隐身那些事儿（上）——讲述隐身技术发展及应用的故事

2、雷达出现对战争带来的巨变

　　英国是最早研制出雷达的国家，1935 年 2 月 26 日，罗伯特.沃森-瓦特爵士利用一套如今看起来相当原始的收发装置实现了人类历史上第一次利用电磁波信号对飞机目标的探测和回波接收，见图 10，这一探测技术在当时被称为“无线电定位技术”，这套设备也成为了现代雷达的鼻祖。当时的理论水平对电磁波的产生和发射机制有了足够的认识，但对电磁波遇到物体感应的散射机理认知还很粗浅，只知道当电磁波照射目标时可以在其中感应出电磁流，这个电磁流的运动会产生二次辐射形成反射，但具体规律和计算方法如何基本没有什么明确的概念，如图 11。同时专家们也发现尺度为半波长的导电体在雷达波照射下会产生强烈的二次辐射，因此普遍观点认为，要有效的探测空中目标，最好选取典型轰炸机翼展或机长（25~30 米）两倍的波长，即频率 6 兆赫、波长 50 米的雷达波。但测试发现，该波长会被高空电离层折射造成回波信息杂乱无法分辨，后来又陆续测试了 26 米/11.5 兆赫和 13 米/23 兆赫两种波长/频率，结果23兆赫效果较好，以此为基础建成了“锁链之家（Chain Home）”预警雷达。战争期间，英、德专家又研究发现继续缩短波长一方面有利于在同等天线尺寸下获得更窄的波束，提高雷达精度和分辨率，另一方面也有利于减小天线大小和雷达设备体积实现舰载和机载，这一结论对后续雷达探测技术得以在飞机、舰艇等各种平台上广泛应用和发展意义重大。

图 10、英国科学家 1935 年完成的人类历史上第一部雷达接收装置

图 11、早期对雷达波散射机理的理解比较简单

　　二战期间，随着无线电和半导体技术的进步，雷达探测技术开始应用于战争中。英、德、美等技术领先国家除装备陆基雷达探测装置外，还普遍在其夜间战机、轰炸机和海军主战舰艇上装备了雷达，初步具备了在视觉不利条件下探测和作战的能力，并取得了显著战果，如图 12。这一时期设计制造的飞机上应用了大量的金属，由于隐身外形设计和吸波涂层技术尚在萌芽中没有可实用的成果，飞机设计的关注点主要集中在性能方面，也因此飞行目标很容易被雷达探测到。尽管当时的雷达频率不高，多为几十到数百兆赫，功能非常简单，探测距离短，只具备粗略定位和测距能力，故障率也较高，但即便如此也已经极大地改善了防空预警能力和视觉不佳条件下的作战能力。随着战事的发展，人们渐渐意识到掌握战争的平衡已经开始被打破，传统的战术和武器性能决胜论变得不再可靠，隐约中有一种无形的力量开始越来越显著地左右着战场态势的发展。

图 12、装有 90 MHz 甚高频 FuG 220 Lichtenstein SN-2 雷达系统的德国 He 219A-5 型夜间战斗机

3、雷达隐身技术的黎明和前苏联的目不识珠

　　二战期间，各国为了对付日益增长的雷达威胁，减少战场上的被动和损失，除尽快装备同等的雷达系统外，也纷纷加速研究雷达波散射的机理，以及如何躲避、干扰雷达探测。正是从这个时期开始，隐身技术的触角开始延伸到了一片更为宽广莫测的舞台。

　　上世纪 40 至 50 年代，雷达散射的一些基本原理和机制基本被揭示明确，雷达散射截面积（RCS）的概念被定义出来，用于衡量物体对雷达波散射的强弱程度。1947 年 E.M.铂赛尔在《辐射实验室》丛书雷达系统工程卷中有这样的描写——“重要的是懂得，一个给定目标的截面积不仅取决于波长，也取决于雷达观测目标的角度”、“雷达截面积随目标方位的变化是由目标各个部分的反射波间干扰引起的……只有在一些特殊的情况下才能粗略计算出雷达截面积，对于大多数目标来说，雷达截面积必须从雷达数据推导出来。”这些内容文字是有据可查的，对雷达截面积概念较早和较系统化的描述。

　　如今我们已经知道，雷达散射截面积实际上是一个“虚拟的面积”，它衡量的是在雷达辐射场中，目标被照射后产生散射，到达雷达天线处可被截获接收的辐射功率。从测量的角度，RCS 的大小等于目标在单位立体角内向接收天线散射的功率和入射到目标处单位面积内的功率之比的 4π 倍。本义上 RCS 是一个无量纲的比值，后来为定义和度量使用方便，电子工程师们采用了等效几何面积和米制的概念，把一个物体的RCS等效为同一电磁场内系统可测得相同散射能量的标准球体径向横截面积的大小，比如某物体 RCS 为1m^2，即等同于半径是 0.564m 的金属球（几何横截面积1m^2）所反射的 RCS 效果。通过实验和研究发现，一个目标的 RCS 大小与探测距离无关，但会随下列四个因素变化而变化：

　　①. 目标的几何形状（含大小）及材料的电性能。同样的形状的物体，导电率越高引起的散射辐射越强；

　　②. 入射波的频率。当波长远大与目标长度时，目标体积决定了反射量的大小，此时称为瑞利散射；当波长与目标尺度相近时会引发谐振，其中目标长度为半波长时谐振和二次辐射最强；但波长远小于目标尺度时，散射效应接近于光学散射特性，称之为光学区；

　　③. 雷达天线的极化方式。电磁波在介质中的传递可以分解为一对相互垂直的电场矢量和磁场矢量以波动方式向前传播，对雷达而言可测量的是其电场分量。天线极化方向即指其可接收和发送的电场矢量方向，只有与天线极化方向一致的电波才能被雷达有效接收，其它方向的电波接收增益会明显下降或不能接收；

　　④. 目标相对于入射方向和雷达接收方向的姿态角。除各向同性的均质球形物体外，目标相对辐射场的姿态角发生改变时，在辐射场中引发的散射效应会有明显差别。

　　雷达波散射理论体系逐渐清晰后，在实现雷达波隐身和找到工程化应用的道路上，还面临着另外一个大难题需要解决——如何准确计算不同形状目标的 RCS。早期的飞机外形隐身措施更多的是靠定性的推测和试验来摸索，缺少定量的计算方法和实用化技术手段，研究方向比较盲目，试验的时间周期和成本代价较高，研制进度和成效往往很不理想。对于无形无相的电磁波来说，实验手段多数情况下只能作为辅助验证和修正，没有计算方法和理论指导，就无法进行量化的分析推导，从而找到减少 RCS 的具体方向和解决措施，更无法与飞机的空气动力学外形设计结合落实到工程制造。