潜行设计的基础
潜行设计的基础
低可观测性的设计，特别是低雷达截面(RCS)，几乎在雷达发明的时候就开始了。以木制为主的deHavilland蚊子是第一架设计这种能力的飞机之一。
对于二战时的雷达系统，这种方法是相当成功的，但在今天就不合适了。首先，木材和复合材料对雷达来说是不透明的，尽管它们的反射性可能不如金属;其次，它们透明的程度只是放大了通常被外表皮隐藏的成分。其中包括发动机、燃料、航空电子设备、电气和液压回路以及人员。
在20世纪50年代后期，雷达吸波材料被纳入了传统飞机的设计中。这些材料有两个目的:减少飞机的横截面以应对特定的威胁，并隔离飞机上的多个天线以防止串扰。洛克希德U-2侦察机就是这种类型的一个例子。
到20世纪60年代，足够的分析知识已经传播到设计界，可以评估不同形状和组件的总体影响。人们很快意识到，与撞击雷达波成直角的平板具有非常大的雷达信号，而位置类似的空腔也具有很大的回波。
因此，喷气式飞机的进气和排气系统在观测方向上对机头和机尾雷达横截面的影响是占主导地位的，而垂直尾翼在信号上占主导地位。
飞机现在可以被设计以适当的成型和材料来减少他们的雷达横截面,但良好的数值设计程序不可用,这是不可能完全平衡的设计会导致句话说,总有可能是一个组件,它返回在一个特定的主导方向。这是洛克希德SR-71“黑鸟”的时代。
十年后，人们发展出了一种数值方法，可以对人体不同部位的贡献进行定量评估。因此，有可能设计一架具有平衡雷达截面的飞机，并尽量减少来自主要散射体的返回。这种方法导致了洛克希德F-117A和诺斯罗普B-2隐形飞机的设计。
从那时起，在分析和实验方法方面不断改进，特别是在成形和材料的集成方面。与此同时，反隐身阵营对其需求的理解也在不断提高，迫使隐身社区进行另一轮的改进。这传递出的信息是，尽管在过去20年里取得了巨大的进步，但几乎没有证据表明，在能力方面会趋于稳
定。
雷达截面原理
有两种基本的方法来减少无源雷达的横截面:整形以减少后向散射，涂层吸收和抵消能量。这两种方法在飞机设计中必须一致使用，以在电磁频谱的适当频率范围内达到所需的低可观测水平。
塑造
对表面进行定位有一个巨大的优势，这样雷达波就可以在接近切线的角度，而远离边缘的直角。
近似地说，当一个球体的直径明显大于雷达波长时，它的雷达截面等于它的几何前沿面积。
一个一平方米的球体与一个一平方米的平板在不同角度上的返回值进行比较。要考虑的一种情况是平板从正入射到浅角度旋转，雷达波束与一对边缘成直角。另一种是雷达波束与边缘呈45度角。频率的选择使波长约为平板长度的1/10，在这种情况下非常典型的捕获雷达在地空导弹系统。
在正入射时，平板就像一面镜子，它的回波比球面回波高30分贝(dB)(或1000倍)。如果我们现在旋转平板的一个边，使这个边始终垂直于入射波，我们会发现，当观察角度与平板垂直度达到30度时，横截面会下降1000倍，等于球体的横截面。
随着角度的增加，最大值的轨迹下降了大约50的另一个因素，与正常角度的总变化为50,000。
现在，如果你回到正入射的情况，旋转平板，相对于入射波的对角线，有一个显著的不同。在这种情况下，当平板仅偏离正常方向8度时，截面下降了30 dB，当平板与入射雷达波形成浅角度时，截面又下降了40 dB。雷达横截面的总变化量为1000万!
由此看来，仅通过避免明显的高回报形状和姿态角，就可以相当容易地大幅度减少雷达横截面。
然而，多重反射的情况还没有得到关注，这大大改变了情况。很明显，将能量射入一个狭长封闭的腔内(这在内部是一个完美的反射器)，能量就会沿着源的大致方向反弹回来。此外，入口下游空腔的形状显然不影响这一结论。
然而，从直线管道反射的能量只会反弹一到两次，而从弯曲管道反射的能量则需要反弹四到五次。可以想象，只需一点技巧，就可以在不牺牲气动性能的情况下显著增加弹跳次数。例如，一个空腔可以设计为高截面长高比，以最大限度地提高长高比。如果我们能在每次反弹时使信号衰减到一定程度，那么显然多反弹设计有一个显著的优势。SR-71进气道遵循这些设计实践。
然而，除了所谓的光线追踪方法，还有更多的东西。
当能量撞击到一个与波长相比光滑的板上时，在光学近似意义上它并不完全反射，也就是说，能量并不局限于入射波与入射波的互补角度的反射波。
实际上，辐射能量具有一种典型的反射波结构。主前向散射尖峰的宽度与波长与再辐射表面尺寸的比值成正比，次级和第三级尖峰的大小也是如此。当这个比值接近零时，经典光学近似适用。因此，反向散射——即直接辐射回发射机的能量随着波长的增加而增加，或随着频率的降低而增加。
在设计最小返回的空腔时，重要的是要平衡与光线追踪相关的前向散射和与第一表面相互作用产生的后向散射。显然，准确计算返回到发射机的总能量是非常复杂的，通常必须在超级计算机上完成。
涂料和吸收器
很明显，尽管表面对准对外表面、进排气边非常重要，但从腔体内部的返回很大程度上依赖于衰减材料。值得注意的是，感兴趣的雷达频率范围涵盖了2至3个数量级。磁导率和介电常数是与衰减材料的效率密切相关的两个特性。对于不同的材料，它们都以不同的方式随频率变化很大。此外，要使涂层有效，它的厚度应该接近四分之一波长的频率。
高温涂料
减小发动机喷管的雷达截面也是非常重要的，并且由于材料温度过高而变得复杂。涂层的电磁设计要求与低温涂层没有什么不同，但结构完整性是一个更大的问题。
飞机醒来
决定雷达从飞机尾流返回的因素是电离的存在。电阻颗粒(如碳)的回流很少是一个重要因素。在计算电离尾流的回波时，使用非平衡数学是很重要的，特别是在中海拔和高海拔的情况下。
非常强的离子密度依赖于最高气体温度，这很快导致了一个结论，即雷达返回从发动机在干动力运行是不重要的，而从一个加燃尾迹可能是主要的。
组件设计
当飞机的基本特征被降低到非常低的水平时，细节设计就变得非常重要。例如，除非采取抑制措施，否则检修面板和门边缘有可能成为雷达横截面的主要贡献者。
基于简单平板的讨论，很明显，它通常是不令人满意的有一个门边缘在飞行方向的直角。这将导致一个明显的信号在鼻子方面。因此，传统的矩形门和检修板是不可接受的。
解决方案不仅是扫描面板的边缘，而且要将这些边缘与飞机上的其他主要边缘对齐。
飞行员的头部，连同头盔，是雷达返回的主要来源。它通过与内部舱壁和框架成员相关的反弹路径返回来扩充。解决方案是设计驾驶舱，使其外部形状符合良好的低雷达截面设计规则，然后在玻璃上镀上一层薄膜，类似于用于商业建筑的温度控制。
在这里，要求更加严格:它应该通过至少85%的可见能量，并反射基本上所有的雷达能量。与此同时，飞行员希望在夜间飞行时不要出现明显的仪表盘反射。
对于不稳定的有线飞机飞行，有冗余的气动数据来源是极其重要的。这些必须是非常准确的有关流动方向，他们必须运行冰在任何时候。静态和总压力探头已经被使用，但它们显然代表了隐身要求的妥协。几种相当不同的技术处于不同的开发阶段。
机载天线和雷达系统是高雷达能见度的主要潜在来源，原因有二。一是明显难以隐藏一些设计成非常高效的传输的东西，所以所谓的带内雷达截面很容易显着。另一个是，即使这个问题得到了满意的解决，这些系统发出的能量通常可以很容易地检测到。在这里不能描述正在进行的减少这些签名的工作。
红外辐射
呼吸式推进系统有两个重要的红外辐射来源:热部件和喷气尾迹。可用来降低辐射的基本变量是温度和发射率，可用的基本工具是视线掩蔽。
发射率可以是一把双刃剑，特别是在管道内。
虽然低发射率表面会减少发射能量，它也会增强反射能量，可能来自一个更热的内部区域。因此，必须进行仔细的优化，以确定喷气发动机排气管内的首选发射率模式。
这种模式必须在探测器可用的频率范围内播放，通常覆盖一个从1到12微米的波段。
短波长在高温下特别有效，而长波在典型的环境大气温度下最有效。作为频率和空间色散的函数，所需的发射率模式已经确定，下一个问题是如何制造符合要求的材料。
红外涂层设计器的第一个倾向是把一些金属薄片扔进透明的粘合剂中。想要在感兴趣的频率范围内找到一种透明的粘合剂并不容易，而且给雷达涂涂层的人可能不会喜欢金属粒子对他最喜欢的可观测物体的影响。
下一步通常是采用多层材料，使用与之前讨论的雷达抑制涂层相同的消除方法。现在的单位是埃，而不是毫米。
目前最大的推动力是从薄膜中的金属层向用于雷达截面兼容性的金属氧化物过渡。得到所需的性能作为频率的函数是不容易的，它是一个重要的壮举将发射率降低到0.1，特别是在一个持续的频率范围。因此，实际发射率的最大比值可能是一个数量级。
大家都知道，如果发动机继续在管道壁上沉积碳(已知的辐射率最高的材料之一)，那么所有这些讨论都是毫无意义的。要想让红外涂层发挥作用，仅让发动机排气中的微粒比例非常低是不够的，但基本为零。
在热的发动机部件上积碳是一种累积的情况，在数小时的运行后，排气喷口内很少有明亮发亮的部件。仅出于这个原因，发射率控制可能主要应用于发动机排气表面，而不是那些暴露于发动机排气的表面，即进气道和飞机外部部件。
另一个变量是温度。这，在原则上，提供了更多的机会辐射减少比发射率，因为很大的指数依赖性。发射辐射的一般方程是它随发射率与温度的乘积的四次方而变化。
然而，这是一个很大的简化，因为它没有考虑到辐射随温度的频移。在大多数简单探测器工作的频率范围内(1到5微米)，并且在典型的热金属温度下，指数相关性通常接近8而不是4，因此在特定频率对应于特定探测器时，辐射与辐射率和温度的八次方乘积成正比。很明显，温度的微小降低比任何合理预期的发射率的降低所产生的影响都要大得多。
第三种方法是掩蔽。很明显，当大部分的动力被涡轮带走时，这比当喷气机提供基本的推进力时更容易做到，就像在一个项目或直升机应用中一样。
以前的研究团体已经使用这种方法来抑制红外线很多年了，但直到最近喷气推进领域才解决了这个问题。洛克希德F 117A和诺斯罗普b2都使用类似的掩蔽方法来防止任何热部件在下半球可见。
总而言之，红外辐射应该通过降低温度和掩蔽相结合来解决，尽管这样做没有意义，因为在辐射方程中，热部分不再占主导项。
飞机的主体有自己的辐射，严重依赖于速度和高度，而喷射羽流可能是一个最重要的因素，特别是在加燃操作中。发动机和机身制造商在设计的早期阶段进行强有力的合作是极其重要的。例如，发动机旁通比的选择不应该仅仅基于性能，而应该将性能和生存性结合起来，以获得最大的系统效能。
射流尾流辐射遵循与发动机热部件相同的规律，非常依赖于温度和辐射系数的乘积。空气的辐射率很低，碳粒子的宽带辐射率很高，而水蒸气的辐射带非常特殊。
红外探测器对水蒸气波长有复杂的感觉，因为，虽然它们有助于定位喷气羽流，但它们妨碍了由于大气中的水分含量而产生的一般衰减。然而，聪明的搜索者没有理由不能立即决定是否适宜使用水汽带进行探测。
总结
现代专用飞机的低特征是由于对造型、材料、材料选择的结合，以及对细节设计的细心关注。预算的组件签名跨广泛的频率和姿态角度是强制性的。就像停电时一样，这个游戏可能会因为一丝光亮而暴露。
