國產“六代機”曝光？揭秘神秘的空中死神 | 科到了_風聞

作者：吳小鋒 | 中國科學院大學

培養單位：中國科學院物理研究所

審核：劉笑然 特聘研究員  | 中國科學院物理研究所

近日，一則爆炸性新聞登上熱點。

一架鬼魅般的未知黑色飛機出現於成都市區上空。

網絡上流傳的某新型隱身戰鬥機

這一消息瞬間激起了人們的激烈討論，對於這架飛機的真實身份眾説紛紜。根據“局座定律”：一個武器裝備強不強，跟它的顏值指數成正相關。這架飛機外形如此科幻，如同電影裏面的未來戰機，表明其戰鬥力肯定不容小覷。

“局座”：俺尋思越強越漂亮，越漂亮越強

一些眼尖的朋友還發現，在這架飛機旁邊竟然還伴飛着一架殲20S！如此高端隆重的規格，表明其來歷必定非同平常。對此，有見多識廣的航空發燒友在經過仔細地分析和推理後，提出一個了大膽的猜測：這很可能是中國目前最先進的一代隱身戰鬥機，甚至有可能是網友口中的“六代機”！

新型隱身戰鬥機（左）和殲20S（右）

可能有的小夥伴們會問了，**“六代機”是什麼？有什麼厲害的地方？為什麼外觀這麼與眾不同？**不用着急，本篇文章為您一一揭曉。

“六代機”，即六代戰鬥機。目前，各國對六代機還尚無明確而統一的定義，不過普遍認同的是六代機是一種概念上正處於研發階段的新一代的高超音速戰鬥機，其主要特徵包括強化的****隱形能力、第六代航空發動機、由人工智能控制的吸氣式系統等。相對於之前的五代戰鬥機相比，”六代機“在隱身、性能等方面都提出了更高的要求。

美國和英國的六代機項目

簡單地説，“六代機”是一種最先進的高性能隱身戰鬥機。

“六代機”具體長什麼樣子呢，我們或許可以參考一下珠海航展上展出的新型戰機模型。首先讓我們觀察一下其內部結構：可以看到整體結構上，新型戰機採用了飛翼結構和全動翼尖的設計，並且和舊型號相比捨去了後端垂尾和鴨翼的結構，可以預料其將會具有更強的隱身性能。同時，該機配備了3個發動機，因此能夠擁有更強機動能力。另外，該機採用了雙輪主起落架，預示着其能夠儲蓄更多的彈藥和航空燃油以支持更強的續航能力。

珠海航展上展示的新型戰機內部結構模型

而其中最終要的一項性能，就是它的隱身性能。新型戰機之所以具有如此科幻的外表，就是因為整體上採用了能夠提高隱身能力的形狀設計。那麼，為什麼這種形狀能夠提高隱身性能呢？

首先我們要了解隱身技術的基本概念和原理。

一説起隱身，人們肯定會想到哈利波特小説中的隱身衣，相信每個人的童年都曾夢想過擁有這樣的一件神器，只要穿上它就能把身體變得像空氣一樣透明。實際上，在現實生活中，隱身技術也稱隱形技術，在學術上稱為**“低可探測技術”（low observable technology****），即通過研究和利用各種不同的手段，來降低物體可探測性光學信息特徵的一種技術**。

“哈利波特”小説系列中的“隱身衣”

戰鬥機的隱身能力包括雷達隱身，光學隱身，聲波隱身等等，其中尤其重要的是雷達隱身能力，因為在現代戰爭當中，人們利用雷達這樣的“千里眼”就能夠輕鬆發現遠超人眼視覺範圍數百千米外飛行的戰鬥機。想象一下，要想在戰場神出鬼沒如同鬼魅一般，首先最重要的是看不見，其次才是聽不着和聞不着。

不同波寬的電磁波。和可見光一樣，雷達輻射也是電磁波的一種

而如果降低飛機對雷達發射電磁波的反射率，那麼就能夠縮減雷達對飛機的探測距離，進而降低雷達探測到飛機的可能性，從而能夠實現飛機對的“隱身”。目標物體對雷達波的反射截面積（Radar cross-section，RCS），就是衡量雷達隱身技術效率的指標。雷達隱身技術的最終目的，就是減少雷達波的反射截面積。

RCS為0.0001平方米和RCS為0.1平方米的莫斯科地區雷達探測範圍模擬[1]。

影響物體的RCS的因素主要有三種：外型與方向性、輻射反射性和幾何截面大小。

1、物體的外型與方向性

物體的外型與方向性對RCS起決定性作用。根據物理光學中的斯涅爾反射定律：入射光和出射光對應的入射角和反射角相同。因此，當雷達發射的入射電磁波照射到飛機表面時，若表面垂直於入射方向，那麼反射波方向將會直接朝着雷達的方向。因此跟我們日常打乒乓或者羽毛球一樣，球拍面要儘可能地將球拍向對手接不到的地方一樣，飛機的表面也要儘可能的將雷達入射波反射到其它方向。

光的反射（左）和球的彈射（右）

2、物體的輻射反射性

光，照射到物體表面，根據表面吸收波段和吸收係數的不同，會反射出不同顏色和強度的光。同樣的，雷達輻射照射到物體表面，除了一部分被反射出去以外，還有另一部分會被物體所吸收，如果能夠增大雷達輻射的吸收率，那麼就能夠減少雷達輻射反射的強度。

玫瑰反射了白光中的紅光，表現出紅色（左）世界上最黑的塗料，光的吸收率達到99.995%（右）

3、物體的幾何截面大小

而物體大小的幾何截面積大小也是影響反射回波的因素之一，飛機的體積越大，幾何截面和對雷達波反射面積就會越大，也就更容易讓飛機被雷達發現。對於沒有隱身設計的物體來説，物體表面的不規則形狀是隨機的，因此“反射方向性”是隨機的。

金屬的鏡面反射和砂紙的漫反射

隱身技術的發展歷史

而隱身飛機的發展史，可以説就是隱身技術的發展史，其中就包括在技術，理論，材料和應用等多方面的進步。

隱身飛機在歷史舞台初步登場於在二戰末期。在80年前，1944年聖誕節，盟軍在攻入一處隱秘的德國軍事基地時，竟意外地發現了一批形狀奇特的神秘飛機。這些飛機具有和常規飛機不同的流線型外殼，整體上就像深海里面的魔鬼魚一樣。

“魔鬼魚”（左）和二戰德國霍爾騰2-29型戰鬥機（右）

人們經過測試發現，這種扁平的外形能夠具有非常強的隱形性能，有效減少雷達波的反射截面積，從而能夠達到對雷達隱身的效果。並且這種飛機使用了當時最先進的噴氣發動機來提供動力，設計時速竟然能夠高達九百七十公里。這是人類首次在飛機上運用隱身技術，由當時已經窮途末路的德國，在面對註定失敗的結局時，孤注一擲所研發。它和當時眾多的德國的秘密武器一樣，在還未研發成功投入實戰前計劃就擱淺了。但是呢，由於這種飛機設計理念超前，因此立刻受到了美國等國的高度重視，各部門立刻進行了加緊逆向研究。這些德國的新型飛機，於是成了現代隱形飛機的雛形。

20世紀50年代，冷戰帷幕正式降臨，華約和北約開啓了瘋狂的科技軍備競賽。隨着防空體系逐漸成熟和雷達偵察能力的提高，研製能夠具有反雷達偵測能力的隱形飛機的需求開始逐漸越發迫切。在這樣的背景下，美國率先成功研製出了能夠一定程度上實現雷達隱形的U-2高空偵察機，之後陸續在60年代初到60年代中旬，又進一步開發了SR-71偵察機，YF-12戰鬥機等具有一定隱形功能的飛機型號。但是，由於當時隱身能力的研究缺少成體系的理論指導和計算模擬，並且缺少成熟先進的隱形技術，所以這些飛機都不是真正意義上的隱身飛機。

U-2偵察機，SR-71偵察機和YF-12戰鬥機

直到60年代中旬，蘇聯數學家彼得·烏菲莫切夫在莫斯科無線電工程研究所的期刊上發表了一篇名為“物理衍射理論中的邊緣波方法”的論文，為隱形飛機的系統化設計提供了理論框架和進一步的優化方向。在這篇論文中，提出了如何對不同幾何形狀的物體電磁波的散射和反射的進行模擬計算的方程，闡述了如何設計和利用編程軟件來進行不同結構的雷達截面的投影計算。為理論計算飛機的雷達隱身技術效率提供了可靠方法，從而為設計真正意義上的隱身飛機提供了可能[2]。

基於彼得·烏菲莫切夫的理論，後續衍生出了多種理論框架與模擬軟件。彼得·烏菲莫切夫對雷達隱身能力理論方面的貢獻，為後續隱身技術的發展提供了寶貴的理論研究框架。

現代隱身技術理論的“奠基人”：彼得·烏菲莫切夫

隨着材料學、電子學、機械學的進一步發展，美國洛克希德公司於80年代處研製出了世界上第一款真正意義上的隱身飛機：F-117 A攻擊機。

F-117 A最顯著的特質就是非常小的****RCS，RCS值只有0.001到0.01平方米，甚至小於飛行員頭盔的RCS值。因此與以往的飛機相比，F-117 A能夠具有非常出色的隱身效果。而F-117 A之所以能夠達到這麼小的RCS值，靠的就是獨特的外形結構設計，和先進的雷達輻射吸收材料。在外型設計上，F-117 A採用了鋸齒狀直邊的多面體幾何形狀，具有高展弦比的機翼和後掠角的雙翼，這種設計能夠將反射波集中於小波束寬度的窄波束，從而使其難以形成連續的回波信號。並且，在結構上，取消了火控雷達，採用了全動式V形尾翼、埋入式武器艙、可伸縮天線的設計，從而能夠大幅降低對各個方向雷達輻射的反射強度[3,4]。

F-117 A攻擊機

在雷達輻射吸收材料方面，F-117 A也進行了大量的考察。其座艙前使用了多層無機金屬膜的複合玻璃結構，在紅外探測器和激光照射器的窗口玻璃上，也採用了內表面金屬化處理或加用細導電絲柵網，從而能夠降低這些結構的雷達波的反射率。還在飛機的邊、稜、角等強反射部位廣泛使用了多種雷達吸波材料，分別用來吸收或減弱不同頻率的雷達波。

F-117雖然飛行靈活性較差，但其優異的雷達隱身能力彌補了性能上的缺陷。F-117的研製成功，很快在戰場上取得了顯著戰果：在巴拿馬戰爭和海灣戰爭中，F-117被多次派遣執行轟炸任務，其幾乎從未被敵機或者雷達成功探測到過行蹤，並安全地完成了各項任務。

後續在1983年，世界首個隱身戰略轟炸機B-1B相繼研發成功。同樣的，B-1B採用了能夠減少雷達波散射的飛機的外形和發動機的進噴氣口形狀，並採用了更加先進的隱身塗料，其RCS****僅僅只有1%。並且這種轟炸機還能夠在攜帶大量彈藥的情況進行超音速飛行。

戰略轟炸機B-1B

無獨有偶，其它國家也在大力發展隱身技術，並在一些方面取得了世界領先水平。在20世紀80年代初，俄羅斯重點發展了等離子體隱身技術，並在飛機上裝備了第一代等離子體隱身技術。在強散射結構處安裝等離子體發生器，能夠產生厚度為1mm量級的等離子體，從而減少雷達波的反射率或者改變波寬。第二代等離子體隱身技術產品在克爾德什研究中心研發，能夠產生易電離的氣體，並且具有產生虛假信號的能力。

技術原理在歷史的發展中，誕生了多種降低RCS的技術，包括採用吸波材料的材料反射縮小法、改變目標物體的外形結構的結構反射縮小法和等離子體隱身技術等等。

其中結構反射縮小法通過設計飛機的外形，減少外形上能夠產生強電磁波反射的地方，或者使內部結構更緊湊，從而能夠縮小整個飛機體積，最終達到降低RCS的效果。

各種飛行物的RCS，通過特殊的結構設計能夠讓體積龐大的飛機匿跡隱形[5].

而通過在物體表面上鍍上一層雷達吸****波塗料（Radar-Absorbing Material，RAM），也能夠實現RCS的降低。具體通過在飛機外殼上鍍有強電磁波吸收係數的薄膜，或是利用透波****-****吸波效應的複合結構來減少反射截面積。

多夾層透波-吸波-反射結構一體化複合材料[6].

等離子體隱身技術則是利用等離子體發生器、發生片或放射性同位素對空氣進行電離產生等離子體，利用等離子體的逆軔致輻射吸收效應實現對雷達電磁波的吸收。根據等離子體動力學，等離子體的逆軔致輻射係數****ka可表示為：

從公式可以看出離子密度的稍微增加即可引起等離子逆軔致輻射吸收係數的迅速上升，從而導致對輻射的強烈吸收。因此，利用等離子體對輻射的屏蔽效應，就能夠有效降低RCS。

前景與挑戰隨着材料學和航空技術的不斷發展，六代機跟最初代的隱身飛機相比，其性能和實力已經遠遠不可同日而語。但同時，隱身飛機的未來也面臨着來自新技術的挑戰：除了雷達探測，紅外探測技術等各種探測手段的發展和成熟的也將考驗隱身飛機的戰場生存能力，如何能夠做到全頻譜的隱身能力是目前隱身飛機迫切解決的問題。不過，雖然未來尚不可知，但我們相信隱身技術的創新和進步，一定會在航空領域，軍事領域以及人們的日常生活領域創造更多的不可思議的奇蹟。

未來的隱身材料，會有什麼神奇功能？

參考文獻：

[1] 穿透打擊、剝奪核武！B-21轟炸機隱身性能對雷達探測範圍影響簡析, 陳宇薇.

[2] Fundamentals of the Physical Theory of Diffraction, Pyotr Ya. Ufimtsev, Wiley, (2007).

[3] 傳奇“夜鷹”——洛克希德F-117隱形戰鬥機的故事, 空軍之翼.

[4] 傳奇“夜鷹”——洛克希德F-117隱形戰鬥機的故事2, 空軍之翼.

[5] The B-2 at30: improving with Age, Air Force Magazine, Vol. 102, No. 07 (2019).

[6] 多夾層透波-吸波-反射結構一體化複合材料及製備方法與流程, 王曉文,唐青秀,趙大娟,等.