潛行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)

低可觀(guān)測(cè)性的設(shè)計(jì)，特別是低雷達(dá)截面(RCS)，幾乎在雷達(dá)發(fā)明的時(shí)候就開(kāi)始了。以木制為主的deHavilland蚊子是第一架設(shè)計(jì)這種能力的飛機(jī)之一。

對(duì)于二戰(zhàn)時(shí)的雷達(dá)系統(tǒng)，這種方法是相當(dāng)成功的，但在今天就不合適了。首先，木材和復(fù)合材料對(duì)雷達(dá)來(lái)說(shuō)是不透明的，盡管它們的反射性可能不如金屬;其次，它們透明的程度只是放大了通常被外表皮隱藏的成分。其中包括發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料、航空電子設(shè)備、電氣和液壓回路以及人員。

在20世紀(jì)50年代后期，雷達(dá)吸波材料被納入了傳統(tǒng)飛機(jī)的設(shè)計(jì)中。這些材料有兩個(gè)目的:減少飛機(jī)的橫截面以應(yīng)對(duì)特定的威脅，并隔離飛機(jī)上的多個(gè)天線(xiàn)以防止串?dāng)_。洛克希德U-2偵察機(jī)就是這種類(lèi)型的一個(gè)例子。

到20世紀(jì)60年代，足夠的分析知識(shí)已經(jīng)傳播到設(shè)計(jì)界，可以評(píng)估不同形狀和組件的總體影響。人們很快意識(shí)到，與撞擊雷達(dá)波成直角的平板具有非常大的雷達(dá)信號(hào)，而位置類(lèi)似的空腔也具有很大的回波。

因此，噴氣式飛機(jī)的進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)在觀(guān)測(cè)方向上對(duì)機(jī)頭和機(jī)尾雷達(dá)橫截面的影響是占主導(dǎo)地位的，而垂直尾翼在信號(hào)上占主導(dǎo)地位。

飛機(jī)現(xiàn)在可以被設(shè)計(jì)以適當(dāng)?shù)某尚秃筒牧蟻?lái)減少他們的雷達(dá)橫截面,但良好的數(shù)值設(shè)計(jì)程序不可用,這是不可能完全平衡的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致句話(huà)說(shuō),總有可能是一個(gè)組件,它返回在一個(gè)特定的主導(dǎo)方向。這是洛克希德SR-71“黑鳥(niǎo)”的時(shí)代。

十年后，人們發(fā)展出了一種數(shù)值方法，可以對(duì)人體不同部位的貢獻(xiàn)進(jìn)行定量評(píng)估。因此，有可能設(shè)計(jì)一架具有平衡雷達(dá)截面的飛機(jī)，并盡量減少來(lái)自主要散射體的返回。這種方法導(dǎo)致了洛克希德F-117A和諾斯羅普B-2隱形飛機(jī)的設(shè)計(jì)。

從那時(shí)起，在分析和實(shí)驗(yàn)方法方面不斷改進(jìn)，特別是在成形和材料的集成方面。與此同時(shí)，反隱身陣營(yíng)對(duì)其需求的理解也在不斷提高，迫使隱身社區(qū)進(jìn)行另一輪的改進(jìn)。這傳遞出的信息是，盡管在過(guò)去20年里取得了巨大的進(jìn)步，但幾乎沒(méi)有證據(jù)表明，在能力方面會(huì)趨于穩(wěn)

定。

雷達(dá)截面原理

有兩種基本的方法來(lái)減少無(wú)源雷達(dá)的橫截面:整形以減少后向散射，涂層吸收和抵消能量。這兩種方法在飛機(jī)設(shè)計(jì)中必須一致使用，以在電磁頻譜的適當(dāng)頻率范圍內(nèi)達(dá)到所需的低可觀(guān)測(cè)水平。

塑造

對(duì)表面進(jìn)行定位有一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)，這樣雷達(dá)波就可以在接近切線(xiàn)的角度，而遠(yuǎn)離邊緣的直角。

近似地說(shuō)，當(dāng)一個(gè)球體的直徑明顯大于雷達(dá)波長(zhǎng)時(shí)，它的雷達(dá)截面等于它的幾何前沿面積。

一個(gè)一平方米的球體與一個(gè)一平方米的平板在不同角度上的返回值進(jìn)行比較。要考慮的一種情況是平板從正入射到淺角度旋轉(zhuǎn)，雷達(dá)波束與一對(duì)邊緣成直角。另一種是雷達(dá)波束與邊緣呈45度角。頻率的選擇使波長(zhǎng)約為平板長(zhǎng)度的1/10，在這種情況下非常典型的捕獲雷達(dá)在地空導(dǎo)彈系統(tǒng)。

在正入射時(shí)，平板就像一面鏡子，它的回波比球面回波高30分貝(dB)(或1000倍)。如果我們現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)平板的一個(gè)邊，使這個(gè)邊始終垂直于入射波，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)觀(guān)察角度與平板垂直度達(dá)到30度時(shí)，橫截面會(huì)下降1000倍，等于球體的橫截面。

隨著角度的增加，最大值的軌跡下降了大約50的另一個(gè)因素，與正常角度的總變化為50,000。

現(xiàn)在，如果你回到正入射的情況，旋轉(zhuǎn)平板，相對(duì)于入射波的對(duì)角線(xiàn)，有一個(gè)顯著的不同。在這種情況下，當(dāng)平板僅偏離正常方向8度時(shí)，截面下降了30 dB，當(dāng)平板與入射雷達(dá)波形成淺角度時(shí)，截面又下降了40 dB。雷達(dá)橫截面的總變化量為1000萬(wàn)!

由此看來(lái)，僅通過(guò)避免明顯的高回報(bào)形狀和姿態(tài)角，就可以相當(dāng)容易地大幅度減少雷達(dá)橫截面。

然而，多重反射的情況還沒(méi)有得到關(guān)注，這大大改變了情況。很明顯，將能量射入一個(gè)狹長(zhǎng)封閉的腔內(nèi)(這在內(nèi)部是一個(gè)完美的反射器)，能量就會(huì)沿著源的大致方向反彈回來(lái)。此外，入口下游空腔的形狀顯然不影響這一結(jié)論。

然而，從直線(xiàn)管道反射的能量只會(huì)反彈一到兩次，而從彎曲管道反射的能量則需要反彈四到五次?？梢韵胂?，只需一點(diǎn)技巧，就可以在不犧牲氣動(dòng)性能的情況下顯著增加彈跳次數(shù)。例如，一個(gè)空腔可以設(shè)計(jì)為高截面長(zhǎng)高比，以最大限度地提高長(zhǎng)高比。如果我們能在每次反彈時(shí)使信號(hào)衰減到一定程度，那么顯然多反彈設(shè)計(jì)有一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)。SR-71進(jìn)氣道遵循這些設(shè)計(jì)實(shí)踐。

然而，除了所謂的光線(xiàn)追蹤方法，還有更多的東西。

當(dāng)能量撞擊到一個(gè)與波長(zhǎng)相比光滑的板上時(shí)，在光學(xué)近似意義上它并不完全反射，也就是說(shuō)，能量并不局限于入射波與入射波的互補(bǔ)角度的反射波。

實(shí)際上，輻射能量具有一種典型的反射波結(jié)構(gòu)。主前向散射尖峰的寬度與波長(zhǎng)與再輻射表面尺寸的比值成正比，次級(jí)和第三級(jí)尖峰的大小也是如此。當(dāng)這個(gè)比值接近零時(shí)，經(jīng)典光學(xué)近似適用。因此，反向散射——即直接輻射回發(fā)射機(jī)的能量隨著波長(zhǎng)的增加而增加，或隨著頻率的降低而增加。

在設(shè)計(jì)最小返回的空腔時(shí)，重要的是要平衡與光線(xiàn)追蹤相關(guān)的前向散射和與第一表面相互作用產(chǎn)生的后向散射。顯然，準(zhǔn)確計(jì)算返回到發(fā)射機(jī)的總能量是非常復(fù)雜的，通常必須在超級(jí)計(jì)算機(jī)上完成。

涂料和吸收器

很明顯，盡管表面對(duì)準(zhǔn)對(duì)外表面、進(jìn)排氣邊非常重要，但從腔體內(nèi)部的返回很大程度上依賴(lài)于衰減材料。值得注意的是，感興趣的雷達(dá)頻率范圍涵蓋了2至3個(gè)數(shù)量級(jí)。磁導(dǎo)率和介電常數(shù)是與衰減材料的效率密切相關(guān)的兩個(gè)特性。對(duì)于不同的材料，它們都以不同的方式隨頻率變化很大。此外，要使涂層有效，它的厚度應(yīng)該接近四分之一波長(zhǎng)的頻率。

高溫涂料

減小發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的雷達(dá)截面也是非常重要的，并且由于材料溫度過(guò)高而變得復(fù)雜。涂層的電磁設(shè)計(jì)要求與低溫涂層沒(méi)有什么不同，但結(jié)構(gòu)完整性是一個(gè)更大的問(wèn)題。

飛機(jī)醒來(lái)

決定雷達(dá)從飛機(jī)尾流返回的因素是電離的存在。電阻顆粒(如碳)的回流很少是一個(gè)重要因素。在計(jì)算電離尾流的回波時(shí)，使用非平衡數(shù)學(xué)是很重要的，特別是在中海拔和高海拔的情況下。

非常強(qiáng)的離子密度依賴(lài)于最高氣體溫度，這很快導(dǎo)致了一個(gè)結(jié)論，即雷達(dá)返回從發(fā)動(dòng)機(jī)在干動(dòng)力運(yùn)行是不重要的，而從一個(gè)加燃尾跡可能是主要的。

組件設(shè)計(jì)

當(dāng)飛機(jī)的基本特征被降低到非常低的水平時(shí)，細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)就變得非常重要。例如，除非采取抑制措施，否則檢修面板和門(mén)邊緣有可能成為雷達(dá)橫截面的主要貢獻(xiàn)者。

基于簡(jiǎn)單平板的討論，很明顯，它通常是不令人滿(mǎn)意的有一個(gè)門(mén)邊緣在飛行方向的直角。這將導(dǎo)致一個(gè)明顯的信號(hào)在鼻子方面。因此，傳統(tǒng)的矩形門(mén)和檢修板是不可接受的。

解決方案不僅是掃描面板的邊緣，而且要將這些邊緣與飛機(jī)上的其他主要邊緣對(duì)齊。

飛行員的頭部，連同頭盔，是雷達(dá)返回的主要來(lái)源。它通過(guò)與內(nèi)部艙壁和框架成員相關(guān)的反彈路徑返回來(lái)擴(kuò)充。解決方案是設(shè)計(jì)駕駛艙，使其外部形狀符合良好的低雷達(dá)截面設(shè)計(jì)規(guī)則，然后在玻璃上鍍上一層薄膜，類(lèi)似于用于商業(yè)建筑的溫度控制。

在這里，要求更加嚴(yán)格:它應(yīng)該通過(guò)至少85%的可見(jiàn)能量，并反射基本上所有的雷達(dá)能量。與此同時(shí)，飛行員希望在夜間飛行時(shí)不要出現(xiàn)明顯的儀表盤(pán)反射。

對(duì)于不穩(wěn)定的有線(xiàn)飛機(jī)飛行，有冗余的氣動(dòng)數(shù)據(jù)來(lái)源是極其重要的。這些必須是非常準(zhǔn)確的有關(guān)流動(dòng)方向，他們必須運(yùn)行冰在任何時(shí)候。靜態(tài)和總壓力探頭已經(jīng)被使用，但它們顯然代表了隱身要求的妥協(xié)。幾種相當(dāng)不同的技術(shù)處于不同的開(kāi)發(fā)階段。

機(jī)載天線(xiàn)和雷達(dá)系統(tǒng)是高雷達(dá)能見(jiàn)度的主要潛在來(lái)源，原因有二。一是明顯難以隱藏一些設(shè)計(jì)成非常高效的傳輸?shù)臇|西，所以所謂的帶內(nèi)雷達(dá)截面很容易顯著。另一個(gè)是，即使這個(gè)問(wèn)題得到了滿(mǎn)意的解決，這些系統(tǒng)發(fā)出的能量通常可以很容易地檢測(cè)到。在這里不能描述正在進(jìn)行的減少這些簽名的工作。

紅外輻射

呼吸式推進(jìn)系統(tǒng)有兩個(gè)重要的紅外輻射來(lái)源:熱部件和噴氣尾跡?？捎脕?lái)降低輻射的基本變量是溫度和發(fā)射率，可用的基本工具是視線(xiàn)掩蔽。

發(fā)射率可以是一把雙刃劍，特別是在管道內(nèi)。

雖然低發(fā)射率表面會(huì)減少發(fā)射能量，它也會(huì)增強(qiáng)反射能量，可能來(lái)自一個(gè)更熱的內(nèi)部區(qū)域。因此，必須進(jìn)行仔細(xì)的優(yōu)化，以確定噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管內(nèi)的首選發(fā)射率模式。

這種模式必須在探測(cè)器可用的頻率范圍內(nèi)播放，通常覆蓋一個(gè)從1到12微米的波段。

短波長(zhǎng)在高溫下特別有效，而長(zhǎng)波在典型的環(huán)境大氣溫度下最有效。作為頻率和空間色散的函數(shù)，所需的發(fā)射率模式已經(jīng)確定，下一個(gè)問(wèn)題是如何制造符合要求的材料。

紅外涂層設(shè)計(jì)器的第一個(gè)傾向是把一些金屬薄片扔進(jìn)透明的粘合劑中。想要在感興趣的頻率范圍內(nèi)找到一種透明的粘合劑并不容易，而且給雷達(dá)涂涂層的人可能不會(huì)喜歡金屬粒子對(duì)他最喜歡的可觀(guān)測(cè)物體的影響。

下一步通常是采用多層材料，使用與之前討論的雷達(dá)抑制涂層相同的消除方法?，F(xiàn)在的單位是埃，而不是毫米。

目前最大的推動(dòng)力是從薄膜中的金屬層向用于雷達(dá)截面兼容性的金屬氧化物過(guò)渡。得到所需的性能作為頻率的函數(shù)是不容易的，它是一個(gè)重要的壯舉將發(fā)射率降低到0.1，特別是在一個(gè)持續(xù)的頻率范圍。因此，實(shí)際發(fā)射率的最大比值可能是一個(gè)數(shù)量級(jí)。

大家都知道，如果發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)在管道壁上沉積碳(已知的輻射率最高的材料之一)，那么所有這些討論都是毫無(wú)意義的。要想讓紅外涂層發(fā)揮作用，僅讓發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的微粒比例非常低是不夠的，但基本為零。

在熱的發(fā)動(dòng)機(jī)部件上積碳是一種累積的情況，在數(shù)小時(shí)的運(yùn)行后，排氣噴口內(nèi)很少有明亮發(fā)亮的部件。僅出于這個(gè)原因，發(fā)射率控制可能主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣表面，而不是那些暴露于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的表面，即進(jìn)氣道和飛機(jī)外部部件。

另一個(gè)變量是溫度。這，在原則上，提供了更多的機(jī)會(huì)輻射減少比發(fā)射率，因?yàn)楹艽蟮闹笖?shù)依賴(lài)性。發(fā)射輻射的一般方程是它隨發(fā)射率與溫度的乘積的四次方而變化。

然而，這是一個(gè)很大的簡(jiǎn)化，因?yàn)樗鼪](méi)有考慮到輻射隨溫度的頻移。在大多數(shù)簡(jiǎn)單探測(cè)器工作的頻率范圍內(nèi)(1到5微米)，并且在典型的熱金屬溫度下，指數(shù)相關(guān)性通常接近8而不是4，因此在特定頻率對(duì)應(yīng)于特定探測(cè)器時(shí)，輻射與輻射率和溫度的八次方乘積成正比。很明顯，溫度的微小降低比任何合理預(yù)期的發(fā)射率的降低所產(chǎn)生的影響都要大得多。

第三種方法是掩蔽。很明顯，當(dāng)大部分的動(dòng)力被渦輪帶走時(shí)，這比當(dāng)噴氣機(jī)提供基本的推進(jìn)力時(shí)更容易做到，就像在一個(gè)項(xiàng)目或直升機(jī)應(yīng)用中一樣。

以前的研究團(tuán)體已經(jīng)使用這種方法來(lái)抑制紅外線(xiàn)很多年了，但直到最近噴氣推進(jìn)領(lǐng)域才解決了這個(gè)問(wèn)題。洛克希德F 117A和諾斯羅普b2都使用類(lèi)似的掩蔽方法來(lái)防止任何熱部件在下半球可見(jiàn)。

總而言之，紅外輻射應(yīng)該通過(guò)降低溫度和掩蔽相結(jié)合來(lái)解決，盡管這樣做沒(méi)有意義，因?yàn)樵谳椛浞匠讨?，熱部分不再占主?dǎo)項(xiàng)。

飛機(jī)的主體有自己的輻射，嚴(yán)重依賴(lài)于速度和高度，而噴射羽流可能是一個(gè)最重要的因素，特別是在加燃操作中。發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)身制造商在設(shè)計(jì)的早期階段進(jìn)行強(qiáng)有力的合作是極其重要的。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)旁通比的選擇不應(yīng)該僅僅基于性能，而應(yīng)該將性能和生存性結(jié)合起來(lái)，以獲得最大的系統(tǒng)效能。

射流尾流輻射遵循與發(fā)動(dòng)機(jī)熱部件相同的規(guī)律，非常依賴(lài)于溫度和輻射系數(shù)的乘積?？諝獾妮椛渎屎艿停剂Ｗ拥膶拵л椛渎屎芨?，而水蒸氣的輻射帶非常特殊。

紅外探測(cè)器對(duì)水蒸氣波長(zhǎng)有復(fù)雜的感覺(jué)，因?yàn)椋m然它們有助于定位噴氣羽流，但它們妨礙了由于大氣中的水分含量而產(chǎn)生的一般衰減。然而，聰明的搜索者沒(méi)有理由不能立即決定是否適宜使用水汽帶進(jìn)行探測(cè)。

總結(jié)

現(xiàn)代專(zhuān)用飛機(jī)的低特征是由于對(duì)造型、材料、材料選擇的結(jié)合，以及對(duì)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的細(xì)心關(guān)注。預(yù)算的組件簽名跨廣泛的頻率和姿態(tài)角度是強(qiáng)制性的。就像停電時(shí)一樣，這個(gè)游戲可能會(huì)因?yàn)橐唤z光亮而暴露。