机(NGAD)平台的工程与制造开发合同的招标书,计划将于2024年正式授予合同。该项目将用一种与无人机并肩作战的战斗机取代洛克希德·马丁公司的F-22“猛禽”第五代隐身战斗机。NGAD战斗机将使反空中任务同时具备打击空中和地面威胁的能力,以实现空中优势并支援联合部队。NGAD配备了“太赫兹”反隐身雷达,具备更强的抗干扰能力和更高的探测精度,能够在敌军武器装备释放干扰弹、烟雾的情况下,也准确地侦测到目标,对隐身目标的探测能力也非常强。动力系统从它的尾部喷口更加扁平可以看出来其采用的是变循环发动机,相比美国标准第四代航空发动机,耗油率降低25%。再加上(NGAD)采用无尾翼布局,没有垂尾产生额外气动阻力,燃油效率可进一步提升,同等条件下,航程能够提升35%以上。
此外,在舰艇方面,世界各国为降低大型水面舰船目标特征投入了相当的资源,研究了大量舰船目标特征控制技术,原理上采用了与飞行器相类似的隐身技术,主要包括:如雷达外形整形、雷达吸波材料技术等,在业界称为“小水线面双体船型”“单体穿浪内倾船型”“内置式垂直发射武器系统”“综合桅杆(天线) 技术”等。在红外隐身方面,主要有:舰船发动机排气系统红外抑制器技术、舰艇表面水雾喷淋降温红外抑制技术等。其中最著名的应用是美国的“朱姆沃尔特”级驱逐舰 DDG -1000,革命性的外形设计和新技术的大量使用使其可能成为未来大型舰船隐身设计的标杆。但也是因为新技术应用太多,造价昂贵、研制进度拖后。
隐身技术涉及到多个学科的理论和基础技术,除了电磁学、热力学、光学和声学等直接相关的学科外,还涉及流体力学、结构力学、材料、化学、高分子、通信、目标特性特征分析及测量技术等。隐身设计要求的贯彻与隐身技术应用在飞行器研究和研制中面临着许多的挑战,包括多种隐身基础理论、技术途径、技术要求的制订、综合设计以及与武器平台其他性能要求的系统综合,还包括工程开发、工艺实现、装备实践、工程师的认识和用户习惯等大量的工程应用问题。告诉大家一个好消息,近期将举办“电磁隐身结构设计和宽带耐大功率透波技术研讨会”,具体通知如下。