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戰略偵察機匿蹤化的早期發展:U-2髒鳥

作者:大陸某網友(筆名)

  時間回到20世紀40年代初期,輻射實驗室的溫菲爾德·索爾茲伯裡成功開發出一款可防止或者減少從表面反射的電磁輻射的塗層,這種塗層的其中一項運用成果就是由受保護的金屬層、木制層和塗覆石墨的帆布層組成的「Salisbury屏」,後者的木制層(不會幹擾電磁能量)的厚度為預期雷達波波長的1/4,有塗覆的帆布會反射電磁波,將其與由金屬層反射的電磁波呈180°反向,兩束電磁波會互相抵消,僅有非常少的能量會返回到接收機。

  雖然由於技術年代過早的限制,只有一個雷達頻率且當電磁波直射表面時,「Salisbury屏」才會工作在最佳狀態,但「Salisbury屏」的誕生依舊為未來雷達匿蹤技術的蓬勃發展奠定了堅實的基礎,比如珀塞爾應用於U-2高空偵察機表面的塗層就是「Salisbury屏」,外層塗層可以減弱來自塗層下方的金屬蒙皮的反射。

  無獨有偶,二戰時期德國科學家約翰內斯·堯曼成功發明出一種合成橡膠化合物,它是將橡膠浸漬在直徑10-20微米的氧化鐵顆粒中得到的產物,可被應用於潛艇換氣裝置和U艇的潛望鏡上,並可有效規避盟軍飛機和艦船的探測系統。這個項目的名稱為「掃煙囪的人」,而炭黑也被用於製作化合物。1944年秋季,德國航空研究所使用1.5米的機載雷達進行測試,結果表明在使用炭黑的情況下,雷達特徵信號可降低90%,接著堯曼又發明出一款類似「Salisbury屏」的雷達波吸收劑。

  在二戰即將結束之際,由霍頓兄弟設計的Ho-229噴氣式轟炸機的其中一架樣機被美軍繳獲,隨後它被運回美國本土進行分析,結果令人大吃一驚:Ho-229轟炸機的機翼由兩塊用木炭和木屑的混合物粘在一塊的薄層膠合板構成,機體中部採用由焊接鋼管構成的空間網架結構,雖然當時研究人員認為它之所以採用這種設計是因為二戰末期德國面臨著鋁等金屬材料嚴重短缺的局面,因此不得不做出妥協,但在戰後的分析中美國人發現Ho-229轟炸機的確具有降低防空雷達探測距離的能力(儘管它相比當時其他設計也就只能多爭取1.5-2分鐘的視窗),說明德國人在減少飛機的雷達反射面積(RCS)和降低電磁輻射方面的成就還是非常值得肯定的。

▲Ho-229原型機的模擬雷達探測距離測試結果

▲Ho-229原型機的模擬雷達探測距離測試結果不管無心插柳還是故意為之(目前沒有證據能表明Ho-229的最初設計目標包括雷達匿蹤性能),霍頓兄弟的傑作註定能夠名垂青史

  時間進入20世紀50年代,隨著越來越多的U-2偵察機在蘇聯上空執行任務的過程中被敵軍防空雷達鎖定和跟蹤(主要為飛行路徑上的「權杖」雷達),中情局決定啟動全新的X計畫,也就是從麻省理工學院的林肯實驗室(曾經負責過SAGE數位化半自動截擊國土防空系統的開發工作)招聘一支雷達領域的專家團隊以便尋找一種讓U-2高空偵察機在敵軍防空雷達面前實現匿蹤的方法,項目代號為Rainbow(某種意義上可算作GUSTO項目的前身)。

  在經過無數次失敗的嘗試以後,林肯實驗室的團隊成功發明出一款名為「壁紙」的匿蹤塗層,它可以有效減少類似「扇歌」(也就是蘇制SA-2地空導彈的火控和跟蹤雷達)雷達的S波段雷達反射波(S波段的波長為10釐米),由於一個1/4波長的反射器會使機身直徑明顯增加2英寸,並使得機身表面面積顯著增加,從而增加飛行阻力並導致重量暴增,因此為降低U-2高空偵察機的飛行性能損失幅度(尤其最大飛行高度指標),林肯實驗室決定將Salisbury屏進行巧妙的鋪設,塗層從裡到外包括玻璃纖維層、一層蜂窩狀墊片、一層浸漬石墨層、一層耐久性保護層和一層塗層,由於浸漬石墨層的電子特性會使得這層表現得比實際層更厚,因此即使整個浸漬石墨層只有1/16波長的厚度,它的特性表現卻和傳統的Salisbury屏(同樣1/4波長)基本類似,從而減少了阻力和重量的增加幅度。

▲機身塗滿「壁紙」材料進行測試的U-2高空偵察機

  雖然「壁紙」材料在測試過程中取得初步成功,但當一台70MHz的雷達(類似於蘇聯的搜索雷達)從側面照射U-2偵察機時,機翼產生的反射波甚至比機身產生的反射波更強,而壁紙只能減少機身的反射波(也就是蘇聯防空雷達從前後方照射的情況下),因此美國人很快決定為U-2偵察機的表面鋪滿類似導線的設備(參考下面的示意圖),雖然詹森對於在U-2偵察機上架設如此多的導線是持反對意見的,但由於RCS值的預期減小幅度十分可觀,因此詹森最後在確認能夠用試驗方法測定阻力的增加幅度以後,允許將導線結構添加到U-2偵察機上面。

  1957年1月初,兩架U-2高空偵察機被用於測試Rainbow方案,其中編號341的U-2驗證機被安排用於「壁紙」的高頻處理試驗,而編號343的驗證機被安排用於低頻處理測試,分別被命名為「秋千」和「導線」(「秋千」的外號來源於飛機表面上沿著機翼和水準尾翼佈置的鍍銅鋼絲),隨著弦向導線連接到機翼邊緣和鐵氧體磁珠以調諧頻率響應,「秋千」得以形成一個慢波結構,這個結構感應到的電流能抑制「菱形波瓣」的能量,而付出的代價就是阻力增加和巡航高度的降低。出於保密的原因,這批特製的U-2高空偵察機對外宣稱的用途為氣象研究,而它也有一個很知名的稱呼——「髒鳥」(這個外號的來源一樣非常多,有說法稱這是詹森對林肯實驗室在它的作品上面胡亂添加各種奇奇怪怪的東西而引發的不滿),最後的測試結果表明「秋千」能將雷達回波降低12dB,意味著被偵測的距離能夠減少一半之多。

  雖然「髒鳥」原型機在試驗過程中暴露過不少問題,其中341號原型機在1957年4月2日的墜毀事故(當時貼在引擎外蓋上的「壁紙」引發了引擎過熱從而導致引擎停機)意味著洛克希德公司失去了他們當時最好的試飛員羅伯特·西克,同時大規模的搜索行動也引來了諸如《芝加哥日報》等媒體的關注,不過隨後臭鼬工廠就通過殘骸和其他零部件重新拼出一架完整的U-2偵察機(畢竟U-2偵察機的翼展十分大,失控以後在落地前會進入一個典型的水準螺旋狀態,能在很大程度上減緩落地速度,從而可以減小撞擊力度,這也是為什麼我們見到的U-2偵察機的殘骸普遍非常完整的原因),最後第一架「髒鳥」偵察機被運送至B特遣隊,它於7月21日執行第一次偵察任務,隨後在7月31日再次進入黑海,「髒鳥」共執行過9次進入蘇聯境內偵察的任務,但由於所謂的匿蹤措施的實戰效果十分有限,因此「髒鳥」於1958年5月正式停止使用。

  雖然「髒鳥」專案最後的表現並不盡如人意,但Rainbow專案第一階段的成果將為日後洛克希德三馬赫偵察機家族的雷達匿蹤設計奠定堅實的基礎,至於後者究竟在雷達匿蹤方面做出過何種貢獻,它又是怎樣被譽為第一款匿蹤戰略偵察機的,我將在後續章節進行闡述。

佈置於U-2偵察機的機體表面的「導線」

▲安裝於垂尾和方向舵上的「導線」