国产“六代机”曝光？揭秘神秘的空中死神 | 科到了|f-117|侦察机|战斗机|新型战机|空中死神|雷达|飞机

作者：吴小锋 | 中国科学院大学培养单位：中国科学院物理研究所审核：刘笑然特聘研究员 | 中国科学院物理研究所

近日，一则爆炸性新闻登上热点。

一架鬼魅般的未知黑色飞机出现于成都市区上空。

网络上流传的某新型隐身战斗机

这一消息瞬间激起了人们的激烈讨论，对于这架飞机的真实身份众说纷纭。根据“局座定律”：一个武器装备强不强，跟它的颜值指数成正相关。这架飞机外形如此科幻，如同电影里面的未来战机，表明其战斗力肯定不容小觑。

“局座”：俺寻思越强越漂亮，越漂亮越强

一些眼尖的朋友还发现，在这架飞机旁边竟然还伴飞着一架歼20S！如此高端隆重的规格，表明其来历必定非同平常。对此，有见多识广的航空发烧友在经过仔细地分析和推理后，提出一个了大胆的猜测：这很可能是中国目前最先进的一代隐身战斗机，甚至有可能是网友口中的“六代机”！

新型隐身战斗机（左）和歼20S（右）

可能有的小伙伴们会问了，“六代机”是什么？有什么厉害的地方？为什么外观这么与众不同？不用着急，本篇文章为您一一揭晓。

“六代机”，即六代战斗机。目前，各国对六代机还尚无明确而统一的定义，不过普遍认同的是六代机是一种概念上正处于研发阶段的新一代的高超音速战斗机，其主要特征包括强化的隐形能力、第六代航空发动机、由人工智能控制的吸气式系统等。相对于之前的五代战斗机相比，”六代机“在隐身、性能等方面都提出了更高的要求。

美国和英国的六代机项目

简单地说，“六代机”是一种最先进的高性能隐身战斗机。

“六代机”具体长什么样子呢，我们或许可以参考一下珠海航展上展出的新型战机模型。首先让我们观察一下其内部结构：可以看到整体结构上，新型战机采用了飞翼结构和全动翼尖的设计，并且和旧型号相比舍去了后端垂尾和鸭翼的结构，可以预料其将会具有更强的隐身性能。同时，该机配备了3个发动机，因此能够拥有更强机动能力。另外，该机采用了双轮主起落架，预示着其能够储蓄更多的弹药和航空燃油以支持更强的续航能力。

珠海航展上展示的新型战机内部结构模型

而其中最终要的一项性能，就是它的隐身性能。新型战机之所以具有如此科幻的外表，就是因为整体上采用了能够提高隐身能力的形状设计。那么，为什么这种形状能够提高隐身性能呢？

首先我们要了解隐身技术的基本概念和原理。

一说起隐身，人们肯定会想到哈利波特小说中的隐身衣，相信每个人的童年都曾梦想过拥有这样的一件神器，只要穿上它就能把身体变得像空气一样透明。实际上，在现实生活中，隐身技术也称隐形技术，在学术上称为“低可探测技术”（low observable technology），即通过研究和利用各种不同的手段，来降低物体可探测性光学信息特征的一种技术。

“哈利波特”小说系列中的“隐身衣”

战斗机的隐身能力包括雷达隐身，光学隐身，声波隐身等等，其中尤其重要的是雷达隐身能力，因为在现代战争当中，人们利用雷达这样的“千里眼”就能够轻松发现远超人眼视觉范围数百千米外飞行的战斗机。想象一下，要想在战场神出鬼没如同鬼魅一般，首先最重要的是看不见，其次才是听不着和闻不着。

不同波宽的电磁波。和可见光一样，雷达辐射也是电磁波的一种

而如果降低飞机对雷达发射电磁波的反射率，那么就能够缩减雷达对飞机的探测距离，进而降低雷达探测到飞机的可能性，从而能够实现飞机对的“隐身”。目标物体对雷达波的反射截面积（Radar cross-section，RCS），就是衡量雷达隐身技术效率的指标。雷达隐身技术的最终目的，就是减少雷达波的反射截面积。

RCS为0.0001平方米和RCS为0.1平方米的莫斯科地区雷达探测范围模拟[1]。

影响物体的RCS的因素主要有三种：外型与方向性、辐射反射性和几何截面大小。

1、物体的外型与方向性

物体的外型与方向性对RCS起决定性作用。根据物理光学中的斯涅尔反射定律：入射光和出射光对应的入射角和反射角相同。因此，当雷达发射的入射电磁波照射到飞机表面时，若表面垂直于入射方向，那么反射波方向将会直接朝着雷达的方向。因此跟我们日常打乒乓或者羽毛球一样，球拍面要尽可能地将球拍向对手接不到的地方一样，飞机的表面也要尽可能的将雷达入射波反射到其它方向。

光的反射（左）和球的弹射（右）

2、物体的辐射反射性

光，照射到物体表面，根据表面吸收波段和吸收系数的不同，会反射出不同颜色和强度的光。同样的，雷达辐射照射到物体表面，除了一部分被反射出去以外，还有另一部分会被物体所吸收，如果能够增大雷达辐射的吸收率，那么就能够减少雷达辐射反射的强度。

玫瑰反射了白光中的红光，表现出红色（左）世界上最黑的涂料，光的吸收率达到99.995%（右）

3、物体的几何截面大小

而物体大小的几何截面积大小也是影响反射回波的因素之一，飞机的体积越大，几何截面和对雷达波反射面积就会越大，也就更容易让飞机被雷达发现。对于没有隐身设计的物体来说，物体表面的不规则形状是随机的，因此“反射方向性”是随机的。

金属的镜面反射和砂纸的漫反射

隐身技术的发展历史
隐身飞机的发展史，可以说就是隐身技术的发展史，其中就包括在技术，理论，材料和应用等多方面的进步。

隐身飞机在历史舞台初步登场于在二战末期。在80年前，1944年圣诞节，盟军在攻入一处隐秘的德国军事基地时，竟意外地发现了一批形状奇特的神秘飞机。这些飞机具有和常规飞机不同的流线型外壳，整体上就像深海里面的魔鬼鱼一样。

“魔鬼鱼”（左）和二战德国霍尔腾2-29型战斗机（右）

人们经过测试发现，这种扁平的外形能够具有非常强的隐形性能，有效减少雷达波的反射截面积，从而能够达到对雷达隐身的效果。并且这种飞机使用了当时最先进的喷气发动机来提供动力，设计时速竟然能够高达九百七十公里。这是人类首次在飞机上运用隐身技术，由当时已经穷途末路的德国，在面对注定失败的结局时，孤注一掷所研发。它和当时众多的德国的秘密武器一样，在还未研发成功投入实战前计划就搁浅了。但是呢，由于这种飞机设计理念超前，因此立刻受到了美国等国的高度重视，各部门立刻进行了加紧逆向研究。这些德国的新型飞机，于是成了现代隐形飞机的雏形。

20世纪50年代，冷战帷幕正式降临，华约和北约开启了疯狂的科技军备竞赛。随着防空体系逐渐成熟和雷达侦察能力的提高，研制能够具有反雷达侦测能力的隐形飞机的需求开始逐渐越发迫切。在这样的背景下，美国率先成功研制出了能够一定程度上实现雷达隐形的U-2高空侦察机，之后陆续在60年代初到60年代中旬，又进一步开发了SR-71侦察机，YF-12战斗机等具有一定隐形功能的飞机型号。但是，由于当时隐身能力的研究缺少成体系的理论指导和计算模拟，并且缺少成熟先进的隐形技术，所以这些飞机都不是真正意义上的隐身飞机。

U-2侦察机，SR-71侦察机和YF-12战斗机

直到60年代中旬，苏联数学家彼得·乌菲莫切夫在莫斯科无线电工程研究所的期刊上发表了一篇名为“物理衍射理论中的边缘波方法”的论文，为隐形飞机的系统化设计提供了理论框架和进一步的优化方向。在这篇论文中，提出了如何对不同几何形状的物体电磁波的散射和反射的进行模拟计算的方程，阐述了如何设计和利用编程软件来进行不同结构的雷达截面的投影计算。为理论计算飞机的雷达隐身技术效率提供了可靠方法，从而为设计真正意义上的隐身飞机提供了可能[2]。

基于彼得·乌菲莫切夫的理论，后续衍生出了多种理论框架与模拟软件。彼得·乌菲莫切夫对雷达隐身能力理论方面的贡献，为后续隐身技术的发展提供了宝贵的理论研究框架。

现代隐身技术理论的“奠基人”：彼得·乌菲莫切夫

随着材料学、电子学、机械学的进一步发展，美国洛克希德公司于80年代处研制出了世界上第一款真正意义上的隐身飞机：F-117 A攻击机。

F-117 A最显著的特质就是非常小的RCS，RCS值只有0.001到0.01平方米，甚至小于飞行员头盔的RCS值。因此与以往的飞机相比，F-117 A能够具有非常出色的隐身效果。而F-117 A之所以能够达到这么小的RCS值，靠的就是独特的外形结构设计，和先进的雷达辐射吸收材料。在外型设计上，F-117 A采用了锯齿状直边的多面体几何形状，具有高展弦比的机翼和后掠角的双翼，这种设计能够将反射波集中于小波束宽度的窄波束，从而使其难以形成连续的回波信号。并且，在结构上，取消了火控雷达，采用了全动式V形尾翼、埋入式武器舱、可伸缩天线的设计，从而能够大幅降低对各个方向雷达辐射的反射强度[3,4]。

F-117 A攻击机

在雷达辐射吸收材料方面，F-117 A也进行了大量的考察。其座舱前使用了多层无机金属膜的复合玻璃结构，在红外探测器和激光照射器的窗口玻璃上，也采用了内表面金属化处理或加用细导电丝栅网，从而能够降低这些结构的雷达波的反射率。还在飞机的边、棱、角等强反射部位广泛使用了多种雷达吸波材料，分别用来吸收或减弱不同频率的雷达波。

F-117虽然飞行灵活性较差，但其优异的雷达隐身能力弥补了性能上的缺陷。F-117的研制成功，很快在战场上取得了显著战果：在巴拿马战争和海湾战争中，F-117被多次派遣执行轰炸任务，其几乎从未被敌机或者雷达成功探测到过行踪，并安全地完成了各项任务。

后续在1983年，世界首个隐身战略轰炸机B-1B相继研发成功。同样的，B-1B采用了能够减少雷达波散射的飞机的外形和发动机的进喷气口形状，并采用了更加先进的隐身涂料，其RCS仅仅只有1%。并且这种轰炸机还能够在携带大量弹药的情况进行超音速飞行。

战略轰炸机B-1B

无独有偶，其它国家也在大力发展隐身技术，并在一些方面取得了世界领先水平。在20世纪80年代初，俄罗斯重点发展了等离子体隐身技术，并在飞机上装备了第一代等离子体隐身技术。在强散射结构处安装等离子体发生器，能够产生厚度为1mm量级的等离子体，从而减少雷达波的反射率或者改变波宽。第二代等离子体隐身技术产品在克尔德什研究中心研发，能够产生易电离的气体，并且具有产生虚假信号的能力。

技术原理

在历史的发展中，诞生了多种降低RCS的技术，包括采用吸波材料的材料反射缩小法、改变目标物体的外形结构的结构反射缩小法和等离子体隐身技术等等。

其中结构反射缩小法通过设计飞机的外形，减少外形上能够产生强电磁波反射的地方，或者使内部结构更紧凑，从而能够缩小整个飞机体积，最终达到降低RCS的效果。

各种飞行物的RCS，通过特殊的结构设计能够让体积庞大的飞机匿迹隐形[5].

而通过在物体表面上镀上一层雷达吸波涂料（Radar-Absorbing Material，RAM），也能够实现RCS的降低。具体通过在飞机外壳上镀有强电磁波吸收系数的薄膜，或是利用透波-吸波效应的复合结构来减少反射截面积。

多夹层透波-吸波-反射结构一体化复合材料[6].

等离子体隐身技术则是利用等离子体发生器、发生片或放射性同位素对空气进行电离产生等离子体，利用等离子体的逆轫致辐射吸收效应实现对雷达电磁波的吸收。根据等离子体动力学，等离子体的逆轫致辐射系数ka可表示为：

从公式可以看出离子密度的稍微增加即可引起等离子逆轫致辐射吸收系数的迅速上升，从而导致对辐射的强烈吸收。因此，利用等离子体对辐射的屏蔽效应，就能够有效降低RCS。

前景与挑战

随着材料学和航空技术的不断发展，六代机跟最初代的隐身飞机相比，其性能和实力已经远远不可同日而语。但同时，隐身飞机的未来也面临着来自新技术的挑战：除了雷达探测，红外探测技术等各种探测手段的发展和成熟的也将考验隐身飞机的战场生存能力，如何能够做到全频谱的隐身能力是目前隐身飞机迫切解决的问题。不过，虽然未来尚不可知，但我们相信隐身技术的创新和进步，一定会在航空领域，军事领域以及人们的日常生活领域创造更多的不可思议的奇迹。