隱身技術(shù)發(fā)展歷程

隱身技術(shù)是對目標(biāo)的特征信號(hào)進(jìn)行有效控制或抑制的技術(shù)，也稱低可觀測技術(shù)（LO技術(shù)）。隱身的根本目的就是降低目標(biāo)的可探測性，以提高目標(biāo)的生存能力，從而提高目標(biāo)的綜合作戰(zhàn)效能。目標(biāo)的可探測性通常指武器系統(tǒng)的輻射能量被防御武器系統(tǒng)探測、捕獲、跟蹤，并用于將導(dǎo)彈導(dǎo)向目標(biāo)。這些輻射特征包括雷達(dá)、紅外、光學(xué)和聲響特征等，還包括偶然和必然的電磁輻射。目前各種武器平臺(tái)針對探測器可能出現(xiàn)的可探測頻譜及目標(biāo)特征信號(hào)如下圖所示。

對飛行器而言，其面臨的探測威脅主要由雷達(dá)、紅外等。飛行器的隱身設(shè)計(jì)是個(gè)“木桶效應(yīng)”，如只重視雷達(dá)隱身，性能要求提的非常高，紅外隱身性能沒有提出要求或相對較差，將導(dǎo)致紅外探測器很早發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

隱身的概念是在不讓敵軍發(fā)現(xiàn)友軍存在的情況下進(jìn)行行動(dòng)或隱藏。這個(gè)概念首先是通過偽裝來探索的，以使物體的外觀融入視覺背景。偽裝自古就為兵家所重視�！秾O子兵法》指出:“兵者，道也。故能而示之不能，用而示之不用，近而示之遠(yuǎn)，遠(yuǎn)而示之近�！边@是關(guān)于在戰(zhàn)爭中如何運(yùn)用偽裝的最早論述。
追根溯源，現(xiàn)代隱身技術(shù)首先應(yīng)用于航空領(lǐng)域。1913 年，美國作戰(zhàn)部進(jìn)行了幾次研究試驗(yàn)，打算用以評(píng)價(jià)建造一種用肉眼看不到的飛機(jī)的可行性，飛機(jī)機(jī)翼用“一種部分為賽璐璐的半透明材料”制造。1914 年，《飛機(jī)雜志》報(bào)道過類似的試驗(yàn)�！爸挥袡C(jī)體隱約可見。隱約的機(jī)體以及馬達(dá)、飛行員和乘員展現(xiàn)的輪廓如此之小，以至在今天飛機(jī)的飛行速度下，槍炮要精確地瞄準(zhǔn)幾乎變得不可能了�！钡谝淮问澜绱髴�(zhàn)期間，德國人嘗試使用Cellon（醋酸纖維素）這種透明覆蓋材料，試圖降低軍用飛機(jī)的能見度。�？� E.III Eindecker單翼戰(zhàn)斗機(jī)、Albatros CI兩座觀察雙翼飛機(jī)和Linke-Hofmann RI原型重型轟炸機(jī)的均采用Cellon進(jìn)行覆蓋。設(shè)計(jì)師希望穿過透明外蒙皮的光線將使德國飛機(jī)在遠(yuǎn)距離上幾乎無法察覺。早期的測試表明，這種革命性的透明材料實(shí)際使飛機(jī)更加可見——蒙皮的光學(xué)特性反射了陽光。此外，這種透明材料還被發(fā)現(xiàn)會(huì)因陽光和飛行中溫度變化而迅速降解，該項(xiàng)目被無限期擱置。Cellon覆蓋的�？藛我盹w機(jī)如下圖所示。

有趣的是，同時(shí)期俄羅斯空軍工程學(xué)院的設(shè)計(jì)師尼古拉·茹科夫斯基也設(shè)計(jì)了一種“隱形” 雅科夫列夫 AIR-3單翼飛機(jī)（如下圖所示），也采用透明蒙皮。雖然這種材料為飛行員提供了更廣闊的視野，但工程師發(fā)現(xiàn)閃亮涂層的反射使飛機(jī)在明亮的日光條件下高度可見。


1916年，英國改裝了一艘小型SS級(jí)飛艇，用于對西線德軍防線進(jìn)行夜間偵察。該飛行器配備了靜音發(fā)動(dòng)機(jī)和黑色氣囊，從地面上看去既看不見又聽不見，但在德國控制的領(lǐng)土上空進(jìn)行的幾次夜間飛行幾乎沒有產(chǎn)生任何有用的情報(bào)，因此這個(gè)想法被放棄了。

隨著第二次世界大戰(zhàn)雷達(dá)的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)一種革命性的雷達(dá)技術(shù)無法探測到的戰(zhàn)機(jī)競賽開始了。英國飛機(jī)設(shè)計(jì)師憑借德哈維蘭 DH.98 蚊式戰(zhàn)斗機(jī)（如下圖）取得了早期領(lǐng)先。這款雙引擎戰(zhàn)斗機(jī)于 1941 年推出，其機(jī)身由雷達(dá)吸收膠合板制成。雖然從一開始就沒有專門設(shè)計(jì)為隱形的，但該飛機(jī)的低特征以及近 600 公里/小時(shí)的最高速度使其成為雷達(dá)操作員難以跟蹤的目標(biāo)。

第一架為躲避雷達(dá)而設(shè)計(jì)的飛機(jī)為德國的Horten Ho-229（如下圖所示），它是由德國空軍一個(gè)絕密計(jì)劃研制的，其外形與 B-2隱身飛機(jī)頗相似。從噴氣轟炸機(jī)革命性的扁平飛翼設(shè)計(jì)、沒有垂直尾翼到木框鑲板和木炭膠涂層，一切都據(jù)說是為了使盟軍傳感器無法檢測到飛機(jī)而設(shè)計(jì)的。盡管Ho-229于1944 年 3 月首次飛上天空，并立即獲得40 架的訂購計(jì)劃，但在第三帝國崩潰之前只生產(chǎn)了三架。戰(zhàn)爭結(jié)束時(shí)，美國特工意識(shí)到這種全新飛機(jī)的存在，立即沖進(jìn)德國市中心，在原型機(jī)被蘇聯(lián)俘獲之前將其走私出去。戰(zhàn)后數(shù)十年，諾斯羅普的工程師據(jù)說研究了幸存的 Ho-229，它的設(shè)計(jì)為B-2 隱形轟炸機(jī)的開發(fā)提供了信息。


第二次世界大戰(zhàn)期間，德國在其潛艇的通氣管上涂上了雷達(dá)吸收涂料，以使其不易被盟軍反潛飛機(jī)攜帶的雷達(dá)發(fā)現(xiàn)。德軍設(shè)計(jì)飛翼式噴氣試驗(yàn)機(jī)和在潛艇上使用吸波材料，是今天雷達(dá)隱身技術(shù)中隱身外形和隱身材料技術(shù)的首次應(yīng)用，這些都是早期的隱身技術(shù)的運(yùn)用。
1945年美國研制出RADAR含鐵吸水涂料。它能夠使飛機(jī)減少雷達(dá)反射，但很重；這種被稱為 MX-410的材料的多層涂層可能會(huì)使飛機(jī)變得笨重，甚至太重而無法飛行。然而，隱形發(fā)展在戰(zhàn)后幾年仍在繼續(xù)。特別是這段時(shí)期杰克·諾斯羅普 (Jack Northrop) 設(shè)計(jì)了YB-49 飛機(jī)（如下圖所示），它具有光滑的表面和圓形邊緣，但沒有尾翼。在雷達(dá)屏幕上產(chǎn)生的圖像相對較小，但當(dāng)時(shí)并沒有引起太大興趣，YB-49 于 1949 年被取消。

在 20 世紀(jì) 60 年代，一篇不起眼的論文《衍射物理理論中的邊緣波方法》（Method of Edge Waves in the Physical Theory of Diffraction）中，俄羅斯物理學(xué)家彼得·烏菲姆采夫 (Pyotr Ufimtsev) 提出一個(gè)模型，用于預(yù)測電磁波（例如雷達(dá)）在2D 和 3D 表面如何散射，該模型可以計(jì)算從平坦表面反射的電磁波并用于估計(jì)雷達(dá)的回波。該論文提出的創(chuàng)新的方程式以預(yù)測幾何形狀的雷達(dá)反射率，后來被美國人稱之為“帶來隱身技術(shù)突破的魔法石”。他的發(fā)現(xiàn)被所有人忽視，包括俄羅斯人。直到美國國防承包商洛克希德公司注意到這一點(diǎn)并將他的作品翻譯成英文，該理論在美國隱形飛機(jī) F-117 和 B-2 的設(shè)計(jì)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。烏菲姆采夫的工作成為現(xiàn)代隱形技術(shù)的基礎(chǔ)，他也被稱為俄羅斯隱形技術(shù)之父。


20世紀(jì)60年代，世界各國開始部署綜合防空系統(tǒng)。地基和空基雷達(dá)與指揮控制系統(tǒng)相連，指揮控制系統(tǒng)反過來可以向地對空導(dǎo)彈連和空軍基地發(fā)出戰(zhàn)斗機(jī)準(zhǔn)備起飛的命令。在越南、中東和西歐，這種緊密的整合有望摧毀任何試圖突破的轟炸機(jī)部隊(duì)。盡管美式飛機(jī)擁有逼近極限的飛行性能和強(qiáng)大的電子對抗措施，仍然在越南和中東戰(zhàn)場上吃盡了薩姆-2、米格-21的苦頭。

在采用降低特征信號(hào)以提高飛機(jī)生存能力的強(qiáng)烈需求推動(dòng)下，提出了研制以降低雷達(dá)截面為主要目標(biāo)的、實(shí)用的、真正的隱身飛機(jī)的要求。為此美國航空工業(yè)從70年代開始秘密研究“隱身”設(shè)計(jì)，依靠機(jī)體的特殊外形偏轉(zhuǎn)或者吸收入射雷達(dá)波，盡量降低雷達(dá)反射信號(hào)的強(qiáng)度，進(jìn)而大幅降低敵方雷達(dá)的截獲概率和探測距離，從源頭上降低導(dǎo)彈的攔截效能。最初的研發(fā)團(tuán)隊(duì)沒有洛克希德公司，該公司領(lǐng)導(dǎo)層從五角大樓探聽到隱身計(jì)劃的消息后正式向DARPA提出要參與項(xiàng)目，中情局也批準(zhǔn)“臭鼬工廠”可以和DARPA討論“黑鳥”項(xiàng)目所涉及的隱身技術(shù)。DARPA最初拒絕了洛克希德的請求，因?yàn)轫?xiàng)目資金不足，在多次交涉后洛克希德終于被批準(zhǔn)自費(fèi)入局。差不多在同一時(shí)間，正在研究隱身設(shè)計(jì)問題的“臭鼬工廠”數(shù)學(xué)家和雷達(dá)專家Denys Overholser碰巧從資料庫中翻出一份彼得·烏菲姆采夫被埋沒多年的論文《物理衍射理論中的邊緣波行為》，當(dāng)時(shí)美國空軍外國技術(shù)部剛剛把它翻譯成英文。當(dāng)時(shí)，蘇聯(lián)沒有超級(jí)計(jì)算機(jī)能力來求解文章中提到的方程。洛克希德公司在計(jì)算機(jī)模擬中應(yīng)用了這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新穎的形狀，他們稱之為“無望鉆石”（這個(gè)名字來自世界上現(xiàn)存最大的藍(lán)色鉆石 “Hope Diamond - 希望鉆石”，因?yàn)閷?shí)在不像能飛起來的樣子而被說了反話），由“臭鼬工廠”時(shí)任董事長本·里奇設(shè)計(jì)。

最終帶資入組的洛克希德公司笑到最后，贏得了合同，在此基礎(chǔ)上研制了世界第一款全隱身技術(shù)的戰(zhàn)機(jī)F-117A，也即第一代隱身飛機(jī)。1989 年 12 月，美國將 F-117 戰(zhàn)斗機(jī)投入到入侵巴拿馬的實(shí)戰(zhàn)中，引起了世人的廣泛關(guān)注。1991年1月，F(xiàn)-117 在海灣戰(zhàn)爭中雄風(fēng)再現(xiàn)、名聲大震，為隱身技術(shù)榮登寶座提供了難得的機(jī)遇。美國在海灣部署了43架F-117A隱身飛機(jī)，出動(dòng)了1270 架次，攻擊了伊拉克40%的戰(zhàn)略目標(biāo)。


美國空軍1981年開始發(fā)展第二代隱身飛機(jī)-B-2隱身轟炸機(jī)的研制。B-2 隱身轟炸機(jī)作為一種世界上最先進(jìn)的、具備全球作戰(zhàn)能力的極其有力的武器，自1995年試飛圓滿結(jié)束以后已于1997 年在美國空軍投入使用。2000年有21架B-2飛機(jī)進(jìn)入服役狀態(tài)。

美國的三代隱身飛機(jī)的特點(diǎn)和雷達(dá)截面大小如下圖所示。

此外F-16CF/A-18C/DB-1B 等也采用了部分隱身技術(shù)隱身技術(shù)還推廣到各種導(dǎo)彈直升機(jī)無人機(jī)水面艦艇當(dāng)中。潛艇的噪聲以每10年降低10~20dB 的度下降世界上最好的核潛艇的噪聲已經(jīng)降低到90~100dB低于海洋環(huán)境噪聲。在第一、第二代隱身飛機(jī)多次參加軍事行動(dòng)并取得顯著戰(zhàn)果后，20 世紀(jì)90 年代，美國開始研制第三代隱身飛機(jī)。同時(shí)，隱身技術(shù)開始向?qū)�彈、艦艇、直升機(jī)、戰(zhàn)車，甚至彈藥、地面設(shè)備等領(lǐng)域推廣和移植。美國空軍于 20 世紀(jì)80年代開始設(shè)計(jì)F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機(jī)，1993 年開始研制“聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)”它們都屬于第三代隱身飛機(jī)。


據(jù)報(bào)道，美國空軍發(fā)布了一份針對下一代隱身戰(zhàn)斗機(jī)（NGAD）平臺(tái)的工程與制造開發(fā)合同的招標(biāo)書，計(jì)劃將于2024年正式授予合同。該項(xiàng)目將用一種與無人機(jī)并肩作戰(zhàn)的戰(zhàn)斗機(jī)取代洛克希德·馬丁公司的F-22“猛禽”第五代隱身戰(zhàn)斗機(jī)。NGAD戰(zhàn)斗機(jī)將使反空中任務(wù)同時(shí)具備打擊空中和地面威脅的能力，以實(shí)現(xiàn)空中優(yōu)勢并支援聯(lián)合部隊(duì)。NGAD配備了“太赫茲”反隱身雷達(dá)，具備更強(qiáng)的抗干擾能力和更高的探測精度，能夠在敵軍武器裝備釋放干擾彈、煙霧的情況下，也準(zhǔn)確地偵測到目標(biāo)，對隱身目標(biāo)的探測能力也非常強(qiáng)。動(dòng)力系統(tǒng)從它的尾部噴口更加扁平可以看出來其采用的是變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，相比美國標(biāo)準(zhǔn)第四代航空發(fā)動(dòng)機(jī)，耗油率降低25%。再加上（NGAD）采用無尾翼布局，沒有垂尾產(chǎn)生額外氣動(dòng)阻力，燃油效率可進(jìn)一步提升，同等條件下，航程能夠提升35%以上。

此外，在艦艇方面，世界各國為降低大型水面艦船目標(biāo)特征投入了相當(dāng)?shù)馁Y源，研究了大量艦船目標(biāo)特征控制技術(shù)，原理上采用了與飛行器相類似的隱身技術(shù)，主要包括：如雷達(dá)外形整形、雷達(dá)吸波材料技術(shù)等，在業(yè)界稱為“小水線面雙體船型”“單體穿浪內(nèi)傾船型”“內(nèi)置式垂直發(fā)射武器系統(tǒng)”“綜合桅桿(天線) 技術(shù)”等。在紅外隱身方面，主要有：艦船發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)紅外抑制器技術(shù)、艦艇表面水霧噴淋降溫紅外抑制技術(shù)等。其中最著名的應(yīng)用是美國的“朱姆沃爾特”級(jí)驅(qū)逐艦 DDG -1000，革命性的外形設(shè)計(jì)和新技術(shù)的大量使用使其可能成為未來大型艦船隱身設(shè)計(jì)的標(biāo)桿。但也是因?yàn)樾录夹g(shù)應(yīng)用太多，造價(jià)昂貴、研制進(jìn)度拖后。

隱身技術(shù)涉及到多個(gè)學(xué)科的理論和基礎(chǔ)技術(shù)，除了電磁學(xué)、熱力學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)等直接相關(guān)的學(xué)科外，還涉及流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料、化學(xué)、高分子、通信、目標(biāo)特性特征分析及測量技術(shù)等。隱身設(shè)計(jì)要求的貫徹與隱身技術(shù)應(yīng)用在飛行器研究和研制中面臨著許多的挑戰(zhàn)，包括多種隱身基礎(chǔ)理論、技術(shù)途徑、技術(shù)要求的制訂、綜合設(shè)計(jì)以及與武器平臺(tái)其他性能要求的系統(tǒng)綜合，還包括工程開發(fā)、工藝實(shí)現(xiàn)、裝備實(shí)踐、工程師的認(rèn)識(shí)和用戶習(xí)慣等大量的工程應(yīng)用問題。告訴大家一個(gè)好消息，近期將舉辦“電磁隱身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和寬帶耐大功率透波技術(shù)研討會(huì)”，具體通知如下。




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