事故隐形战斗机的搜救问题

2020-07-03付亦凡

数字通信世界 2020年6期

关键词：雷达探测无源电磁波

付亦凡

（北京理工大学，北京 102488）

1 概述

隐形飞机具有优越的隐形能力，这也使得其在出事故之后很难被雷达探测到，为搜救工作增添了难度。因此关于事故隐形飞机的搜救问题很有研究背景以及研究前景。

1.1 研究背景

2019年4月23日，日本一架F35在演习时坠海，日本当局及时派出搜救队，但是因为F35卓越的隐形能力，搜救队一直很难找到坠机的准确位置，进而导致不能及时救起飞行员。从而引发这样一个问题，如何可以使得隐形战斗机的隐形能力不阻碍搜救队的搜救工作。

1.2 研究意义

对于国家而言，培养一个飞行员需要投入巨大的成本，尤其是越先进的战机消耗的成本越高。而且从人道主义而言，对出事故的飞行员大家当然希望能救起他来。因此如何避过隐形飞机的隐形功能而及时搜救是很有意义的。

2 研究如何搜救隐形飞机事会有的问题

2.1 涉及的理论问题

2.1.1 隐形飞机的原理

隐形飞机的隐形手段主要采用以下两种方式：

（1）采用可吸收雷达波的材料。雷达波是一种电磁波，和可见光一样。因此对于防止雷达波的吸收而言，处理方法与可见光类似。在黑暗之中深色的物体不容易被看到，就是因为深色物体具有吸收可见光的本领，同理如果飞机材料可以吸收绝大部分的电磁波，那么就不容易被雷达探测到。事实上，在飞机发明之初使用的材料是很符合这样的理念的，也就是我们熟知的木质结构，但是这样的结构也有着很明显的缺陷，那就是强度。现在的飞机飞行高度，速度都远超过最初发明时的飞机，这对飞机材料的强度有很高的要求，木质结构是很难满足这样的要求的，所以当下解决方案是通过特殊涂料，就像在飞机表面铺上一层“深色的布”。

（2）改变飞机的外部形状。最开始的时候，飞机的设计采用的是流线型，极大的减少了空气阻力提高了飞机的性能，但是这样的设计带来的弊端也是很明显的。流线型设计会让飞机对于电磁波而言像一块巨大的镜子，不仅对隐形性能无益，反而比一般物体更容易被雷达发现。因此现在的战斗机多采用平面拼接的设计方法，极大的提高了飞机的隐形性能。典型的例子就是F-117，其在设计的时候并没有在机身上设计任何一个曲面。当然，采用倾斜垂尾也符合隐形设计，B-2更是直接取消了垂尾。

2.1.2 雷达探测的难点

首先，随着战机的更新换代，战机的作战半径与战斗高度都有所提升，这就意味着新型雷达若要探测到战机就需要适应性地提高。其次，隐形飞机对于雷达波的吸收能力逐渐增强，但是雷达发射的雷达波强度不能一味的增大，因此为了探测雷达需要探索新式的探测方法。同样，在战略中雷达遇到这些难题，在失事的隐形飞机搜救工作中也同样会遇到，而随着隐形飞机技术的提高，搜救设备也应有上述改进。

2.2 所遇到的实际需求问题

在正常探测的时候，雷达也会接收到非雷达发出的反射电磁波信号，称为“杂音”。但是一般而言雷达反射波的强度会远大于“杂音”的强度，因此可以根据强度进行“除杂”。但是隐形飞机具有吸收雷达电磁波的能力，故而反射回来的电磁波强度很低，甚至有可能被当作“杂音”而除掉。雷达的“除杂”功能反而削弱了其搜救隐形飞机的能力。

3 方案设计与研究计划

3.1 主要内容

从隐形飞机的隐形原理角度和改进雷达探测能力的角度，增强雷达搜索失事隐形飞机的能力。使用手段使得失事前后飞机的隐形性能可以改变其隐形性能，使得失事后的飞机可以被雷达发现从而达到及时搜救的目的。

3.2 工作原理

首先想到，使用可抛弃式隐形材料，使得飞机失事之后可以抛弃隐形材料，飞行员可以主动抛弃隐形材料，主动被雷达扫描到，有助于搜救队工作。但是在实际操作中这个方案是很难实现的。因为首先可抛弃的隐形涂料意味着涂料更容易磨损而且有可能在飞行过程中由于飞行员操作失误而抛弃隐形材料，另一方面抛弃涂料的装置会增加飞行配重，使得飞机更加难以设计。由此可见，就算可抛弃式材料可能实现，其难度也是非常大的。那么从雷达的角度分析又有没有实现的可能呢？答案是肯定的。雷达返回波强度符合公式：

雷达发出的电磁波功率不能无限制的放大，但是我们可以通过别的方式来获得很大的回波强度进而使得失事飞机更容易被探测到。

3.3 方案设计与实现

新型雷达有以下几种，可以更好的探测到隐形飞机。一种是无源雷达。雷达发射功率有限，这种雷达就反其道而行，只吸收电磁波不反射电磁波。这种雷达将使世界上绝大部分的隐形飞行器失去隐形效果。由于不发射电磁波，飞行员甚至不会得知自己被雷达观测到。这种雷达的鉴别能力主要取决于目标之间的表面温差与表面反射系数，理论上最小可检测半径与电子相当。二是超视距雷达。这种雷达有极长的工作波段，飞行器采用的雷达波吸收材料对这种长波吸收效果甚微。同时，由于其波段较长，可以通过电离层反射后到达，而飞行器的雷达隐形措施主要是针对地面雷达的，对来自上方的雷达波隐形效果并不好，可见超视雷达探测隐形飞机的能力是不一般的。三是空中反隐形平台。反隐形也能从空中平台上探测。预警飞机是重要的空中反隐形平台，它装有下视雷达，可以增加探测范围。例如，一架美国的 E3A“望楼”预警机的探测范围，相当于三十多部地面雷达的探测范围，因此对隐形目标威胁很大。除预警飞机外，反隐形的空中预警平台还包括预警气球、飞艇乃至卫星等。当然还有长波低频雷达、毫米波雷达、多频雷达、超宽带脉冲雷达等新型雷达对当下的隐形飞机都有不错的探测能力。当然搜救与战略探测并不能相提并论，从成本，可行性等角度考虑无源雷达与超视雷达的原理用在搜救设备上有比较理想的未来。

4 方案测试结果

4.1 测试的主要内容

新型材料的隐形效果以及新型雷达的探测能力测试。

4.2 测试仿真过程

无源雷达难以找到实用的成品，但是可以通过其发展历程总结其可行性。1922年美国海军实验室进行电磁波传播实验时用两台仪器发射60MHz 连续波信号时无意中发现了河中的木制小船，1933年Taylor、Young 和Hyndland 申报题为“通过无线电探测运动物体的系统的专利”利用无线电发射台和两个接收装置来测量运动物体的回波信号的多普勒频移。1974 年，美国的 Marko 等人利用调频广播台作为外部辐射源，双基地接收设置的无源雷达来测定目标的位置。该系统利用互相关技术测量目标反射信号相对于外辐射源直达波信号的延迟时间，得到目标所在的等距离椭圆，再结合反射信号的到达角测量，即可对目标进行定位。