戰(zhàn)斗機的隱身與電子戰(zhàn)的博弈

裴 云，楊青山

（甘肅省酒泉市十四支局，甘肅酒泉735018）

0 引言

如何突防先進防空系統(tǒng)，美國空、海軍選擇了不同途徑?？哲姲l(fā)展和使用隱身作戰(zhàn)飛機，通過減小、控制飛機的電磁信號特征，降低敵方探測和攻擊范圍，壓縮敵攻擊區(qū)和交戰(zhàn)時間窗。而海軍則注重發(fā)展和使用電子戰(zhàn)飛機，利用電磁能欺騙、擾亂或癱瘓敵電子信息裝備。從作用在電子裝備的信號與干擾功率比值S/J來看，隱身通過降低S，而電磁干擾則通過降低或擾亂S/J，來拒止敵方使用電磁頻譜。兩者各有所長，均為電磁域“致盲”手段，只是著力方向不同。目前看，新一代有人/無人作戰(zhàn)飛機普遍采用隱身和先進電子戰(zhàn)技術(shù)，來獲取戰(zhàn)場電磁優(yōu)勢。空戰(zhàn)電磁域的斗爭，將呈現(xiàn)出戰(zhàn)斗機的隱身與電子戰(zhàn)之間對抗、協(xié)同等復雜博弈關(guān)系。為了認識這種博弈關(guān)系及其影響，文章嘗試對該問題進行了探討和研究。

1 隱身與非隱身的對抗

從目前披露的演練情況看，無論是2006年夏季F-22參加的“北方邊境”軍演[1]，還是近期F-35對常規(guī)戰(zhàn)機的模擬空戰(zhàn)。隱身五代機F-22、F-35對常規(guī)四代機的模擬空戰(zhàn)結(jié)果，基本呈現(xiàn)一邊倒的情形。美軍方的演習評估認為，隱身能力是F-22克敵制勝的重要原因之一，F(xiàn)-22在與常規(guī)戰(zhàn)機作戰(zhàn)時，依靠隱身性能可自由選擇進入、攻擊和脫離作戰(zhàn)的時間與方式，而對手基本沒有合適的應(yīng)對戰(zhàn)術(shù)和有效反擊機會。F-22主要采用超視距空戰(zhàn)攔截對手，以充分發(fā)揮隱身、超聲速巡航和信息優(yōu)勢，實現(xiàn)“四先”[1-2]。圖1為F-22典型高空超聲速迎頭攻擊戰(zhàn)術(shù)示意圖，飛行高度12000～19000 m，以Ma數(shù)為1.6左右的超聲速巡航速度實施超視距攻擊。使用數(shù)據(jù)鏈和機載ESM獲取戰(zhàn)場態(tài)勢及目標信息，在確認目標及威脅屬性后，在適當距離使用AN/APG-77有源相控陣雷達截獲跟蹤目標，快速發(fā)射導彈攻擊目標并脫離。

圖1 F-22典型高空超聲速迎頭攻擊戰(zhàn)術(shù)示意圖

1.1“先視”優(yōu)勢

隱身戰(zhàn)斗機的超視距空戰(zhàn)優(yōu)勢，首先體現(xiàn)在“先視”優(yōu)勢上，即先看到對手，而對手卻看不見。在遠距發(fā)現(xiàn)、截獲和“寂靜攻擊”的同時，對手感知不到威脅信息。下面以假想的F-22對常規(guī)戰(zhàn)機F/A-18超視距空戰(zhàn)為例，探討隱身與非隱身戰(zhàn)機的對抗。

已知機載雷達對RCS 1m2目標作用距離為R1，則雷達對RCS為 σ的目標作用距離Rr近似為：

F-22雷達約2000個T/R單元，每個單元發(fā)射功率約10 W，對RCS 1m2目標作用距離200 km[1]。F/A-18雷達約1368個T/R單元，每個單元發(fā)射功率按10 W考慮。則根據(jù)雷達方程，可估算得F-22和F/A-18雷達對不同RCS目標的作用距離如圖2所示。

圖2 機載雷達估算距離示意圖

F-22雷達對RCS 5m2目標作用距離約299 km，F(xiàn)/A-18雷達對RCS 0.01m2隱身飛機作用距離約47 km。假設(shè)F-22、F/A-18的前向RCS分別為0.01m2、5m2，兩者前向 RCS之比為 1∶500，相差約 27dB。則從迎頭空戰(zhàn)對抗比較，隱身的F-22雷達探測距離是非隱身F/A-18探測距離的6倍，具有極大的“先視”優(yōu)勢。可見，戰(zhàn)機隱身能力和有源相控陣雷達性能的綜合，是“先視”的關(guān)鍵。

即使F-22相對于F/A-18擁有數(shù)倍的探測和先制優(yōu)勢，但是如果F-22雷達不具備射頻隱身能力，在遠距截獲、跟蹤目標的同時，自身雷達輻射信號被對手截獲、識別，則其隱身及先發(fā)優(yōu)勢將失去意義。對手可根據(jù)機載ESM/RWR告警情況，采取電子干擾或機動規(guī)避。因此，隱身亦可視為一種特殊形式的電磁靜默，為發(fā)揮隱身戰(zhàn)斗機的探測和時空優(yōu)勢，必須力爭對目標實施“寂靜”截獲/攻擊。“寂靜距離”指在該距離以內(nèi)，機載雷達可通過功率管理等射頻隱身措施，在截獲/跟蹤目標的同時，極大地降低雷達信號被目標機ESM/RWR截獲識別的概率，實現(xiàn)電磁隱身?？梢?，“先視”優(yōu)勢還體現(xiàn)在戰(zhàn)機雷達的“寂靜跟蹤/攻擊”能力上。

根據(jù)空戰(zhàn)時戰(zhàn)斗機雷達和目標機電子偵察距離方程，假設(shè)式中偵察天線增益為0dB，雷達與偵察損耗系數(shù)均取9dB，可近似得到戰(zhàn)機雷達天線主瓣對RCS為 σt的目標機ESM/RWR“寂靜距離”R0的估算式為：

式中,Gr為雷達天線增益，Pimin為ESM/RWR最小可檢測信號功率，Prmin為雷達最小可檢測信號功率，SPGr為雷達信號處理增益。

根據(jù)前述F-22雷達參數(shù)，取Gr為36 dB，可大致估算出F-22雷達對不同RCS和Pimin的目標機“寂靜距離”見表1，關(guān)系曲線如圖3所示。

表1 F-22雷達“寂靜距離”與目標RCS、ESM/RWR靈敏度的關(guān)系 R0/km

圖3 F-22雷達“寂靜距離”與目標RCS、ESM/RWR靈敏度關(guān)系示意圖

由表1和圖3可見，F(xiàn)-22雷達“寂靜距離”隨目標機RCS減小而降低，隨目標機ESM/RWR靈敏度提高而降低。如對RCS為5m2的常規(guī)戰(zhàn)機，當其ESM/RWR靈敏度為-65 dBmW時，F(xiàn)-22雷達“寂靜距離”約為210 km，當目標機ESM/RWR靈敏度提高至-75 dBmW時，雷達“寂靜距離”降至66.5 km。當目標機RCS大幅降至0.01 m2時，F(xiàn)-22雷達“寂靜距離”僅約9.4 km，已完全喪失了超視距射頻隱身和“寂靜攻擊”能力。因此，可用σtPimin作為衡量戰(zhàn)機對抗敵雷達射頻隱身能力的品質(zhì)因數(shù)。例如，降低戰(zhàn)機的RCS或提高ESM/RWR靈敏度均可削弱對手的“寂靜距離”，兩者協(xié)同運用時，產(chǎn)生乘積效應(yīng)，取得比其單獨使用更佳的效果。

1.2“先射”優(yōu)勢

F-22對具有“代差”的常規(guī)戰(zhàn)機空戰(zhàn)，在“先視”基礎(chǔ)上，可力爭在進入對手有源/無源傳感器作用距離前，以超聲速巡航狀態(tài)實施防區(qū)外“寂靜攻擊”和脫離。F-22使用的AIM-120D空空導彈[3]在發(fā)射高度10 km，目標速度Ma數(shù)為0.8，迎頭攻擊條件下，最大攻擊距離為200 km，導彈發(fā)射后平均速度Ma數(shù)為3.5，導引頭截獲距離約25 km。以此分析，對RCS 5m2的F/A-18，當其ESM/RWR靈敏度為-65 dBmW時，F(xiàn)-22可使用AIM-120D空空導彈，在200 km距離上對其實施先發(fā)制人的“寂靜攻擊”。經(jīng)簡單估算，在10 km高度以上，以Ma數(shù)為1.6超聲速巡航的F-22使用AIM-120D導彈，可對Ma數(shù)為0.8跨聲速飛行的F/A-18實施至少2次防區(qū)外迎頭超視距寂靜攻擊，并安全脫離。

1.3“先脫離”優(yōu)勢

如果F-22采用超聲速發(fā)射、跨聲速制導、超聲速脫離的機動模式，還可進一步增加射擊次數(shù)。但在中制導并脫離時，可能進入F/A-18的探測和攻擊區(qū)。為避免被動，F(xiàn)-22可利用其優(yōu)良的超聲速盤旋能力高速脫離，實現(xiàn)攻防快速轉(zhuǎn)換，不給對手可乘之機。

由此可知，對抗隱身戰(zhàn)機“先視”優(yōu)勢的方法之一，除了縮減自身RCS，提高ESM/RWR系統(tǒng)的靈敏度，還可采用低波段雷達、長波紅外搜索跟蹤系統(tǒng)、有源相控陣雷達等提高反隱身探測能力的手段。

2 隱身與干擾的對抗

在與隱身戰(zhàn)機空戰(zhàn)中，目標機施放電子干擾雖無法影響隱身戰(zhàn)機的RCS，但可降低或擾亂其雷達的S/J，抑制和削弱雷達性能，抵消其不對稱探測優(yōu)勢。因此，對抗隱身戰(zhàn)機優(yōu)勢的實用方法之一，就是“抑制”法。即通過電子干擾來壓制和削弱隱身戰(zhàn)機雷達的性能，進而抵消其隱身先發(fā)優(yōu)勢。

2.1 抵消隱身先發(fā)優(yōu)勢

戰(zhàn)斗機與目標機空戰(zhàn)時，目標機采用隨隊或自衛(wèi)干擾，對戰(zhàn)斗機雷達的干擾方程為：

式中，PJGJ為干擾機等效輻射功率，PtGt為雷達等效輻射功率，LJ為干擾機饋線損耗，Lr為雷達系統(tǒng)損耗，ΥJ為干擾信號極化損耗，Kf=BnBj為雷達接收機帶寬Bn與干擾信號頻譜寬度Bj之比，KJ為干擾壓制系數(shù)，SPGj為雷達對干擾信號的處理增益，RJmin為最小干擾距離。

假設(shè)目標機使用電子戰(zhàn)設(shè)備對F-22雷達實施偵察和干擾，設(shè) Pt為 20 kW，Gt=Gr為36 dB，LJ=Lr，ΥJ為-3 dB，Kf=1 3，KJ取20 dB。當采用相參干擾技術(shù)（如靈巧噪聲、相參假目標等）時SPGj近似取SPGr。則根據(jù)干擾方程可估算出不同目標RCS、RJmin條件下，所需要的干擾等效輻射功率PJGJ見表2，對應(yīng)曲線見圖4所示。

表2 目標機干擾等效輻射功率與目標RCS、最小干擾距離的關(guān)系 PJGJ/W

圖4 目標機PJGJ與目標RCS、最小干擾距離關(guān)系示意圖

由表2和圖4可見，當目標RCS分別為5 m2、1 m2、0.1 m2時，從估算結(jié)果看，將F-22雷達距離干擾壓制至數(shù)千里，所需要的干擾等效輻射功率在數(shù)千瓦或數(shù)百瓦量級內(nèi)。而且目標RCS縮減，所要求的PJGJ降低。當目標RCS為10 m2時，所需要的干擾等效輻射功率約為RCS 5 m2目標的2倍。因此，可用σt/PJGJ作為衡量戰(zhàn)機雷達干擾能力的品質(zhì)因數(shù)。

因此，常規(guī)戰(zhàn)機在偵察、分選和識別F-22雷達信號基礎(chǔ)上，采用相參干擾樣式，可以壓制和破壞F-22的“先視”優(yōu)勢。要求戰(zhàn)機裝備較高靈敏度的ESM/RWR，以及先進相參干擾機，抵消對手的“先視”優(yōu)勢，力爭均勢對抗或“反制”態(tài)勢。此外，戰(zhàn)機采用隱身技術(shù)，包括：換裝有源相控陣雷達，采用保形油箱/彈艙，在飛機強反射部位涂覆吸波材料等。既利于對抗“寂靜攻擊”，也利于干擾壓制對手。例如，美國改型飛機F/A-18E/F、F-15SE的前向RCS均較其原型機有一定的縮減。

2.2 實施后發(fā)制人

在美軍2009年軍演中，1架EA-18G使用AIM-120導彈“擊落”了1架F-22。該事件可能創(chuàng)下了機載電子戰(zhàn)對隱身戰(zhàn)機“先抵消、后反制”的先例。F-22雖擁有優(yōu)良隱身性能，可大幅降低EA-18G雷達的信息感知能力,但EA-18G作為電子戰(zhàn)飛機，裝備有先進電子戰(zhàn)系統(tǒng)，并與其機載雷達構(gòu)成共用機頭綜合孔徑，分出部分T/R單元，實現(xiàn)高增益電子偵察（HGESM）和高功率電子干擾（HPECM）模式[4-5]。具備偵察和干擾F-22雷達、通信及導航的能力，使其在擅長的超視距空戰(zhàn)中“變瞎變聾”，削弱其先制優(yōu)勢。

假設(shè)EA-18G機頭前方RCS為10 m2，X波段HGESM模式的靈敏度為-90 dBmW。由表1可見，對應(yīng)F-22雷達的“寂靜距離”降至16.7 km，喪失遠距“寂靜攻擊”能力。雙方迎頭空戰(zhàn)，在16.7 km之外，只要F-22雷達開機搜索、跟蹤目標，EA-18G具備偵察截獲F-22雷達輻射信號，并采用AN/ALQ-99干擾吊艙或HPECM模式實施干擾的能力。當EA-18G HPECM模式機頭天線陣列增益為20 dB，則機頭前方X波段干擾等效輻射功率約45 dBW（31.6 kW），具備將F-22雷達作用距離干擾壓制到數(shù)公里的潛力，使F-22雷達在電磁域“致盲”，大幅削弱其“四先”不對稱優(yōu)勢。而EA-18G則具備在47 km范圍內(nèi)，使用雷達和AIM-120導彈，在合適的距離和時機“反擊”的機會。而且，EA-18G還可通過靈活調(diào)節(jié)機頭天線陣列增益，實現(xiàn)電子偵察系統(tǒng)靈敏度和干擾功率隨空戰(zhàn)距離的調(diào)節(jié)、可變。

3 隱身與電子戰(zhàn)協(xié)同

首先，由品質(zhì)因數(shù)σtPimin可見，隱身與電子偵察協(xié)同運用，可有效對抗敵方雷達射頻隱身和“寂靜攻擊”能力。

其次，從品質(zhì)因數(shù) σt/（PJGJ）可見，隱身與電子干擾兩種“致盲”手段協(xié)同運用，相互之間可發(fā)揮助力作用[6]。例如，在KJ和其它參數(shù)相同條件下，如果在遠距干擾基礎(chǔ)上，被掩護目標采用隱身措施（σt減小20 dB），則最小干擾距離將減小為原來僅采用干擾時的32%。當采用自衛(wèi)/隨隊干擾加隱身，則最小干擾距離減小為僅采用干擾時的1/10。

從 σt/（PJGJ）還可見：一是 F-35 等隱身戰(zhàn)機具有RCS小、PJGJ大及綜合“致盲”效果好的優(yōu)勢。能深入抵達常規(guī)電子戰(zhàn)飛機難以進入的地區(qū)，實施“防區(qū)內(nèi)”滲透性電子攻擊。二是為隱身戰(zhàn)機提供電子干擾掩護，所需的干擾功率可以更小，干擾機的體積、質(zhì)量、電源和成本要求可進一步降低。

4 隱身與電子戰(zhàn)的相互作用及結(jié)論

1）促進電磁戰(zhàn)頻段和手段擴展。為對抗隱身戰(zhàn)機，發(fā)展了V/UHF頻段有源相控陣單/多基雷達，尤其是基于機會輻射源的無源雷達。這促使戰(zhàn)機發(fā)展全向、寬譜隱身技術(shù)，并促進電子偵察和干擾技術(shù)向低頻段擴展，以及各類無人機為平臺的干擾機、誘餌群、一次性電子攻擊載荷等“防區(qū)內(nèi)電子戰(zhàn)”技術(shù)發(fā)展。還可促進光電偵察與對抗技術(shù)、防區(qū)外發(fā)射“反電子高功率微波導彈”、巡飛彈等電磁戰(zhàn)武器發(fā)展。

2）促進滲透型電子戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展。一是促使美軍研發(fā)專用“穿透型航空電子攻擊”平臺，具有全方位、寬波段隱身性能及長續(xù)航力和持久性，采用認知電子戰(zhàn)技術(shù)，具備遠程滲透機載電子攻擊能力。二是促使美軍發(fā)展自組織、智能化協(xié)同、滲透型集群電子戰(zhàn)手段，采用防區(qū)內(nèi)滲透性“抵近”偵察、干擾、誘騙、迷惑或自殺式攻擊的電子戰(zhàn)方式，來穿透先進防空系統(tǒng)。發(fā)揮分布式、近距離、低成本電子戰(zhàn)獨有的增益和優(yōu)勢，如“小型空射誘餌”MALD及其改型能滲透敵防空，為突入敵空域的隱身飛機提供支援掩護。

3）促進新型電磁戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展。隱身與反隱身的斗爭，促進傳統(tǒng)電子戰(zhàn)向新型電磁戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展。如美國智庫提出“低功率至零功率”電磁戰(zhàn)概念，認為應(yīng)圍繞“低功率至零功率”傳感器、通信和電磁對抗措施展開博弈。發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化、捷變性、多功能、小型化、自適應(yīng)、滲透性無人機和誘餌、分布式無源 傳感器、射頻隱身傳感器和數(shù)據(jù)鏈等關(guān)鍵能力和要素。

4）促進射頻隱身和自衛(wèi)對抗技術(shù)發(fā)展。隱身與電子戰(zhàn)的斗爭，既促進了戰(zhàn)機機載雷達等裝備射頻隱身技術(shù)發(fā)展，也進一步促進了戰(zhàn)機以數(shù)字式多通道ESM/RWR技術(shù)、DRFM相參干擾、有源相控陣技術(shù)為代表的先進自衛(wèi)電子戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展。在未來的動態(tài)博弈中，還將促進基于人工智能的認知電子戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展。

通過以上分析和研究，可得到以下結(jié)論：

1）隱身戰(zhàn)機“四先”優(yōu)勢源于空戰(zhàn)OODA環(huán)的第一個“O”環(huán)節(jié)。通過優(yōu)良的隱身和雷達等傳感器性能，綜合形成相對非隱身常規(guī)戰(zhàn)機的不對稱“先視”和“寂靜攻擊”優(yōu)勢。而電子戰(zhàn)可“致盲”隱身戰(zhàn)機雷達等設(shè)備，破壞其空戰(zhàn)OODA環(huán)的兩個“O”環(huán)節(jié)，抵消其“先視”和“先射”優(yōu)勢。

2）無論是奪取“四先”，或是對抗、削弱對手的“四先”。戰(zhàn)機采用隱身措施，裝備先進電子戰(zhàn)系統(tǒng)、有源相控陣雷達、長波紅外搜索跟蹤系統(tǒng)等，均有利于提高戰(zhàn)機空戰(zhàn)攻防效能。

3）戰(zhàn)斗機的隱身與電子偵察和干擾協(xié)同運用，相互之間可發(fā)揮助力作用，并產(chǎn)生高于單個措施效果的協(xié)同增益。

4）隱身技術(shù)促進了低頻段電子戰(zhàn)、滲透性電子戰(zhàn)、新型電磁戰(zhàn)等技術(shù)的發(fā)展。

5 結(jié)束語

文章探討了戰(zhàn)斗機的隱身與電子偵察、干擾對抗、協(xié)同及相互促進的博弈關(guān)系。從對抗視角研究了戰(zhàn)斗機的隱身優(yōu)勢、電子戰(zhàn)的“先抵消后反制”戰(zhàn)術(shù)，以及戰(zhàn)機爭奪空戰(zhàn)“四先”優(yōu)勢的措施?；陔娮觽刹?、干擾品質(zhì)因數(shù)，探討了戰(zhàn)斗機的隱身與電子偵察、干擾的協(xié)同增益。最后，探討了隱身與電子戰(zhàn)的相互促進及新技術(shù)發(fā)展情況。由此可見，正是戰(zhàn)斗機的隱身與電子戰(zhàn)這兩種電磁域“致盲”手段的復雜博弈和矛盾運動，成為戰(zhàn)斗機新型電磁戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展進步的推手之一?！?/p>