善隐者，上隐于九天——热点战机隐身性能分析一、前言【孙子兵法】云：“善守者藏于九地之下，善攻者动于九天之上，故能自保而全胜也。
”现代化战争各种探测手段层出不穷，谁能先敌发现和攻击往往就决定了谁能掌握主动，而谁更能隐蔽谁的战场生存力就越强。
要想赢必须要善于隐藏自保，先立于不败之地，而后出其不意的进攻，夺取胜利。
对战机而言，隐身能力的高低已成为提高生存力，获取不对称作战优势的必不可少的重要手段。
现代战机最主要考虑的隐身措施是缩减本机的雷达反射、红外辐射特征，减少被发现的概率，结合电子对抗及主动对消等手段，以及合理的规避战术，战场生存力可以大幅提高。
在隐身技术领域，美国是毫无争议的领头羊，其B-1B、F-117、B-2、F-22、F-35等隐身战机的设计理念和技术应用是各国竞相研究效仿的目标。
本文重点从外形和结构化隐身技术等方面，对比分析几款热点战机的隐身性能，并尝试根据一些公开的研究测试结论给出量化的数据推导，所得结论不代表型号真实数据，仅供军迷参考。
这些机型主要包括目前被划为四代战机的美制F-22、中国J-20和俄罗斯T-50，文章的最后针对近期网络热点，附加点评中国J-10隐身改型以及法国阵风两款 3.5 代机型的准隐身性能。
二、基础概念说明雷达波隐身主要包括外形隐身技术和隐身材料、结构的应用，红外隐身主要是降低战机发动机和表面气动热点红外辐射的技术，此外战机本身安装的各种雷达、电子设备也会向外辐射电磁波，每个辐射源习惯上被称为一个射频孔径，这些信号不加掩饰的话很容易被对手截获发现，通过对各孔径进行综合和优化，可以降低被截获概率，提高隐身能力。
在展开对比分析之前，需要先了解几个基本概念：1.在电磁辐射能量范畴，电子学上为了便于度量能量的大小，采用了等效雷达散射截面积（RCS）和米制的度量概念，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1m²，即等同于半径是0.564m 的金属球（几何横截面积1m²）所反射的RCS 效果；2.为便于对比辐射能量相对强弱，引入电子学中的分贝（dB）概念，取两个能量值之比的10 倍对数值，比如 3 分贝表示算术比值大 1 倍，10 分贝表示大10 倍，20 分贝表示大100 倍，反之分贝为负值则表示减小为对应的几分之一。
当以 1 平方米作为参照值时，可定义绝对值度量dBm²，如3dBm²就意味着2m²的RCS，以便于理解和表达；3.一些常见的物体形状，雷达波反射强度从高到低依次为：腔体>三面垂直角体>两面直角体>矩形平面>圆柱体>球体等，隐身设计上既要兼顾气动和机内有效容积，又要尽量避免采用反射较强的结构外形。
三、雷达波隐身技术对常用的Ku、X、C、S、L 波段的雷达波，由于波长远小于飞机各部件尺寸，通常可以采用几何光学近似法来对飞机各部件的RCS 进行估算，但考虑耦合问题的复杂性，目前即使应用超算能力的情况下，复杂物体的RCS 也还不能绝对精确计算出来，只能无限趋近，必须经过实测才能真正获得比较准确的结果。
这类波段在战机上的散射形式重点要考虑的有三种：镜面反射、绕射和行波反射，其中镜面反射占主导。
雷达波隐身技术，就是针对战机的关键战术任务需要和重点姿态，平衡气动和机内有效容积等各种因素，合理设计外形和应用吸波材料，将威胁最大的方位和俯仰角范围内的RCS 降到最低。
图 1 是典型的三代战机幻影2000 沿水平方位的RCS 强度分布，对于威胁最大的正前方小角度范围，主要包括来自腔体、边缘等的反射、绕射等，峰值各在5~8dBm²，机身前向反射和机翼后缘行波反射很小，约-8~-12dBm²以下；侧前方主要是机翼前缘和部分机身表面的镜面反射，各约7~8dBm²；正侧方向立尾反射最强，达到30dBm²，机身其次，约24dBm²；后部尾喷口边缘绕射和腔体反射最强，接近20dBm²。
未作隐身处理的雷达舱、进气道、座舱是前向主要反射源，其RCS 贡献分别占40%、31.5%、23%，其他部位的反射、行波、爬行波散射等合计只占 5.5%。
这里也应注意，即使行波和爬行波反射不占主导，其累积RCS 绝对值仍可能达到1m²的程度，对隐身战机而言同样不可忽视。
图1、幻影2000 沿水平方位角RCS 强度分布目前应用的雷达波隐身措施主要有 6 种：1.将无法避免的直线边缘、平面相对主要威胁方位倾斜，把入射波反射到无威胁的方向，比如菱形或凹凸曲面机身、菱形机翼、倾斜立尾、斜切翼尖等，F-117 是最直观应用这种思路的典型设计；2.弱散射部件占位或遮挡强散射部位。
例如机翼下反遮挡、翼身融合体占位、飞翼设计等，都能起到明显降低RCS 的作用；3.消除角反射器效应，最典型的设计是倾斜双立尾和倾斜机身表面，改变相互间的直角夹角，也可以在纵横向布局上尽量分散错开有垂直关系的平面，减少交叉重叠区域面积。
比如常规布局的立尾和平尾间很难避免纵向位置重叠，只能采取倾斜立尾等措施；J-20 的鸭翼、主翼和立尾纵向分散布置，从侧向隐身来说是有利的；4.将全方位分散的波峰调整合并为有限的几个方向，并优化反射角度和波峰宽度，也就是现在常说的平行设计原则，一般思路是把其他部件反射波峰向主翼波峰靠拢。
普通双立尾战机的各翼面前后缘合计可能产生多达24 个不同方向的散射波峰，必须进行整合优化。
J-20 进气道唇口内倾角和垂尾后缘与主翼波系并不重合，整机波系略多于F-22；5.尽量减少或消除表面台阶、缝隙，将开口缝隙斜置或锯齿化，倾角也参考主翼波峰，以削弱主要威胁方向的行波或爬行波反射；6.在关键部位局部采用吸波材料。
吸波材料大面积使用的话会带来重量、强度等诸多问题，但局部补得好则能起到画龙点睛的效果。
对一些无法回避的强散射点，例如进气道唇口及腔体内表面、机翼前后缘和翼尖、菱形或凹凸曲面机身侧面棱边、机头（雷达罩框架边缘）和尾部喷口连接部、活动翼面连接部及各类开口缝隙等，都应在设计上重点关注。
这些措施很多人可能已经有所了解，对边缘平行合并波系的设计等网上分析已经很多，笔者在此不再推导。
但对凹凸曲面机身、机翼和翼身融合体占位、倾斜立尾、双斜切进气道、行波反射的RCS 量化特性和吸波材料的局部使用方法并不常见行诸于文，本文予以重点说明。
（一）凹凸曲面机身实际应用证明，类似F-117 那样多棱边机身设计并不成功，棱边的绕射问题会增加隐身措施复杂度，更为成功的是如图 2 所示几种带单棱边的凹凸曲面机身的外形，其中凹面尖劈角（a、b）在侧面正负15 度角内隐身效果最好（见图2），RCS 最多可降低18~25dB，凸面（c）最差，降低13~19dB 左右。
由于凹曲面机身的这一优势，加之很容易与翼身融合一并实现，因此被广泛采用。
凸曲面机身由于内容积最大，主要用于机头雷达罩（对雷达波辐射的畸变也最小）和延续的座舱段，以及各类独立尾撑。
对比F-22、J-20 和T-50 的机头段，我们可以发现F-22 的侧面倾角略大于J-20，棱线尖劈角也相近，而T-50 的五边形截面设计下半部分倾角偏小，但底部较浅，隐身效果方面应相差不多。
图2、几种成功应用的低RCS 机身外形座舱是机身前向的一大腔体散射源，普通玻璃座舱盖无法阻止雷达波进入杂乱无章的座舱内，从而形成强烈腔体散射。
采用金或铟锡金属镀膜和低RCS 外形设计的座舱盖可以有效减少雷达波的透入，并将大部分雷达波反射到低威胁方向。
对座舱内设备表面的倾斜和简洁化设计，包括关键部位涂覆吸波材料也能够进一步减低RCS，通常来说削弱25dB 是可以做到的。
J-20 上我们已经看到明确采用了金属膜低RCS 座舱盖，座舱内设备外形也符合隐身设计要求，T-50 目前尚未采用，但有消息报道其生产技术已经掌握，预计在后续验证机上会应用。
（二）弱散射占位接下来分析一个较少提及的重要隐身技术概念——弱散射占位作用。
以机翼和翼身融合体为例，进行适当隐身处理后在侧面会减为弱散射源，当我们用其占住机身某段后，由于遮挡作用，这部分机身的RCS 被替代为机翼或翼身融合体的弱散射值，从而大幅降低侧面RCS，这就是弱散射占位的基本原理。
实测效果如图 3 所示，其中两个实验体分别为翼身融合体和常规机翼+机身组合，可看出翼身融合体侧面主要威胁角内RCS 平均低15dBm²以上。
图3、机翼+机身（A+B）和翼身融合体（C+D）占位对侧面RCS 影响机翼本身的外形隐身处理措施主要包括斜切翼尖和端面削尖。
在机翼平面上，除前后缘法线方向以外的其他方位RCS 很低，一般在-26~-45dBm²左右（水平极化波回波较强）。
但对于平直翼尖正对的法线方向，端面也偏钝直的情况下，0.6m 的翼尖弦长就可能造成1m²的RCS，因此必须缩短平直翼尖的弦长（比如斜切），并对端面削尖，一些可偏转翼面如襟副翼侧端也同样要采取削尖措施。
经修形后，在正对翼尖法线方向的RCS 可下降16~25dB，如涂覆吸波材料将进一步降低。
机翼略有上下反时，侧面RCS 变化基本可忽略，除边缘法线方向外机翼的RCS 基本可抑制在-30~-40dBm²范围，属于典型的弱反射部件。
J-20 翼尖平直，弦长约 1.4m，如图4，只做了端面削尖未斜切缩短弦长，与F-35 相似，虽然翼尖超薄，但还未达隐身修形的最佳效果。
究其原因，估计与气动效果平衡有关，后续改进其实可以考虑略为加长翼展再作斜切处理。
图4、J-20 机翼隐身修形和气动布局等综合分析（图片来自网络）从隐身角度，采用RCS 更低的翼身融合体是必然的，为便于分析比较通常采用占位比的概念，即被翼身融合体有效占位的机身段长和机身全长的比值。
也可以机身（从机头到发动机喷口）中轴线的中点为分界，分别定义前后机身的占位比。
比如F-22 的前机身基本无机翼和大边条，占位比是0，而后机身主翼、尾翼与机身融合良好，占位比达到1，整机占位比为0.5。
当采用凹凸曲面机身结合翼身融合体占位设计时，类似F-22 和J-20 这样的战机侧向RCS 可以相对抑制20dB 甚至更低（未计入立尾影响），而B-2 这类飞翼型设计整机占位比为1，侧向隐身效果更佳。
也正是基于这个原因，目前飞翼已成为了国际上下一代战机气动布局的重点研究方向。
大后掠角的三角翼根弦很长，是除飞翼布局外占位效果最佳的，同时类似大黄蜂和FC-1 的大边条也可等同于机翼或翼身融合体的占位作用。
良好的占位需要满足几个设计原则：首先机身侧面棱线必须比较平滑地与前后翼面连接，同时棱边的尖劈角应尽量不超过45 度，最好小于15 度，二者的散射强度因此可能相差10dB 左右；其次，融合体凹面和机翼根截面所占的机身表面弧段应大于凸面弧段，以优化占位效果；最后，根据作战要求，选择上、下单翼布局，比如中低空空战为主的选择上或偏上单翼，对地面进攻为主的选择中下单翼，使得曲面选择有所侧重，降低最大威胁方向RCS。