科普|隐身战机是如何隐身的？

从上个世纪八十年起美国的F117、B2、F22、F35等隐身战机横空出世后，就在实战和演习中展现出对非隐身战机的压倒性优势，立马成为空战王牌。

故名思议，隐身战机的核心优势在于隐身，这里的隐身不等于隐形（透明肉眼看不见），而是说它很难被常见的雷达/红外等探测手段发现，也就是说它的隐身是相对于目前的探测手段来说的，如果未来的探测手段变化了，隐身战机的隐身手段也要不断进化。

接下来我们就从目前对飞机、巡航导弹等空中目标的主要探测手段来看常用的隐身技：

上述隐身手段都是从降低自身被探测到概率入手， 其实还有一个大方向是让对方的探测系统失效，比如利用电子战系统干扰/欺骗敌方雷达和各种电子侦察设备、直接炸毁敌方雷达站、红外探测仪等，所有这些手段都可以认为是广义的上的隐身，咱先不谈，本文重点在于狭义的隐身，就是如何让正常的探测系统发现不了。

红外探测受天气和背景影响大且距离有限，电子侦查则仅限主动辐射电磁波的目标，他们在超视距发现战机方面表现都不稳定，所以目前雷达是探测超视距目标的主要手段，所以针对雷达探测隐身手段是最关键也是最复杂的一环。

雷达工作原理是将电磁波以定向方式发射至空间之中，借由分析所反射回来得电磁波，来得到电磁波遇到物体的方向、高度、速度、距离，形状等，详细了解可参考科普雷达一文。

可见光也是一种电磁波，只不过可见光是一种波长很短，微米级的电磁波。

想象这样一个场景——黑漆漆的晚上，你拿一个手电筒去照向一个方位，那个方位上的物体会反射手电的光到你眼睛，你就看到了它。

雷达也是这样发现目标的，有区别的是——不同的雷达在不同的波段工作，波长从米到微米级，不同波段的雷达有不同的特性，对隐身目标的“感知能力”差异巨大，下面我们具体看看：

从上述数据可以看出来:
1 雷达使用的电磁波长越长，则对环境的适应性就越强，在常见天气环境下探测距离就越远，但波长越长分辨率越差；

2 分米波和厘米波是能够兼顾精度和探测距离的雷达波段，实际上大部分雷达的确使用这两个波段，但是隐身战机也主要针对这两个波段进行隐身优化；

3 米波雷达对隐身战机最敏感，但无法精确定位（知道有人来了 知道大概方向没有办法锁定攻击）；

4 毫米波雷达和激光雷达分辨率非常高，但在大部分环境中探测距离非常有限，一般用于末端制导。

ok，在了解了超视距雷达最常用的探测波段是分米波和厘米波后，我们接下来就谈谈如何针对这两个波段进行隐身设计

这里再回顾下雷达发现战机原理：雷达的发射组件向一个方向发射电磁波；这些电磁波遇到物体后可能出现三种情况1）被原路反射回来 2）被反射到其他方向 3）被物体吸收掉；雷达的接收器接收到原路返回的电磁波就能感知到物体了。

目前隐身战机就是要把原路返回的电磁波搞的少少的，当低于一个阈值（比如背景电磁波噪音），它就在雷达上消失了～

那么我们需要做的是：

• 尽量把雷达发射过来的电磁波反射到其他方向；
• 尽量把雷达发射过来的电磁波吸收掉；

这样就能降低原路返回的电磁波比例，这也是当前隐身战机最重要的两种隐身手段。

——问题来了，怎么做——

一个个来——

一、如何把雷达发射过来的电磁波反射到其他方向？
继续这个场景在漆黑的夜里，拿一个手电筒照向前方，前方若有物体反射的光进入我们眼睛，到达一定亮度我们就能看见这个物体——

这些进入我们眼睛的光，大多数情况下是因为物体的漫反射，除此之外还有有一些物体比较光滑，正好反射方向是朝向我们的眼睛，出现了镜面反射，我们也能更强烈感知——

漫反射的光是反射往各个方向的，所以在不同方向都能看到物体，镜面反射的光是反射到特定一个方向，所以只有特定方向才能看到这个物体，其他方向是看不到的——

黑漆漆的夜里，如果在手电筒的光路上放一面镜子，使得发射过来的光正好全部被反射到天上或者其他方向，那么我们就看不见这个镜子，也看不见镜子后面藏着的物体 这就实现了隐身。这里使用镜子隐身的关键在于使得光源照射过来的光发生镜面反射且方向不是原路返回。

隐身飞机也采用了这个原理，不同的是隐身飞机是让厘米波和分米波发生镜面反射到其他地方 比如正上方、后方或者正下方。

这里再次强调下光是一种波长较短的电磁波，所以我们也可以把厘米波雷达和分米波雷达发射的电磁波当作是一种波长更长的光来理解。

那如何使电磁波发生镜面反射呢？

一个物体表面放大后都会呈现出来凹凸起伏，我们把高度整体均值叫做“基准平面”，通过计算所有点和基准平面的差值，再把他们做一个均方差得到一个值h，我们把这个值叫做粗糙度——越粗糙的表面坑洼凸起越多越大，越光滑的表面坑洼凸起越小，能否发生镜面反射跟物体表面粗糙度和入射光波的波长有关：

• 当物体表面粗糙程度远小于波长时候（至少低一个数量级左右），就越光滑，电磁波（光）就越容易出现镜面反射；
• 当物体表面粗糙程度接近和大于波长时候就越粗糙，电磁波（光）就会发生漫发射。

雷达常用是分米波、厘米波，所以要想把厘米波镜面反射到其他方向，那表面的粗糙程度至少在毫米级别。

这也是隐身战机都看起来很光滑的原因，在三体中水滴就是一个非常光滑的物体，所以它就会把所有射向它的电磁波镜面反射走，虽然没有做特殊反射角度处理，但它也是一个隐身超强（包括对可见光）的物体。

精心设计反射角度+光滑的表面就可以把入射过来的雷达波反射到其他方向，让（单一）雷达无法发现。

比如最早的隐身战机F117如下：

F117

如上图，F117大量采用有一定倾斜角度的多面体加上光滑的金属机体，能够把正面过来的厘米波镜面反射到其他方向，从而使当时用的较多的厘米波没有办法发现和锁定它。

除此之外任何微小的表面不平整，比如铆钉、螺丝、接缝、粗糙的涂层，都会成为雷达波的散射源。这些不规则点会把雷达波向四面八方漫反射（Scattering），其中一小部分仍然会返回到敌方雷达，从而暴露目标。

所以，隐身战机必须尽可能地消除这些散射源：

• 机身蒙皮的平滑： 使用无缝的复合材料或精心对齐的金属板，让机身表面像镜子一样光滑。

• 内埋式设计： 将武器、天线、传感器等都内置到机身内部，避免任何突出物。

• 锯齿形边缘： 即使是舱门、维修口等不可避免的接缝，也都被设计成锯齿形，以避免形成直角或长直线，从而减少反射。

这些要求就使得各个隐身战机非常科幻和具备美感

B2

这里提下，表面生锈F35大概率就不隐身了。

接下来我们讨论 隐身使用的第二大手段 如何把雷达发射过来的电磁波吸收掉。

所谓吸收就是把电磁波这种能量转换成其他能量形式

其实日常生活就有很多，比如当穿上黑衣服就可以大幅度的吸收可见光，把可见光转换成热能，光伏板也是把太阳光转换成电能，所以光伏板基本也是深色或者黑色的；微波炉产生电磁波，食物中的水等分子吸收电磁波转换成热能加热食物；手机、收音机等上面的天线吸收电磁波转换成电信号（电能）等等。

想象下 你站在一个巨大的房间里，手电筒的光线打在墙上，光线反射回来，你清楚地看到了墙，如果这面墙非常特殊，手电筒的光照射过去完全消失了，没有光线反射回来你也就看不见这个墙了——

同理，有没有一种材料，能让雷达波照在上面后，大部分能量都消失了，没有弹回来呢？有，那就是雷达吸波材料（RAM）。

这种材料是隐身战机的核心技术之一，它和飞机的特殊外形设计协同作用，共同将飞机的雷达反射信号降到最低。

雷达吸波材料是如何吸收掉雷达波呢？

雷达波就是电磁波，电磁波的本质就是交替变化的电场和磁场，消耗掉电磁波就是让这两种能量转换成其他能量，很容易想到的就是让这两种能量做功——

目前的雷达吸波材料都是将电磁波的能量转化为热能——

具体来说是通过电磁波的电场让分子“摇摆”产生热能；通过磁场让磁性材料“转动”产生热能。

雷达吸波材料中一半包含一些特殊的介电物质，比如碳纤维、石墨或特殊陶瓷，当雷达波（一种电磁波）照射到这些材料上时，其电场会引起材料内部电荷的快速运动和摩擦产生热能。通俗点讲这些材料对于厘米波、分米波来说就像黑色衣服对于可见光一样，能够在分子级别吸收特定波段的电磁波转换成热能。

除此之外吸波材料还会加入了磁性物质（比如铁氧体或羰基铁微粉），当磁场不断变换方向时候，磁性材料中的磁畴（磁性材料内部的微小磁性部分）在不断转动过程中产生了摩擦生热，能量从电磁能转换成了热能。

为了最大化吸收效果，雷达吸波材料，通常采用多层结构，材料最外层经过特殊设计，其电磁阻抗与空气非常接近，这能让大部分雷达波“顺利”进入材料内部进行能量转换，而不是被直接反射走。

材料的内部厚度经过精确计算，通常是雷达波长的四分之一，当雷达波穿透第一层，到达底部并反射回来时，它会与正在进入的雷达波相位相反，两者相互抵消，进一步减少回波。

雷达吸波材料通常以涂层、薄片或复合材料的形式应用在隐身战机上。

我们看到的F-117和B-2轰炸机那光滑、黝黑的表面，就是典型的雷达吸波涂层。

经过这两道防线——定向反射和能量吸收——的处理后，只有极微弱甚至无法探测到的雷达回波，会返回到敌方雷达的接收机，敌方雷达无法接收到足够强的回波信号，因此无法将这架隐身战机识别为飞机，相反，它可能只会看到一些微弱的、不规则的杂波信号，或者干脆什么也看不到。

接下来是几个常见的误区：

一、为啥隐身飞机设计成肉眼看不见的隐形飞机？

在很多人想象中，如果一个飞机我们看不见，那就非常不得了，无敌了

其实不然，现在战机很多都是高速移动的，很多先进的战机也都是超音速巡航，而人肉眼可视距离就几百米到几千米之间，可以说你看到飞机到飞机飞到你面前就几秒钟，而且现在飞机一般都在目标超视距发出攻击，这就决定了人看的见看不见不重要，重要的是探测设备发现不了。

那有人说那可以用先进的光学摄像头，比如一些卫星摄像头，可以看很远，非也，可见光的特性决定了它能看多远受环境影响严重，晴空万里下可能先进的光学仪器可以看几百千米，但是有云有雾霾有小雨基本就看不见了，受环境影响大的特点决定了可见光探测不可能是主要探测手段，只能作为探测的辅助手段，其实下文也有提到可见光的波长跟激光雷达波长接近，摄像头可以认为是一种被动雷达，那么从波长角度来看可见光作为一种探测手段也是受到环境影响较大无法作为主要探测设备。

所以隐身战机目前不设计成肉眼不可见是因为没有必要，如果未来有需要也是可以探索这方面的设计的。

二、我们看到隐形战机是偏平的，感觉还是很大，为啥说它的雷达反射面积非常小？

答：一般情况不特殊说明，提到的雷达反射面积都是指正面雷达反射面积，就是说雷达波是从机头方向发射过来的。
隐形战机一般情况下主要对正面雷达反射面积进行优化设计，同时兼顾其他方向的雷达反射面积的优化，所以从不同方向的雷达来看飞机的雷达反射面积是不同的。

特殊说明：飞机一般飞行高度都是2万米以下，也就20公里，如果是地面雷达探测距离比如200公里，那飞机平飞，跟地面角度也就是5度，如果雷达在飞机上，那可以说是跟对方飞机处于同一水平面，不管那种情况，地方飞机飞过来时候基本都是正面反射雷达波。

好了 最后我们来一个思考题：如何发现和锁定隐身战机？