相知相杀50年！隐身飞机和雷达之间，不得不说的故事(二）：猛禽的眼睛！
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上一篇我们说到，F117作为美国研制的第一代隐形飞机，自研制成功以后便大行其道，一度被称之为无法击落的战机。然而在99年的科索沃战争中，面对苏联的无源雷达，F117折戟沙场。从此以后，F117便开始逐渐淡出。然而，隐身飞机和雷达的对抗并没有结束。实际上，即使在99年的科索沃，除了F117，战场的夜空上还游荡着另一个“暗夜幽灵”，而且还有一款远胜于F117的超级隐身战机，也即将揭开神秘的面纱 。
流转
时间转回到1971年，美国战术空军指挥部提出的下一代战机的研发计划，计划称作先进战术战斗机（Advanced Tactical Fighter，ATF）。在经过长达10年的论证后，1982年，在F117立项近十年以后，基于“对地攻击和空战性能双优”的构想，当年10月，最终定案的计划正式在最后一次公开会议上提出。ATF的技术要求将以下五个特点集在一架飞机上，即低可侦测性（隐身性）、高度机动性和敏捷性、不需使用后燃器即可作超音速巡航（而不是只满足于以往使用后燃器短时间超音速冲刺）、有效载重不低于F-15和具有飞越包括第三世界战区在内的所有战区的能力。
接下来便是新飞机研制的漫长历程：
“方案论证”是从1981年11月到1986年7月，主要探索满足任务需求的各种武器装备研制方案并选择出了最有希望的备选方案。
“演示验证”是从1986年7月到1991年8月，洛克希德/波音和诺斯罗普/麦克米兰-道格拉斯两个竞争阵营都开始对各自的方案进行初步设计，研制验证机进行对比试飞，验证关键过程。
经过验证机对比试飞，进入到“工程制造”阶段。新飞机的工程制造阶段是从1991年8月到2005年，承包商对设计方案进行细化并冻结设计状态，开展详细设计，确认制造与生产过程并且进行了作战试验与评估。
最终，生产出来的战斗机进入了整个项目研制的最后阶段——生产、部署和使用保障阶段，这个阶段从2005年开始，将一直持续到其退出美军装备体系。
二十多年的时光，打造出了一款超级战斗机和一个家喻户晓的名字“猛禽”
F22猛禽包括其后续的“裁剪版”F35闪电，都是在设计之初就强调隐身和机动性兼顾。因此，猛禽采取了多种方式保证飞机的隐身性能。
气动外形：
飞机外形要减小单一连续的平面的面积，于是F22采用了连续可变曲率的复杂大弧面，此前，美国的隐身战略轰炸机B2就是个成功案例。最早的隐形飞机F117采用的是多面体结构加大雷达波的入射角。而从B2开始连续可变曲率的复杂大弧面在隐身和气动性能之间达到完美兼顾。
B2隐身战略轰炸机，世界上唯一一款隐身轰炸机，美国的国之重器，人称“暗夜幽灵”。依靠其超远航程和出色的隐身能力，美国空军称其具有“全球到达”和“全球摧毁”能力，当然造价24亿美元也是个天文数字，相当于0.7个辽宁舰。1999年5月7日晚11时，从密苏里州怀特曼空军基地出发的一架美国B-2轰炸机向中国驻南使馆投下5枚GPS制导、全天候、重2000磅的联合直接攻击弹药(JDAM)，使我使馆严重损毁，3名中国记者遇难。
为了减少机头锥和机身的圆截面的较强雷达反射特征，F-22的机头锥截面和机身近似菱形，就垂尾而言，无垂尾布局的隐身效果最好，但机动性受损失，F22 采用外倾 27°的设计，处于隐身设计的边缘，属于隐身和机动综合权衡的结果。
进气道：
进气道是飞机最大的雷达反射面，高速旋转的涡轮叶片加上长长的腔体反射，就像是黑夜中用手电照向一面大镜子，想看不见都难。F22采用了弯曲的进气道，使发动机涡轮叶片能够不直接暴露在入射的雷达视线之中，增加入射雷达波的反射次数，并在每次反射中吸收掉一点能量，最终的回波就会削弱很多。
复合材料的应用：
结构性复合材料是一种既能作为承力部件，又具有优良的电磁波吸收性能的材料。F22机身大量采用了由透波材料，吸波材料和高反射性炭纤维增强复合材料组成的吸波-承载复合结构。与之前采用的雷达吸波涂层相比，隐身复合材料不增加飞机的额外重量，且设计上更为灵活。F117机身采用的复合材料只占机身重量的10%，而F22使用的复合材料达到了总重量的24%。
F22依靠气动外形的精细设计和复合材料的大规模应用，成功的将飞机的RCS（雷达散射截面）缩减到0.1平方米的级别，但是这并不是绝对安全的保证。在上一篇我们说过，无源雷达就是一种专门针对隐身飞机设计的雷达，它不发射电磁波，仅依靠接收敌方飞机泄露的电磁信号进行定位。这样一来，再小的RCS在无源雷达面前也毫无意义。机载雷达是一个重要的电磁辐射源，对于战机而言，机载雷达好比是一双眼睛，在执行任务时，这双眼睛必须经常张开以保持战机对周围环境的感知能力，但在无源雷达面前，睁开双眼就意味着危险。为应对无源雷达和电子战的威胁，科学家们给F22猛禽设计了一双特别的眼睛：低截获概率雷达
代号APG77，由美国诺斯罗普格鲁曼公司电子传感器与系统分部研制的F22机载雷达是三两千个T/R模块构成的有源相控阵(AESA)雷达。正是这一技术使F-22的性能超群，也正是AESA技术实现了雷达功能与电子情报收集、ECM干扰、监视和通信等功能的综合，也正因为AESA技术能如此集中地赋予一架隐身飞机众多的射频功能，才使从前认为隐身飞机若辐射电子信号会暴露自己位置的陈固观念重新刷新。APG77实现低可截获特性的主要手段包括猝发脉冲工作模式，跳频和扩频。
做一个浅显的比喻，当阅兵的时候，士兵们的步伐不能达到整齐的状态，阅兵方阵就很有可能会走乱。正是基于破坏敌方对于APG77信号截获同步的考虑，APG77采用猝发脉冲工作状态，其工作时每个脉冲发射的时间间隔不固定，也就是说脉冲的发射并不像其他雷达信号一样是周期的。这就对敌方截获APG77信号造成了很大麻烦。并且，APG77在工作时，也并不采用周期性的脉冲。换言之，其工作波形处于不断变化的模式。发射时间不固定，发射脉冲不固定，再结合下文将要探讨的频率捷变（工作频率不固定），也就是说APG77的信号各个参数都处于快速变化的状态。敌方告警接收机或者无源雷达即便截获了APG77的几个波形，也无法将这些频率，波形，时间上都不相同的信号识别为一个雷达发出的！这样来说，所谓的无源雷达别说定位隐身战斗机的辐射信号，恐怕就连正确的识别都很难达到！
关于跳频和扩频，因为涉及到比较复杂的数字信号处理方面的知识，三多在这里就不展开来说了。采用一种浅显但是不是很严谨的方式解释一下，如果我们把起伏的电磁背景噪声比喻成一个湖泊波光粼粼的水面，雷达辐射脉冲比喻成露出水面的石头。猝发脉冲技术就是让石头露出水面的时间符合某种随机性，没有任何节奏感，让无源雷达无法有效的截获；脉冲变换技术就是让每次露出水面的石头都不一样，让无源雷达无法有效识别；频率捷变技术就是让每次石头露出水面的位置都不同，迫使敌方必须同时监视整个湖面并且无法进行跟踪；而扩频技术的意义就在于石头根本就不露出水面！
想要截获APG77的信号就必须对噪声随机起伏下的信号特征进行详尽综合的分析，就像下水摸石头，只有整个湖底都被摸完，大部分小石头都被找到的情况下，才能达到截获的要求。而这本身就是一项耗时费力的工程，目前技术条件下，难度极大！
F-22在2006年6月美加阿拉斯加“北方边界”联合军演中首次亮相，在模拟空战中获得了144:0的惊人成绩。到目前为止演习中唯一使用导弹击落F-22的是EA-18G咆哮者（全球最先进的电子战飞机），并且飞行员自己在演习后也承认他只是抓住了一瞬间的时机，击落纯属偶然（有些新闻就写成“神话破灭”这就有搞个大新闻的嫌疑了）
猛禽的这双特殊的眼睛，使其能成功的躲开无源雷达的搜索。那么猛禽就无法被发现了吗？NO!实际上，雷达科学家很早就发现了一个问题，飞机的隐身设计一般针对常用的微波频段，因此飞机RCS的频率响应通常两端高，中间低。也就是说对于波长很长和波长很短的雷达波而言，隐身作战效能并不突出。波长较长的米波雷达的反隐形能力就比较强，而且米波在目标上会产生谐振效应。雷达波在打到与自身波长可比拟的导体上后，会在目标上产生自发的震荡并且对于雷达回波有很强的加强作用。由于隐身机的外形尺寸与米波雷达波长恰好相比拟，因此在米波打在机翼，垂尾等处时会发生谐振。这会增加隐身机的RCS，导致隐身机作战效能下降。物理规律决定了，一架战术战斗机大小的隐形飞机必须经过优化才能躲过C、X、Ku等较高频波段侦测。一旦频率波长超过某一阈值并引起共振效应，低可侦测性飞机的信号会有一个“阶跃变化”。通常，当飞机上某一特征（如尾翼）的大小不足一个特定频率波长的八倍，共振就会出现。
首先稍微讲一讲电磁波波段的事情。电磁波起初登上历史舞台的时候，其波段管理并不规范。各国处于保密的原因，对于雷达波段并不进行明确严格的划分，而是用具有一定隐晦意义的字母进行标定。最早用于搜索雷达的电磁波波长为23cm，这一波段被定义为L波段，意为Long wave长波（后来这一波段的中心波长变为22cm）。 波长为10cm的电磁波被使用后，其波段被定义为S波段，意为Short wave短波，就是比以前波长更短的波段。在主要使用3cm电磁波的火控雷达出现后，3cm波长的电磁波被称为X波段，因为X代表座标上的某点。为了结合X波段和S波段的优点，逐渐出现了使用中心波长为5cm的雷达，该波段被称为C波段，意为Compromise结合两种波长优点的意思。在英国人之后，德国人也开始独立开发自己的雷达，他们选择1.5cm作为自己雷达的中心波长。这一波长的电磁波就被称为K波段，意为 Kurtz，德语中“短”的意思，这和英国人的命名很像。由于最早的雷达使用的是米波，这一波段被称为P波段，意为Previous以往的波段。该系统十分繁琐、而且使用不便。后来被一个以实际波长划分的波分波段系统取代。在我国的电磁波段划分中，米波就是波长1-10米的电磁波段，频率30MHZ-300MHZ，称之为甚高频波段，英文缩写VHF。
在米波雷达技术发展的过程中，科研人员逐渐发现了米波雷达的特点。基本来讲，就两条：首先是，大气衰减小。同样的发射功率，同样的传播距离，雷达波的衰耗程度基本与波长成反比。也就是说波长越长，衰耗越小。因此米波雷达格外适合做远距离探测手段，比如远程二坐标预警雷达。第二是，精度差。雷达的方位分辨率与天线尺寸成正比，与雷达波长成反比。也就是说对于同样大小的天线，波长更长的雷达波的探测分辨率越低。通常情况下，米波雷达的波束宽度在1°-5°左右，也就是说只能提供精度在1°以上的目标坐标。如果雷达探测距离是300公里，在雷达最大作用距离处发现目标，其方位角误差可能高达1°，这就意味着雷达探测到的坐标和实际目标位置相差数公里。因为精度太差，常规米波雷达提供的高度信息基本可以无视，所以米波雷达通常都作为二坐标预警雷达存在。
不过技术的发展给了米波雷达新的生命。随着现代雷达技术的发展，雷达领域涌现出大量新思路新技术，这些巨大的技术进步使得现代米波雷达能够在某种程度上克服本身物理缺陷，尤其是从70年代开始，有源相控阵技术的逐步成熟，米波相控阵雷达反隐身能力得到了高度的关注。
相控阵雷达很像蜻蜓的复眼，蜻蜓的复眼是由许多小眼组成，数目由10至3万个不等。每一小眼都是一架小型照相机，周围的物体不断被摄入，形成图象。
这里所说的小眼睛，放在相控阵雷达上，就是其基本组成单元：T/R组件
有源相控阵雷达与机械扫描雷达的最大不同之处在于相控阵雷达对空域的扫描并不是靠天线的转动来完成，而是通过配置各个T/R组件的幅度和相位来完成的。因为不依赖于机械转动，相控阵雷达的波束控制策略可以做到非常灵活，实现快速的波束切换，并且在威胁区域重点扫描，增加波束驻留时间，可以较大程度地提高发现微弱目标的概率。相控阵雷达也有利于提高雷达的功率-孔径积，功率-孔径积增加19分贝，就足以抵消隐身飞机在RCS上的缩减量。
不过虽然技术进步很大，但是米波雷达本身的物理特性缺陷却是只能弥补，却不能完全改变。即便是采用了数字波束成形的雷达稀疏阵列，雷达方位分辨率依然受制于雷达天线尺寸。比如俄罗斯“天空M”米波雷达的天线外形是一种开放式框架水平网络，宽约15米，上部有一个高约20米的垂直开放式框架，这样的结构比较复杂，需要用很多拉索稳定，架设或拆收需要约22个小时。而且雷达阵元的尺寸也需要与雷达波长相比拟，相控阵米波雷达的阵元尺寸需要0.5米甚至数米才能保证发射效率。事实上，相控阵雷达要想产生一个俯仰波束宽度1°方位波束宽度1°的波束，大致需要10000万个等权阵元。米波雷达要想实现这个精度的探测，岂不是要足球场那么大的天线阵列。大尺寸的天线设备导致了米波雷达战术灵活程度很低，基本只能作为固定预警雷达使用。
从地面上想要抓住隐身飞机这只怪物，看起来是很难了，那么，飞机的问题可不可以用飞机来解决呢？随着微电子工业的迅速发展，芯片的集成能力越来越高，以前需要好几个机柜才能完成的计算和存贮工作现在几块芯片就可以搞定了。在这种情况下，雷达的体积，重量可以大大缩减，也就存在了让雷达上天的可能。一种特殊的飞机应运而生了。
60年代初，由于轰炸机速度的提高，低空突防方式的广泛采用与远距离空－地导弹的出现，原有防空警戒系统无论从预警距离、预警时间、还是从搜索低空目标的能力来说均已不能满足需要。从1962年起，美国空军开始考虑发展新的警戒系统，并研究了这种飞机在战术空战中作为空中监控与指挥站的可能性。1963年，美空军防空司令部与战术空军司令部提出对空中警戒和控制系统的要求。1964年，美空军系统司令部在分析当时的雷达技术水平后开展了“下视雷达技术”计划。1966年3月签订雷达技术鉴定合同，1967年决定采用脉冲多普勒体制，经两轮对比试飞的筛选，于1973年选取了威斯汀豪斯公司研制的雷达，随后，美军用波音707-302B型民航机改装两架试验机，用于试验机载电子设备，这就是后来的E-3A“望楼”预警机。
E-3A“望楼”预警机能够提供对大气层、地面、水面的雷达监视能力。对低空飞行目标，其探测距离达320千米以上，对中空、高空目标探测距离更远，其探测范围，相当于三十多部地面雷达的探测范围。
预警机的出现，为反隐身雷达提供了一种新的思路。隐形战机的设计，其一出于气动性能的考虑，很难设计成全向隐身，其二隐形战机设计的时候，其对手并没有很强大的空中预警平台，因此隐形战机侧面和背部的隐身性能比起头部和下方差了不少。利用预警机从空中探测隐身飞机，其发现概率要大大高于地面雷达。除预警飞机外，反隐身的空中预警平台还包括预警气球、飞艇乃至卫星等。
另外，由于预警机有良好的机动性，在预警机上装备无源雷达，利用多架预警机进行联合定位，也是反隐身的一种思路。
美军E-3机队2001年进行升级Block 30/35 修正专案。升级项目就包含电子支援措施（ESM）可以被动侦测到地面或空中的电波发射源。
在15年9.3阅兵中，我军展出了新一代预警机“空警500”，其机载预警雷达系统采用世界先进的数字阵列雷达技术，相较于现役大型预警雷达，在重量、雷达天线口径大幅下降基础上情报处理能力、抗干扰能力，探测隐身目标能力大幅提升。就综合技术和战术性能而言，空警-2000完全可与美国现役E-3预警机相媲美。
以F22为代表的新一代隐身战机和以有源相控阵雷达为代表的新一代雷达之间的斗法，正在隐身和反隐身的战场上如火如荼的上演。随着隐身战机在气动外形上的持续优化，航空复合材料的广泛使用和电磁频谱管理能力的稳步提升，无法想象在防空系统中能找到简单易行的反制手段。多波段雷达，雷达组网，多传感器数据融合等多种手段的综合采用，或许才有望在这场战争中赢得先机。隐身飞机和雷达一路“相知相杀”，在很大程度上也促进了彼此的发展，直接导致了很多相关领域的新技术，新方法的诞生。下一期，三多将带大家一起走进未来，看看这个电磁的世界还会有怎样的精彩故事上演。
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