未來新一代轟炸機隱身特性需求分析

徐頂國，艾俊強，雷武濤，王立波

(航空工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院 總體氣動設(shè)計研究所，西安 710089)

0 引 言

近年來, 隨著探測技術(shù)和制導(dǎo)武器的迅猛發(fā)展，對作戰(zhàn)飛機的戰(zhàn)場威脅越來越嚴重。為了提升作戰(zhàn)飛機的生存力，各軍事強國投入了大量的人力、物力和財力進行研究。隨著國內(nèi)外政治、經(jīng)濟環(huán)境的變化，使得作戰(zhàn)飛機尤其是轟炸機的發(fā)展思路已經(jīng)發(fā)生了重大變化，遠程戰(zhàn)略轟炸機作為國家重要的空基戰(zhàn)略威懾和遠程打擊工具之一，其自身隱身性能提升和隱身航跡策略規(guī)劃越來越受到重視[1-2]。國內(nèi)，秦五詩[3]總結(jié)了美國下一代轟炸機發(fā)展動向；陳黎[4]總結(jié)了美國空軍下一代轟炸機主要突防措施分析；麻連鳳等[5]提出了新一代戰(zhàn)機隱身需求分析；和國強等[6]分析了下一代轟炸機發(fā)展動向及性能特征。由于隱身技術(shù)涉及軍事機密，國外相關(guān)資料很少報道。

本文通過對比分析美俄下一代隱身轟炸機的隱身性能以及所面對的威脅，指出未來新一代隱身轟炸機更高的隱身特性需求，并歸納出未來高隱身戰(zhàn)略轟炸機的主要突防措施和方式。

1 美俄未來轟炸機的隱身特點及發(fā)展趨勢

目前, 美國軍方正在探討以系統(tǒng)家族(family of systems)的全新概念發(fā)展下一代遠程打擊系統(tǒng)(Next Generation Long Range Strike，簡稱NGLRS )。按照這種構(gòu)想, 繼B-2A 隱身轟炸機之后的新一代遠程打擊系統(tǒng)將不再是某種單一型號的轟炸機,而是一個包括下一代轟炸機(Next-Generation Bomber，簡稱NGB，目前美國軍方和媒體有時也將其稱為遠程打擊飛機)、遠程彈道導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈等成員在內(nèi)的系統(tǒng)家族。家族內(nèi)各成員之間在任務(wù)執(zhí)行能力上互補, 而轟炸機將在其中發(fā)揮主力和核心的作用[7-10]。遠程戰(zhàn)略轟炸機作為重要的空基戰(zhàn)略威懾和遠程打擊工具，其除了具備大航程、大載荷、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、獨立作戰(zhàn)、武器配置靈活等基本特征外，還應(yīng)具備很強隱身能力，才能在戰(zhàn)時突防到敵方的嚴密防控體系縱深區(qū)域，摧毀敵方戰(zhàn)略目標。轟炸機采用非隱身與隱身后的突防區(qū)別如圖1所示[11]。

(a) 非隱身飛機突防

(b) 隱身飛機突防

美國下一代戰(zhàn)略轟炸機“襲擊者”(B-21)和俄羅斯下一代戰(zhàn)略轟炸機“遠程航空兵的未來飛機”(PAK DA)兩型轟炸機在生存力方面，都強調(diào)高隱身能力[12-14]。美國下一代B-21轟炸機示意圖如圖2所示[14]，俄羅斯下一代轟炸機PAK DA示意圖圖3所示[14]。

圖2 美國B-21轟炸機示意圖

圖3 俄羅斯轟炸機PAK DA示意圖

相對于以隱身性能絕佳而被稱為“幽靈”的B-2戰(zhàn)略轟炸機，其美國新一代戰(zhàn)略轟炸機B-21整機隱身效果進一步加強。B-21可能采用全頻段、全向隱身技術(shù)，能夠在很大程度上避免被米波雷達發(fā)現(xiàn)，而后者正是現(xiàn)有反隱身雷達的主要類型。由于新一代抗氣流沖蝕、防雨水高速沖擊的長壽命隱身材料和密封材料投入應(yīng)用，其維護性和部署靈活性也將更好。該機還將配裝一體化電子偵察與對抗系統(tǒng)，并與隱身偵察無人機和空中電子攻擊裝備等組成遠程打擊“系統(tǒng)簇”，能盡可能“靜默”并在強對抗環(huán)境中突破先進防空系統(tǒng)。該機很可能還未配裝攔截來襲導(dǎo)彈的自衛(wèi)激光武器，預(yù)留了空間、重量和功率，以進一步提高生存力。

俄羅斯雖未按照“系統(tǒng)簇”的思想設(shè)計PAK DA，但該機將是俄羅斯首款隱身轟炸機，能夠避免被米波雷達和厘米波雷達發(fā)現(xiàn)。將配裝基于PAK FA的航電系統(tǒng)和隱身材料，包括等離子體技術(shù)，其中很可能包括PAK FA的“喜馬拉雅”綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)的改型。俄媒還曾披露，該機將可攜帶超視距空空導(dǎo)彈以進一步提高生存力[15-17]。

除了轟炸機自身隱身外，美俄等國家還在大力發(fā)展低頻雷達反隱身技術(shù)。目前，美俄在低頻的雷達已占反隱身遠程預(yù)警雷達總量的37%以上，例如俄羅斯的“P-18M”三坐標雷達等和美國的FPS-115雷達等，如圖4～圖5所示[18-20]。

圖4 俄羅斯低頻預(yù)警雷達

圖5 美國典型低頻預(yù)警雷達

此外，采用低頻雷達定位精度大幅增強，通過信息網(wǎng)絡(luò)化體系作戰(zhàn)，低頻雷達系統(tǒng)正在具備引導(dǎo)防空導(dǎo)彈進行遠程打擊能力。

2 未來隱身轟炸機的隱身需求分析

美俄新一代轟炸機對高隱身性能的需求非常明確，從隱身布局、隱身材料、隱身關(guān)鍵技術(shù)等方面進行了大量的人力、物力和財力研究。根據(jù)資料顯示，新一代轟炸機應(yīng)該在2030年左右形成初始作戰(zhàn)能力，具備獨立執(zhí)行敵方縱深轟炸能力，必須能夠?qū)寡b備下一代先進電子攻擊設(shè)備、先進戰(zhàn)斗機、先進地面預(yù)警防控系統(tǒng)、綜合支援系統(tǒng)、定向武器和網(wǎng)絡(luò)電磁攻擊設(shè)備的敵軍。因此，國外下一代轟炸機除了具備雷達隱身、紅外隱身、射頻隱身等隱身能力需求外，還具備隱身突防能力。

2.1 雷達隱身

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，低空突防到敵縱深進行轟炸仍然是轟炸機的作戰(zhàn)模式，在這種模式下轟炸機的隱身的重點仍將是雷達隱身。隨著雷達隱身技術(shù)的發(fā)展，反隱身技術(shù)也在飛速的發(fā)展。通過采用有源相控陣等技術(shù)，使得雷達的目標探測性能、目標容量、可靠性都大為提高。

此外，目前國外正大力發(fā)展空中平臺監(jiān)視系統(tǒng)，包括空中預(yù)警機系統(tǒng)、系留氣球載雷達系統(tǒng)、飛艇載雷達監(jiān)視系統(tǒng)等。該系統(tǒng)與地面警戒雷達及戰(zhàn)斗機載雷達組成了多頻段、多層次的雷達覆蓋網(wǎng)，如圖6所示[21]。

圖6 雷達組網(wǎng)

通過在大角度范圍內(nèi)的多部雷達，從隱身飛機的下面、背面和側(cè)面多點觀察，所有截獲的信號由數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)融合和相關(guān)處理，從而準確發(fā)現(xiàn)和識別目標。這對隱身飛機的雷達隱身能力也提出了新的要求。

為了適應(yīng)未來的戰(zhàn)場環(huán)境，新一代轟炸機具備全頻譜、全方位的隱身技術(shù)，必須進一步降低平臺在P、X 等重點頻段的RCS，從而增大被地面預(yù)警雷達和空中火控雷達截獲和鎖定的距離，且應(yīng)該具備更強的隱身能力，例如電磁對消技術(shù)、等離子體隱身技術(shù)、智能蒙皮、超材料應(yīng)用。

2.2 紅外隱身

近年來，紅外探測器及探測系統(tǒng)發(fā)展突飛猛進，機載紅外搜索與跟蹤(Infrared Search and Track，簡稱IRST)系統(tǒng)對飛機的探測距離已達到200 km，與機載雷達的作用距離相當，對飛機構(gòu)成了日益嚴重的威脅。目前，國外的大部分先進戰(zhàn)斗機均已裝備IRST系統(tǒng)，如圖7所示[22]，紅外探測器的定位研究也已經(jīng)取得突破性進展，使得紅外探測器具備了定位能力。

第四代多波段制導(dǎo)導(dǎo)彈采用先進的控制系統(tǒng)和氣動外形，其制導(dǎo)方式同時采用紅外制導(dǎo)和雷達制導(dǎo)，探測器采用焦平面陣列多元成像技術(shù)(如圖8所示[23])，通過紅外誘餌彈與加速機動已不能有效對抗第四代制導(dǎo)導(dǎo)彈。因此，飛機對紅外隱身的需求越來越迫切，紅外隱身作用越來越重要。

圖8 紅外焦平面陣列導(dǎo)引頭成像

遠距離的紅外探測飛行器和紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈已經(jīng)對轟炸機構(gòu)成實質(zhì)上的威脅。因此，隨著紅外探測技術(shù)的進一步提高，下一代轟炸機應(yīng)在3～5 μm和8～14 μm波段，全方位進行紅外隱身抑制技術(shù)研究。例如，主動冷卻技術(shù)、紅外低發(fā)射率材料技術(shù)以及末端主動隱身防御系統(tǒng)[24]，主動隱身技術(shù)——氣溶膠技術(shù)如圖9所示。

圖9 氣溶膠技術(shù)示意圖

2.3 射頻隱身

除了具有優(yōu)異的雷達隱身和紅外隱身性能外，轟炸機還應(yīng)該具備全面實施全機射頻綜合控制與管理技術(shù)的能力，確保隱身狀態(tài)的無線電靜默以及低截獲概率的射頻發(fā)射，否則可能反而在更遠的距離上被對方電子對抗(ESM) 系統(tǒng)探測定位，如圖10所示[25]。其有源相控陣雷達全面采用輻射功率、輻射方向圖、輻射時序等控制與管理，確保雷達開機時的低截獲概率(Low Probability of Intercept，簡稱LPI)。

圖10 無源探測系統(tǒng)定位以及追蹤

美國在F-117 研制過程中，就全面驗證過射頻隱身技術(shù)，美國1980年美國射頻隱身飛行驗證的結(jié)果如表1所示，可以看出：在采用射頻隱身手段后，雷達天線被接收機截獲的距離大幅縮減，RHAW、ELTNT和ARM對雷達探測距離分別下降了97.55%、99.12%和99.13%。

表1 機載雷達射頻隱身前后被探測距離比較

3 未來隱身轟炸機隱身突防措施分析

目前，美國空軍下一代轟炸機的研討論證仍在進行中，新機的主要性能指標是有人、還是無人駕駛，飛行速度是超聲速還是亞聲速，航程和載彈量大小等均需確定，但是基于上述對未來戰(zhàn)場威脅的分析，美國軍方和工業(yè)界已開始探討采取多種措施來提高下一代轟炸機在未來戰(zhàn)場上的突防和生存能力，并且要進行隱身突防策略。

3.1 更先進隱身技術(shù)

在近年來的多次局部戰(zhàn)爭中，美國空軍F-117A 隱身戰(zhàn)斗轟炸機和B-2A 隱身轟炸機所表現(xiàn)出的作戰(zhàn)效能、尤其是高生存力充分證明了作戰(zhàn)飛機采用隱身技術(shù)的巨大價值， 因此, 下一代轟炸機仍會將隱身作為提高自身防護的首要手段。為了應(yīng)對近年來反隱身技術(shù)的快速發(fā)展， 下一代轟炸機將綜合采用多種手段來全面提高自身的隱身性能，包括通過外形設(shè)計(先進的翼身融合體和飛翼布局)、吸波材料(先進的輕量化、寬頻帶、結(jié)構(gòu)/隱身一體化材料)和有源對消等技術(shù)來獲得全向(前、后和側(cè)向)和寬頻(可對付低頻雷達)的雷達隱身性能; 通過非常規(guī)噴管外形、燃料添加劑和隔熱/屏蔽等技術(shù)來降低紅外特征; 通過采用智能蒙皮、凝結(jié)尾跡消除等技術(shù)來降低目視特征。

3.2 體系支持

根據(jù)美國軍方的設(shè)想, 今后包括下一代轟炸機在內(nèi)的遠程打擊系統(tǒng)家族的全部成員都將接入美軍全球信息柵格(Global Information Grid，簡稱GIG )并連入全球指揮控制系統(tǒng)(Global Command and Control System，簡稱GCCS ) 中，從而與美軍作戰(zhàn)體系中的其他裝備無縫結(jié)合在一起，在為整個體系提供信息的同時也從中獲得支持。戰(zhàn)時，美軍將綜合運用其作戰(zhàn)體系中的各個成員，根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢和任務(wù)要求，相互配合，協(xié)同作戰(zhàn)，在追求任務(wù)效能和效率最大化的同時，也將任務(wù)風險降到最低[26-30]。在此背景下， 美軍在重視通過各種技術(shù)措施來提高下一代轟炸機的單機突防/生存能力的同時, 更強調(diào)在戰(zhàn)時通過體系支持、協(xié)同作戰(zhàn)的手段來達到同樣目的。

戰(zhàn)時，下一代轟炸機將會在美軍信息網(wǎng)絡(luò)支持下， 與陸、海、空、天中的各種節(jié)點進行信息交換，借助體系的支持來協(xié)助自身完成任務(wù)。例如，下一代轟炸機在突防過程中可實時接收敵方防空導(dǎo)彈、截擊機的動向等相關(guān)威脅信息，通過任務(wù)規(guī)劃選擇更加安全的飛行路線; 或者實時召喚己方F-22 /35 戰(zhàn)斗機、彈道/巡航導(dǎo)彈、電子戰(zhàn)飛機壓制敵防空系統(tǒng)，協(xié)助自身突防。

兩架F-22進行伴飛B-2轟炸機如圖11所示[26]。

圖11 兩架F-22進行伴飛B-2轟炸機

3.3 高空突防

自20世紀60年代以來，作戰(zhàn)飛機采用低空、超低空突防以盡量降低敵方雷達發(fā)現(xiàn)概率的戰(zhàn)術(shù)，廣為世界各國軍方所推崇。但是隨著空中預(yù)警機、脈沖多普勒雷達等技術(shù)裝備的廣泛使用，這種戰(zhàn)術(shù)的價值已經(jīng)大幅降低。由于目前美國軍用飛機隱身技術(shù)世界領(lǐng)先，再結(jié)合其先進的電子戰(zhàn)手段，已經(jīng)可以確保高空飛機被敵方雷達發(fā)現(xiàn)的概率大幅降低，也沒必要再為此而采取低空、超低空突防戰(zhàn)術(shù)。不僅如此，根據(jù)近年來多次局部戰(zhàn)爭的經(jīng)驗教訓，作戰(zhàn)飛機在戰(zhàn)時低空、超低空飛行，通常會面臨敵方由各種中/低空防空導(dǎo)彈、便攜式防空導(dǎo)彈、中小口徑高炮、高射機槍甚至步兵輕武器所組成的密集防空火力，這將對自身安全構(gòu)成極大威脅, 對于目標信號特征明顯、機動性差、備彈面積大的轟炸機來說更是如此。

從美國和北約國家軍隊在近期幾次局部戰(zhàn)爭中損失飛機情況可以看出，多數(shù)是被各種低空防空火力所擊落，尤其是操作簡單、隱蔽性好、讓人防不勝防的便攜式防空導(dǎo)彈更令美國軍方頭疼。若提升作戰(zhàn)飛機的飛行高度，則可大幅降低這類威脅。根據(jù)目前美國軍方和工業(yè)界擬議中的一種技術(shù)方案，下一代轟炸機有望將飛行高度提高到18 288 m，這將超過多數(shù)現(xiàn)役戰(zhàn)斗機， 鑒于此高度以上的天空背景接近黑色，而且不易形成凝結(jié)尾跡，無疑將會大幅降低飛機被敵方飛行員目視發(fā)現(xiàn)的機率。

3.4 加裝自衛(wèi)武器

為了給下一代轟炸機提供一種更加積極主動的生存力增強手段，目前美國軍方正在考慮為其配備空空導(dǎo)彈和激光定向能武器作為自衛(wèi)火力。然而，為了保證不破壞全機的隱身性能， 下一代轟炸機攜帶的空空導(dǎo)彈將很可能由內(nèi)埋彈艙攜帶，戰(zhàn)時發(fā)射制導(dǎo)空空導(dǎo)彈所需的信息也盡可能通過被動手段獲取或由友鄰平臺提供， 自身則保持電磁靜默。

從長遠計劃看，美國軍方也在考慮為下一代轟炸機配備機載激光武器，戰(zhàn)時不僅可以將其作為近距自衛(wèi)火力，還可用來對付來襲導(dǎo)彈，實施火力攔截，從而極大地提高飛機的生存力。

4 結(jié)束語

隨著科技的發(fā)展和戰(zhàn)場環(huán)境的變化，未來作戰(zhàn)飛機無不體現(xiàn)當今隱身技術(shù)的最高水平。新一代轟炸機的隱身能力需求遠遠高于現(xiàn)役戰(zhàn)機水平，為了實現(xiàn)綜合隱身能力，需要引入新的隱身技術(shù)思路?？梢詺w納總結(jié)成以下兩點：

(1) 除了傳統(tǒng)的被動雷達技術(shù)以外，還應(yīng)考慮主動隱身技術(shù)、智能蒙皮、超材料應(yīng)用的雷達隱身技術(shù)，并且兼顧高低頻隱身；采用基于主動降溫、智能蒙皮、低發(fā)射率材料應(yīng)用的紅外/可見光等隱身技術(shù)；采用基于低截獲概率(LPI) 系統(tǒng)以及功率管理等射頻綜合隱身技術(shù)。

(2) 根據(jù)未來作戰(zhàn)環(huán)境，結(jié)合新型隱身技術(shù)思路，實現(xiàn)隱身轟炸機的突防策略和需求發(fā)展的未來作戰(zhàn)投防模式。