前言:经过多年秘密研发,美军30年来第一款新武器-B-21隐形轰炸机在加州亮相,B-21隐形轰炸机研制之初,就是要挑战中国耗资5000亿打造的国土防空系统,美国人认为B-21隐形轰炸机拥有卓越的隐形性能,可以不知不觉穿透中国反介入防空网,将对对美中未来可能的冲突造成重大影响,但时代在进步,中国为了反隐身飞机已经默默耕耘了近三十年。

一:B-21隐形轰炸机




飞机出现后,在一战中大显神威,要对付这种高速运动的新武器,对手们首先要解决的是怎么发现飞机,最早的发明是利用巨型喇叭做一个类似于医疗听诊器的听音器探测飞机发动机噪声,效距离可达十多公里,随着飞机飞行高度和速度的增加,听音器逐渐失效,面对飞机威胁最大的英国人率先研制出雷达,这种具有划时代意义的探测设备由天线、发射机、接收机、显示器组成,发射机工作时将电磁能量传送给天线,天线将电磁能量集中成很窄的波束辐射到空中,波束遇到飞机就会产生反射,雷达天线获取到反射的电磁能量就可以在显示器上形成雷达回波,由于电磁波会随着距离而衰减,雷达回波信号通常非常微弱,所以需要接收机放大回波,再经过信号处理机根据反射回来的电磁能量的方向和大小。特征检测计算出回波的距离、方向、速度等信息。



早期雷达工作波长在1至10米,缺陷是体积庞大、分辨率差、探测精度低,受地面杂波影响大,抗干扰能力不足,二战后,精度更高、抗干扰能力更强的分米波和厘米波雷达取代了米波雷达,任何飞机在雷达面前几乎无所遁形,迫使飞机不得不采用低空突防和电子战飞机护航等战术以提高生存力,预警机的出现又让这些战术大打折扣,在越南损失了两千多架战机的的美国定军另辟蹊径,专门针对1米至1.03厘米的分米波和厘米波雷达设计隐身飞机,隐身飞机的隐身技术一是使用电子子扰向接收机发送很多雷达信号以掩盖了真正的雷达回波,二是俢改飞机外形把雷达波折射到其他方向,并使用隐身材料吸收雷达回波能量,在减少雷达反射面积后,本来雷达可以在300公里外发现的目标,现在变成了十几公里,从而实现了隐身飞机可以首先摧毁的绝对优势。



美国隐身轰炸机的原型是20世纪40年代初的YB-35无尾布局重型轰炸机,只是YB-35重型轰炸机无法解决对转螺旋桨和变速箱问题,飞行极不稳定,试飞时甚至不能保持稳定的高度和速度,投弹误差极大,最终被打入冷宫,不过诺斯罗普公司意外发现飞翼布局很难被雷达捕获,在50年后在保密性极高的状态下研制成功B-2隐身轰炸机,作为美国空军的掌上明珠,美国空军一度计划生产100架,但由于成本持续增加采购数量越削越少,最终耗费了450亿美元只制造出了21架,这个价钱可以采购十艘尼米兹级核动力航母了,谁都知道美国不能再生产如此昂贵的轰炸机了。

50年代的美国空军,一型战机从设计到退役只要10年,而今天的美国空军,超过40岁的战斗机是主力,现在美国空军的B-52战略轰炸机中坚力量平均服役时间达51年,B-1B战略轰炸机也已达29年,B-2隐身轰炸机也步入“老龄化”,B-52轰炸甚至计划使用到100岁。这对美国军工企业来说是一个噩梦,因为半个世纪内都不会有战机研制项目,飞机的设计及制造人才完全断层,美国政府不得不为美国的航空制造业注入强心剂。2011年,美国启动了“下一代轰炸机”采办项目。



到2015年,诺斯罗普·格鲁曼公司战胜了波音和洛克希德,·马丁公司赢得“下一代轰炸机”的项目合同,计划使用成熟或半成熟的子系统,以赶在2025年具备作战能力,在工程与制造开发制造4架原型机,总体设计成熟后低速生产前5批21架,后续共生产100架,每架造价5.64亿美元,单价只有B-2的1/4,美国空军之所以计划制造大约100架,就是想用产量来保证单价,最大的问题是不到6亿美元的单机造价,如果成本控制像F-22,F-35一样失控,这个项目将面临B-21隐形轰炸机的结局。

为了压缩成本,B-21隐形轰炸机是一款在B-2隐身轰炸机成熟平台上进行升级的轰炸机,而非新的高风险技术实验轰炸机,所以气动布局和B-2隐身轰炸机相差不大,只是通过优化进气道和尾喷口进一步降低雷达反射面积,但不会像B-2那样采用众多的先进技术,技术上对有丰富的飞翼布局制造经验的诺斯罗普·格鲁曼公可来说不成问题,B-21型隐身轰炸机研发之初就明确同时具备有人/无人两种操作模式,高风险时可作为--架超大型无人轰炸机来使用,也可以在浅近和中近纵深攻击任务中作为“忠诚僚机”和各种自杀式无人机最高指挥官,飞行员在人工智能辅助决策系统的协助下,指挥各种无人机完成各种打击任务。

二:隐身机突袭



2000年,美国兰德公司写了一份《恐怖的海峡?台海冲突军事问题与美国的政策选择》的中美冲突兵棋推演,认为台湾岛是美国第一岛链防线中最薄弱的一环,美国在太平洋上的所有重要海空军基地都在其4000千米半径内,一但中国拿下台湾岛,中国南北海上防御就会连成一体,中国海军不用再花心思从宫古海峡和巴士海峡突破美国海军的封锁,台湾岛上的空军基地可以随时为进出大平洋的中国海军海上机动编队提供足够的支持,台湾岛、舟山群岛和海南岛连成一线就可以为中国经济科技最发达的地区提供几百公里的防御纵深,如果美国不干涉超级大国的声誉就会立刻一落千丈,因此,美国绝对会对中国统一作出干涉。

但是干涉要凭实力的,解放军拥有2000枚可以攻击第一岛链的导弹,500枚可以攻击第二岛链的导弹,海军拥有世界第二多的防空驱逐舰,空军拥有比美国空军和海军航空兵加起来还多的战斗机,歼20隐形战斗机数量已经超过美国空军空军的F-22机队,美国空军和海军在各种弹道导弹的威胁下,已经没有任何优势可言,美军在西太平洋地区只有关岛、嘉手纳,三泽3个基地,一但开战必然第一时间会被弹道导弹压制,只能选择从夏威夷的珍珠港或埃尔蒙多夫出发,第一条线路是埃尔门多夫一横田一台湾,第二条线路是珍珠港一关岛一台湾。



无论哪一条线路距离都非常遥远,对作战半径只410海里的F-22战斗机来说即使在加油机的支援下也飞不来几架。根据兰开斯特方程,战斗机出动架次的平方与战斗力成正比,因此谁能掌握海峡制空权,一目了然。美军只能取胜的关键押在了隐形飞机的突防能力上了。美军未来的军事行动中,隐形飞机突防将是其最优先的作战方式,美将投入B-2,B-21等轰炸机实施空中打击,目标包括中国基础设施,导弹基地、地面机动发射车,防空雷达网及指挥中心等,由于B-2轰炸机可以携载B-61-11钻地核弹的能力,有可能担负对地下设施的打击任务。

但中国目标数量众多、分布广泛,打击耗弹量巨大,仅仅20架B-2轰炸机想完成这些任务难度大,所以美国空军才决定大量采购B-21轰炸机,B-2轰炸机可以从美国本土起飞跨过太平洋进攻中国沿海,减少了部署在的危险和麻烦,B-21轰炸机可以从从缅甸、柬埔寨、老挝方向侵入中国,由于国土面积大,中国在东南亚云南方向的防空体系并不全面,防空网稀疏,B-21轰炸机从东南亚方向进后只要避开大城市防空网,应该可以在没有拦截地情况下飞抵目标。

三:反隐形雷达



美军的设想只是停留在2011年,在这十年间,中国在反隐形雷达的研制取得了巨大成就,1991年,中国电子38所就开始稀布阵综合脉冲孔径反隐身雷达的研制,在研究过程中慢慢认识到米波雷达是克制针对分米波和厘米波雷达的隐身飞机利器,B-2轰炸机的机翼后缘形成左右2个“M"型,构成了2组共8条平行线,每组4条,大部分雷达电波被反射到其他方向上去,反射到雷达的能量就不足,B-2轰炸机雷达散射截面积能下降到1/500以上,可以将这个能量降低79%,也就是雷达的探测距离下降到原来的21%,几乎失效,根本不能提供充分的预警时间,但这种隐身技术针对的是L、S、C.X、Ku波段,在这几个波段之内隐身效果非常好,但弱点是在波长小于这几个波段的高频段电磁波隐身却非常难,但高频波传播距离非常短,只能在高空良好天气状态下探测到隐形飞机,天气差点就没有效果。



波长大于这几个波段的低频段电磁波和飞机本身飞机部件相近,当雷达波长与飞机部件尺寸接近时,电磁波照射时会产生“谐振效应”,这时返回雷达波会突然增大,因此米波雷达就成为反隐身最有效的雷达,F-22战斗机对于工作在X波段,工作频率1000兆赫兹,波长大约为3厘米的雷达,雷达散射面积为0.01平方米,如果把波长降低到300兆赫兹,波长增加到1米,这时波长和F-22战斗机的机身长度接近,雷达散射截面积将增加数十倍,如果降低150兆赫茲,此时波长达到2米,雷达散射截面积会继续增大,可以将目标的雷达发射截面积增加约100~1000倍,基本上抵消了F-22战斗机的隐身效果,可以在300千米左右就被发现,1999年南联盟就是利用俄罗斯的米波雷达发现F-117隐身战斗机。



不过米波雷达有很大的缺陷,一是米波雷达发射的波速数量较少,目标更新速率非常慢,只能探测不能跟踪,二是米波雷达的波长较长,由于地球表面反射导致雷达波信号产生漫反射,漫反射雷达波形成了能量几乎差不多的多径反射,因此接收机在接收的信号特征是一致的,所以就无法区分目标和反射雷达波,三是米波雷达因地面多径反射效应无法像三坐标雷达那样测高,只能知道飞机的大概方位,无法探测到飞行高度,四是米波段频带也是电台、电视、广播的常用波段,这些功率强、持续时间长的信号严重干扰米波雷达的探测距离,五是米波雷达天线天线体积非常大,机动性堪优。中国为解决这些技术难题,提出了先进米波雷达概念,采取电扫相控阵雷达体制增加了波形发射量解决雷达刷新率问题。



采用算法对目标回波的极化解决目标识别问题,采取了独立波束、分区保形的设计解决波束宽、打地折射严重的问题,又可以使用多个独立的扫描波束扫描不同区域,这些波速在频率、波形上和回波的方向完全不同,所以很容易分开,又解决了空域覆盖范围小的问题,波束又分为高仰角区和低仰角区,解决了测高问题,还采用副瓣置零或者抵消干扰设计,使得干扰信号无法从旁瓣进入,还在接收通道上预置滤波器滤除杂波,解决了抗干扰问题,解决了以上问题后,中国研制出YLC-8B机动式米波预警雷达,JY-26米波反隐身雷达。



YLC-8B机动式预警雷达拥有1000个T/R组件,与隐形飞机的共振效应最强,在中国,20兆赫-92兆赫,167兆赫~200兆赫都有无线电干扰,88-108兆赫是十分密集的广播频道,所以频段在108兆赫~152兆赫之间。JY-26雷达也是采用有源相控阵平面阵列天线,平板上有很多能独立发射和接收电磁波天线单元,每个单元都连接着控制幅度和相位的计算机,每一个天线单元都能够自主地辐射能量,都有一定的功率和一定的相位。按照规则相加就会形成电磁波,如果对电波进行控制,整个电波的方向就会发生改变,传统的有源相控阵雷达电波是由一级一级逐级累加,而JY-26雷达是通过数字合成产生频率,无需逐级累加的变频电路,高频电缆也改成光纤,总体重量大幅度降低。



如果部署在东部沿海,如果在这个方向上发现有目标,就有足够的可能性是隐身飞机,如果多台不同位置的雷达组网,就看到目标不同的反射方面,因此有不同的发现能力。举例来说,F-22战斗机的鼻锥方向雷达散射截面积为0.01平方米,但侧面或尾后方向要大几倍,上图是F-35雷达隐形性能图,红色意味着不隐形,黄色表示勉强过关,绿色才是真正的隐形,F-35在X波段下雷达反射特征近似于“蝴蝶领结”,威胁源移动至S波段时其信号强度分布变为不甚理想。

四:结语




2016年9月,中国电子科技集团第14研究所还研制成功了基于单光子检测的量子雷达,原理样机在青海湖外场试验时一举突破同类雷达的探测极限,在国际上首次实现量子雷达探测,可以发现数百公里外的隐身目标,隐身性能是美军的主要优势之一,在中国大量部署机动式反隐身雷达后,想定位这些雷达系统实在太难了,美国的隐形优势将变得越来越弱,代价也会越来越昂贵,费尽九牛二虎之力研制的新--代隐形飞机迟早会走向物极必反的地步,B-21隐形轰炸机的优势并非革命性的巨变,在中国对抗时恐怕只能付出巨大的代价,让美国在隐形技术上的巨额投资打了水漂。