淺談匿蹤技術在現代戰機之運用

 

 

自從有戰爭歷史以來,就已經有匿蹤的觀念,例如日本忍者運用服裝及動作,配合周圍環境巧妙安排,使敵方不易查覺其存在。匿蹤觀念也早已運用於軍事裝備上,如陸軍武器的各類迷彩塗裝、海軍艦艇鐵灰色塗裝及空軍戰機的空優迷彩塗裝,目的都是為了使敵方不易從遠方察覺。而制空權為近代戰爭中決定勝負的關鍵因素,為了躲避雷達偵測,反雷達偵測的現代匿蹤觀念開始發展,以下將舉匿蹤飛機為例,討論匿蹤技術的發展及運用。

一、U-2偵察機

世上第一架反雷達偵測飛機為U-2偵察機,U-2偵察機主要法寶是其飛行高度(可達8萬英尺),美國認為當時蘇聯的雷達技術無法偵察到如此高空。1960年5月,一架U-2偵察機在蘇聯上空被SA-2防空飛彈擊落後,美國加強U-2偵察機的雷達反制措施,為機體塗裝一種吸波材料,並運用蜂巢式結構來降低雷達反射訊號,並加緊研製其後繼者──SR-71偵察機,它是世上第一架具有低雷達截面積(RCS)設計的飛機,運用當時無與倫比的高空高速特性(飛行高度10萬英尺,3.2倍音速),配合低RCS設計,使雷達操作員不易判別螢幕上呈現的訊號是真實或雜訊。

二、現代匿蹤飛機

(一)降低雷達截面積:RCS是評估匿蹤特性的重要指標,RCS愈小表示愈不易被雷達發現,一隻飛鳥的RCS約為0.01。減少飛機RCS的主要途徑有兩種:一是改變飛機的外型和結構,二是採用雷達吸波材料。

1.飛機外型和結構:飛機的進氣道、渦輪葉片及各邊緣尖端等部位會引發強烈雷達波反射,這是匿蹤外形設計考量的重點。例如F-117是由許多平面組成的角錐形體,機身找不到曲線和曲面,連機翼和V形尾翼也採用無曲線的菱形,目的在將雷達波束反射集中至一些特定角度而不反射回原方向。B-2採用新一代匿蹤設計概念,外形是經由超級電腦計算出來的連續曲面,機體沒有直角平面存在,所有角度都是鈍角,雷達波束被反射至各個方向,且沒有機身和垂直尾翼,整個飛機像一個大飛翼,發動機進氣道位於機體上方,沒有任何外掛物突出在機體外面。

2.雷達吸波材料:以吸波塗層及干涉等二種方式降低雷達反射訊號。吸波塗層採用電損耗型或磁損耗型材料,將入射雷達波能量轉換為熱量;干涉塗層的厚度為雷達波長的1/4,波在塗層內穿行半個波長後,相位位移180度並與後續的入射波互相抵銷。電漿匿蹤是由蘇俄發展的革命性匿蹤技術,從機首注入電漿流(即離子化的氣體),經由包覆機體的電漿吸收部分雷達波,剩下的波在特殊物理機制下沿著機身前進,將反射訊號降低為原來的1/100。

(二)降低紅外輻射:主要對飛機上產生紅外輻射的部位採取隔熱、降溫等措施,尤其引擎是主要紅外線訊號來源,需考量熱排放系統的設計,運用周遭冷空氣立即將排放的高溫氣體冷卻,並同時降低運轉產生的噪音。如F-117戰機扁平的噴嘴可以盡快把熾熱噴流和周圍冷空氣混合降低溫度,而B-2轟炸機的噴嘴隱藏在機翼上方,也降低遭受地面紅外線偵測的機會。

(三)運用隱蔽色降低肉眼可視度:引擎排放的煙霧及高溫氣體在高空飛行易形成凝結尾,可輕易被肉眼發現,解決之道為加強引擎運轉效率,並於燃料中加入特殊添加劑,使其不致產生白色凝結尾。此外,未來匿蹤飛機的電子迷彩塗裝可因應光影及環境即時變化,與背景融為一體,使肉眼無法辨識。

三、匿蹤技術的限制

匿蹤技術不免有其限制。首先,匿蹤外形雖是達到匿蹤性能的捷徑,然而卻會破壞氣動性能及降低效率,所以需要更大動力維持加速性及巡航性能,如此一來又會造成耗油且需要更多儲油量,使機體重量增加,美軍F-22戰機即因「減重」效果不彰,數度延後服役期程。另外,現有吸波材料怕潮,尤其下雨潮溼使匿蹤性能大減,且塗料易脫落,故平時要存放機庫內吹冷氣。匿蹤技術的運用並非所向無敵,常用反制匿蹤技術的方式如下:

(一)低頻雷達:由於X波段(7~12.5GHz)雷達是目前最常用的雷達系統,所以匿蹤戰機主要是針對X波段雷達匿蹤。反制之道是運用其他頻率雷達系統,如波長約為數毫米的低頻雷達,因機體很難免除毫米尺度的縫隙,毫米波將在這些地方發生共振現象,使匿蹤戰機在雷達幕上現形。

(二)收發分量雷達(Bistatic radar):是一種接收器和發射器相隔一定距離的雷達系統,匿蹤戰機將雷達波反射離開原入射方向,但反射波瓣可能被收發分量雷達的接收器所接收。因反射的高能量波瓣只集中於特定方向且波束很窄,需設置大量接收器才能提高偵獲匿蹤戰機的機率。

(三)紅外線系統:飛行器飛行時與空氣摩擦,無可避免產生高於環境的熱輻射,只要偵測熱輻射變化,即可使匿蹤戰機現形。但紅外線訊號偵測效果隨距離快速遞減,且易受天候影響。

四、投資匿蹤技術的省思

我們應思考一個問題:是否應無條件投資在匿蹤技術上?雖然匿蹤飛機在相當程度上達到匿蹤,但仍有許多方法可以發現匿蹤飛機,且匿蹤能力是以犧牲動能為代價,而維持及製造具有匿蹤性能的戰機非常昂貴,因此可以得到以下結論:匿蹤是一種必須的技術,但無法達成完美的匿蹤,只能盡量去做。

陳淑娥、奕晨/中山科學研究院
97年7月23日

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