2018年，美国曾经有人提出“隐身无用论”，本文作者是来自美国空军巴雷特少将，他从作战指挥员的视角，经过详细分析，提出未来战争，隐身仍然是确保飞机生存能力的核心要素。隐身技术不仅在可预见的未来是可行的，而且它的优势显然比以往任何时候都重要。巴雷特少将在他的职业生涯中，曾在中队、小组和高级别指挥，并从2007年4月到2009年5月领导了弗吉尼亚州兰利空军基地第一个F-22战斗机大队。还担任过空军参谋长中的作战部队和项目整合司司长，并在2009年5月至2010年6月期间担任空战司令部监察长。拥有北卡罗来纳州立大学的工程学学士学位，并获得安布里-里德尔航空大学的航空科学技术和国家战争学院的国家安全战略硕士学位。作为一名指挥飞行员，巴雷特在F-15C/D和F-22中有超过4500小时的飞行时间，在西南亚的部署中有超过300小时的战斗时间。从长远来看，美国及其盟国将面临越来越多的强大数字多波段雷达的探测威胁。由于地基探测系统规模可以更大，并且能够部署更大的阵列，它们的理论探测范围和能力将比战斗机和空中预警机配备的探测系统更加强大。如果地面系统能够成功探测和定位飞机，就可以向地空导弹和战斗机发出威胁位置警报——也许永远不会失去跟踪目标。现代化的雷达技术将给美国隐身飞机带来新的挑战，但在这场攻防斗争中，有几个因素需要牢记：通过控制RCS，能够有效减少飞机可被探测的距离，在未来实战过程中可以提供巨大的作战优势。如果较新的雷达能够探测到较远距离的隐身飞机，它们探测非隐身飞机的能力也会增强。目前作战的隐身飞机具有高度协同工作的系统，可以探测敌方雷达，并利用飞机的RCS特征来优化作战路线，以便将探测和交战的可能性降到最低。隐身不仅是减少的RCS，而且是用于以最佳方式使用减少目标特征的策略。随着更多的多波段雷达投入使用，多波段或宽带隐身的重要性将会增加。目前这种雷达仍处于初级阶段，但在未来几十年内数量将缓慢增长。这将使未来飞机把重点放在更大的，无尾的设计，如B-2，B-21和X-47。像F-22和F-35这样的飞机，针对高频雷达(如战斗机装备的雷达系统)的RCS降低进行了优化，仍将享有巨大的作战优势，但低频雷达将更容易探测到。由于SA-21等地空导弹系统的传感器和导弹性能使得侧面探测和交战成为可能，垂直尾翼战斗机的任务规划也将变得越来越复杂。然而，有效利用速度、机动性、干扰和完整的战斗空间传感器图片在一定程度上缓解了这种情况。
图1 F-117隐身战斗机
正如雷达受益于数字时代的进步一样，隐身飞机的设计也同样受益于数字时代的进步。与隐身飞机近50年的合作，使美国在开发下一代隐身平台方面具有显著优势。美国目前正在研发第四代隐身飞机，而世界上还没有其他大国部署过可投入使用的隐身飞机。F-117和B-2的设计团队能力与现在设计团队的能力相比简直是小巫见大巫。设计和各种威胁雷达之间相互作用的模拟现在更加精确和真实，允许在任何硬件实际建造或测试之前对隐身设计解决方案进行进一步的细化。这种能力应该在B-21的发展中驱动重大的成本和时间效率，RCS降低技术将全面超越当今水平。
隐身飞机将与非隐身飞机协同工作。后者的特点是拥有更大的RCS，这必然会引起敌方防御系统的注意。由于这种差异，隐身飞行员明白他们的飞机可能会在混乱中“消失”，因为他们的目标特征非常小。在高速的空战中，防御者要在大量的非隐身平台和电子干扰系统中试图定位隐身飞机是非常困难的。低可观测技术，加上网络能力，对潜在的对手来说仍然是一个巨大的挑战。电子战、干扰和其他用于降低敌方飞机交战能力的隐身工具都是有效的，但是包含针对威胁系统的网络作战可以进一步减少针对隐身飞机的探测和交战范围。雷达问世以来，电子战能力的发展稳步提高。在老一代的飞机上，对手已经部署了DRFM吊舱，为对方雷达提供虚假目标。小型隐身飞机的RCS与先进的处理和数字控制技术相结合，使得使用机载AESA电子攻击射频系统的低功耗欺骗来执行“数字伪装”和从敌方显示器中消失变得更加容易。这种能力，加上一般的广域干扰，将进一步复杂化对手的防御问题。现代雷达和隐身飞机之间持续的攻防之战将在未来几十年持续下去。数字时代对雷达的改进被同样的数字技术对隐身飞机设计的影响所抵消。与F-22和F-35等必须平衡隐身和空气动力学性能要求不同，B-21将提供所谓的“全方位宽带隐身”--因为新兴的A2/AD威胁需要这种类型的隐身技术，而现代技术水平正在使之成为可能。
“全方位”仅仅意味着当从任何方向探测飞机时RCS都会减少，而详细的规格对公众来说是未知的，美国空军发布的B-21图像描绘了一种不使用垂直飞行控制面(如机尾)的设计。没有从侧面反射雷达的垂直表面，新的轰炸机将有客观RCS水平，不仅可以减少从前方和后方，还可以减少从侧面观测的RCS，使得从任何角度进行探测都是一个挑战。像洛克希德·马丁公司的F-22和F-35这样的飞机被设计成平衡空气动力学性能和隐身能力，这导致了射频(RF)特征信号的设计类似于“蝴蝶结”，因为从侧面增加了射频回波信号，如图1所示。由于战斗机执行的传统任务与隐身轰炸机不同，这些战斗机的设计本质上是用一些侧面隐身能力来换取高机动性(以及机动所需的垂直尾翼)。一架更大、机动性更差的亚音速轰炸机比战斗机更依赖于隐身来生存，而轰炸机的隐身设计反映了这一点。
图4 第五代战斗机(如左侧的F-35)的概念“蝴蝶结”与无尾飞行机翼(如右侧的X-47)的概念全方位射频信号特征相比较当今最先进的隐身设计被称为“宽带隐身”设计，因为它具有非常宽的频率范围，可以减少飞机依赖于固有频率的RCS。宽带隐身使飞机在所有类型的敌方雷达面前显得非常小——从低频、早期预警到高频、火控和导弹制导雷达。在计算改进使现代隐身建模和分析成为可能之前，RCS的频率依赖性使隐身设计变得非常复杂。这种复杂性常常迫使飞机设计只在EMS的有限部分进行优化，以对抗特定的雷达类型。例如，F-117被优化以减少EMS高频率部分的回波信号，以对抗火控雷达和导弹制导系统。尽管非常成功，一架F-117最终在1999年在塞尔维亚上空被击落，使用的是低频雷达、改进型导弹和熟练的空中防御者的组合，他们利用的正是美国空军作战训练的不足。正如这一事件所强调的，低频率系统现在能够进行更高分辨率的跟踪，因为它们改进的计算能力允许它们消除过去阻碍它们的信号杂波。任何新的隐身平台都必须在更广的频带上从各个角度隐身，以应对所有类型的雷达系统的探测和跟踪。在目前的美国空军机群中，只有像B-2这样的飞机拥有这种全方位的宽带隐身能力。这种宽带能力有助于优化现代隐身与其他技术资源一起使用，以在对抗现代A2/AD防御的战斗中生存下来。除了优化飞机的RCS以减少敌方雷达的有效探测距离外，其他传感器属性也必须考虑在内，因为它们对飞机的整体隐身性能和生存能力同样有着极大的影响。在射频信号特征探测之后，任何喷气式飞机的下一个最重要的特征是红外(IR)特征，它主要是由喷气式发动机的热量产生的。在过去的隐身设计中，这个问题是通过将发动机进气口和排气放置在飞机的顶部，并将引擎尽可能深地埋入飞机结构中来解决的。利用排气系统中的混合技术，可以进一步冷却来自发动机的热气。这种发动机位置可以有效降低地面红外传感器对发动机或飞行轨迹的探测，并与飞机表面形成热隔离。埋藏式发动机和隐身进气道的使用已被证明对降低飞机红外隐身特性非常有效。
图5 在这张照片中，B-2轰炸机的顶部引擎进气口，将空气引导到埋藏的引擎中。埋藏式发动机和特殊配置的隐身进气道的使用证明对降低飞机红外隐身特性非常有效。一些分析人士推测，下一代长波红外搜索与跟踪(LW-IRST)传感器的出现，将使远程被动探测和跟踪成为可能，并可对现代美国隐身飞机实施被动(非发射)致命打击。事实上，先进的轻武器系统并没有像最初预期的那样与潜在的敌方机载系统增加。虽然先进的长波红外搜索与跟踪传感器已经在一些北约飞机上少量部署，中国和俄罗斯在他们的机载系统上部署这些传感器方面没有取得重大进展。此外，这些传感器的制造、维护成本都非常高昂。从根本上说，红外搜索和跟踪传感器的物理特性限制了它们在次优环境条件下的有效范围、作战效能和视场(因此也限制了搜索能力)。与机载雷达和视觉探测距离相比，欧洲战斗机的IRST系统的最佳性能如图3所示。该系统使用长波红外来增加射程，并试图补偿环境条件和中波红外来提供探测和攻击敌人所需的分辨率。
这个简单的比较表明，红外传感器仍然是不同于现代雷达。在恶劣天气条件下，IRST系统性能下降，雷达性能保持相对不变。由于搜索的局限性，IRST系统往往需要得到提示，以便获取已经在其操作探测范围内的目标。虽然它们的作用在未来可能会扩大，但基础物理学表明，成本和能力的限制降低了LW-IRST系统在短期内作为反隐身系统解决方案的吸引力。但主动式热工技术在商业领域的新进展表明，美国国防工业在开发反长波红外材料解决方案方面还没有达到任何特定的阈值。射频特征管理在过去的几年里随着低可探测技术和电子战的改进而不断发展，同样，反红外传感器解决方案在实现红外探测威胁的同时也必将得到发展。目前，对红外特征管理技术的研究正在进行中，并取得了很大的进展。近年来，将热能转化为可用能量的第二定律(SL-IRSM)概念有了显著的进展，纳米和微电子机械装置(NEMS和MEMS)在将余热转化为可用能量方面显示出了巨大的潜力。近期的应用，如红外热斗篷，由于浅层地下目标与背景土壤的热物性不同，影响了整个区域表面的温度场分布，容易被敌方探测系统发现并击毁。在研究人员的想法中，隐身飞机的自然延伸是显而易见的。长期来看，SL-IRSM推进系统的应用前景也很可观。NEMS和MEMS设备启用主动IRSM能力的潜力正导致一些人得出这样的结论：“使用SL-IRSM技术推进和红外隐身飞机在原则上似乎都是可能的。“这些技术在B-21隐身轰炸机这样的平台上的应用程度将取决于新出现的威胁，但物理学似乎很有前景。总体而言，红外探测能力具有比视觉探测更大的范围，但距离现代雷达仍然存在差距。与视觉检测类似，红外探测也会因不利的大气条件(如雨和云)而退化。此外，红外传感器硬件昂贵且难以维护。所有这些因素都限制了红外传感器的整体效能，并导致迄今为止有限的扩散和使用。然而，如果红外系统克服了这些缺陷并在未来得到普及，可以利用隐身技术和飞机红外信号主动管理手段将威胁降到最低。美国空军也在研究其他非常规的防空方法。对于美国的隐身能力来说，有许多想法似乎既有可行性又具威胁性。正因为如此，再加上隐身技术对现代空中作战的重要性，美国空军保持了一个强有力的项目，以评估飞机在面对新出现的和潜在威胁时的生存能力。在过去的30年里，受到密切关注的威胁之一是不断发展的声探测威胁。大型喷气式飞机噪音很大，但声学传感器(即麦克风)相对便宜。从表面上看，将声学探测用于防空似乎很有意义。在B-2研制过程中，为了更好地了解威胁，美国空军做了一个广泛的研究来评估声学探测飞机的可行性。美国空军发现，威胁的有效性在于细节。与本研究早期示例中的有限检测范围导致的指数复杂性类似，如果防御者选择使用范围为5英里的麦克风覆盖由1000英里的边界定义的区域并延伸200英里的内陆，则他们将需要超过2500个检测点。这似乎是可行的，直到你考虑到这个数字是如何爆炸到接近23000个检测点，以覆盖中国大约9000英里的海岸线。此外，美国空军的研究显示，采取这样一种防空方法存在相当明显的作战困难。其中一些包括：所有飞越防御上空的飞机都会触发警报，而不仅仅是敌机，没有具体区分的方法。几枚美国巡航导弹有意沿边界飞行，会发出许多警报并耗尽防御反应。美国可以摧毁边境的一小部分，或者将一支渗透性的轰炸机部队只穿过几个地方， 使防空拦截系统饱和，而防空拦截系统必须覆盖整个边境。大气传播效应会造成“安静”区，导致麦克风接收不到很好的声音（就像海洋中不同温度层为潜艇提供了藏身之处一样）雪、冰和雨可能会降低麦克风的可操作性和可靠性(对俄罗斯这样的国家来说，这是一个特别的问题，因为俄罗斯的大部分边境都靠近北极圈)。如前所述，拦截器仍然有一个非常困难的任务，那就是探测、跟踪并击落全方位的宽带隐身飞机。另一种被标记为隐身飞机潜在威胁的非常规探测方法是探测飞机在空中飞行时产生的大气扰动，也称为“尾迹探测”。所谓的“纹影特征”(这个词在德语中是“条纹”的意思)，也被称为“尾迹特征”，多年来一直被用于探测风洞和其他受控环境中的飞机，这个过程被称为Schlieren photography（纹影摄影）。甚至有人声称使用这种方法可以“意外”探测到隐身飞机。但是，对现代隐身飞机的尾迹探测到底有多大的威胁呢？Schlierenphotography的过程大约始于1864年，最初是为了研究超音速冲击波而发展起来的。可以简单地说，亚音速隐身轰炸机并没有造成这种程度的大气扰动，如果到目前为止还没有人找到一种方法使其投入使用，它就不会对隐身飞机的生存能力构成重大威胁。Schlierenphotography在现代航空学中仍然是一个有趣的课题。美国航天局继续对21世纪Schlieren photography技术的现代化进行研究，部分是为了改进超音速飞机设计技术。然而，这种用于飞机探测的方法的一个明显的问题是数据采集对光源的依赖。即使在理想的照明条件下有效，Schlieren photography技术的发展在夜间或其他不利的环境条件下肯定会受到影响。学术研究继续显示飞机尾迹干扰检测的前景，但这一概念的实际实现仍然很遥远。尾迹探测可以通过脉冲多普勒雷达或基于激光的LIDAR(光检测和测距)来进行。LIDAR通过测量反射脉冲来确定脉冲激光到目标的距离。多普勒激光雷达似乎是迄今为止最成熟的尾流探测技术。已经进行了一些成功的实验，但科学文献中引用的范围在操作上是微不足道的。如前所述，理论将表明雷达距离应该比光学LIDAR更长，但到目前为止，测试只实现了10英里以下的雷达尾迹探测范围。考虑到除了受范围限制外，任何基于LIDAR的解决方案都对所有光学系统共有的环境条件具有高灵敏度，从而进一步降低了应用性。
在考虑基于雷达的尾迹检测解决方案时，一个明显的问题是，最常见、最成熟的雷达成像技术——合成孔径雷达(SAR)依赖于静止的成像对象。移动尾迹存在问题，SAR成像海洋表面波的困难可能预示着基于雷达的飞机尾迹探测进入了死胡同。尾迹检测方法的另一个潜在问题是，尾迹探测与飞机检测、跟踪、交战和火力控制还有很长的路要走。其理论是飞机的尾迹将指向飞机，就像水面船只的尾迹一路追溯到船只本身一样。这听起来很简单，但这是一个非常困难的命题，原因有两个。首先，为了跟踪对飞机的尾迹干扰，飞机周围的尾迹的很大一部分必须通过光学成像(如纹影摄影)或通过其他手段(如激光雷达或雷达)再现，以达到识别其起始点(即飞机)所需的程度。这个成像过程的不成熟已经得到了解决。尾迹探测方法的另一个潜在问题是，尾迹探测与飞机探测、跟踪、交战和火控有相当长的距离。理论是，飞机的尾迹会指向飞机，就像水面船只的尾迹会一直追溯到船只本身一样。这听起来很简单，但这是一个非常困难的命题，原因有二。首先，为了追踪飞机的尾流干扰，飞机周围的相当一部分尾流必须进行光学成像（如Schlieren photography纹影摄影），或通过其他手段（如LIDAR或雷达）进行重建，以确定其原点（即飞机）。目前这个成像过程的不成熟已经被解决了。第二个问题可能更为严峻。即使现代提高了计算能力，图像处理仍然是计算机普遍面临的一个重大挑战。将尾流扰动转化为图像是一件事，创建足够快、足够高分辨率的图像，并创建计算机算法来识别起始点并在其在三维空间中移动时跟踪它，则更加困难。在某些情况下，没有和背景环境耦合的原始计算能力无法克服命题的复杂性。即使成功地对飞机的尾迹扰动成像，并且足够快地跟踪飞机，隐身飞机仍然必须处于作战状态，这是一个非常重要的问题，即使对于更成熟的技术来说也是如此。所有人都认为，在未来隐身或降低飞机特征信号仍将是一种可行的能力。隐身技术是21世纪飞机任务成功和任务效能的重要方面。随着防空能力的提高，隐身对于成功的空中战役将变得越来越重要。降低现代敌人防空系统发现、追踪和攻击我们及盟军飞机的能力是至关重要的。但需要强调的是，隐身并不是一种全有或全无的军事能力。就像改进的导弹和制导弹药一样，隐身技术在过去几十年里也取得了发展进步。在这项技术上的投资大大提高了美国飞机穿透敌人防空系统的能力，并为试图削弱美国飞机隐身性能的对手创造了巨大的难题。对手试图抵消这一优势的代价是巨大的。虽然能力很强，但像SA-21这样的现代SAM系统估计每个师的成本约为4亿美元(SA-21的一个师由8套发射装置、112枚导弹和许多指挥、控制和支持车辆组成)。与此同时，隐身飞机比以往任何时候都更实惠。例如，出售给新加坡空军的F-15SG改型，在F-15E模型的基础上进行了一系列改进，如先进的红外搜索和跟踪系统，现代的瞄准吊舱，以及改进的引擎等。这些飞机在2009至2013年间交付，每架售价约为8500万美元，共计购买24架。相比之下，F-22在停产前下线的成本在9000万到1亿美元之间，后续的机身成本可能更低。F-35目前的成本降低曲线略低于9000万美元一架，因为产量上升和客户开始接受现代的，可操作的飞机。根据这些趋势，重要的是考虑能力和成本与需求的现代战斗机。低可观测飞行器是一个非常引人注目的命题，相比其他非隐身飞机甚至在10 - 20%的成本溢价，尤其是考虑到高威胁战斗场景这些飞机可能面临当今强大的现代防御系统或军事装备能力的潜在对手。在某些环境中，隐身可能具有穿透能力，几乎没有支持。在未来，将会出现隐身飞机能够在不被发现的情况下进入和攻击的战斗场景。然而，当与其他飞机和战术一起使用时，隐身通常是最有效的。将隐身技术添加到多能力部队包中，再加上网络作战，创造了致命的协同效应。将隐身飞机与常规飞机混合，欺骗，防空压制和电子干扰将使敌人的防御问题复杂化一个数量级。通过降低敌人发现攻击者的能力，防空工作将变得更加复杂，导致对手在未来战役中有效反应的时间大大缩短。虽然现代防空不断改进，但隐身技术也同样得到了改善。自从B-2研制以来，美国并没有停止隐身研究，而是继续创新。美国及其盟国对隐身和反隐身技术的投入使人们对隐身设计、材料和支持能力(如任务管理和电子战自我保护)有了更好的理解，这些能力是使飞机在最具敌意的威胁下生存下去所必需的。通过B-2的运行维护，通过对平台的各种现代化升级，开发和完善了低可探测传感器管理和低可探测路由等关键功能。利用现代计算能力，新设计的进步显然是可能的。隐身技术是未来空战威胁环境中飞机生存能力的核心保障原则。它减少了能够检测、跟踪和射击的传感器数量，同时增加了完成这些任务所需的时间，从而提高了平台在防空系统中生存的机会。简而言之，隐身降低了敌人的杀伤率。威胁情景和相关的生存性方程现在比以往任何时候都更复杂，但有一个事实仍然存在，物理定律确保了隐身将始终使飞机通过操纵现代传感器严重依赖电磁系统来提高生存能力。总体而言，微电子技术的进步和先进计算能力的商用显然帮助俄罗斯和中国等美国对手发展了新的威胁能力，如宽带AESA和DRFM干扰器。然而，以类似的方式，美国也利用这些数字创新来提高其对隐身技术的理解，并更快地在更广泛的电磁系统范围内更好地优化隐身设计。先进的计算也使得生产具有极其精确的电气和物理特性的材料成为可能，这与先进的制造工艺(材料沉积、3D打印等)相结合，不仅使商业电子行业受益，而且使美国隐身设计的生产具有更严格的电气公差保证。除了改善飞机制造外，这些数字进步还使得隐身子系统的创建成为可能—射频和红外传感器和通信设计可以更好地减少和控制它们对整个飞机传感器特征信号的贡献。这种情况本身就可以在组件级RCS性能方面产生几个数量级的改进。
图9 A2/AD中的非隐身目标(左)与A2/AD中的隐身目标(右)。今天，上图中概念上所示的高威胁A2/AD环境已经发展到了这样的地步：在某些情况下，完全避免所有检测可能是不可行的，但也不一定是必需的。正如本研究前面所讨论的，为了击落飞机，杀伤链的每个部分都必须在特定的时间窗口内有效执行。因此，防空系统必须能够准确地探测、跟踪、识别和迎面而来的飞机，这就创造了许多干扰的机会。新的B-21隐身轰炸机无疑将被设计为为战略目标节省动力干扰，并利用其被动隐身来操纵电磁干扰系统，并破坏世界上最先进的A2/AD防御系统。新出现的威胁正在把隐身技术的重要性推到对抗A2/AD战略的前沿。隐身技术不仅在未来的威胁环境中是可行的，而且在比以往任何时候都更广泛的任务中也变得越来越重要。随着有争议的空域变得越来越普遍，大幅降低现代雷达和其他威胁传感器的射程和效能的能力正成为飞机生存的基本要求。此外，隐身技术还可以让飞行员和任务规划人员详细了解敌方对其平台的探测视角。这种理解对于管理风险至关重要，因为它能够准确预测、洞察和意识到飞机在特定威胁下的脆弱性。然而，在空中攻防比赛中，有一件事没有改变。击落飞机的过程在战斗中仍然是一项艰巨的任务。成功地在一个点上破坏杀伤链可以导致攻击者的任务成功。美国空军使用术语“发现，修复，跟踪，瞄准、交战、评估”(F2T2EA)来描述杀伤链，它仍然和以前一样具有相关性。一代又一代的飞行员现在已经接受了针对美国及其盟国目标执行这条杀伤链的训练，以及当他们自己成为目标时幸存下来并打破它的技能。在未来的任何空中战役中，隐身都将与生存能力紧密交织在一起。两次世界大战期间的生存能力取决于速度和飞机的机动性，以便在以枪支为主要武器的战争中躲避其他飞机。二战后，像SR-71侦察机这样的高空超音速飞机被开发出来以避免威胁(它也使用了雷达吸收复合材料作为其前沿，这是隐身技术的第一次使用之一)。到了20世纪70年代，随着雷达技术和空对空导弹变得更加可靠和更具杀伤力，美国转向了隐身技术的承诺，即完全避免探测。如今，数字时代的技术大大提高了美国以及全球盟国和潜在对手的能力，使得对新兴市场的控制比以往任何时候都更加重要。现代空战中的隐身是电磁干扰系统控制的核心原则。隐身技术不仅在可预见的未来是可行的，而且它的优势显然比以往任何时候都重要。由于大量资料从互联网多个渠道收集整理，加之作者水平有限，可能存在认识或理解不当之处，更多精彩的国内外测试、仿真以及数据分析等内容，欢迎各领域专家联系本公众号探讨研究，交流指正。
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