链轮计算软件:漫谈隐形战机（II）：雷达截面

上接「漫谈隐形战机（I）：隐形战机进入多国时代」      http://www.51zxw.net/study.asp?vip=2825496


 


（五）雷达隐形


 


甲. 雷达的探测原理


 


很多读者一定有在山谷中大喊然后听自己回音的经验。我们选择山谷，因为声音不容易四散，先用双手合围在嘴巴旁边，因为这样发出的声音比较集中，然后面对大山用尽吃奶的力气大??喊一声「我来了！」，然后静静地竖起耳朵听，几秒钟后，从山的方向就传来微弱但非常清晰??的回声「我来了！」。


 


雷达的探测原理跟这个回音原理是完全一样的，只不过用的是电波。


 


雷达透过一些电子设备能够产生功率非常强大、频率和波型非常稳定的电磁波，这个电磁波经过特殊设计的天线（就像你合围在嘴巴旁边的双手）发射到某个特定方向，然后雷达停止发射，静静地接收可能由飞行物反射回来的电波。如果果然接收到自己发出的电波，那就表示在发射方向有飞行物体，根据等待时间的长短雷达的电子计算机就可以算出这个飞行物体和自己的距离，这个距离??加发射方向就可以完全决定这个飞行物体在空间的位置。雷达探测的功能就完成了。


 


上面的道理非常简单，但是科学家是追根究底的人，他们想知道目标和被电波探测到的关系到底是什么。为了进一步了解探测的过程，科学家对飞行物做了进一步的分析。他们问了很多问题：


1.目标的大小和可探测性有没有关系？


2.目标的组成物质和可探测性有没有关系？


3.目标的姿态和可探测性有没有关系？


 


上面三个问题的答案都是：有。


 


乙. 几何截面（Geometric Cross Section）


 


第一个问题最容易回答，因为目标越大自然反射回来的电波就越强，当然就越容易被探测到。想想看，我们对着大山喊可以听到回音，如果是对着小山坡喊，即使喊破喉咙也是听不到回声的。


 


任何飞行物从雷达波照射方向相交的面积称为该物体的几何截面。也就是说，几何截面就是雷达“看到”的目标面积，也可以说成是雷达波被目标拦截的面积。


 


一个目标随着观察角度的不同，它的几何截面也不同，回波的强度自然不同，所以它被雷达探测到的距离也不同。


 


科学家得到一个结论：目标的雷达探测性和目标的几何截面成正比。


 


丙. 反射性（reflectivity）


 


第二个问题也不难回答??，如果你去过电台的录音室或播音室就会发现墙壁是用特殊材料构成而且遍布孔洞，它们是用来吸收声波的，目的就是降低可以构成干扰的回声。


 


电波也是一样，任何物质都不可能把电波百分之百的反射回去，通常有一部分能量被吸收转换为热能。不同的物质对电波有不同的反射性，其中金属的反射性最高，是雷达最喜欢的物质。


 


科学家把「反射性」（reflectivity）定义为目标反射的功率除以射到目标的功率。


「反射性」是一个介于０与１之间的数值。


 


科学家得到第二个结论：目标的雷达探测性和目标的反射性成正比。


 


丁. 方向性（directivity）


 


当电波照射到目标时，不是所有反射的电波都回到照射的方向，而是有一定的规律。最简单的实验就是目标是一个非常光滑的平面体，这个时候反射的方向与照射的方向满足一个定律，那就是：「反射角等于入射角」。所以除非电波是垂直照射平面目标，否则一部分电波会反射到其他方向，不被雷达接收到。


 


科学家把「方向性」（directivity）定义为目标反射到雷达方向的功率除以平均全方位反射的功率（也就是假设目标把所有射来的电波功率非常均匀地、球状地、反射到每个方向的功率）。


「方向性」是一个介于０与4p 之间的数值，p = 3.141592． ． ． ．是圆周率。


 


科学家得到第三个结论：目标的雷达探测性和目标的方向性成正比。


 


戊. 雷达截面（Radar Cross Section，简称RCS）


 


综合乙、丙、丁，我们得到：


目标的雷达探测性跟「几何截面」 X 「反射性」 X 「方向性」成正比。


 


科学家把右边这三个数量的乘积定义为目标的「雷达截面」（Radar Cross Section，简称RCS），通常用小写的希腊字母sigma ， s ，来代表：


 


s = 「雷达截面」 = 「几何截面」 X 「反射性」 X 「方向性」


 


「雷达截面」是一个非常重要的概念和常用的名词，它的重要性是把任何雷达目标具体化了，变得非常容易想像，也非常容易比较。


 


譬如当军事专家说F-15的正前方雷达截面是５平方公尺，那么你就可以把军事专家的话想像成：当雷达从正前方照射F-15时，F-15被探测到的可能性就相当于一个横切面积为５平方公尺的金属球，也就是一个直径2.52公尺的金属球。


 


（六）有关雷达截面（RCS）的一些数值


 


一个目标的雷达截面（RCS）和它的几何截面通常有很大的落差，譬如美国隐形轰炸机B-2正前方的雷达截面肯定小于1平方米，但是它的几何截面肯定大于十平方米。所以B-2的雷达截面和几何截面相差十倍以上，甚至百倍都可能。


 


所以单看体型的大小来估计雷达截面的大小是肯定犯错误的，而且非常可能是大错。事实上，如何设计一架每个方向雷达截面都很小的大飞机就是隐形战机设计师的工作。


 


由于这个缘故，我们需要知道一些雷达截面的实际数值来得到一些“感觉”。下面是YST根据美国雷达专家布莱克（Lamont V. Blake）1980年出版的教科书【雷达测距分析】（Radar Range-Performance Analysis）所公布的RCS 数值：


 


目标的种类方向雷达截面（平方米）


 


小型喷射战斗机或头，尾0.2 - 10


小型商业喷射客机侧面5 - 300


 


中型轰炸机或中型商业头，尾4 - 100


喷射客机譬如波音-727 侧面200 - 800


 


重型轰炸机或大型商业头，尾10 - 500


喷射客机譬如波音-707 侧面300 - 550


 


木制扫雷艇，144英尺， 侧面10 - 300


空中雷达（5~10 GHz） 25度角向头0.1 - 300


                             或尾俯视


 


小鸟（450 MHz 米波雷达） 平均10 **(-5.6)


 


大鸟（9 GHz 厘米波雷达） 侧面10 **(-2)


 


昆虫（蜜蜂），9 GHz 平均10 **(-2.8)


 


大昆虫（5公分），9 GHz 平均10 **(-1.8)


 


从上面的列表我们观察到一些有趣的现象：


1.无论是飞机也好，是飞鸟也罢，头的方向雷达截面总是最小的。这很容易理解，因为飞行方向的横切面（几何截面）越小飞行的阻力越小、飞行的速度也就越快。


2.小??型飞机和中型飞机的雷达截面差了一个数量级。


3.中型飞机和大型飞机的雷达截面差别不大，尤其是侧面。


4.木制扫雷艇的雷达截面居然接近大型飞机有些意外，因为木质材料的反射性很小。 YST猜想是扫雷艇内部乱七八糟的军用设备才是主要的反射源，这些设备多半是由金属构成，它们的反射性超过体型硕大但非常园滑的机身。


5.小鸟的雷达截面比大鸟小了不止三个数量级（超过一千倍），这显然不合理。仔细一想，问题出在测量的雷达所使用的频率不同。 450 MHz米波雷达波长大约66公分，远比小鸟的体型大，所以会发生严重的绕射现象。这就告诉我们RCS 跟雷达使用的频率有关。


6.大鸟侧面的雷达截面在9 GHz 雷达波照射下有0.01平方米是非常有趣的现象。 9 GHz 属于X波段，这正是火控雷达使用的波段，是所有作战飞机最敏感和最想躲避的波段。所谓的大鸟大概就指老鹰之类的飞鸟，它们的几何截面再大也不会超过一平方米，比任何飞机都小多了。这就给我们一个非常有感觉的指标，用大型飞鸟与隐形战机作比较。


7.蜜蜂大小的昆虫比5公分长的大昆虫（譬如蜻蜓）雷达截面小了一个数量级可以理解，但是像蜻蜓这样5公分长的大昆虫雷达截面居然比老鹰这样的大鸟还大一点点，这就令许多人感到大惑不解了。


 


想想看，同样都是肉做的，同样都在9 GHz雷达波的照射下，为什么一只小小蜻蜓的雷达截面竟然会比老鹰还大呢？


YST的解释是：这是雷达波的共振现象。当雷达波的波长接近目标的长度时，反射的电波相位（phase）相同，于是波幅（amplitude）因相加而变大，产生共振现象。想想看，9 GHz 的波长大约是2.7公分，正好是蜻蜓身体长度的一半，蜻蜓对雷达的角度是随机变化的（random），于是，从雷达的角度来看，蜻蜓的长度从0.5到5公分随机变化，依照常态分配，大部分的时间蜻蜓的长度处在中间值2.7公分附近，正好引起共振。


 


雷达波的共振现象非常重要而且有非常重要的应用，那就是反雷达的干扰作业。


 


在开战前只要弄清楚目标国家的雷达波段（这并不困难），我们就可以用一种非常轻的质料做成圆柱形的细长条，把它镀上铝，然后依照目标国家的雷达波长切成各种长度装在一个盒子里。在进行攻击前，派出飞机洒在进攻的航道上，这些镀铝的细杆子就会引起雷达波的共振现象，一根细小的反射体就可以造成很大的雷达回波，更何况抛撒出去的“小细签”数以万计，在进攻航道中每立方米都会有数个到数十个，它们造成的回波远大于飞机，使雷达幕上出现一片雪花，什么都看不到。由于它们很轻，它们停留在空中的时间至少数小时，通常长达数天，有时甚至一个月以上。这种干扰的方法对付厘米波雷达效果很好而且非常便宜。


 


（七）「雷达截面」（RCS）的军事敏感性


 


好了，我们定义了「雷达截面」（RCS），也了解了它的物理意义和它在雷达探测上的重要性。基本上，只要我们得到某个目标在所有角??度上的雷达截面的数值，那么这个目标的雷达特性就完全掌握了。


 


甲. 战机的「雷达截面」可以透露很多讯息


 


举个例子，如果我们知道F-15正前方的雷达截面是５平方公尺，那么设计J-10的工程师就知道当J-10和F-15迎头遭遇时，根据J-10雷达的发射功率、天线尺吋、雷达接收器的讯噪比和讯号处理能力等等参数就可以推算出来在什么??时候（距离）J-10会发现F-15、什么距离J-10开始追踪F-15、什么距离可以锁定F-15、什么距离可以发射导弹． ． ． ．等等一连串实际交战的重要资料。


如果发射的是雷达导引的空对空导弹，工程师甚至可以计算出击落F-15的机率，一连串的战术运用都可以准确推算和导演出来。


 


你说泄露战机的RCS 是不是兹事体大？


 


所以，对任何作战飞机，它的雷达截面数值是非常敏感的资料，尤其是机头正前方，因为这是敌我飞机遭遇最可能发生的情况。


 


由于这类资料的敏感性，任何国家都不会公布自己作战飞机的RCS。 YST也绝不相信网上流传的任何作战飞机的RCS，不管它是制造国家自己公布的还是间谍偷来的。网上也好、权威军事杂志也罢，任何人声称某型战机的RCS是多少都是瞎说。


 


乙. 隐形战机的 RCS


 


如果普通战机的RCS是机密，那么隐形战机的RCS就是极机密了，因为隐形战机是高价值目标、隐形战机的任务也是高价值任务。


 


不过读者也不要太失望，我们虽然不能说出隐形战机确切的RCS到底是多少，但是根据科技进展的程度给出一个大致的范围还是可以做到的。


 


以目前尖端科技的进展，隐形战机要把RCS降低20dB是可以做到的，降低30dB就很困难但花大钱也可以办到，降低40dB则不可能。这是隐形战??机和普通战机在雷达隐身性能上大致的差距，也是普通草民都需要知道的常识。


 


如果读者不喜欢用分贝（dB）这种比值做比较讨论，希望看到绝对的RCS数值，YST可以提供一些个人的意见，但是不负任何责任。


 


YST个人认为战机的RCS最重要的是正前方，也就是机头的轴线左右30度、上下20度的锥形空间；其次是底部下方，因为这是地基搜索雷达观察的角度；第三是侧面，这是受到攻击经常发生的角度，发生的机率也许跟机头方向差不多；第四是尾部，因为既然决定脱离战场RCS也就不那么重要了；最后是顶部，因为从上面照射战机的机率最小。


 


YST认为隐形战机的设计者在优化RCS的过程中他考虑的优先顺序也是上面的顺序，所以隐形战机的RCS值由小到大也是上面的顺序。 YST猜想，以目前的科技，隐形战机的RCS大概能够到达的数值如下（胡乱猜，不负责）：


1. 前方： 1 ~ 0.1 平方米 代表优良；


            0.1 ~ 0.01 平方米 代表特优；


            0.01 ~ 0.001 平方米 是极限优良；


            < 0.001 平方米 不可能；


2. 下方： 0.5 ~ 0.1 平方米；


3. 侧面： 1 平方米 左右；


4. 尾部： 5 平方米 左右；


3. 上方： 5 ~ 10 平方米。


 


YST记得「汉和防务评论」的主编平可夫曾经和读者打赌（不知为了什么），说如果中国能在2020年前造出隐形战机他就关闭「汉和」网路上的中文部。后来他怕中国真的在2020年前造出隐形战机，于是他为隐形战机加了一个资格形容词，他说所谓的「隐形战机」就是要像美国的F-22，正前方的RCS要小于0.00001平方米。 YST不记得到底有五个０还是四个０，但确信至少有四个０。


 


YST 非常惊讶一个军事杂志的主编和资深军事记者居然会说出如此没有常识的话。这也许是一句气话，不过以他的身分是不能说气话的，因为这是他的职业，应该遵守职业道德。


 


F-22正前方的RCS小于0.00001平方米是绝对不可能的，连小于0.001平方米都不可能。


 


YST 不能确定平可夫是否受过科学训练，不过无论如何，平可夫应该是一位交游广阔、消息极为灵通的人士，犯错误是可以的，但是这个打赌也错得太离谱了，属于没有常识，这可是会影响名誉的，「汉和防务评论」还要不要卖了？


 


平可夫迷信和神话美国军事到这种地步令人难以置信，它告诉我们文章不可轻信，即使作者是有头有脸的名人。


 


 


（未完待续）                               http://www.51zxw.net/study.asp?vip=2825496