隐身技术的起源

隐身技术的起源

作者：WILLIAM F. BAHRET

论文主要介绍了从二十世纪50年代到70年代之间由航空实验室主导的工作，特别是雷达回波方面，尽管对“隐身”设计来说所有的可观察量，如近红外辐射，光学的，声学的等也是很重要的。文中回顾了目前最小化可探测量的能力，从第一次努力到理解什么决定雷达回波，通过最小化可探测量的材料和技术的发展，再到它的首次应用和示范。

在进入接下来的讨论之前，最好先看几点。首先注意到文章标题是冒昧的，在一般对隐身的理解中，进化了的无数生物的幸存依赖于与背景（很久以前“现代人”勾画出的）的融合。这样，我们将只陈述这个基本思想是怎样在过去四十年中应用于美国军事系统中的。

必须要提到的另一点是这篇文章不得不在限制内完成。通常，随着军事技术的成熟，在早期需要保密以保持对竞争对手的领先优势的一些信息慢慢的公开，因为必须要分享这些信息以保证它的应用。但是，隐身领域就像那些与全球侦察和核武器等相关的技术一样对当前的技术水平进行保密。可以肯定的是，乐于去推测隐身能力是怎样实现的媒体对于定位有像样凭证的来源不得不做出巨大的努力。这导致了对隐身感兴趣但又处于隐身领域之外的读者认为所有都是保密的。我们将到此为止，但是还是决定要说明一下这篇文章的内容受到保密考虑的限制。

第三点，在这篇文章讨论雷达频谱段的隐身时，必须注意到任何“可观察性”-近红外，可见光，声波-也是应该考虑的。时间和空间都禁止对这种技术广度的任何描述。在当前，雷达信号时首要问题。

最后一点是关于“与背景混合”的想法正应用于军事系统。我们都能想到自然界中的例子-刚出生的鹿静静的躺在灌木丛中，或者毒蛇缠绕在树枝上——它们的颜色和形态使得它们实际上在任何距离上都不能被它们的天敌或猎物发现。由于缺乏一般探测所需的对比度因此这种方法很有效。

但是要记住，对比度可以是积极的或消极的——例如黑色夜空中的满月和雪地上的黑豹。如果是努力去避免被探测到，对比度就是不好的，比如军事系统。汹涌的海水中的舰船或树林中的坦克对于敌方的雷达来说没有任何“信号”将是严重不足的。在这些例子中雷达背景是非零的。

但是，飞行器是另一回事。在通常情况下，敌方雷达所看到的背景是几乎为零的，所以理想情况下，飞行器的信号也应该为零。这当然是即使可能实现也是不切实际的。于是问题就成了应该寻求多小的信号。都知道“没有免费的午餐”，研究者不得不考虑不同数量的缩减的“效费比”。不幸的是，普通雷达工作的方式就有同样的问题。

天线辐射出的能量波束随着传播逐渐扩散，同样它的从目标反射回来的部分也逐渐扩散，所有这些都意味着能量密度在两个方向上持续减小。结果就是对于一个给定大小的目标，返回到雷达天线的能量反比于目标距离的四次方。这说明雷达探测距离只受到系统噪声的限制，但这也是通常的情况。

如果对上边所述的关系做一下计算，就会清楚要袭击敌方的雷达，就不得不做英勇的东西来降低友方飞行器的信号。简单来说，信号减小95%探测距离减少50%，减小67%的雷达探测距离需要信号减小99%。对于多少的缩减是满足“效费比”的问题有很多可研究的，但是探究这些不是本文的目的。

在进入本文感兴趣的主题——雷达信号缩减（也即媒体所称的隐身）——之前，我们必须说一些事情，使没有处于商业中的读者能跟随这些讨论。图1为来自飞机的雷达回波的典型图形。这幅图是将一个精确模型放置在支撑架上，就像它是在飞行，然后在模型从头部旋转到尾部再到头部（0度表示头部）的过程中记录回波幅度得到的。这个图形是所有雷达回波分析和飞机穿透敌方防御能力分析的基础。当适当的校准后，这幅图就给出了随视角变化的所称的飞机雷达散射截面（RCS）。注意到，由于保密的原因，这副样图所示的幅度只是相对值。

没有时间和空间允许给出任何完整的提供目标信息方面的样图。但是，为了鉴别什么是在雷达回波缩减中所感兴趣的，让我们对这幅图做以下几点说明。

首先，我们可以看到回波水平大幅度变化。事实是这幅图是在相对较低的雷达频率下得到的，也对一个较高的雷达频率做了测试，波瓣结构太密以至于图形几乎是黑乎乎的一片。

图形纵坐标是分贝表示的，因为在旋转一度的情况下幅度变化几个数量级。对于那些不熟悉“log”标度的，纵坐标上的最大间隔表示幅度变化级量级——0到10，10到100，等等。我们可以看到一个10度间隔的变化，幅度经常变化由1000到1或者更多。

这种剧烈变化的“波瓣结构”是由于来自飞机不同部分的回波在飞机旋转过程中随着相对位置的变化彼此之间交替想长和相消产生的。同样的情况在飞机在转动或者在垂直平面内移动时也会发生。

对回波源被牢固的固定在旋转体上时的这种干涉清楚后，由于现实世界飞行中的湍流，回波源相对于其它的源会有额外的移动（比如机翼的摆动）。因此这么详细的图变化变得更剧烈。

所有这些的关键点是波瓣结构是wonderfully interesting，但是当开始担心雷达探测飞机时它非常有用就像海龟身上的气刹一样。真正重要的图是那种可以容易的看作一条非常平滑的曲线穿过很复杂的图。这条线是由实际中的稳定性决定的，但是具体是怎么决定的这里并不重要。但是让我们注意，频谱中雷达部分的信号缩减（隐身）要求平滑图降低，尽管波瓣的幅度将自然跟着降低。

现在RCS对决定雷达性能至关重要已经被雷达设计者们和用户在二战中所熟知。在之后很长时间内的一个棘手问题是精确的确定这些难以理解的参数。在19世纪50年代早期，怀特-帕森空军基地的航空电子实验室的前身的研究重点就是对确定其的方法进行研究调查。正是这时作者被安排到那个小组。

到那时，都知道飞机的RCS不仅如所讨论的那样随角度变化复杂，而且是飞机结构、照射雷达频率和极化的函数。看起来就像即使只涉及到一架飞机，做这个工作的人也肯定会被雇佣很长一段时间。

有三种方法潜在的应用于RCS特性描述：1）动态测量（在飞机飞行时测量RCS），2）计算，3）模型测量。每种方法都有其优点和缺点。

动态测量涉及移动和校准雷达，雷达通常位于地面上，然后当飞机按准确的样式（设计这些样式来防止与雷达“方位角”的变化）飞行时保持雷达瞄准目标飞机。这是一个很好的测量RCS的方法因为我们不必去知道产生回波的基本因素。只需记录结果无论源是什么，然后带着成就感离开。

当然，有一些缺点。首要的也是最明显的就是你必须对感兴趣的飞机进行设计，制造和准备飞行。为灵光一现的设计做任何事都是问题之外的。其次知道与RCS数据点相应的方位角也会有一些小问题，更不用说得到RCS数据所需要的角度范围。

对测量待测飞机没有做伟大的工作（几乎无助便宜的测试或广泛的飞机种类编录），只有关于方位角的简单知识，按照图1这不是我们需要的。更进一步，如果在地面上看着待测飞机，需要一个确定的最小范围得到好的数据，很容易就能明白可用的方位角是怎样被严格