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王孟源的部落格

事實與邏輯

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  • 2014-08-05 20:16

【空軍】【海軍】雷達與隱身技術之間的矛盾關係(上)

我曾在前文《一架F22戦機完勝中共空軍?》裡簡單提到了現代身飛機與反身雷達之間的發展兢賽,在本文我將補充一些細節。

一般討論雷達對飛機的探測,用的單位是截面積(σ)。以Su-27為例,報章雜誌上常稱其正面的雷達截面積為5平方公尺,這是什麼意思呢?在下面的簡單示意圖裡,我們可以看出雷達的波束是錐狀的,這個錐形的截面通常是圓形,而這圓形截面的大小(C)會與距離(r)的平方成正比,也就是C=s×r^2,這裡的s是錐形頂端的三維空間角。如果我們做以下的两個假設:1)雷達波的功率(P)平均分配在這圓形截面上;2)目標攔截了一部分(σ/C)雷達波並將之向四面八方均匀散射,那麼反射波的總功率就是P×σ/C,而既然四面八方的圓周總面積是4πr^2,則雷達接收天線(假設其有效面積Effective Area=A)將收到其中的A/4πr^2,所以雷達收到的反射波功率是两者的乘積,即P×σ×A/(4πr^2C)=P×σ×A/(4π×s×r^4)。所以雷達的探測能力與發射功率P成正比,與波束寛度s成反比,與雷達接收靈敏度A成正比,與距離的四次方成反比,而與σ成正比。這裡的σ就是一般所謂的雷達截面積。

既然雷達截面積σ並不是真正的截面積,只是代表雷達波被散射回原方向的一個等效變數,那麼不同的形狀就會造成不同的σ。可是原本雷達截面積只能用測量飛機模型對雷達波的反射來决定,對設計師來講,要如何減低σ這個問題千頭萬緒,無從著手。但是在1964年,一個默默無聞的蘇聯數學家Pyotr Ufimtsev向一個很不重要的大學的内部學術期刊Journal of Moscow Institute of Radio Engineering投了一篇論文,叫《Method of Edge Waves in The Physical Theory of Diffraction》(《如何計算邊界波的繞射》),給出了從飛機表面形狀來計算雷達截面積的方程式。蘇聯的保密審查員有外國的月亮比較圓的偏見,以為本國的基礎研究成果没什麼了不起的,就讓那篇論文發表了,而且還可以寄到美國。十年後,洛克希德(Lockheed)的一名工程師在圖書館裡偶然翻到這篇論文,認出它是稀世珍寶,由此開發出了世界第一架身飛機,也就是F117。

因為40年前的電腦還很原始,F117的設計師們不能探索太多不同的形狀(連曲面都不能算,只好用平面拼出一個好似刀削斧切出的形狀),所以只好專注在隱身性能上,結果氣動效率很低,超音速是不可能的了,只能做為攻撃機(Ground Attack Aircraft)使用。到了1980年代,美國的隱身技術進步了,才做出隱身和氣動性能兼顧的B2轟炸機;到了1990年代,才做出世界第一架超音速隱身飛機,也就是F22。B2和F22都號稱將雷達截面積降低了四個數量級,也就是雷達截面積降到了類似其大小的非隱身軍機的萬分之一,所以敵方雷達對它們的探測距離就應該縮减為十分之一(因為雷達的探測能力與σ成正比,而與距離的四次方成反比)。以台灣的F16裝備的AN/APG-66雷達為例,其對戦鬥機的最大探測距離為140公里,如果降到十分之一,也就是14公里,那麼F22自然可以輕易地在80公里外發射AIM-120中程空對空飛弹將它撃落,自己則輕鬆掉頭飛走。

可是隱身技術真有這麼神嗎?蘋果每一代的iPhone都號稱比前一代快三到四倍,你相信嗎?其實新的iPhone在幾百個測試裡只要有一個加快了三四倍,蘋果就會高高興興地用這個數據,那怕用户的實際經験是只快了30%。要是所有的測試都快不到三倍也不要緊,蘋果把作業系統稍改一下,讓舊的iPhone慢下去,三倍的比率自然就出來了。隱身技術也有點像iPhone:有些人認為所谓的四個數量級是作弊吹牛出來的(這涉及高度機密的技術資料,結論無法確定);就算没有誇大,這個數據的確是只有在最理想的條件下才可能達成。

有哪些條件呢?雷達波並不是只有一種,做為電磁波,其最重要的特癥就是有不同的频率(f);由於電磁波在空氣中的速度基本上等同於真空光速(c=3×10^8公尺/秒),其波長(λ)便自然與频率成反比,即c=f×λ。一般來說,軍用雷達波依频率/波長分為以下幾個波段(UHF在雷達行業裡的定義和通訊用的略有不同):

波段                                     频率                                     波長

HF                                       0.003-0.03 GHz                    10-100公尺

VHF                                     0.03-0.3 GHz                        1-10公尺

UHF                                     0.3-1 GHz                            30-100 公分

L Band                                 1-2 GHz                               15-30 公分

S Band                                 2-4 GHz                               7.5-15 公分

C Band                                 4-8 GHz                               3.75-7.5公分

X Band                                 8-12 GHz                             2.5-3.75 公分

Ku Band                               12-18 GHz                            1.7-2.5 公分

最早的對空雷達是1936年英國的AMES(Air Ministry Experimental Station,空軍部實験站)Type 1,用的是25MHz/12公尺的HF(High Frequency,高频)波段。但是雷達設計師們馬上就開始研究频率更高的雷達,到二次大戦初期,絶大部分的雷達已經改用VHF(Very High Frequency,甚高频)波段;這主要是因為收發天線的尺寸都必须與半波長類似,波長越小,天線也可以做得越小(這對動輒有上千單元現代陣列天線尤其重要)。因為電視廣播用的也是VHF,台灣人應該對其天線很熟悉,它是鱼骨形,學名叫“八木天線”(Yagi Antenna),因為它是在1926年由東京帝國大學的两名教授八木秀次和宇田太郞所發明的。日本人也相信外國的月亮比較圓,所以根本不知道這發明有多重要;到1928年。八木教授在美國的學術會議給了演說,八木天線立刻傳徧英美。日本軍方要到1942年攻下了新加坡,才第一次看到這種天線,在雷達的說明書裡讀到Yagi Antenna,不明就裡,還特别把被俘的英軍雷達技師從戦俘营裡找了出來詢問,這才知道Yagi是“八木”的英文翻譯。

【待續】

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  • 作者:王孟源

引用

迴響(5)

# re: 【空軍】【海軍】雷達與隱身技術之間的矛盾關係(上)
非常感谢您的这几篇科普。请教一下,当一艘军舰与对方的隐身飞机对抗时,就算警戒雷达能发现隐身飞机,但也无法引导防空导弹攻击是吗?
無法直接引導。VHF警戒雷達的波長太大、波束太寬,對位置和高度的測量,都有很大的不確定性。

防空驅逐艦(如052D)的主陣列用的是S波段,反隱身能力相對弱得多。不過它的波束窄、功率高、增益大,而且一旦警戒雷達指出可疑的目標,可以集中功率搜索那個方向,所以仍然可以在相當的距離外探測到隱身目標。

在現階段的武器競賽,200公里是一個理想的攔截半徑。052D的346A雷達應該有能力在這個距離探測到并且攻擊F-35。F-22的雷達截面又小了一個數量級,所以探測距離縮短為0.1的四次方根~=0.6倍,亦即120公里左右。如果把AESA的單元數加倍,亦即把雷達直徑從4.5米增加到6米,那麽就足以抵消F-22的隱身優勢,把探測距離又推到200公里以上。

對B-2和B-21這樣的大型飛翼,VHF和S波段都無能爲力。必須依賴陸基的HF陣列天波雷達做預警,但是這種雷達誤差更大,而且雜訊很多。
# re: 【空軍】【海軍】雷達與隱身技術之間的矛盾關係(上)
感谢详细解答!这么说来,如果大型飞翼飞机用来攻击驱逐舰,后者几乎没有还手的能力
了。

看到一段材料: * Unlike most RWRs which can only give azimuth data, the F-22 has the most advanced passive radar/RWR (ALR-94) which can provide both azimuth & elevation data accurately, and thus, track enemy aircraft passively. It can also cue its active radar (APG-77) into a confined narrow beam (2°x2°) and the APG-77 can get all the necessary data for a firing solution using a single beam.
* Under certain cases, the F-22’s RWR (ALR-94) may provide almost all the necessary information to launch AIM-120D – virtually making it an anti-radiation missile!
* 我有个疑问,按照理论上来讲,发出雷达波的一方需要接受到反射的回波才能定位目标,而被侦测方只需要接收到探测波就可以定位辐射源,那岂不是后者总是能在辐射源定位它之前定位辐射源吗(因为回波强度肯定远低于探测波)(如果双方电子水平相当)现实中情况是这样吗?
另外,如果己方有多架飞机接受到了同一个辐射源的探测波,通过交换数据就可以大大提高对辐射源的定位精度(三角定位原理)现实中有这种应用吗?


美軍剛研發完成的隱身LRASM(長程反艦飛彈),目前由B-1發射,但是將來必然是準備裝備B-21隱身飛翼轟炸機,正是專門設計來剋制共軍的新銳防空艦。

被動探測一般無法測距,也就不能用在火控上(除非使用反輻射飛彈,但是一般戰機的雷達可以開開關關,運動速度又快,不適合用反輻射飛彈攻擊)。

多架飛機用被動探測的訊號,綜合起來對敵機定位,理論上是可行的,實際上有個大問題:新式的AESA雷達,波束很窄很靈活,幾乎沒有副瓣,也就不會同時讓多個目標接收到信號。當然用被動接收來吊打老一代的對手,還是有價值的。
# re: 【空軍】【海軍】雷達與隱身技術之間的矛盾關係(上)
关于最后一点,对战斗机比较困难,但是对于预警机或者一直开着警戒雷达的舰艇来说应该有威胁吧。如果能在400km外定位辐射源的话。

另外有个关于f22被动探测能力的资料分享给您,似乎是说可以确定三维坐标http://www.f-16.net/forum/viewtopic.php?t=9268
對付預警機當然可以。我想J-20的AESA一定有這個功能。

那是一篇F-22的公關文章,所以故意說得模棱兩可,基本上是美國式忽悠。
# re: 【空軍】【海軍】雷達與隱身技術之間的矛盾關係(上)
七公好久不見了~

// 美軍剛研發完成的隱身LRASM(長程反艦飛彈),目前由B-1發射,但是將來必然是準備裝備B-21隱身飛翼轟炸機,正是專門設計來剋制共軍的新銳防空艦。//

能否請七公談談中共針對這樣的狀況有無反制的方法呢? 謝謝!
艦載預警機探測飛翼轟炸機有困難,但是探測LRASM這種尺寸(寬度剛好近似VHF/UHF的波長)的目標,不論它外形怎麽修,還是可以看得到的。然後負責巡邏的殲擊機趕過去,若是能找到轟炸機最好,否則就用空空導彈打下LRASM。這并不難,因爲LRASM是亞音速的。

如果沒有巡邏的戰機在附近,那麽就只好通報防空艦,讓他們準備用上近防系統了。這些系統都是全自動的,但是有心理準備還是好些。

LRASM的射程極長,遠在預警機探測距離之外。美國人寧可選擇飛得慢的,也要打得遠,就是爲了避免轟炸機被攔截。別忘了,這些美軍的隱身轟炸機比共軍的防空驅逐艦還貴。

這並不代表只靠隱身轟炸機就可以完虐航母艦隊,因爲他們還是需要實時的偵察定位,才能在600多公里(射程是機密,這是我的估計)外發射LRASM。所以雙方都會想辦法先打掉對方的偵察衛星、無人機、預警機等等,最終還是整個體系的對抗。
  • 2017-08-10
  • OVL

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