YST: 漫談隱形戰機（II）：雷達截面

上接「漫談隱形戰機（I）：隱形戰機進入多國時代」

 

（五）雷達隱形

 

甲. 雷達的探測原理

 

很 多讀者一定有在山谷中大喊然後聽自己回音的經驗。我們選擇山谷，因為聲音不容易四散，先用雙手合圍在嘴巴旁邊，因為這樣發出的聲音比較集中，然後面對大山 用盡吃奶的力氣大喊一聲「我來了！」，然後靜靜地豎起耳朵聽，幾秒鐘後，從山的方向就傳來微弱但非常清晰的回聲「我來了！」。

 

雷達的探測原理跟這個回音原理是完全一樣的，只不過用的是電波。

 

雷 達透過一些電子設備能夠產生功率非常強大、頻率和波型非常穩定的電磁波，這個電磁波經過特殊設計的天線（就像你合圍在嘴巴旁邊的雙手）發射到某個特定方 向，然後雷達停止發射，靜靜地接收可能由飛行物反射回來的電波。如果果然接收到自己發出的電波，那就表示在發射方向有飛行物體，根據等待時間的長短雷達的 電子計算機就可以算出這個飛行物體和自己的距離，這個距離加發射方向就可以完全決定這個飛行物體在空間的位置。雷達探測的功能就完成了。

 

上面的道理非常簡單，但是科學家是追根究底的人，他們想知道目標和被電波探測到的關係到底是什麼。為了進一步瞭解探測的過程，科學家對飛行物做了進一步的分析。他們問了很多問題：

1.目標的大小和可探測性有沒有關係？

2.目標的組成物質和可探測性有沒有關係？

3.目標的姿態和可探測性有沒有關係？

 

上面三個問題的答案都是：有。

 

乙. 幾何截面（Geometric Cross Section）

 

第一個問題最容易回答，因為目標越大自然反射回來的電波就越強，當然就越容易被探測到。想想看，我們對著大山喊可以聽到回音，如果是對著小山坡喊，即使喊破喉嚨也是聽不到回聲的。

 

任何飛行物從雷達波照射方向相交的面積稱為該物體的幾何截面。也就是說，幾何截面就是雷達“看到”的目標面積，也可以說成是雷達波被目標攔截的面積。

 

一個目標隨著觀察角度的不同，它的幾何截面也不同，回波的強度自然不同，所以它被雷達探測到的距離也不同。

 

科學家得到一個結論：目標的雷達探測性和目標的幾何截面成正比。

 

丙. 反射性（reflectivity）

 

第二個問題也不難回答，如果你去過電台的錄音室或播音室就會發現牆壁是用特殊材料構成而且遍佈孔洞，它們是用來吸收聲波的，目的就是降低可以構成干擾的回聲。

 

電波也是一樣，任何物質都不可能把電波百分之百的反射回去，通常有一部分能量被吸收轉換為熱能。不同的物質對電波有不同的反射性，其中金屬的反射性最高，是雷達最喜歡的物質。

 

科學家把「反射性」（reflectivity）定義為目標反射的功率除以射到目標的功率。

「反射性」是一個介於０與１之間的數值。

 

科學家得到第二個結論：目標的雷達探測性和目標的反射性成正比。

 

丁. 方向性（directivity）

 

當 電波照射到目標時，不是所有反射的電波都回到照射的方向，而是有一定的規律。最簡單的實驗就是目標是一個非常光滑的平面體，這個時候反射的方向與照射的方 向滿足一個定律，那就是：「反射角等於入射角」。所以除非電波是垂直照射平面目標，否則一部分電波會反射到其他方向，不被雷達接收到。

 

科學家把「方向性」（directivity）定義為目標反射到雷達方向的功率除以平均全方位反射的功率（也就是假設目標把所有射來的電波功率非常均勻地、球狀地、反射到每個方向的功率）。

「方向性」是一個正數，它可以很小，也可以非常大。

 

科學家得到第三個結論：目標的雷達探測性和目標的方向性成正比。

 

戊. 雷達截面（Radar Cross Section，簡稱 RCS）

 

綜合乙、丙、丁，我們得到：

目標的雷達探測性跟「幾何截面」 X 「反射性」 X 「方向性」成正比。

 

科學家把右邊這三個數量的乘積定義為目標的「雷達截面」（Radar Cross Section，簡稱 RCS），通常用小寫的希臘字母 sigma 來代表：

 

「雷達截面」 = 「幾何截面」 X 「反射性」 X 「方向性」

 

「雷達截面」是一個非常重要的概念和常用的名詞，它的重要性是把任何雷達目標具體化了，變得非常容易想像，也非常容易比較。

 

譬如當軍事專家說F-15的正前方雷達截面是５平方公尺，那麼你就可以把軍事專家的話想像成：當雷達從正前方照射F-15時，F-15被探測到的可能性就相當於一個橫切面積為５平方公尺的金屬球，也就是一個直徑2.52公尺的金屬球。

 

（六）有關雷達截面（RCS）的一些數值

 

一個目標的雷達截面（RCS）和它的幾何截面通常有很大的落差，譬如美國隱形轟炸機B-2正前方的雷達截面肯定小於1平方米，但是它的幾何截面肯定大於十平方米。所以B-2的雷達截面和幾何截面相差十倍以上，甚至百倍都可能。

 

所以單看體型的大小來估計雷達截面的大小是肯定犯錯誤的，而且非常可能是大錯。事實上，如何設計一架每個方向雷達截面都很小的大飛機就是隱形戰機設計師的工作。

 

由 於這個緣故，我們需要知道一些雷達截面的實際數值來得到一些“感覺”。下面是YST 根據美國雷達專家布萊克（Lamont V. Blake）1980年出版的教科書【雷達測距分析 】（Radar Range-PerformanceAnalysis）所公布的 RCS 數值：

 

目標的種類                    方向        雷達截面（平方米）

 

小型噴射戰鬥機或              頭，尾      0.2 - 10

小型商業噴射客機              側面        5 - 300

 

中型轟炸機或中型商業          頭，尾      4 - 100

噴射客機譬如727               側面        200 - 800

 

重型轟炸機或大型商業          頭，尾      10 - 500

噴射客機譬如707               側面        300 - 550

 

木製掃雷艇，144英尺，         側面        10 - 300

空中雷達（5~10 GHz）          25度角向頭  0.1 - 300

                             或尾俯視

 

小鳥（450 MHz 米波雷達）      平均        10 **(-5.6)

 

大鳥（9 GHz 厘米波雷達）      側面        10 **(-2)

 

昆蟲（蜜蜂），9 GHz           平均        10 **(-2.8)

 

大昆蟲（5公分），9 GHz        平均        10 **(-1.8)

 

從上面的列表我們觀察到一些有趣的現象：

1.無論是飛機也好，是飛鳥也罷，頭的方向雷達截面總是最小的。這很容易理解，因為飛行方向的橫切面（幾何截面）越小飛行的阻力越小、飛行的速度也就越快。

2.小型飛機和中型飛機的雷達截面差了一個數量級。

3.中型飛機和大型飛機的雷達截面差別不大，尤其是側面。

4.木製掃雷艇的雷達截面居然接近大型飛機有些意外，因為木質材料的反射性很小。YST猜想是掃雷艇內部亂七八糟的軍用設備才是主要的反射源，這些設備多半是由金屬構成，它們的反射性超過體型碩大但非常園滑的機身。

5.小鳥的雷達截面比大鳥小了不止三個數量級（超過一千倍），這顯然不合理。仔細一想，問題出在測量的雷達所使用的頻率不同。450 MHz米波雷達波長大約66公分，遠比小鳥的體型大，所以會發生嚴重的繞射現象。這就告訴我們RCS 跟雷達使用的頻率有關。

6. 大鳥側面的雷達截面在 9 GHz 雷達波照射下有0.01平方米是非常有趣的現象。9 GHz 屬於X波段，這正是火控雷達使用的波段，是所有作戰飛機最敏感和最想躲避的波段。所謂的大鳥大概就指老鷹之類的飛鳥，牠們的幾何截面再大也不會超過一平方 米，比任何飛機都小多了。這就給我們一個非常有感覺的指標，用大型飛鳥與隱形戰機作比較。

7.蜜蜂大小的昆蟲比5公分長的大昆蟲（譬如蜻蜓）雷達截面小了一個數量級可以理解，但是像蜻蜓這樣5公分長的大昆蟲雷達截面居然比老鷹這樣的大鳥還大一點點，這就令許多人感到大惑不解了。

 

想想看，同樣都是肉做的，同樣都在 9 GHz雷達波的照射下，為什麼一隻小小蜻蜓的雷達截面竟然會比老鷹還大呢？

YST 的解釋是：這是雷達波的共振現象。當雷達波的波長接近目標的長度時，反射的電波相位（phase）相同，於是波幅（amplitude）因相加而變大，產 生共振現象。想想看，9 GHz 的波長大約是2.7公分，正好是蜻蜓身體長度的一半，蜻蜓對雷達的角度是隨機變化的（random），於是，從雷達的角度來看，蜻蜓的長度從0.5到5公 分隨機變化，依照常態分配，大部分的時間蜻蜓的長度處在中間值2.7公分附近，正好引起共振。

 

雷達波的共振現象非常重要而且有非常重要的應用，那就是反雷達的干擾作業。

 

在 開戰前只要弄清楚目標國家的雷達波段（這並不困難），我們就可以用一種非常輕的質料做成圓柱形的細長條，把它鍍上鋁，然後依照目標國家的雷達波長切成各種 長度裝在一個盒子裏。在進行攻擊前，派出飛機灑在進攻的航道上，這些鍍鋁的細桿子就會引起雷達波的共振現象，一根細小的反射體就可以造成很大的雷達回波， 更何況拋撒出去的“小細籤”數以萬計，在進攻航道中每立方米都會有數個到數十個，它們造成的回波遠大於飛機，使雷達幕上出現一片雪花，什麼都看不到。由於 它們很輕，它們停留在空中的時間至少數小時，通常長達數天，有時甚至一個月以上。這種干擾的方法對付釐米波雷達效果很好而且非常便宜。

 

（七）「雷達截面」（RCS）的軍事敏感性

 

好了，我們定義了「雷達截面」（RCS），也瞭解了它的物理意義和它在雷達探測上的重要性。基本上，只要我們得到某個目標在所有角度上的雷達截面的數值，那麼這個目標的雷達特性就完全掌握了。

 

甲. 戰機的「雷達截面」可以透露很多訊息

 

舉 個例子，如果我們知道F-15正前方的雷達截面是５平方公尺，那麼設計J-10的工程師就知道當J-10和F-15迎頭遭遇時，根據J-10雷達的發射功 率、天線尺吋、雷達接收器的訊噪比和訊號處理能力等等參數就可以推算出來在什麼時候（距離）J-10會發現F-15、什麼距離J-10開始追蹤F-15、 什麼距離可以鎖定 F-15、什麼距離可以發射導彈．．．．等等一連串實際交戰的重要資料。

如果發射的是雷達導引的空對空導彈，工程師甚至可以計算出擊落F-15的機率，一連串的戰術運用都可以準確推算和導演出來。

 

你說洩露戰機的 RCS 是不是茲事體大？

 

所以，對任何作戰飛機，它的雷達截面數值是非常敏感的資料，尤其是機頭正前方，因為這是敵我飛機遭遇最可能發生的情況。

 

由於這類資料的敏感性，任何國家都不會公布自己作戰飛機的RCS。YST也絕不相信網上流傳的任何作戰飛機的RCS，不管它是製造國家自己公布的還是間諜偷來的。網上也好、權威軍事雜誌也罷，任何人聲稱某型戰機的RCS是多少都是瞎說。

 

乙. 隱形戰機的 RCS

 

如果普通戰機的RCS是機密，那麼隱形戰機的RCS就是極機密了，因為隱形戰機是高價值目標、隱形戰機的任務也是高價值任務。

 

不過讀者也不要太失望，我們雖然不能說出隱形戰機確切的RCS到底是多少，但是根據科技進展的程度給出一個大致的範圍還是可以做到的。

 

以目前尖端科技的進展，隱形戰機要把RCS降低20dB是可以做到的，降低30dB就很困難但花大錢也可以辦到，降低40dB則不可能。這是隱形戰機和普通戰機在雷達隱身性能上大致的差距，也是普通草民都需要知道的常識。

 

如果讀者不喜歡用分貝（dB）這種比值做比較討論，希望看到絕對的RCS數值，YST可以提供一些個人的意見，但是不負任何責任。

 

YST 個人認為戰機的RCS最重要的是正前方，也就是機頭的軸線左右30度、上下20度的錐形空間；其次是底部下方，因為這是地基搜索雷達觀察的角度；第三是側 面，這是受到攻擊經常發生的角度，發生的機率也許跟機頭方向差不多；第四是尾部，因為既然決定脫離戰場RCS也就不那麼重要了；最後是頂部，因為從上面照 射戰機的機率最小。

 

YST認為隱形戰機的設計者在優化RCS的過程中他考慮的優先順序也是上面的順序，所以隱形戰機的RCS值由小到大也是上面的順序。YST猜想，以目前的科技，隱形戰機的RCS大概能夠到達的數值如下（胡亂猜，不負責）：

1. 前方：   1 ~ 0.1 平方米 代表優良；

            0.1 ~ 0.01 平方米 代表特優；

            0.01 ~ 0.001 平方米 是極限優良；

            < 0.001 平方米 不可能；

2. 下方：   0.5 ~ 0.1 平方米；

3. 側面：   1 平方米 左右；

4. 尾部：   5 平方米 左右；

3. 上方：   5 ~ 10 平方米。

 

YST 記得「漢和防務評論」的主編平可夫曾經和讀者打賭（不知為了什麼），說如果中國能在2020年前造出隱形戰機他就關閉「漢和」網路上的中文部。後來他怕中 國真的在2020年前造出隱形戰機，於是他為隱形戰機加了一個資格形容詞，他說所謂的「隱形戰機」就是要像美國的F-22，正前方的RCS要小於 0.00001平方米。YST不記得到底有五個０還是四個０，但確信至少有四個０。

 

YST 非常驚訝一個軍事雜誌的主編和資深軍事記者居然會說出如此沒有常識的話。這也許是一句氣話，不過以他的身分是不能說氣話的，因為這是他的職業，應該遵守職業道德。

 

F-22正前方的RCS小於0.00001平方米是絕對不可能的，連小於0.001平方米都不可能。

 

YST 不能確定平可夫是否受過科學訓練，不過無論如何，平可夫應該是一位交遊廣闊、消息極為靈通的人士，犯錯誤是可以的，但是這個打賭也錯得太離譜了，屬於沒有常識，這可是會影響名譽的，「漢和防務評論」還要不要賣了？

 

平可夫迷信和神話美國軍事到這種地步令人難以置信，它告訴我們文章不可輕信，即使作者是有頭有臉的名人。

 

 

（未完待續）

 

漫談隱形戰機（III）：「雷達截面」與「探測距離」