【空军】【海军】雷达与隐身技术之间的矛盾关系（上）

我曾在前文《一架F22戦机完胜中共空军？》里简单提到了现代隐身飞机与反隐身雷达之间的发展兢赛，在本文我将补充一些细节。

一般讨论雷达对飞机的探测，用的单位是截面积（σ）。以Su-27为例，报章杂志上常称其正面的雷达截面积为5平方公尺，这是什么意思呢？在下面的简单示意图里，我们可以看出雷达的波束是锥状的，这个锥形的截面通常是圆形，而这圆形截面的大小（C）会与距离（r）的平方成正比，也就是C=s×r^2，这里的s是锥形顶端的三维空间角。如果我们做以下的两个假设：1）雷达波的功率（P）平均分配在这圆形截面上；2）目标拦截了一部分（σ/C）雷达波并将之向四面八方均匀散射，那么反射波的总功率就是P×σ/C，而既然四面八方的圆周总面积是4πr^2，则雷达接收天线（假设其有效面积Effective Area=A）将收到其中的A/4πr^2，所以雷达收到的反射波功率是两者的乘积，即P×σ×A/(4πr^2C)=P×σ×A/(4π×s×r^4)。所以雷达的探测能力与发射功率P成正比，与波束寛度s成反比，与雷达接收灵敏度A成正比，与距离的四次方成反比，而与σ成正比。这里的σ就是一般所谓的雷达截面积。

既然雷达截面积σ并不是真正的截面积，只是代表雷达波被散射回原方向的一个等效变数，那么不同的形状就会造成不同的σ。可是原本雷达截面积只能用测量飞机模型对雷达波的反射来决定，对设计师来讲，要如何减低σ这个问题是千头万绪，无从着手。但是在1964年，一个默默无闻的苏联数学家Pyotr Ufimtsev向一个很不重要的大学的内部学术期刊Journal of Moscow Institute of Radio Engineering投了一篇论文，叫《Method of Edge Waves in The Physical Theory of Diffraction》（《如何计算边界波的绕射》），给出了从飞机表面形状来计算雷达截面积的方程式。苏联的保密审查员有外国的月亮比较圆的偏见，以为本国的基础研究成果没什么了不起的，就让那篇论文发表了，而且还可以寄到美国。十年后，洛克希德（Lockheed）的一名工程师在图书馆里偶然翻到这篇论文，认出它是稀世珍宝，由此开发出了世界第一架隐身飞机，也就是F117。

因为40年前的电脑还很原始，F117的设计师们不能探索太多不同的形状（连曲面都不能算，只好用平面拼出一个好似刀削斧切出的形状），所以只好专注在隐身性能上，结果气动效率很低，超音速是不可能的了，只能做为攻撃机（Ground Attack Aircraft）使用。到了1980年代，美国的隐身技术进步了，才做出隐身和气动性能兼顾的B2轰炸机；到了1990年代，才做出世界第一架超音速隐身飞机，也就是F22。B2和F22都号称将雷达截面积降低了四个数量级，也就是雷达截面积降到了类似其大小的非隐身军机的万分之一，所以敌方雷达对它们的探测距离就应该缩减为十分之一（因为雷达的探测能力与σ成正比，而与距离的四次方成反比）。以台湾的F16装备的AN/APG-66雷达为例，其对戦斗机的最大探测距离为140公里，如果降到十分之一，也就是14公里，那么F22自然可以轻易地在80公里外发射AIM-120中程空对空飞弹将它撃落，自己则轻松掉头飞走。

可是隐身技术真有这么神吗？苹果每一代的iPhone都号称比前一代快三到四倍，你相信吗？其实新的iPhone在几百个测试里只要有一个加快了三四倍，苹果就会高高兴兴地用这个数据，那怕用户的实际经験是只快了30%。要是所有的测试都快不到三倍也不要紧，苹果把作业系统稍改一下，让旧的iPhone慢下去，三倍的比率自然就出来了。隐身技术也有点像iPhone：有些人认为所谓的四个数量级是作弊吹牛出来的（这涉及高度机密的技术资料，结论无法确定）；就算没有夸大，这个数据的确是只有在最理想的条件下才可能达成。

有哪些条件呢？雷达波并不是只有一种，做为电磁波，其最重要的特症就是有不同的频率（f）；由于电磁波在空气中的速度基本上等同于真空光速（c=3×10^8公尺/秒），其波长（λ）便自然与频率成反比，即c=f×λ。一般来说，军用雷达波依频率/波长分为以下几个波段（UHF在雷达行业里的定义和通讯用的略有不同）：

波段                                     频率                                     波长

HF                                       0.003-0.03 GHz                    10-100公尺

VHF                                     0.03-0.3 GHz                        1-10公尺

UHF                                     0.3-1 GHz                            30-100 公分

L Band                                 1-2 GHz                               15-30 公分

S Band                                 2-4 GHz                               7.5-15 公分

C Band                                 4-8 GHz                               3.75-7.5公分

X Band                                 8-12 GHz                             2.5-3.75 公分

Ku Band                               12-18 GHz                            1.7-2.5 公分

最早的对空雷达是1936年英国的AMES（Air Ministry Experimental Station，空军部实験站）Type 1，用的是25MHz/12公尺的HF（High Frequency，高频）波段。但是雷达设计师们马上就开始研究频率更高的雷达，到二次大戦初期，絶大部分的雷达已经改用VHF（Very High Frequency，甚高频）波段；这主要是因为收发天线的尺寸都必须与半波长类似，波长越小，天线也可以做得越小（这对动辄有上千单元的现代阵列天线尤其重要）。因为电视广播用的也是VHF，台湾人应该对其天线很熟悉，它是鱼骨形，学名叫“八木天线”（Yagi Antenna），因为它是在1926年由东京帝国大学的两名教授八木秀次和宇田太郞所发明的。日本人也相信外国的月亮比较圆，所以根本不知道这发明有多重要；到1928年。八木教授在美国的学术会议给了演说，八木天线立刻传徧英美。日本军方要到1942年攻下了新加坡，才第一次看到这种天线，在雷达的说明书里读到Yagi Antenna，不明就里，还特别把被俘的英军雷达技师从戦俘营里找了出来询问，这才知道Yagi是“八木”的英文翻译。

【待续】