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軍事論壇

【軍事論壇】匿蹤戰機的研發與反制作為

◎許邁德

 1991年波灣戰爭期間,F-117「夜鷹」(Nighthawk)戰機為美軍的「沙漠風暴」立下顯赫戰功,共計出擊超過1300架次任務、6900作戰飛行小時,成功摧毀1600處戰略目標(占總目標40%)。值得提出的是,美空軍F-117戰機在該戰役中毫無戰損,主因為它是世界上第1架「隱形」戰機。本文即針對匿蹤戰機的研發背景、成功案例、反制作為與未來發展等範疇,依序為讀者做介紹。

 研發背景

 「隱形」戰機其實並不是真的看不見,而是透過各種設計來降低被偵測到的機會、時間、距離等;因此,此種多元化的設計特別統稱為「低偵測性技術」,或是「匿蹤技術」。第二次世界大戰時期,德國首度企圖在戰場上運用匿蹤技術,但因技術尚屬萌芽階段而無實戰績效。經持續研發,匿蹤技術在1980年代逐漸成熟,針對戰場的主要偵測系統,諸如:可見光波(目視)、無線電波(雷達)、紅外線波(熱源),以及聲波(聲納)等偵測範圍,大幅減少本身訊號曝露而降低被偵測效率,迫使敵方難以進行發現、識別、追蹤,以及攻擊等反制作為,進而提高空襲的達成率與戰場存活率。

 最基本的可見光匿蹤技術,係人類向大自然學習的先趨。例如許多生物為了避免遭到攻擊而具備各種先天的隱蔽方式,因而發展出所謂「空優」與「地優」的戰機迷彩,配合各種作戰環境而運用不同的顏色與花紋,據以欺騙目視的判斷力,從而延遲被敵方發現的時機。

 針對無線電波的匿蹤技術,係當前最主要的研發方向,因為雷達偵測具備距離遠、高度廣、精確度高,以及追蹤力強等特色。目前已發展成熟的技術,首先是減少雷達的反射訊號強度,諸如:改變機體結構與外型設計以降低「雷達截面積」、結構採用「吸收雷達波材料」、蒙皮改採減少雷達波反射的塗料等;其次是改變雷達的反射訊號方向,同樣是經由機體結構與外型設計的改變,造成雷達無法在同一方向獲得足夠的訊號強度;第三是降低本身訊號發散,嚴格控制戰機在運用雷達、通訊,以及射控系統等電子裝備發散出來的各種訊號。目前積極研發中的是,運用相反相位訊號以抵銷雷達反射訊號,以及運用電漿吸收電磁波的特性來取代吸收雷達波材料等。

 考量任何機械或電子裝備運作時,都會產生熱能,甚至生物本身在靜止不動時,也會散發存活所必須熱能,而這些都是紅外線偵測器所能發現、識別,以及追蹤的訊息。因此,紅外線波的匿蹤技術就是降低熱源的技術,諸如:抑制發動機的熱排氣、減少機體與空氣的高速摩擦而產生熱輻射等。目前已發展成熟的技術有兩大主流,一是利用戰機周遭較冷的空氣來沖散熱能,或是採用其他介面來吸收與阻擋等方式,從而減少熱能散發時的紅外線強度;二是運用隔熱塗料或是其他設計,改變熱能散發時的紅外線常規波段,據以脫離大部分偵測器的偵測範圍,從而達到遮蔽紅外線的功能。

 有關聲波匿蹤技術,降低發動機運作時產生的噪音是主要方式,至於運用周遭軟性材料來吸收聲音,或是改變機械裝置以減少摩擦與碰撞所產生的音量等,對戰機的匿蹤效益都微乎其微,反而對環保有助益。因為聲音能傳送的距離有限,而戰機的速度又非常快,但對潛艦的匿蹤技術而言,卻是反制水中聲納偵測的主要方針。

 成功案例

 美空軍F-117戰機是世界上第1架匿蹤戰機的成功案例。首先是大幅減少飛機的雷達截面積,從戰機的整體設計而言,諸如:角狀機體外形、高後掠角主翼、無水平尾翼、雙垂直尾翼夾角成V字形、武器不外掛等,從而降低了雷達波的反射訊號強度。

  其次是不配置雷達系統,改用精密導引與攻擊、全球衛星定位、慣性導航等數位化飛航系統,以及採用紅外線熱顯像器以確認攻擊目標,再經由雷射測距與標定而完成目標攻擊等,大幅減少戰機的電磁波發射量,從而降低本身訊號的發散強度。

  然而,F-117戰機也犧牲了氣動力的穩定性、操控的靈巧性,以及30%的發動機效能等;雖然在歷次的攻擊任務中戰績傑出,但因國防預算的精實考量,已在2008年4月退出作戰部署、8月完成最後的飛行任務。

 另一個成功案例是美空軍F-22「猛禽」戰機(左圖,美國空軍網站)。其整體設計不像F-117戰機的外型那麼特殊,但完全符合匿蹤的設計原則,諸如:主翼和水平尾翼的前/後掠角一樣、翼前緣後掠角與主翼一樣、雙垂直尾翼向外傾斜27度、主翼/水平尾翼/垂直尾翼皆為小展弦比的梯形、水泡型座艙位於前機身上方、武器不外掛(掛在4個機內彈艙)等,從而降低了雷達波的反射訊號強度;兩側進氣口在翼前緣延伸面下方,以及排氣噴嘴等,都能抑制熱能散發時的紅外線強度。

 此外,在機體上也大量採用「吸收雷達波材料」,諸如:熱加工塑膠、人造纖維,以及複合材料等,占總重量35%。但在運用蒙皮塗料以減少雷達波的反射考量,也犧牲了二大性能因素:一是塗料比一般軍用漆料的密度大,又必須塗得厚才增強吸波功能,因此會增加戰機的淨重;二是在塗料的外圍空層會形成離子屏障,在吸收雷達波時會消耗戰機的動能。

 反制作為與未來發展

 第二次世界大戰之後,發展出各種先進的雷達技術,諸如:單脈衝角度追蹤系統、脈衝都卜勒訊號系統、高解析度的合成孔徑與脈衝壓縮系統、電腦自動射控系統、地形迴避與跟蹤系統、相位陣列系統、頻率捷變系統、多目標偵測與追蹤系統、空中預警機,以及太空軌道監視雷達等。整體而言,通稱防空系統的偵測技術,已不再是單一的採用無線電磁波來偵測目標,更發展至採用紅外線、紫外線、雷射,以及其他光學偵測技術等的整合科技;但道高一尺、魔高一丈,當前反制匿蹤戰機的匿蹤技術仍有不足之處。

 為此,反制匿蹤技術的未來發展永不停止,諸如:運用低頻雷達的毫米波長,在匿蹤戰機的微小縫隙上產生共振現象而發現目標,據此掌握F-22戰機行蹤,但精確度不足而無法導引飛彈攻擊;運用雙基雷達把發射機與接收機分離設置,在匿蹤戰機與發射/接收機之間產生夾角,從而放大目標的雷達截面積;在匿蹤戰機與空氣的高速摩擦而產生高於周邊環境的熱輻射時,運用紅外線偵測而發現目標(距離與氣候對偵測效能影響極大);開發量子雷達,運用量子取代電磁波來進行偵測,在匿蹤戰機接收到光子訊號後改變其量子特性而發現目標。當前匿蹤戰機以美、俄、中共等國相互爭奪領先地位,反匿蹤技術亦方興未艾,兩者間的攻與防,值得軍事迷們持續關注。

(作者為前空軍飛行員)

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