等离子隐身技术

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  当美式隐身技术发展到F-22、B-2的阶段后,已能兼顾隐身外形与气动效率,仿佛达到登峰造极的程度。而俄罗斯却在1999年公开了一种截然不同的隐身技术:由Keldysh(凯尔迪什研究院)研发的等离子隐身技术,据称能在不修改外形的情况下将RCS降至原有的l/100。不过由于等离子隐身技术并非主流、加上多年来并未服役,使其备受保守军事媒体的非议。同时也由于等离子的性质并不广为人知,使得绝大多数抨击等离子隐身的文章的论据本身已有错误,而读者也无从判断,从而最终形成一种对等离子隐身的普遍质疑。
  Keldysh的等离子隐身系统
  从粗浅定义上来说,等离子是指混有中性粒子与等量阴阳离子且成分间碰撞可忽略的混合物。等离子隐身简言之便是在机体周围包覆等离子,改变该处空气的电磁性质而影响电磁波。1999年俄通社一塔斯社(ITAR-TASS)首次报道了用于战机的等离子隐身系统的发展状况。此系统由俄罗斯科学院所属的Keldysh研制,系统负责人卡拉提叶夫(Koroteyev)院士表示:“其将飞机周围的空气电离成等离子,当雷达波照射过来时,部分能量被等离子吸收,而后在特殊的物理机制下雷达波会趋向于贴着机身表面行进,两种效应使得飞机的RCS约降至原来的1/100”。该系统重量仅100余千克,耗电5000~50000瓦。当时研制中的新一代等离子隐身系统(第二或第三代)除了保有上述隐身机制外,据称还进一步增加了主动干扰功能。2002年6月,简氏电子战期刊提到该系统所遭遇的问题,如耗电量大因此需要额外电源或只在发现被雷达照射时才开启,以及有可能屏蔽自身的雷达或无线电通信,因此必须设法安排“电磁窗口”排除此缺失等。
  2005年10月19日,莫斯科新闻网引述等离子隐身系统负责人卡拉提叶夫院士的话,表示“俄罗斯航空工业界将即刻生产使用等离子隐形技术的隐身战机”。该访谈提供了更多明确的信息:
  1)在隐身机制方面:与美国F-117、8-2等藉由反射雷达波达成隐身的方法不同,等离子隐身依靠“吸收”及“打散”雷达波来实现: 【注6】【注6】:似乎是用更文雅的语句重述1999年所言之“电磁波被部分吸收,然后在特殊物理机制下绕着等离子云行进”。
  2)等离子隐身系统可用于空中及陆上系统,但以空中效果较佳,故特别适用于飞机:
  3)在等离子产生机制上:等离子发生器系藉由打出高能电子束而将空气等离子化:
  4)在等离子副作用的解决上:过去等离子系统妨害其他航电系统的运作以及屏蔽与地面站台之间无线通信的问题目前都已得到解决:
  5)等离子隐身系统已通过国家级试验,并将即刻用于俄制战机。 【注7】【注7】:“通过国家级试验”的层级已在“定型”或“量产”之上。有的系统甚至是在量产服役后数个月甚至数年才通过国家级试验并正式得到成军命令,如苏-32战斗轰炸机在2006年交机时尚未通过国家级试验,而已经交付俄军的苏35S预计在今年内通过国家级试验。能通过国家级试验表示该系统已具有相当高的成熟度。
  Keldysh的前身是NIl-l,主要研究方向为火箭发动机等,二次大战著名的“卡秋沙”火箭便是其产品。同时,其也进行等离子技术的研究,并已研制出多种等离子制造机,例如“Minor”用以制造能主动影响大气电离层性质的等离子,可见该研究院可能是基于火箭的通信问题而研究等离子,并因此而掌握了等离子隐身技术。等离子通信研究与等离子隐身可说是同一个领域,差别在于一个是要让信号通过,另一个则是要隔绝或吸收信号。由“Minor”这种可以改变电离层性质的等离子机可以推测,Keldysh可能已经掌握某些等离子与电磁波交互作用的机制或控制方法。此外,其还研制出数款可在大气压力下制造等离子的高能电子束发射器,如其中的M-13,可发射lOOKeV的电子束,功率4万瓦。用电子束制造等离子的优点之一是较不受外界压力影响,反之若以电极放电法制造等离子,则电极的间距还会与周遭压力有关。据说早期开发的等离子隐身系统仅能用于1万米以上的高空,因此开发了电子束等离子,使得即使在地面(1个大气压下)也能产生等离子【注8】。此外许多等离子气动力学研究也表明,以电子束制备等离子是能量效率最高的一种方法。【注8】:这是可以理解的,不论是用高能微波还是电极放电法制造等离子,在高压时已经游离的电子往往尚未得到足够的能量去解离其他中性分子便已与中性分子相撞而损失能量,这种情况下产生等离子会相当困难。就产生等离子而言,200~300托已算是高压,而1万米高空的压力约为100托。因此放电法在1万米以下会有运作困难是可以理解的。而采用电子束法,则由于电子束是在等离子机内先加速好再释出,且“电子束电子 束缚态电子”间能量交换效率很高(因为质量相同),因此即使在地面的大气压力下也可产生等离子。
  2004年6月,俄罗斯官方的联邦科学与创新工作入口网公布了一种专用于飞行器隐身的等离子设备,名称是“BEGP”(机上电源即非平衡等离子制造机)。根据网页的简述,BEGP专门设计用于降低飞行器的RCS。其主体是一种小尺寸的电子加速器,能产生20~25万伏特的加速电场,并在0.15~20微秒期间释放1焦能量(换算相当于50千瓦—6兆瓦的峰值功率),总重不超过135千克。根据压力室的试验,该设备在0.02~0.03兆帕压力下(换算约150~230托,即约1万~1.3万米高度)对10厘米波长的吸收率约20dB。
  等离子隐身技术的缘起与复杂性
  等离子隐身的灵感起源于宇宙飞船重返大气层期间的无线电通信失联现象。经研究这是宇宙飞船周围气体在高速磨擦生热下形成的等离子所引起。在这之后许多科学家对此进行了大量的研究。当然这些研究一开始并不是为了隐身,而纯粹是为了解决太空载具重返大气层时的通信问题,毕竟这牵涉到太空飞行的安全。
  科学家提出种种物理模型,例如最简单的模型是电磁波扰动了等离子内的带电粒子,这些带电粒子与中性粒子碰撞后损失能量而导致电磁波被消耗在等离子内,也有模型认为电磁波在等离子层表面部分反射部分透射,其中透射的部分最后又被宇宙飞船表面反射,只要等离子层厚度适当,则以上两道反射波便可能发生破坏性干涉而大幅减弱信号(此原理与部分吸波涂料类似);有趣的是,各种模型往往都能合理地解释特定场合,但换了情况误差又大幅增加,例如前述第一种模型较适合解释正向入射(电磁波垂直于表面入射)的场合,而第二种模型适用于物体表面曲率半径远大于波长时的情况。后来发现,同时考虑每一种模型则能良好地解释电磁屏蔽现象,换言之,电磁屏蔽现象来自许多不同效应的共同结果,不同效应的贡献又依具体情况而有所不同。由此便可知等离子隐身原理的复杂性。   本文并不试图找出等离子隐身的详细机制,但可通过等离子的几个基本原理掌握等离子隐身所可能具有的基本特性。
  从等离子的特性看其达成隐身的可能性
  选频
  等离子依各种参数的不同而有自己特有的静电振荡频率,例如在无外加磁场的情况下,等离子具有的特征频率是由离子浓度所决定的“等离子频率”(Plasma Frequency,ωp),在有外加磁场的情况下还会出现由磁场决定的“回旋频率”(Cyclotron Frequency,ωc,又分电子回旋频率ωce与离子回旋频率ωCI),以及由“等离子频率”与“电子回旋频率”共同决定的“上混合频率”(Upper Hybrid Frequency).“下混合频率”(Lower Hybrid Frequency).“左截止频率”、“右截止频率”等。这些特征频率区分了等离子与电磁波的不同交互作用区间。当电磁波入射时,这些特征频率彷佛法官一般决定电磁波要被反射、允许穿透、还是共振吸收等。
  例如,在不考虑外加磁场时,“等离子频率”便是唯一的特征频率,频率大于等离子频率的电磁波允许穿透,小于者则被隔绝。有外加磁场的情况复杂性瞬间飙升:除了允许穿透与隔绝的区间不只一个外,还有机会发生共振吸收等复杂效应,此外这时还要考虑磁场方向以及电磁波行进方向、极化方向等。在等离子隐身的场合,地磁便是外加磁场,会导致与等离子频率差距在至多数百KHz级的各种特征频率,几百KHz的频率相对于微波而言极小,因此这个“特征频率带”大致上就是在等离子频率附近。
  通常频率远高于等离子频率的电磁波便可无视等离子的存在。例如毫米波、红外线便可自由进出刚好屏蔽X波段的等离子。X波段可以自由进出刚好可以屏蔽L波段的等离子等。正因为等离子具有选频特性,因此许多媒体所说的“等离子会屏蔽所有波段”是不正确的。宇宙飞船在返回阶段会屏蔽几乎所有频率的电磁波,其中一个原因是其磨擦高温使得空气电离度高到等离子频率超过所有通信波段之故,而不是说等离子一定会屏蔽所有波段,人为产生的等离子可以借由离子浓度等的控制来改变所要屏蔽的波段。
  不等向性
  等离子的另一个重要特性是“方向性”(或者说“不等向性”)。等离子的各种性质(波的传递、带电粒子扩散与漂移等)几乎都与种种特殊“方向”有关:外加磁场与其梯度方向、外加电场与其梯度方向、各成分(阴阳离子、中性粒子)的浓度梯度方向、粒子在各方向的动能(各方向的温度),甚至在某些情况下(低频运动时)还与重力方向有关。而对进入等离子的电磁波而言,其行进方向、极化方向(电磁波的电场振荡方向)等与上述各特殊方向的相对关系都与其接着会发生的效应有关。因此等离子的许多性质都具有方向性:从一个方向观察到的某个效应在另一个方向可能就不存在。因此等离子其实是个很挑剔的物质,它与电磁波的交互作用除了“选频”还要“选向”。
  共振与非共振吸收
  等离子吸收电磁波的机制可概分为“共振吸收”与“非共振吸收”。前者又分为“电磁振荡共振吸收”与“能阶吸收”。电磁振荡共振发生于电磁波频率与等离子的某些共振频率吻合时。例如有外加磁场时,当电磁波频率与“上混合共振频率”相同时,其垂直于外加磁场行进的分量的“无序波”分量会引发极大的电磁振荡而被吸收。
  能阶吸收发生于等离子内电子的能量与气体原子或分子内的某些能阶差(如电子能阶、多原子分子的振荡能阶等)相当时。由于电子能阶至少在数个电子福特级,因此除非是电子平均动能很高的等离子(如电弧),否则多数电子其实无法引发能阶跃迁,倒是较容易引发分子振动。如空气中的主要成分——氮便是双原子分子,会吸收电子能量而振动。
  非共振吸收发生在一些无可避免的碰撞情况下,特别是与中性分子的碰撞。当电子与等离子内的中性分子碰撞而未引发能阶共振吸收时,这种碰撞便是简单的弹性碰撞,此时电子会将自己动能的约1/2000传给中性粒子。这种吸收与共振吸收相比微不足道,但由于碰撞概率比后者高很多,所以也是很重要的吸收机制。在真实的低温等离子中,电子与分子的碰撞是非弹性碰撞,其吸收主要包括弹性碰撞吸收与分子振动能阶吸收。一般来说,除了每碰撞一次电子会将约1/2000能量传给分子外,每撞几次也会引发一次振荡能阶的跃迁。另外,其实在不考虑碰撞效应的情况下,有一种被称为“蓝道衰减”(Landau Damping)的机制,在没有碰撞的情况下也会吸收波的能量。
  部分反射
  事实上,即使等离子频率高到足以隔绝电磁波,也需要足够的厚度去执行这项隔绝任务,而且所需厚度通常随波长的增大而增加,换言之实际上仍有部分电磁波能穿透至一定的深度,倘若等离子厚度不足,便可能出现“一部分电磁波仍然可以抵达物体表面然后反射”的现象,这时甚至可能发生“在等离子表面反射的波与经由物体表面反射的波发生破坏性干涉而减弱回波信号”的现象。
  另一方面,真实的探测雷达波不可能只有单一频率(并不是简单谐波),而是多个频率的混合,因此如果等离子的某些截止频率刚好穿插在雷达信号的频率范围内,便可能发生其中一部分可以穿透等离子而一部分被隔绝的现象。
  等离子虽然是一种“介质”,但与一般介质有一个极大的差异就是电磁波在等离子内部的“相速度”会大于光速,因此等离子相对于空气属于“快介质”,使得电磁波从空气入射等离子时会类似从水中入射到空气中的情况,即使电磁波频率大于等离子频率,也可能在入射角超过临界值时发生全反射现象。换言之,倘若等离子的“外形”是不规则的(例如包覆物体表面的等离子),那么一道频率大于等离子频率的入射的平行波将被拆分成好几部分:有的在表面就被反射(入射角太大):有的进入等离子后打到物体表面才被反射(入射角很小):有的进入等离子但尚未碰到物体表面便被反射(穿透外层低电离密度部分,但被内部高密度部分反射)。与因为等离子厚度与电磁波波长关系而引起的部分透射以及因成分频率的差异而引起的部分透射不同,这里提到的部分透射性质是依位置而异的。   总效果
  以上仅重点性介绍等离子的特性,这当然不是全部,但从中已可窥见等离子与电磁波交互作用的复杂性。真实情况下这些特性是同时存在的,而且还有其他未提及的特性。现在就用以上这四个特性推敲一下电磁波入射等离子后会发生什么?
  1)电磁波频率小于等离子的最低截止频率(好几种截止频率中最低者)时,等离子相当于导体而反射电磁波,或是在某些情况下发生部分反射部分透射(与等离子浓度、电磁波波长等有关),而可能出现回波因破坏性干涉而减弱的现象(当然也有可能因建设性干涉而增强):如图,假设入射波为理想平面波(绝对的单频率)。无等离子时(左半边),波束照到表面依据反射定律反射;有等离子(右半边)时,1号波束进入等离子而被物体表面或内层高频等离子反射。2号波束虽然频率与1号相同,但入射角超过临界角,故在表面被反射
  2)当电磁波高于等离子的最高截止频率但并未高出很多时,电磁波进入等离子,与等离子发生吸收等交互作用,在某些情况下也可能同时发生部分反射部分透射的现象:
  3)当电磁波频率高于最大截止频率很多时,其几乎无视等离子的存在:
  4)当电磁波频率介于等离子的最高与最低截止频率之间,或等离子的特征频率刚好在雷达信号的组成频率范围内,雷达信号便可能被拆成好几部分处置,有的被屏蔽,有的则允许进入并被吸收或发生其他交互作用,使得最后的回波与原来信号可能已大不相同。
  举例说明以上第四种状况,并假设电磁波频率与等离子频率相当、等离子浓度均匀。在仅考虑等离子频率与飞机所暴露的地磁环境下,入射雷达波可分为平行于地磁方向与垂直于地磁方向考虑。平行于地磁的分量由等离子频率决定进入与否,高于等离子频率的可以进入等离子,其部分能量经由碰撞被吸收之外,电磁波的极化方向(电场振荡方向)会围绕磁场旋转,也就是所谓的”法拉第回旋”效应,此效应对X波段雷达可能不构成影响,但对较长的波如米波便可能影响显著。垂直于地磁的分量又分为“有序波”(O-wave)与“无序波”(X-wave)两个分量,前者不受磁场影响,频率大于等离子频率时可穿透,并被部分吸收,但不会产生“法拉第回旋效应”。而“无序波”面对的情况要特殊许多,在这里举例的“电磁波频率相当于等离子频率,且外加磁场为地磁”的情况下,小于“上混合频率”(这里其接近等离子频率)的电磁波反而可以穿透,大于者被屏蔽。另外,在接近“上混合频率”的部分发生共振吸收,当然“无序波”也会被非共振吸收消耗一些能量。
  由以上范例便可发现,只要等离子频率设定适当,一个探测信号会进入等离子并被等离子拆散成好几个部分,分开处理,最终的回波除了因为吸收而减少强度外,其信号与原来已不相同(例如极化方式可能已被大幅改变),即使回到接收机方向,能否解读也是个问题。需注意的是,以上已经很复杂的状况还是仅考虑“均匀的等离子浓度”与“地磁”的影响。在真实情况下,等离子的离子浓度并非均匀,换言之会有更多的特征频率。而等离子在靠近物体表面处会形成带正电的薄层,并在垂直于物体表面的方向自然地形成电场,但在平行于表面的方向却没有“自然发生的电场”,这些边缘效应也可能影响等离子的传波性质。此外,在许多时候会以对等离子通电的方式来维持等离子或控制其参数,放电方向常常也是等离子内相当重要的方向性之一【注9】,而通常电极很自然是安排在物体表面,使得在平行于表面会有“人为的电场”存在。这些额外的现象又可能使等离子与电磁波的交互作用更加复杂。【注9】:例如,当电磁波入射频率较高的等离子时,本来应被隔绝。物理上这是因为等离子内的阴阳离子被电磁波的电场“拉开”而在不同地方“堆积”而形成抵消电场,使电磁波的扰动无法传入等离子。然而,若在等离子内加入一对电极并导通,则平行于电极方向的电场所拉开的阴阳离子会进入电路中,不会堆积,这样电磁波便会进入等离子或被吸收,而垂直于电极方向的极化分量则被屏蔽。
  以上还只解释到“减弱强度、改变信号特征”的部分,但在官方报道中提到等离子隐身的机制是“吸收部分电磁波”然后“在特殊的物理机制下电磁波绕表面行进”。目前并不清楚上述第二项机制的原因,但由等离子性质推测,应该与“等离子的不等向性”或“折射电磁波”的性质有关。例如,若等比例吸收雷达波各分量,就会使雷达波强度减少但仍遵循反射定律反射。但如果吸收特性是不等向的,那么只要方向正确(对垂直于机体表面的雷达波分量吸收率大于平行分量)则在减弱强度的同时还兼有“让雷达波不依循反射定律离开”的效应,因而让雷达波在强度减少的同时远离接收机方向。当然这只是一种猜测,实际上也可能是来自于其他的不等向性或是其他性质。但无论如何,这与美式隐形飞机的隐身外形与某些隐身涂料的作用类似,只是机制不同。
  “让电磁波沿机身表面行进”机制的猜测
  作者推测,所谓“让电磁波沿机身表面行进”的特殊机制很可能与垂直于表面的电场有关:
  1)当等离子包覆机体表面时,等离子会自发地在边界形成由内而外(由等离子内指向表面)的电场,用以帮助正离子向边界扩散并阻止电子向外扩散,以维持电中性,而在平行于表面的方向则相当于无边界而没有电场:
  2)当电磁波进入等离子时,会由横波转为部分横波部分纵波,在频率与等离子频率相同时,会完全转为纵波,也就是说此时等离子波的振动方向与行进方向平行:
  3)因此垂直于表面行进的等离子波的振荡方向也是垂直于表面,换言之就是与背景电场平行,而当带电粒子平行于电场方向运动时,就会出现能量交换,这样一来此垂直分量就可能被吸收。
  以下稍微做个非常粗浅的估计,等离子内考虑碰撞吸收时的特征长度的CGS制公式: 分别为电磁波的角频率,电子与分子的平均碰撞频率以及电子浓度。每经过1个特征长度,波的强度会减为e-1≈0.37倍,约1万米高度(200托),10GHz波段,算得此特征长度约10厘米,若等离子层厚度1厘米,一进一出相当于2厘米,则约23%被吸收。   如前所述,当电磁波频率几乎等于等离子频率时,平行于表面的分量无视背景电场,不被吸收,而垂直于表面行进的分量则受背景电场影响。垂直方向的吸收率与E值有关,其中Eb,E0分别是背景电场,以及电磁波电场。100平方度、峰值5千瓦的雷达波束在20千米外的电场约为0.5V/m,而等离子内在非常靠近表面处会有将近lMV/m的电场,该电场会穿入等离子内部,但迅速减小。由于垂直于表面方向的Eb/E0有可能非常大,使得在粗算吸收率时有时会出现大于1的“谬论”,这暗示垂直于表面方向的电场对电磁波的影响大到粗估时用到的公式已不成立,但由此可见垂直于表面的电场影响不小。
  以上简单估计“碰撞吸收”与“背景电场影响”的数量级计算,都是相当粗糙的计算,但从其数量对比可发现,垂直于表面行进的分量可能会经历额外的吸收,该吸收相对于碰撞吸收又相当显著,因此垂直于表面的分量可能被吸收较多而导致“绕着等离子跑”的现象。
  总结以上,虽然不清楚等离子隐身的真实机制,但由等离子的基本性质可以推测其具有“部分吸收”及“打乱信号”的特性,同时也不能排除报道中所言“让雷达波趋向表面行进”的可能性。
  从等离子特性看等离子隐身的其他特色
  等离子“选频”与“选向”的特性使它就像一般隐身材料(吸波或透波材料)一样,具有针对性,而不是一口气达到全频谱隐身。据说8-2轰炸机上也具有能部分吸收雷达波而使雷达波趋向表面行进的涂料。因此等离子隐身在某些情况下就像涂料式隐身,唯独涂料如果需要对更大范围的电磁波隐身,难免要使用多层,且涂层厚度通常也与波长尺寸相当(至少早期涂料如此),因此就会遭遇重量上升的问题,且涂料式隐身通常也有后勤不便之虑。等离子则可藉由浓度的调整来改变所针对的波段,而能够对超远程、远程乃至短程雷达隐身,从而达成“宽频谱隐身”,可视为“适用频谱可变的智能型涂料” (但如果采用多频谱同时对其进行探测,仍难免现形)。另外由于不需更换涂料,后勤较为简便。
  这种“多频谱隐身”看似有所局限,但已有相当大的优点。目前主流的隐身外形与吸波涂料的搭配通常仅针对X波段设计,对其他波段则基于某些物理限制而隐身效果较差。如对远程探测用的米波而言,能让X波段集中反射到特定方向而达成隐身目的的隐身外形对米波就无此作用,而是同普通飞机一样在许多部位发生绕射,因此像米波、天波等超远程雷达理论上便能用以探测F-22这类隐身飞机,虽然精度奇差使得实用价值大减,但起码能提供预警。而等离子隐身系统则可能做到对超远程探测雷达、远程雷达乃至战机雷达隐身,这是其潜在优势之一。
  等离子隐身飞机的RCS恐怕难以预测。因为其机制可能相当复杂,不只考虑等离子性质,甚至可能与等离子层外形或物体外形有关(决定高于等离子频率的波的反射临界角)。此外,在发出电子束以后,等离子的离子浓度会如何分布也与周围空气密度有关(即与高度有关),因此要准确估计等离子隐身飞机的RCS恐怕比采用隐身外形与涂料的飞机难很多。
  等离子隐身与传统隐身的搭配
  就如同许多刚问世的科技一样,等离子隐身技术自然会被拿来与传统方案比较。在俄罗斯文献中,认为载人隐身战机的RCS下限为O.l~0.3平方米级。以此标准观之,若等离子可以达到报道所言的“减少两个量级的RCS",那么重型战机采用等离子后的确可以达到隐身。而如果美式隐身战机的RCS是0.01平方米,则轻型战机或外形避开隐身大忌设计的重型战机也有机会达到相当的RCS。
  不过,这些俄罗斯文献强调的是“平均RCS"(所有方向或有限范围内的平均),因为认为实际情况中因为飞行轨迹的变化使得敌方真正观测到的会是平均值,而不是某些特别大或特别小的值。相比之下,欧美战机近年常报道出比上述RCS低了千倍万倍的最小RCS,藉以彰显隐身科技的进步。当然,如果实战中能保持拥有这种特别小的RCS值的方向面对对手,则其仍具实战意义,但在多机战场或在敌方防空网内却未必。
  正因为西方隐身战机公布了这种极小的RCS,成了不少保守评论抨击等离子隐身的依据。这些保守评论大多认为,等离子隐身能否达到那么低的RCS是个未知数,加上美式隐身已经成熟,等离子隐身却尚未用于服役的飞机,加上现有的隐身涂料也具有非等向性,甚至可以藉由多层方式对宽频谱隐形,而达到一些等离子隐身宣传的效果。这些评论认为等离子隐身与传统隐身相比并无优势,从而判定其不具实用价值。
  上述论点其实犯了很基本的逻辑错误:一开始就假设“等离子隐身”与“传统隐身”是相冲突的隐身方式,因此只能两者择一。但实际上等离子隐身与传统隐身并不冲突,而是可以相辅相成的。反过来说,一架采用完美隐身外形但天线罩却完全透明的飞机也是无法隐身的,如果采用类似的逻辑,则可以得到“隐身外形无用”的结论,这显然不正确。事实上,隐身技术是一系列不同技术的结合,没有任何一种单一技术可以让飞机实现大幅隐身。等离子隐身技术问世的初期强调“只用等离子”就可以降低RCS达2个数量级(约100倍),可能有两个原因:首先是当时服役中与研发中的俄罗斯飞机都没有像美国那样的隐身外形,而隐身又是个与日俱增的需求,因此当然会着眼于提升现有战机的隐身性。另一方面,以苏联时代的计算机技术而言,要追上形状隐身恐怕并不容易,因此在当时的四代战机设计上可能没有考虑太严格的隐身外形设计,而仅是避开垂直面、笔直进气道等隐身大忌,并辅以隐身涂料与等离子隐身。因此,等离子隐身当时强调不需修改外形,可能有其时代背景,而不是说用了等离子隐身就不可以再应用形状隐身。
  简单地说,等离子隐身相当于是在机体外面包覆一层适用频率等性质可变的“隐身材料”,其性质使得有类似隐形外形、吸波材料、甚至电子战系统(因为让回波难以解读)的功能,且几乎不需要保养。而这种材料并不是“长”在机体上,所以机体本身也可以像形状隐身飞机那样做其他进一步的隐身处理如吸波、选频天线罩甚至隐身外形等。   以对X波段雷达隐身的等离子为例,更高频率的通信波段如K、Ka波段完全不受影响,但用于敌我识别与宽带数据链的L波段以及远程通信用的HF等波段则会被阻隔在外,而自己的X波段雷达与雷达预警接收器也难免受到影响。为了解决这一问题,就必须在会被影响的天线处安排“窗口”,例如在该处不包覆等离子。这样天线也暴露在敌方探测系统眼中,故天线罩部分就要依赖选频天线罩等技术,而天线附近的机体就需要隐身外形、吸波材料等主流技术。
  对于全新设计的飞机,可以干脆走向美式隐身设计,只是外形不需要对隐身迁就太多,之后再靠等离子隐身来辅助。在这种情况下,全机可以拥有极佳的隐身性能但又不降低气动效率,而且由于绝大多数部位都采用隐身设计,使得等离子只需局部使用,或仅针对现有隐身技术难以应付的长波雷达,如此一来对电力的消耗会更少,也相对容易设计【注10】,实用性便因此增加。在这方面等离子隐身系统很类似主动电子战系统:飞机的隐身性能越好,干扰机(等离子机)功率与尺寸就可以越小。近年,由于商用计算机与软件包的快速发展,使得市面上买到的软件便能进行复杂外形以及同时考虑多种回波现象的RCS计划,这已超出F-117时代的情况,让美国以外的国家发展隐身外形飞机具备了可能性。俄罗斯的T-50战机拥有较严格的隐身外形设计,便是得益于这些商用软件的帮助。然而,相比F-22,T-50更倾向于气动力优化,便是本段所言的“外形不对隐身迁就太多的美式隐身设计”。【注10】:在追求绝佳的隐身性能情况下,若完全依赖形状与材料隐身,有时太过勉强(例如遇到长波雷达的绕射问题),而要完全依靠等离子,在详细掌握等离子隐身机制以至于可以准确估算飞机的RCS之前,也很牵强,两者互补自然是一种可以想见的最有效途径。
  这种采用“美式隐身”与“等离子隐身”的搭配在性能上赋予设计师更方便地兼顾隐身性能与气动性能,另一方面也造就了“一种设计,两种隐身层次”的特点,而利于外销。以T-50战机而言,由于已经采用颇为彻底的隐身设计,足以与F-35媲美并远超欧洲战机,再加上其武器与航电系统便具有相当强的市场竞争力。而对俄军自身或未来升级,可以加上等离子隐身以进一步让飞机更加隐形,这时飞机可以采用完全相同的设计,唯独以等离子隐身系统的有无来区分两个等级的隐身性能,而不会遇到F-22那种“要外销就得大改”的问题。
  最后要稍微探讨一下等离子隐身与隐身外形可能产生的交互作用。等离子隐身效果如果要好的话,飞机本身也不能犯“隐身大忌”。例如会形成正向反射的表面,在雷达波正向入射(垂直于表面入射)时,因为没有平行于表面的分量,那么雷达波一样是“直来直往”而不会沿着表面行进,并且直接原路返回。反之,对隐身外形而言,等离子让回波更贴近表面,相当于更好的隐身外形,这样一来等离子与隐身外形就有互助的效果。然而要注意也存在例外,例如F-22、T-50的机身与垂尾以相同角度倾斜,可以将回波集中在单一方向,然而如果机身使用了等离子而垂尾没有,就相当于破坏了该隐身外形。因此在形状隐身飞机上增加对应频率相同的等离子隐身,未必是想象中的“好上加好”。但如果形状隐身与针对频率不同的等离子隐身结合,则是好上加好。
  能量消耗问题
  等离子隐身系统的耗电估计
  虽然等离子隐身的详细机制不明,但由等离子基本特性可以估计其所需的等离子浓度与所针对的电磁波频率应相当(因为就对微波有作用的等离子而言,即使有多个截止频率或共振频率,也大约在等离子频率附近)。这样要估算等离子隐身所需的能量级相当简单,只要知道气体分子的解离能(一般约10~20eV).所需的离子浓度(由所需频率反算)、覆盖多少面积以及多少厚度、每秒钟要在这样的体积内制造几次等离子(等离子生命周期的倒数)便可估计出来。
  在假设覆盖面积约10米×10米(约覆盖重型战机的机身),厚度约1厘米,等离子频率10GHz(X波段)、等离子生命周期约50微秒的情况下【注11】,维持这种等离子的功率级约30~50千瓦或更高。如果想要覆盖更大的面积或用于更低的高度,所需能量更大。
  换言之,50千瓦要稳定维持对10GHz电磁波隐身的等离子应相当勉强,除非是局部使用或断断续续使用(这样回波可能一下强一下弱,让敌机难以解读)。但实际上目前的X波段雷达并不是真的都操作在10GHz以上的频率,有时只有8~10GHz。由于等离子浓度正比于等离子频率的平方,因此等离子频率9GHz时需要的能量只是10GHz时的80%,8GHz时更降为64%。对于L波段,所需的浓度更只有10GHz时的1/100。但反过来说频率超过10GHz的等离子便会极为耗电,例如针对波长1厘米的电磁波(约是Ka波段),需要的浓度会是10GHz【3厘米)时的约9倍,针对毫米波则需要100倍的浓度。
  因此能概略以10GHz作为等离子隐身可行性的分界,对于频率高于此的电磁波,除非是极小部分运用,否则50千瓦几乎不可能实用,对于毫米波或更高频率者,甚至可以说等离子隐身完全不可行。而对于频率低于10GHz的电磁波,可行性便相当高,特别是针对L波段或更长波段,5~50千瓦要覆盖全机应该都没有问题。这也刚好反应出等离子隐身与传统隐身的互补功能:对10GHz以上的波段很难使用等离子隐身,但在这个频率以上,传统的形状隐身与涂料刚好非常有效:而对L波段或更低频率的波段,形状隐身的效果越来越差,涂料也不易研制,但这刚好是等离子的擅长区间(能量消耗低、吸收率高等)。
  需注意的是,这些数据均仅用于极粗略的量级估算。实际上用于解离气体的能量除与游离能有关外,也与等离子制备方法有关。等离子生命周期除与外界环境有关外,也与等离子制备方法、甚至被等离子覆盖物体的表面材质有关,因此实际上等离子所需的能耗与这里估计的数值甚至可能有着数量级的差距!【注11】:据英媒报道,俄罗斯开发的等离子选频天线罩反应速度为数十微秒级。由于选频天线罩是拥有固体边界的密闭空间,等离子因扩散而损耗的速度会更快,此外该选频天线罩需要能快速开关,自然必须尽可能提升反应速度,因此该选频天线罩的反应周期可以考虑为开放环境下的等离子生命周期的量级或下限。故这里取用50微秒为试算依据。实际上简单的理论计算也可得到类似的结果。   等离子内电子损失的途径主要有三:电子与离子的再结合、扩散、电子被分子吸附。对于这里所考虑的低浓度等离子,电子与离子发生再结合的周期(过了此一周期电子浓度降为原来的约1/3)约0.1~1秒;在5000~20000米高度,扩散的周期约1 00微秒(5000米)~15微秒(20000米);分子吸附的周期最短可达1微秒级,不过主要发生在电子能量较低(0.01~leV)时,相当于仅在电子束等离子的边缘或末端。由此可见等离子本体的生命周期主要是由扩散周期决定,其数量级便是十至数十微秒,与上述英媒报道相符。
  此外需注意的是,高度越低,扩散周期越长,看似等离子会越“长寿”,但实际上那时候电子更容易与空气分子碰撞而损失能量,而随着能量降低,电子就越容易被空气分子吸附而快速损失,因此虽然中低空的扩散周期可达100微秒级,但实际上应该较低。
  等离子隐身耗电与全机能耗的比较
  5万瓦看来的确非同小可,一台AL-31F正常的最高发电量仅3万瓦,即等离子隐身系统几乎可以用掉一架苏-27的两台发动机的正常最高发电量,而单发战机甚至无法使用。这导致许多人直观地认为等离子隐身系统极其消耗能源,开不了多久燃料就会用尽,但事实上5万瓦对一架飞机的能量损耗而言几乎可以忽略。
  飞机能量损耗最少的时候——经济巡航时,空气阻力所消耗掉的功率(巡航推力×巡航速度)动辄数百万瓦,5万瓦只占其1%(重型战机)~3%(轻型战机)甚至更少,几乎可以忽略不计。即使只是像1%这样不起眼的巡航阻力增加都会造成万瓦级的能量损耗【注12】,因此,真要考虑能量损耗的话,一架采用隐形外形设计而破坏气动效率的飞机其消耗的能量其实更多。
  因此,就全机能量损耗的观点看,5万瓦的最大耗电量根本微不足道。不过这样的耗电量的确是决定其实用价值的关键之一。其原因就在耗能方式:气动阻力消耗的能量是机械能,而等离子隐身设备消耗的是电能。一架采用隐形外形设计而牺牲气动效率的飞机所多消耗的能量是机械能,这不会影响航电运作,顶多多消耗一点燃油,就可以兼顾飞行速度与航电操作(这是指像F-22.F-35这类兼顾隐身与气动效率的飞机,像F-117之类气动外形破坏太多的就不符合此情况)。然而,等离子系统消耗的是电能,一般飞机设计之初会针对一开始设计的用电需求去设计供电系统,要是某个新的航电设备耗电量太大,便可能导致电力系统不得不更新。一架苏-27的正常最大发电量是6万瓦,因此5万瓦将影响其他航电运作,这时不论多消耗多少燃油都无法同时支持两者的运作;【注12】:实际上由于气涡轮发电效率不超过30%~50%,所以要供应5万瓦的电能,飞机实际上消耗了10~15万瓦电能甚至更多。但另一方面,这里估计的气动损耗是最小状态,实际上的气动损耗也更多,因此这里估计“等离子隐身系统耗能为气动阻力耗能的1/100”尽管出于粗略估计,但在量级上并不失正确性。
  简言之,可将形状、等离子这两种隐身方法视为“必须付出能量才能拥有隐身能力”的方法,只是前者所需能量取自机械能,容易:后者取自电能,限制多。
  电源的解决
  因此,让这种等离子系统长时间运作而完全不影响其他航电运作的关键要素在于解决供电问题。这可以分成几种状况:
  1)飞机本身采用美式隐身设计,但针对气动效率优化,并以等离子隐身作辅助,此时等离子隐身仅需局部使用,或针对长波雷达,耗电较低:
  2)提升供电能力,使针对X波段的等离子能长时间大面积运作。此时外加电源的体积、重量就成为决定等离子系统能否让飞机长时间隐身的重要参数。然而在另一方面,如果在战机研制之初就考虑使用等离子系统而将正常发电量提高(改进发动机上的发电机),就能在不付出过大体积与重量的情况下满足等离子系统与其他航电系统的需要。
  需注意的是,先进飞机(军用民用皆然)对电力系统的需求呈现越来越高的趋势,因此为飞机装上额外的高功率电力系统也是目前的主流发展方向之一,等离子隐身系统仅需“搭顺风车”,而不需占用额外资源开发新的电力系统。这种额外电力系统的最直接选项便是辅助动力单元,除了用于起动发动机外,其在飞行时随时处于待机状态以便必要时为航电系统供电。苏-35BM上的TA-14-130-35便具有约30千瓦的供电能力,相当于AL-31F的主发电机。不过气涡轮发电效率较低,因此目前也在发展以燃料电池作为辅助电力源。TsIAM(俄罗斯中央航空发动机研究院)便发展了一种基于纳米技术的燃料电池,除了拥有燃料电池的高效率(气涡轮发电效率的好几倍)外,其已轻巧至足以用于飞机(传统燃料电池4000多千克可以达到的效能其200千克便能达到),可以说是为AESA雷达、等离子隐身等未来航电系统提供了保障。
  因此,电源问题固然是等离子隐身能否实用化的制约因素之一,但并非无解。此外,许多保守评论以“等离子隐身可能不能直接用于现有飞机”为由判定其无实用价值则完全是出于意识形态的攻击。按照这样的逻辑,人们就可以得出“隐身外形也只能用于新设计的飞机,所以隐身外形不实用”、“AIM-12C导弹不能用于F-86战机,所以它不是实用化的导弹”之类的结论,这显然不正确而且相当可笑。
  结语
  虽然至今等离子隐身系统尚未正式用于服役的战机,但也没有证据推翻等离子隐身的可行性,网上流传的等离子隐身的不可行性绝大多数在逻辑上与理论上都是错误的。等离子隐身若能与传统隐身技术搭配,将能互补并让隐身性能更上一层楼。俄罗斯的等离子隐身系统已通过国家级试验,并非在零点,而传统隐身技术也奋起直追,但外形上并未像美式隐身战机那样过分迁就隐身性能。因此单就传统技术论,俄罗斯T-50战机的隐身性能应难与F-22匹敌,但若能搭配等离子隐身系统,则又另当别论。因此等离子隐身系统仍是相当值得期待的第四代战机的隐身技术之一。
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