军用飞机特征信号抑制要求研究

杨 涛

(中国飞行试验研究院，西安 710089)

0 引言

对军机的特征信号进行抑制是军机隐身最基本的要求和手段，通过控制军机的特征信号，能够极大地增加敌人探测、跟踪、制导、控制和预测平台与武器在空间位置的难度，大大降低敌人获取信息的准确性和完整性，降低敌人成功运用各种武器进行防御和攻击的机会和能力，从而提高飞机的作战能力和生存能力［1］。军机的特征信号包括雷达、红外、可见光、声、电磁辐射等多种，其中雷达和红外作为制导武器的最主要探测手段，是飞机特征信号抑制的最主要要求。本文将综合分析国内外相关标准规范的内容和我国军机面临的威胁环境，提出我国现阶段军机雷达和红外特征信号抑制的基本要求。

1 国外对军机特征信号的抑制要求分析

美军涉及军机非核生存力的有关标准和手册如MILHDBK－268［2］、MIL－HDBK－336［3］等都论及飞机的特征信号控制，并将其归为飞机的敏感性设计内容。同时，美国三军联合使用规范指南 JSSG－2001A［4］、JSSG－2007A［5］等文件中详细说明了在制定飞机设计指标时需要考虑的项目，指出了各特征信号抑制的需求原则、指标制定指南等内容。

MIL－HDBK－268、MIL－HDBK－336等文件主要从技术实现方面论述飞机的特征信号控制，这些文件指出了常规飞机的主要特征信号源，如对雷达散射截面(RCS)，MIL－HDBK－268指出固定翼飞机的强散射源包括发动机进气道、座舱、天线和天线腔、机翼边缘、外部吊舱及设备，以及其他的腔体和角反射器等，采用的特征信号消减技术包括赋形、涂敷雷达吸波材料(RAM)等。MIL－HDBK－336不但描述了飞机、发动机的RCS特点及其对雷达发现距离的影响，而且说明了对飞机RCS进行评估的工具和技术，并特别强调了强散射源成像技术的应用。MIL－HDBK－336指出，目标的几何特征和材料电磁特性决定了目标的RCS特征，并指出RCS的减缩要与其他特征信号的减缩达到平衡，其减缩水平由飞机所要承担的主要任务而定。另外，MIL－E－5007D和MIL－E－8593A对飞机发动机的特征信号抑制也进行了详细的要求。

JSSG－2001A《飞行器》规定的特征信号主要有:雷达散射截面、红外信号、可见光信号、声音信号以及辐射控制等。在RCS方面，JSSG－2001指出，为了使飞机在执行任务时具有足够的生存力，需要对RCS特征与控制技术进行一体化设计，具体要求由飞行任务和对飞机的总体需求决定，要与任务阶段的威胁状态相适应，可以根据对武器系统能力的分析或类似系统的测试来确定。在红外特征方面，JSSG－2001A指出，现代及未来研制的红外导弹所使用的光谱越来越复杂，其在空间及时间上的对抗 －反对抗(Counter-Counter Measures，CCM)能力越来越强。为使武器系统有较好的生存力从而完成其目的任务，必须限制红外信号。在确定飞机红外信号规范极限值之前，必须首先确定飞机的任务及操作状态，使用规则及战术要求，以及可能遇到的威胁。飞机的所有红外信号由飞机的不同热源所产生的红外信号组成，对于多数固定翼飞机，这些热源是机体反射的太阳光、散热的部件及发动机尾气。JSSG－2001A对于可见光信号、声信号、有意和无意的电磁辐射特征信号的抑制要求也进行了详细说明。

JSSG－2007A《航空涡轮发动机》对由发动机引起的军机特征信号电平进行了详细的规定，包括了噪声信号、红外信号、雷达信号等。JSSG－2007A指出，战场生存力取决于保持特征信号的量级低于敌方发现和利用的量级，或者低于瞄准或打击飞机的量级。飞行器规范应当从飞行器在其较低的可探测性结构时，综合考虑任务、威胁锁定、跟踪性能和要求的工作条件，由整个飞行器系统量级的生存力分析推导出。JSSG－2007A给出了军机特征信号要求的格式与例表，指出确定指标要求时应注意能够简化设计过程的跟踪，简化验证，并能确保军机对所承担的每一种任务都能满足最理想条件的要求。JSSG－2007A给出了不同特征信号的规范参数，并给出了规范要求的经验教训。

美军的标准和规范对军机特征信号的抑制有两大原则:首先是要与飞机所要承担的任务和面临的威胁环境相一致;其次是不同特征信号的抑制要相互平衡，即飞机对不同的探测源都要达到相近的隐身效果。

2 国外隐身飞机分析

国外大力发展隐身技术，研制隐身飞机。F－117于1981年6月15日试飞成功，作为美国前洛克希德公司研制的隐身攻击机，F－117是世界上第一种可正式作战的隐身战斗机，自1982年8月23日起共向美国空军交付59架。F－117为了达到隐身的目的，牺牲了30%的引擎效率，并采用了一对高展弦比的机翼，为了向两侧折射雷达波，还采用了很高的后掠角的后掠翼。F－117采用了独特的多面体外形，将表面反射的能量散射到其他方向，并采用了各种吸波材料和表面涂料，同时还使用吸波符合材料格栅将进气口屏蔽起来，防止雷达波直接照射到具有强反射特性的发动机风扇叶片上。F－117有一套整合精密导引和攻击系统的数字化飞航控制装置。为了降低电磁波的发散和雷达截面积，它没有配备雷达。这些复杂的隐身措施使其RCS达到0.003 m2左右。F－117从2006年开始逐步退役，至2008年4月21日全部退役。

F－22是第4代歼击机的典型代表。其先进性主要表现在超声速巡航能力、隐身能力、过失速机动和推力矢量化、多目标跟踪和攻击能力等方面。

F－22采用了多种隐身技术，如小反射外形、吸收无线电波材料、用无线电电子对抗器材和小辐射的机载无线电电子设备等。F－22的垂尾、前机身和进气道等设计成有一定的倾角，机翼和机身按融合体设计，结合圆滑无棱角。其两侧进气口装在翼前缘延伸面下方，与喷嘴一样，都做了抑制红外辐射的隐身设计。主翼和水平安定面采用相同的后掠角和后缘前掠角，都是小展弦比的梯形平面形。F－22主要部件的轮廓线，如机翼和尾翼的前后缘、尾喷口的“之”字形边缘等力求相互平行，使全机对雷达的反射形成少数几个波束，在其他方向反射极弱。F－22将武器全部内挂、在进气道内涂以含碳铁化合物吸波材料。F－22的隐身设计使其RCS为0.0001～0.0002 m2左右，也有报道称其迎头方向的RCS约为0.065 m2(比苏 －27、F －15低两个数量级)，侧向RCS仅为2～3 m2(仅为典型3代机的1/1000左右)。F－22上也采取了有效的红外隐身措施，如采用散热量低的涡扇发动机和能够使排气系统的红外辐射源快速消散在大气中的二元扁平式尾喷管，F－22还采用了矢量可调管壁来降低发动机及其尾焰的红外辐射强度，同时在发动机尾喷管里装设了液态氦槽来降低喷嘴的出口温度。在F－22的表面、发动机、后机身及排气系统等红外辐射源集中的部位涂覆低辐射率红外涂料，使该机具有更好的红外隐身特性。

美国B－2隐身轰炸机于1989年7月首次试飞，具有机翼和机身完全融为一体的飞翼气动外形。飞翼是一种没有平尾，翼身融合的布局形式，整个飞机外形呈光滑曲线，进气道是S形，前后端均呈扇贝状，机长21.03 m，翼展52.73 m。B－2除了采用与F－22战斗机相同的隐身措施以外，还有其他不同的特点:B－2没有垂直尾翼，有利于减缩雷达散射截面;飞翼的平面外形由12条直线组成，分别平行于机翼前缘，把雷达波从后缘上沿两个方向反射出去。B－2隐形轰炸机整体分为6大区域，除中央机翼及左右中部机翼段之间有两段用钛合金制造，其他结构采用碳纤维/环氧树酯所生产的复合材料形成完整的雷达绝缘材料，蒙皮吸波结构为一种六角形蜂窝夹芯碳纤维/环氧树脂吸波结构材料，这种碳纤维截面为方形，表面沉积有一层微小空穴的碳层，可有效提高碳纤维的雷达吸波性能。B－2的设计经过了几次大的更改，使RCS达到0.0001 m2左右。B－2不仅雷达隐身，并对红外隐身也采取了许多先进技术，如采用50%～60%的降温隔热复合材料，并且在发动机的排气道的设计上，使喷嘴外侧成唇沟状的排气道平置于翼尾缘的前方，既可降低喷嘴温度，又能形成机翼边界气流的辅助进气道，进一步降温。

1996年11月美国决定研制生产联合攻击战斗机(Joint Strike Fighter，JSF)F－35。由于隐身性能比F－22差，F－35大量采用了F－22的隐身技术，但F－35出于减重和降低成本的考虑，并没有装备矢量喷口，而是采用了带锯齿边缘的环形喷管。F－35的DSI进气道对于短波雷达的隐身特性较好，但随着对方雷达波长的增加，其隐身效果会逐渐降低。

美国RAH－66“科曼奇”直升机RCS比一般直升机小得多，仅为它们的1%，主要是因为它采用了可隐身的外形，广泛使用了复合材料和雷达干扰设备。RAH－66机身避免了圆柱体和半球体强烈全向散射雷达波的弊病，尾梁两侧有圈置的“托架”，可偏转反射掉雷达波。尾部涵道尾桨倾斜，避免形成强烈反射雷达波的角反射器。它的两台发动机包藏在机身内，进气道在机身两侧上方悬埋入式，且进气道呈菱形，不会对雷达波形成强反射。RAH－66在红外隐身上采用了波瓣混合红外抑制器和大宽高比的二元喷管，使排气温度明显降低，降低了红外辐射。

3 我国现有标准对军机特征信号的抑制要求

国内对飞机特征信号做出较为详细要求的军标主要有:GJB1301《飞机生存力大纲的制定和实施》［6］、HB7111《飞机非核生存力大纲要求》［7］、HB/Z266《常规武器威胁下提高飞机生存力的设计与评估指南》［8］等。GJB1301和HB7111指出，提高飞机生存力的基本要求首先是减少发现，规定应将包括任务所需外挂物在内的飞机系统的雷达截面减小到所要求的值，并应符合飞机专用规范或生存力大纲中所规定的红外辐射要求。对于飞机的目视可见度、噪音以及电磁辐射等，GJB1301和HB7111也都作出了一定的规定。HB/Z 266是目前对军机特征信号论述最为详细的正式文件，其内容涵盖RCS、IR、可见光、声、电磁辐射等多个方面，对不同特征信号的产生机理、分布特征、影响因素、抑制方法及需要重点考虑的问题等都进行了详细的说明。此外，GJB/Z121－99《飞机非核生存力机体要求指南》规定了飞机设计中提高飞机机体非核生存力技术的一般要求，并提供了一般的和专用的设计技术、评估方法及有关资料。GJB/Z81－96《航空发动机非核生存力设计指南》着重论述了涡轮发动机降低红外、雷达、可见和可听等可探测信号的设计技术。GJB 2537《固定翼飞机风挡系统通用规范》、GJB 1393《飞机座舱盖系统通用规范》、GJB3813《飞机进气道设计要求》、GJB4669《航空武器装备主要作战使用性能论证要求》、HB/Z 290－1996《飞机座舱透明件设计手册》等也就涉及分系统的特征信号抑制作出了简要的要求。

4 对国内外现有标准的讨论

国内外现有的这些标准规范都是从战术原则上对军机的特征信号进行要求，没有涉及具体的指标要求，既不能作为隐身飞机设计的管理性文件，也不能作为隐身飞机设计的技术依据，只能作为不同型号军机隐身设计的技术参考性文件。具体存在以下不足。

1)没有指出不同军机的隐身要求。由于不同的军机执行的任务不同，其面对的威胁环境也不一样，这样，对于具体的军机型号，即使无法给出适合于当时敌对环境的隐身指标要求，也应该给出机体隐身设计的侧重点。JSSG－2001A要求，军机的所有的隐身技术要求都需要军方和承制方进行深入的技战术讨论后确定，这是一个折中性的要求，其简单的规范条款中隐含着巨大的工作量。

2)飞机不同隐身技术的有效性问题。进行飞机隐身改装的技术和方法很多，理论上都可以达到理想的隐身效果，但在实际使用中，任何单一的隐身改装技术都无法使军机进行有效隐身，需要对这些技术进行统筹安排、综合使用，使其使用效果达到最优化。MIL－HDBK－268以及由其转化而来的HB/Z266指出了可以采用的各种隐身技术，但对其有效性问题都没有给出明确的说明。有人指出，隐身飞机“外形设计不好，使用再多的隐身材料也无法弥补”［9］，但外形技术和材料技术对军机隐身指标贡献的大小目前还没有一个比较客观的评估，对其他隐身技术同样存在着这样的问题。

3)没有说明军机不同阶段的特征信号验证方法。JSSG－2001A指出，在军机的不同发展阶段，需要采用不同的方法进行验证，并指出了不同的验证技术。但事实上由于测试环境、测试设备等因素的影响，对同一目标，不同的测试技术所得到的结果往往会有一定的差异，这就需要明确飞机不同发展阶段以及大修后其特征信号的验证依据。

4)国内缺少像JSSG－2001A这样的军机研制联合规范指南。JSSG－2001A虽然只是指导性文件，但其内容可裁剪成飞机研制及制造的所有规范。JSSG－2001A在军机特征信号方面开创的新的管理方式值得我们学习。对于不同的军机特征信号，JSSG－2001A从条款上都给出需求内容和验证方法两部分:1)需求部分，首先用填空方式给出对某种特征信号的某种需求，随后给出需求依据、填空指南以及对该特征信号的经验教训等;2)验证部分，首先给出军机不同发展阶段特征信号的验证方法，对验证的原则及主要的验证内容进行说明，然后给出了验证的数据格式样本及经验教训。由于军机隐身性能的要求随着军机设计使命及威胁环境的不同而不同，因此，JSSG－2001A对军机特征信号的要求格式是比较合理的，能够灵活地反映出型号的差异和技术的进步。

5 现阶段我国军机的隐身要求分析

5.1 我国军机面临的威胁环境分析

在未来可以预期的时间内，对飞机生存力构成最大威胁的仍然是敌方防空系统以及作战飞机的雷达探测和红外探测。对周边国家和地区装备的雷达与红外探测装置进行简要的分析如下。

5.1.1 防空雷达

包括超远程、远程搜索雷达(含陆基、海基警戒雷达、引导雷达和预警雷达等)和陆基与舰载的防空火控雷达(含防空导弹制导雷达、高射炮雷达等)，这些雷达根据功能的不同，其工作频率也有所区别，预警雷达工作在VHF(0.15～0.2 GHz)和 S波段(3～4 GHz);地面控制截击雷达工作在S波段(2～3 GHz);空空导弹制导雷达工作在X波段(9 GHz);地对空战略导弹制导系统在探测时工作在VHF、L、S波段，频率范围覆盖0.15 ～3 GHz，在跟踪时工作在 C、X、Ku波段，频率范围覆盖5～13 GHz;地对空战术导弹制导系统在探测时工作在S、C波段，频率范围覆盖2～6 GHz，在跟踪时工作在C、X波段，频率范围覆盖5～13 GHz;雷达制导高射武器工作在Ku波段(14～16 GHz)。

5.1.2 预警机

空中预警飞机一般工作在 UHF波段(0.3～1 GHz)、S波段(2～4 GHz)和 X、Ku波段(8～18 GHz)。目前周边国家和地区装备的预警机主要有:E－2C、E －2T、E －737、E －767、C －130、TU －126、A －50 等，其装备的预警雷达分别为:AN/APS－145、AN/APY－2、FLATJACK 等，工作频率分别为 0.4 GHz、3 GHz和2.4 GHz。AN/APS－145预警雷达，对低空战斗机一类目标探测距离达到360～440 km，而TU－126预警机装备的FLATJACK预警雷达，对低空小目标的探测距离达到200 km。

5.1.3 机载火控雷达

目前周边国家和地区装备的机载火控雷达大都工作在X波段，其中F－16C/D飞机装备的APG－68对典型目标作用距离上视可达103 km，下视可达70 km，F－1S飞机的APG－63雷达作用距离可达150 km，幻影－2000飞机的RDI雷达上视距离120 km，下视距离最远可达500 km。

5.1.4 光学探测装置

红外探测装置属于无源探测，具有高度的隐蔽性，同时不受电磁干扰，再加上目标探测角精度高，国外的大部分先进战斗机均已装备机载红外搜索跟踪系统(IRST)和机载前视红外系统(FLIR)，同时，红外寻的导引头技术也取得了长足的进步，目前，红外探测装置对目标的定位精度已达到5%水平。已装备的典型IRST包括:F－14A飞机装备的 AWG －9，工作波长3.5～4.8 μm;F－14D和F－16装备的AAS－42工作在8～12 μm;E2C 装备的SIRST 工作在3.4 ～4.8 μm 和8.2 ～9.2 μm;苏27/30飞机装备的 OEPS工作在3～5 μm;“阵风”装备的OSF工作在3～5 μm和8～12 μm。这些已装备的IRST，在高空对飞机的探测距离最大超过200 km，尾后探测最大超过300 km。

5.2 现阶段我国军机的隐身设计要求

5.2.1 频段要求

通过前述内容可以看到，对于军机的特征信号抑制，首先应解决好雷达和光学隐身问题。

在雷达领域，应重点解决好的频段包括UHF、L、S、X，同时考虑到其他机载雷达、地面跟踪雷达以及雷达导引导弹的威胁，还应考虑C、Ku和Ka波段的飞机隐身问题，覆盖的频率范围为0.4～18GHz和35GHz。在光学领域，应实现全方位、多频段的红外隐身，重点波段为3～5 μm 和8 ～14 μm。

5.2.2 姿态要求

由于空战双方飞行高度存在差异，雷达对军机的照射存在着仰视、俯视和平视3种，这样，选择军机的隐身姿态角时就必须同时对隐身方位角和隐身俯仰角展开研究。虽然人们希望军机在全部姿态角范围内都具有低的RCS与红外辐射，但由于技术发展以及军机制造与维护成本的限制，目前无法实现全隐身，必须根据飞机作战使用的特点和承担的主要任务，选择受威胁最大的方位角和俯仰角进行隐身处理。

在方位角的选择方面，对于战斗机来说，在没有雷达引导时，在迎头视向，飞机进入主动攻击状态和被攻击状态的概率都是最大的，飞机最需要进行隐身处理的方位角也就是正前向某一角度范围内，其大小可取为0°±(30°～60°)。但在地面或预警雷达引导下，战斗机也可以采取侧向攻击战术，所以对飞机侧向进行隐身处理也是必不可少的，其方位角选择可为90°±(20°～ 40°)。而对于执行远距离突防任务的飞机来说，除了前向和侧向外，其尾向也可以遭到敌方地面和空中制导武器攻击，需要进行隐身处理的角度大致为180°±(20°～40°)。隐身方位角的选择原则是:从作战使命的需要出发，最大限度地缩小敌方探测装置对己方飞机的威胁区域。

对隐身俯仰角的选择，需要考虑地面雷达和机载预警雷达在不同状态下的最大作用距离，同时设定典型的预警机飞行高度、机载火控雷达的巡航高度以及战斗机的突防高度等。根据前人对战斗机突防方面的技术研究，设定0°±(20°～25°)的隐身俯仰角要求是比较合理的。在这个俯仰角范围内，比较重要的散射源和辐射源都已包括在内，如座舱、雷达舱、进气道、排气管等。

5.2.3 性能要求

由前面的标准规范内容分析可知，飞机的隐身性能要求与军机的作战使命和遇到的电磁环境有关。军机对各种探测装置的烧穿距离不但与军机自身的特征信号电平和探测装置性能有关，而且也与自身携带武器的攻击距离和自身探测装置的性能有关。

美国F－22飞机装备的APG－77雷达具有敏捷波束搜索/跟踪、低可探测、电子反对抗和低截取概率等特征，在空战能力方面取得了巨大突破，同时F－22飞机也在航电系统中为IRST的使用留下接口。F－35飞机不但要装备AN/APG－81有源电扫相控阵雷达，具有分辨率高、探测距离远、全天候工作和低截获概率的特点，其探测范围要达到目前机载雷达的3～4倍，而且装备了FLIR、IRST、光电分布式孔径系统(Electro-Optical Distributed Aperture System，EO DAS)、电子战系统以及能提供敌我识别能力和高速数据传递能力的通信、导航与识别系统(Communication Navigation Identification，CNI)，F－35飞机先进的传感器系统使其飞行员对战场态势的了解程度达到了空前水平，并保证F－35始终远离敌方的威胁。

为了对抗强大的对手，新一代军机应在隐身设计方面提出高要求。为了能与F－22这样先进的战斗机进行抗衡，同时能有效地攻击敌预警机和地面防空系统并使对方无法组织有效还击，根据我国现有机载武器和对抗设备的发展现状，我国下一代空战飞机在RCS方面达到F－22的水平，其他特征信号的指标确定需要根据我国相关技术研究的发展水平而定。需要说明的是，对特征信号进行抑制，只是提高军机战场生存力和任务完成能力的一个途径，其唯一目的是降低敌方探测装置对我方军机的探测敏感性。所以，特征信号的抑制水平和敌我双方探测、反探测技术与装备的发展有密切的关系，其数值需要随着承担不同作战任务的军机型号及对抗与反对抗装备的发展情况而分别确定。

6 结论

对军机的特征信号进行抑制，能够很好地提高飞机武器系统的作战效能和生存能力，是现代和未来武器装备的重要发展趋势。从相关标准来说，国内外都将其归结为军机生存力设计的敏感性指标来进行管理，并且都包括了雷达、红外、可见光、声、电磁辐射等多个方面，对不同特征信号都给出了具体的要求内容和技术途径，但这些标准和规范都具有原则性和原理性，存在着许多不足。对军机特征信号的抑制要求，需要考虑不同型号飞机所承担的具体任务，以及自身装备的对抗与反对抗设备等内容，其技术指标的内容和格式需要军方和承制方协商而定。对于我国新型战斗机研制来说，当前应重点研究特定姿态范围内0.4～18 GHz和0.4～35 GHz的雷达隐身和中波、长波红外隐身。

［1］HENABRAY K.The role of stealth in future combat［Z］.Headquarters U S Air Force，Smi Stealth Conference 2006，London.

［2］Department of the Navy，Naval Air Systems Command.MILHDBK-268，survivability enhancement，aircraft，conventional weapon threats，design and evaluation guidelines［G］.1982.

［3］Department of Defense.MIL-HDBK-336，survivability，aircraft，nonnuclear.volume 1，general griteria［Z］.USA，1983.

［4］Department of Defense.JSSG-2001A，air vehicle，USA，October 2002.

［5］Department of Defense.JSSG-2007A，engines，aircraft，turbine［Z］.USA，January 2004.

［6］国防科学技术工业委员会.GJB1301-91飞机生存力大纲的制定和实施［S］.北京:中国标准出版社，1991，12.

［7］中国航空工业总公司.HB7111-94飞机非核生存力大纲要求［Z］.1995，5.

［8］中国航空工业总公司.HB/Z 266-94，常规武器威胁下提高飞机生存力的设计和评估指南［Z］.1994，10.

［9］HAISTY B S.Lockheed martin’s affordable stealth，lockheed martin aeronautics［Z］.2000，15.