论文部分内容阅读
美国F-22隐身战斗机进驻日本冲绳，隐身轰炸机B-2也可驻扎关岛。对隐身飞机作战问题的热烈讨论，带热了一个词——飞机雷达截面积。
雷达截面积是个人为的参数，牵涉因素很多，而且因为它关系到飞机作战效能，因此所有国家都不会公开自己飞机的精确数值，或发表一些模糊的误导宣传值，所以人们从报刊或正式文献上看到的数据差别很大。本文将粗略地谈一谈有关这个参数的问题。
雷达截面积(RCS)是什么参数?
隐身飞机要尽量减少其向外辐射并能为外界感知的特征信息，所以隐身技术应包括雷达隐身、光学隐身(可见光、激光和红外线等)和声学隐身等方面。最被重视的是雷达隐身．因为雷达是目前远距离发现飞机的主要设备。雷达对不同飞机的发现距离不同，除雷达本身及环境因素外，与飞机关系很大。而飞机外形十分复杂，大小不一。为便于对比，所以建立了一个人为的参数，称为“雷达截面积”(Radar Cross Section简称RCS)，也可称为雷达切面。本来测量或计算出的飞机对雷达波的反射强弱是用电磁学单位，即分贝平方米(dbsm)表示，有时只用分贝(db)表示。为了让人更好理解，很多资料改用平方米(米2)表示。有人通俗解释为，它表示飞机对雷达波的反射能力相当于多少平方米面积的垂直金属平板。这个解释是否精确存在争议。至于分贝平方米与平方米的关系，有一个通用的数学公式：分贝平方米=10×log平方米。
外界雷达可以从飞机四面八方照射，方位有360°，俯仰照射也是360°。不同角度照射时，飞机的RCS都不同。如果每1°测量一次，飞机的RCS就应该有360×360即129 600个数值。但到目前为止，似乎还没有人进行过这样精密的测试或计算，一般只有平面的(俯仰照射角可限制在0～30°之内)数值。不同俯仰角照射数据更少，往往只限于飞机正上方或正下方。
平面的RCS值一般又分前方(或称迎头)、侧方和后方(或称后向)三大类。而前方的RCS可以是真正0°的数值或前方±30°、±45°的平均值。同一架飞机这三种算法所得结果差别很大。一般资料往往不给出是什么计算条件下的数值，但多指后两种。侧方和后方RCS值也是同样情况。有些资料出于宣传目的，只用某方向1°的RCS值。从本文后面给出的实测数据就可以看出其中奥妙。
飞机RCS与雷达波长有一定关系。同一架飞机．对于波长较长的雷达，其RCS值就会稍大一些，但两者并不定是线性关系。例如某型飞机对X波段雷达(波长3.2厘米)水平极化，前方±45°平均RCS是0．4米2而对L波段雷达(波长23厘米)，RCS增大到0.8米2。
更为复杂的是，在试验室内或室外，一部雷达对同一种飞机测量RCS值时重复性差，这表明RCS是一个随机变数，需要测量很多次再用统计方式表达。当然，实际上测量次数也不可能太多，否则科研费承受不了。所以飞机的RCS值并非一个十分精确的参数，变化幅度有可能达到0．5甚至1米2。而对于计算机模拟作战来说，有双方飞机的较全面的RCS数值是很必要的。
与RCS有关的主要因素
飞机的RCS值是由飞机上许多散射中心或称局部散射源决定的。这些散射源分布在飞机机体的各部分，是一个三维的分布。如要减少RCS，必须将各散射源弄清楚，先着手改进最强的反射源。飞机主要散射源有五种。
镜面反射——如机身侧面、外挂架、垂直尾翼等产生的反射；
边缘散射——飞机表面不连续处引起的散射，如机身机翼及尾翼的连接处以及翼面前后缘等；
尖顶散射——如机头前端、空速管、副油箱前端等处引起的散射：
凹腔体散射——主要为座舱、进气道、尾喷管等处产生的很强的散射；
蠕动波散射——入射波经过物体后部又传播到前面来形成的散射，各种外挂物可能对一定波长的雷达产生这种散射。
此外还有飞机表面各种不连续处，例如飞机上各检查口盖边缘。即使其表面对气流来说是光滑过渡，但由于介质不同，导电性能不同或有缝隙，都会产生散射。
当然飞机的几何尺寸大小是一个基本的决定因素，尺寸越大RCS也越大。如果飞机外露的物体尺寸与雷达波波长相近或者是雷达波长的倍数，都可能会形成一个强散射源。所以隐身飞机外面一般都没有什么外露物体，更没有现役飞机那些猫耳朵式的小进气口。
根据测试，现代新式战斗机各散射源对前方RCS的“贡献”比例约为：各种平面10％～20％；进气道15％～25％；翼面前缘35％～45％；座舱10％～25％。当然，这种影响大小与各部分的位置、尺寸、设计考虑以及是否采用降身技术有关。般来说，翼面前缘、进气口(含进气道)和座舱是需要特别关注的部位。
RCS的测试及表达方法
飞机RCS的测定可以用直接测量方法，也可以用理论计算方法。前者还可分为两种：直接用飞机进行室外测量和电磁波暗室测量。关键在于是否有合适的测试设备和手段。
当然，也可用几何外形相似的模型来进行测试，但最好是和飞机一样大小的1：1比例模型，否则要考虑“比例效应”。例如拟测试10厘米波长雷达的飞机RCS，模型只有原飞机一半大小，则测试要用5厘米波长雷达。所以当模型太小时，例如1：10，如模拟3厘米波长雷达，试验时要用0．3厘米波长雷达。这种雷达不好找，就不好进行测试。当然，实在没有合适的雷达，将测试结果作理论修正也是可以的。
与此同时，模型表面反射雷达波的特性要与飞机相同或很相近。所以木制模型外表要贴金属片。另外测试所用模型可分用和不用雷达吸波涂料两种，这就可以知道用或不用涂料的效果。如果要模拟的飞机除使用吸波材料外还用雷达吸波结构(RAS)，则模型的制造就更复杂了。例如B-2飞机的机翼前缘除表面有吸波材料外，内部为吸波锯齿形结构。一般遇到这情况只好不模拟雷达吸波结构的作用，所得数值还要进行这方面的人工修正。
没有条件测试RCS时．也可用计算方法求得。根据目标尺寸与雷达波长的关系，通常分为三个区：低频区、谐振区和高频区。目标在各区的雷达波反射特性不同。现代飞机受到的主要威胁是厘米波雷达，因此应关注飞机在高频区的RCS数值。目标在高频区的雷达散射特点是散射的独立性和局部性，即可以忽略各部分散射的相互作用。这一特点为飞行器等复杂目标RCS的计算提供了方便，即可以先进行各部分单独计算．再求其总值。目前，几何光学法(GO)、物理光学法(PO)、几何绕射理论(GTD)、物理绕 射理论(PTD)和等效电磁流法(MEC)等高频分析方法已发展得比较成熟。其中几何光学法和物理光学法是最常用的方法，计算结果与实测结果相当一致。
美国在研制F-117前即已发展出一套计算方法，到设计B-2时更为完善。苏联也有自己的计算法。近年俄罗斯研发出种计算复杂形状物体电磁波散射的数学工具。例如对具有全部外挂导弹武器的苏－35，将其分解为局部的小型反射体，同时考虑电磁波的边缘绕射和表面电流，即可求出苏－35全机的RCS值。
我国还有一种计算方法是“经验统计法”。该方法是选出几种影响RCS最重要的强反射源，用统计估算方法求出各反射源的相应数值，来得出飞机的总RCS。其中应用了一些相关经验系数。如果掌握的不同飞机的确切RCS值更多一些，用该方法估算出的结果可以更准确一些。不过该方法只能求出飞机前方、侧方和后方的近似平均值。
测出飞机的RCS后表示方法有三种，即极坐标法、直角坐标法和表格法。如果把飞机作为一个点来考虑，它的RCS值只用前方、侧方和后方各一个数字表达即可。但实际上该方式不够全面。较科学的表示方法是用飞机作中心的极坐标图。在俯仰角变化不大的条件下，不同照射方位角的RCS值可以清晰地表示出来(图1)。如果俯仰角改变不大．这种极坐标图随俯仰角改变而引起的变化很小。但很多时候，为简便起见用普通直角坐标表示，横坐标表示照射方位角，纵坐标表示RCS(图2)。此外也可以用表格的方法来表示。
实际上常见的资料只给一个数字，也不附加其它说明。一般理解，这是飞机前方RCS值。但到底是前方一定角度的平均值或某一点的特定值，就只好靠猜想了。
从图1可以看出，如果只取一点的RCS值，例如用前方48°的RCS值6db－sm(4米2来代表F／A-18C战斗机前方RCS值并没有多大意义。但也确有这个数字。如用前方±30°平均值，该型飞机的RCS约为9dbsmc(7.9米2。所以较实际的表达应该用一定角度范围平均值。
图2对某型飞航式武器RCS值测试结果用直角坐标表示。从曲线可以看到，这型武器的前方 30°的平均RCS值约为-15dbsm，即0.03米2。
RCS值对作战效能的影响
隐身飞机遂行对地攻击任务效果很好，因为对方雷达发现距离大大缩短，往往可达到突袭的功效。但雷达发现飞机的距离与RCS的1／4次方成比例。即将飞机的RCS降低90％后，雷达对它的发现距离只降低44％。即使将RCS降低99％，例如RCS原为10米2的飞机，通过隐身技术减少到01米2，雷达发现距离也只减少68％，即原来发现距离是100千米，现在则是32千米。所以隐身技术只能减少飞机一半或3／4的被雷达发现距离，其作用也不宜估计过高。
不过在设计飞机时贯彻隐身概念，尽可能结合隐身要求来考虑则是可行和值得的。目前各国对现役飞机进行“准隐身”的改进很普遍，一般不需要改动飞机结构，主要是在座舱盖、翼面前缘、进气口、进气道等处下功夫。
另一方面，现代防空系统中用光学、声学探测目标的设备正在发展，雷达的组网和双基雷达的使用已脱离理论阶段，被动式雷达已在不少国家服役。所以为对抗隐身飞机，各国技术部门都在暗暗使劲。
在空战方面，隐身性能只对超视距作战起作用，双方接近到目视距离就不灵了。所以隐身飞机RCS的降低必须达到一定值，使得对方飞机雷达的发现距离减少到飞行员对空中战斗机平均有效视距以内(10～15千米)，这样才能充分发挥隐身的威力。
在实际作战中，隐身飞机也要考虑很多具体战术问题。例如美国已决定将F-117全部退役，说明该机对波长较长的地面警戒雷达效果还不太好。飞机的RCS在垂直机翼前缘方向有一个强峰值，即约前方±60°处峰值RCS高达20dbsm(100)米2)。即使在峰值附近约±10°处，平均值也达到约0dbsm(1米2)。因此它必须在出／返航过程中通过航线安排来避免将此峰值对准敌防空雷达。在对南斯拉夫作战时，F-117是通过一种地面任务规划系统来实现这要求的，因此它的飞行路线比较呆板，并且要确保飞行环境周围的雷达位置已知(在没有电子干扰机伴随支援的情况下)，而且还寄希望于对方雷达没有新的变化。B-2则通过机载电子侦察系统和威胁规避系统实现这点。F－22和F-35都具有机载实时任务规划能力。因此避开地面雷达的关键技术是机上具有能计算对方起威胁作用的雷达探测包络的机载软件，并能用其确定飞机的规避航线。这种软件高度敏感，因为从中可分析出怎样才能探测到隐身飞机。这是美国坚持不向外国提供飞机作战软件源代码的重要原因之一。
［编辑／秦蓁]
【注1】工程上常用一些参量来表征天线用作发射或接收的特性，它们是方向图，主瓣电平，增益，极化，频带宽度，驻波比，噪声温度等。电磁波的极化形式可分为线极化波和圆极化波，线极化波又可分为水平极化和垂直极化波，当馈源采用矩形波导时，其极化方向由波导口的方向确定。波导口窄边与地平面平行为水平极化，宽边与地平面平行为垂直极化。
雷达截面积是个人为的参数，牵涉因素很多，而且因为它关系到飞机作战效能，因此所有国家都不会公开自己飞机的精确数值，或发表一些模糊的误导宣传值，所以人们从报刊或正式文献上看到的数据差别很大。本文将粗略地谈一谈有关这个参数的问题。
雷达截面积(RCS)是什么参数?
隐身飞机要尽量减少其向外辐射并能为外界感知的特征信息，所以隐身技术应包括雷达隐身、光学隐身(可见光、激光和红外线等)和声学隐身等方面。最被重视的是雷达隐身．因为雷达是目前远距离发现飞机的主要设备。雷达对不同飞机的发现距离不同，除雷达本身及环境因素外，与飞机关系很大。而飞机外形十分复杂，大小不一。为便于对比，所以建立了一个人为的参数，称为“雷达截面积”(Radar Cross Section简称RCS)，也可称为雷达切面。本来测量或计算出的飞机对雷达波的反射强弱是用电磁学单位，即分贝平方米(dbsm)表示，有时只用分贝(db)表示。为了让人更好理解，很多资料改用平方米(米2)表示。有人通俗解释为，它表示飞机对雷达波的反射能力相当于多少平方米面积的垂直金属平板。这个解释是否精确存在争议。至于分贝平方米与平方米的关系，有一个通用的数学公式：分贝平方米=10×log平方米。
外界雷达可以从飞机四面八方照射，方位有360°，俯仰照射也是360°。不同角度照射时，飞机的RCS都不同。如果每1°测量一次，飞机的RCS就应该有360×360即129 600个数值。但到目前为止，似乎还没有人进行过这样精密的测试或计算，一般只有平面的(俯仰照射角可限制在0～30°之内)数值。不同俯仰角照射数据更少，往往只限于飞机正上方或正下方。
平面的RCS值一般又分前方(或称迎头)、侧方和后方(或称后向)三大类。而前方的RCS可以是真正0°的数值或前方±30°、±45°的平均值。同一架飞机这三种算法所得结果差别很大。一般资料往往不给出是什么计算条件下的数值，但多指后两种。侧方和后方RCS值也是同样情况。有些资料出于宣传目的，只用某方向1°的RCS值。从本文后面给出的实测数据就可以看出其中奥妙。
飞机RCS与雷达波长有一定关系。同一架飞机．对于波长较长的雷达，其RCS值就会稍大一些，但两者并不定是线性关系。例如某型飞机对X波段雷达(波长3.2厘米)水平极化，前方±45°平均RCS是0．4米2而对L波段雷达(波长23厘米)，RCS增大到0.8米2。
更为复杂的是，在试验室内或室外，一部雷达对同一种飞机测量RCS值时重复性差，这表明RCS是一个随机变数，需要测量很多次再用统计方式表达。当然，实际上测量次数也不可能太多，否则科研费承受不了。所以飞机的RCS值并非一个十分精确的参数，变化幅度有可能达到0．5甚至1米2。而对于计算机模拟作战来说，有双方飞机的较全面的RCS数值是很必要的。
与RCS有关的主要因素
飞机的RCS值是由飞机上许多散射中心或称局部散射源决定的。这些散射源分布在飞机机体的各部分，是一个三维的分布。如要减少RCS，必须将各散射源弄清楚，先着手改进最强的反射源。飞机主要散射源有五种。
镜面反射——如机身侧面、外挂架、垂直尾翼等产生的反射；
边缘散射——飞机表面不连续处引起的散射，如机身机翼及尾翼的连接处以及翼面前后缘等；
尖顶散射——如机头前端、空速管、副油箱前端等处引起的散射：
凹腔体散射——主要为座舱、进气道、尾喷管等处产生的很强的散射；
蠕动波散射——入射波经过物体后部又传播到前面来形成的散射，各种外挂物可能对一定波长的雷达产生这种散射。
此外还有飞机表面各种不连续处，例如飞机上各检查口盖边缘。即使其表面对气流来说是光滑过渡，但由于介质不同，导电性能不同或有缝隙，都会产生散射。
当然飞机的几何尺寸大小是一个基本的决定因素，尺寸越大RCS也越大。如果飞机外露的物体尺寸与雷达波波长相近或者是雷达波长的倍数，都可能会形成一个强散射源。所以隐身飞机外面一般都没有什么外露物体，更没有现役飞机那些猫耳朵式的小进气口。
根据测试，现代新式战斗机各散射源对前方RCS的“贡献”比例约为：各种平面10％～20％；进气道15％～25％；翼面前缘35％～45％；座舱10％～25％。当然，这种影响大小与各部分的位置、尺寸、设计考虑以及是否采用降身技术有关。般来说，翼面前缘、进气口(含进气道)和座舱是需要特别关注的部位。
RCS的测试及表达方法
飞机RCS的测定可以用直接测量方法，也可以用理论计算方法。前者还可分为两种：直接用飞机进行室外测量和电磁波暗室测量。关键在于是否有合适的测试设备和手段。
当然，也可用几何外形相似的模型来进行测试，但最好是和飞机一样大小的1：1比例模型，否则要考虑“比例效应”。例如拟测试10厘米波长雷达的飞机RCS，模型只有原飞机一半大小，则测试要用5厘米波长雷达。所以当模型太小时，例如1：10，如模拟3厘米波长雷达，试验时要用0．3厘米波长雷达。这种雷达不好找，就不好进行测试。当然，实在没有合适的雷达，将测试结果作理论修正也是可以的。
与此同时，模型表面反射雷达波的特性要与飞机相同或很相近。所以木制模型外表要贴金属片。另外测试所用模型可分用和不用雷达吸波涂料两种，这就可以知道用或不用涂料的效果。如果要模拟的飞机除使用吸波材料外还用雷达吸波结构(RAS)，则模型的制造就更复杂了。例如B-2飞机的机翼前缘除表面有吸波材料外，内部为吸波锯齿形结构。一般遇到这情况只好不模拟雷达吸波结构的作用，所得数值还要进行这方面的人工修正。
没有条件测试RCS时．也可用计算方法求得。根据目标尺寸与雷达波长的关系，通常分为三个区：低频区、谐振区和高频区。目标在各区的雷达波反射特性不同。现代飞机受到的主要威胁是厘米波雷达，因此应关注飞机在高频区的RCS数值。目标在高频区的雷达散射特点是散射的独立性和局部性，即可以忽略各部分散射的相互作用。这一特点为飞行器等复杂目标RCS的计算提供了方便，即可以先进行各部分单独计算．再求其总值。目前，几何光学法(GO)、物理光学法(PO)、几何绕射理论(GTD)、物理绕 射理论(PTD)和等效电磁流法(MEC)等高频分析方法已发展得比较成熟。其中几何光学法和物理光学法是最常用的方法，计算结果与实测结果相当一致。
美国在研制F-117前即已发展出一套计算方法，到设计B-2时更为完善。苏联也有自己的计算法。近年俄罗斯研发出种计算复杂形状物体电磁波散射的数学工具。例如对具有全部外挂导弹武器的苏－35，将其分解为局部的小型反射体，同时考虑电磁波的边缘绕射和表面电流，即可求出苏－35全机的RCS值。
我国还有一种计算方法是“经验统计法”。该方法是选出几种影响RCS最重要的强反射源，用统计估算方法求出各反射源的相应数值，来得出飞机的总RCS。其中应用了一些相关经验系数。如果掌握的不同飞机的确切RCS值更多一些，用该方法估算出的结果可以更准确一些。不过该方法只能求出飞机前方、侧方和后方的近似平均值。
测出飞机的RCS后表示方法有三种，即极坐标法、直角坐标法和表格法。如果把飞机作为一个点来考虑，它的RCS值只用前方、侧方和后方各一个数字表达即可。但实际上该方式不够全面。较科学的表示方法是用飞机作中心的极坐标图。在俯仰角变化不大的条件下，不同照射方位角的RCS值可以清晰地表示出来(图1)。如果俯仰角改变不大．这种极坐标图随俯仰角改变而引起的变化很小。但很多时候，为简便起见用普通直角坐标表示，横坐标表示照射方位角，纵坐标表示RCS(图2)。此外也可以用表格的方法来表示。
实际上常见的资料只给一个数字，也不附加其它说明。一般理解，这是飞机前方RCS值。但到底是前方一定角度的平均值或某一点的特定值，就只好靠猜想了。
从图1可以看出，如果只取一点的RCS值，例如用前方48°的RCS值6db－sm(4米2来代表F／A-18C战斗机前方RCS值并没有多大意义。但也确有这个数字。如用前方±30°平均值，该型飞机的RCS约为9dbsmc(7.9米2。所以较实际的表达应该用一定角度范围平均值。
图2对某型飞航式武器RCS值测试结果用直角坐标表示。从曲线可以看到，这型武器的前方 30°的平均RCS值约为-15dbsm，即0.03米2。
RCS值对作战效能的影响
隐身飞机遂行对地攻击任务效果很好，因为对方雷达发现距离大大缩短，往往可达到突袭的功效。但雷达发现飞机的距离与RCS的1／4次方成比例。即将飞机的RCS降低90％后，雷达对它的发现距离只降低44％。即使将RCS降低99％，例如RCS原为10米2的飞机，通过隐身技术减少到01米2，雷达发现距离也只减少68％，即原来发现距离是100千米，现在则是32千米。所以隐身技术只能减少飞机一半或3／4的被雷达发现距离，其作用也不宜估计过高。
不过在设计飞机时贯彻隐身概念，尽可能结合隐身要求来考虑则是可行和值得的。目前各国对现役飞机进行“准隐身”的改进很普遍，一般不需要改动飞机结构，主要是在座舱盖、翼面前缘、进气口、进气道等处下功夫。
另一方面，现代防空系统中用光学、声学探测目标的设备正在发展，雷达的组网和双基雷达的使用已脱离理论阶段，被动式雷达已在不少国家服役。所以为对抗隐身飞机，各国技术部门都在暗暗使劲。
在空战方面，隐身性能只对超视距作战起作用，双方接近到目视距离就不灵了。所以隐身飞机RCS的降低必须达到一定值，使得对方飞机雷达的发现距离减少到飞行员对空中战斗机平均有效视距以内(10～15千米)，这样才能充分发挥隐身的威力。
在实际作战中，隐身飞机也要考虑很多具体战术问题。例如美国已决定将F-117全部退役，说明该机对波长较长的地面警戒雷达效果还不太好。飞机的RCS在垂直机翼前缘方向有一个强峰值，即约前方±60°处峰值RCS高达20dbsm(100)米2)。即使在峰值附近约±10°处，平均值也达到约0dbsm(1米2)。因此它必须在出／返航过程中通过航线安排来避免将此峰值对准敌防空雷达。在对南斯拉夫作战时，F-117是通过一种地面任务规划系统来实现这要求的，因此它的飞行路线比较呆板，并且要确保飞行环境周围的雷达位置已知(在没有电子干扰机伴随支援的情况下)，而且还寄希望于对方雷达没有新的变化。B-2则通过机载电子侦察系统和威胁规避系统实现这点。F－22和F-35都具有机载实时任务规划能力。因此避开地面雷达的关键技术是机上具有能计算对方起威胁作用的雷达探测包络的机载软件，并能用其确定飞机的规避航线。这种软件高度敏感，因为从中可分析出怎样才能探测到隐身飞机。这是美国坚持不向外国提供飞机作战软件源代码的重要原因之一。
［编辑／秦蓁]
【注1】工程上常用一些参量来表征天线用作发射或接收的特性，它们是方向图，主瓣电平，增益，极化，频带宽度，驻波比，噪声温度等。电磁波的极化形式可分为线极化波和圆极化波，线极化波又可分为水平极化和垂直极化波，当馈源采用矩形波导时，其极化方向由波导口的方向确定。波导口窄边与地平面平行为水平极化，宽边与地平面平行为垂直极化。