空中的幽灵,使二战德国憾失一大重要的战略先机

  出品:科普中国

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我们常说,事情总有两面。就拿二战来讲,这场人类历史上空前的灾难给整个世界带来了极为惨重的损失,但从另一个角度而言,它又促进了许多新事物的发展,如电子战。

  作者:太赫兹工作室

前段时间,日本从美国方面购买的隐身战机F-35A发生了坠海事件,虽然战机的残骸没有被找到,但是F-35A在坠海之前还是出现在雷达屏幕上的,这一线索能够让日本军方探测出F-35A最后出事的方位,同时也给予了捕捞战机残骸工作一定的支持。

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  监制:光明网科普事业部

按照常理,F-35A在设计之初就是为了美军能够在夺取制空权的时候占有优势,同时为了美国陆军提供战术遮蔽。所以,F-35A的隐身设计极具亮点,它不仅能够结合进气道、机身特定材料等方面的影响,还使用连续曲面的设计对F-35A的RCS进行整机计算机的模拟,大大降低了RCS的数量级,提高了F-35A的隐身效力。不仅如此,F-35A还在红外辐射、雷达散射、纤拖曳雷达诱饵等方面大大的加强了自身的隐身特性。可以说,F-35A是隐身战斗机这一方面的佼佼者。

在此之前,我们先来讲个有趣的故事:早在“海狮计划”期间,英军的猛烈抵抗给德军带来了很大的损失,他们的雷达让德军飞行员感到十分头疼。1942年的一天,有一位德军工程师提出了一套对付英军雷达的方案,戈林听后十分激动。然而他转念一想,如果德军将这项技术发扬光大,那么英军不就可以拿它来对付德军了吗?结果,戈林不但禁止研发,还下令将大量已经取得的研究成果全部销毁。

  1943年7月24日深夜,英军开始了空袭德国汉堡的战斗。汉堡拥有强大的防空力量,城市周围有54个大口径高炮连,22个探照灯连,3个烟幕站。在港口附近有20个雷达地面引导站,还有6个可供夜间歼击机使用的机场。英国出动了791架的各类飞机,组成了长320千米、宽32千米的巨大飞机方阵,以每小时360千米的速度向汉堡飞来。当时,德军已经装备了“维尔茨堡”、“曼海姆”、“弗里亚”等雷达。这些雷达本已经发现了这批庞大的机群,但是雷达屏幕上这些飞机竟然在“繁殖”,目标回波开始增加,总数达到了上万架飞机,德军马上乱作一团,雷达无法提供正确的目标信息,德军的夜间战斗机只能在空中盘旋,等待地面的引导。雷达控制的探照灯漫无目的地在四处寻找目标,炮瞄雷达无法工作,高炮只能朝天空胡乱射击。这次大规模空袭中,英军飞机没有受到任何阻碍,仅用两个半小时,就将2300吨炸弹投落在汉堡港口和市中心,汉堡遭到了巨大的破坏。而英军飞机只损失了12架,占出动飞机总数的1.5%,低于以往的6%。

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戈林的确是糊涂,他的短视可谓是害惨了德军。他并没有意识到从那时开始,影响到今天的电子战就已经开始发展了。

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针对F-35A的强效隐身性,就有人提出疑问了,F-35A既然是一个隐身战机,又是怎么被雷达探测到的呢?毕竟,F-35A如果能够轻易被雷达探测到自身的位置,不仅会暴露自己,甚至还会让己方的战术策略被敌方获悉。

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  被干扰的雷达的显示屏(来源:维基百科)

理论上讲,雷达探测到相应的信号才能够获得目标的准确位置,现代雷达不同于二战时期的屏幕上观察反射雷达波,而是首先使用高通滤波将通带和阻带进行分离,让信号中夹杂的背景噪声可以通过数字电路或模拟电路来去除干扰;其次,雷达探测还需要使用低通滤波来逐步净化信号,让信号图像周边的地形能够达到清晰可见的一个地步。最后,雷达结合低通滤波提供的地形,将雪花的像素变化频率的数据流进行分析,识别出该目标是什么东西。

在电子战的发展方面,英国人无疑是先行者。在保卫英国的战斗中,英国人使用大量机载和地面无线电通信干扰台、发射假引导指令的地面电台和大功率地面干扰战等电子装备,对德军无线电通信网、战斗机及轰炸机的引导雷达QAY-2弹道导弹的无线电遥控系统施放干扰信息和无线电假信息,使其迷失方向、不能接受指令或偏离目标,从而有效地挫败了德军企图以轰炸、导弹和航空兵摧毁英国空军和目标的企图。

  取得如此巨大成功的原因其实很简单,英国人动用了秘密武器——“窗口”。“窗口”其实就是我们经常听到的箔条。箔条是使用最早和最广泛的一种无源干扰技术,在二战前就有人提出了相关概念。1943年所罗门群岛战役后期,日本海军航空兵首次在实战中使用箔条,但由于投放的数量太少,效果不佳,在日后的战斗中极少使用。英国和德国都发现了箔条的强大能力,但考虑到使用箔条很容易被敌方模仿,并且自身没有反制手段,两国都将其视为最高机密,轻易不使用。

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海上敌对双方为争夺大西洋而展开的电子战更为激烈。德军潜艇利用波吸收材料,得以及时隐蔽、狡猾地逃脱盟军的打击,以及小的代价换取了对方极大的损失。当盟军改变雷达参数,试图躲避德军潜艇侦查时,德军也做出了相应的改变。就这样,双方借助反潜雷达与潜艇察设备反复争夺着大西洋的制海权。西欧战场上,英、美空军至少投入了5种型号的无线电反射体和10种型号的有源干扰机,甚至发明了投放箔条干扰的手段。

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但是,即便是这样的情况,F-35A应该也很难被相关雷达探测到具体位置。这个时候,就要提到RCS指纹了,由于飞行器和雷达的夹角会随着飞行器的路径运动而变化的原理,在隐身飞机产生的RCS的基础上,飞行器的飞行信号回波的的强弱会产生RCS指纹,让雷达探测出RCS指纹中的回波,然后,雷达就可以根据探测到的回波进行数据分析,识别出该段飞行回波是何种飞行器。

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  英国的“窗口”箔条(来源:维基百科)

不过,隐身飞机的雷达回波信号能不能在敌对目标的火力范围之外探测到,也是一个值得考量的问题。毕竟自己的雷达处理器在一个“危险范围”内探测到隐形飞机的具体位置的话,雷达探测仍是在做无用功。

为了干扰敌军通讯,英军就曾在1943年7月24日~25日两天之内先后出动746架飞机,在德国汉堡上空投下了9200万根、总重超过40吨的箔条。

  箔条通常由金属箔切成的条、镀金属的介质或直接由金属丝制成。箔条使用最多的是半波长的振子,也就是箔条长度为雷达波波长的一半(实际比一半略长),这种振子对电磁波的谐振、散射波最强,材料最省。箔条产生的回波类似噪声,能够掩盖目标的回波。为了能够干扰不同极化和波长的雷达,箔条也采用长达几十米甚至上百米干扰丝。

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英率先应用有源和无源干扰相结合的方法,使干扰效果达到最佳,使德国雷达饱和、紊乱而不能发现及确定空袭飞机的坐标,使击落一个地方空中单位的“成本”大大增加。例如,原本击落1架飞机平均仅需要约800发子弹,现在则需要至少3000发。

  半波长振子的缺点也很明显,其频带很窄,只有中心频率的15%~20%。为了增加频带的宽度,可以采用两种方法。一个是增大单根箔条的直径或宽度,但这样增加的带宽量有限且重量太大,容易影响相关性能。第二种方法是将不同长度的箔条混合包装。

这个时候,我们就要提到当时坠海之前,探测到F-35A的关键的装备——龙勃透镜了。龙勃透镜虽然看起来只是一个利用巧妙角度,将几个铁片进行合理的组成的角度反射器。但是其实,它能够将雷达的反射截面积进行扩大,让雷达的探测范围不再局限于雷达原本的的物理截面。这一现象是由于龙勃透镜特有的金属反射层能够汇聚雷达入射的特定波长的电磁波,然后再通过透镜进行反射,一来而往,雷达的反射截面自然就被龙勃透镜进行放大了。

在举世瞩目的诺曼底登陆中,盟军投入飞机超过1.37万架,大小舰船近万艘,总兵力约280万人,携带有大量机载和舰载干扰机、箔条投放器、雷达假目标和假设备以及装填有耦极子反射体的舰载火箭和炮弹、角反射器及发烟罐等。在战役进行的同时,盟军还对德军投放了大量的有源和无源干扰,设置了大量假目标,并用猛烈火力推毁北岸德军通信枢纽及约80%的雷达站,致使德军雷达和通信指挥系统完全痪,使盟军登陆作战得以成功。德军苦心营造的“大西洋死亡墙”的神话破灭。在这次战役中,盟军无意中开辟了电子战的新纪元。

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  两种不同长度的箔条(来源:维基百科)

当然,龙勃透镜不仅仅只有这个功能,它还能够通过反射,给敌对目标释放错误虚假的信息,让敌对目标无法获得自身的定位。

德军对这种战法同样运用得十分娴熟,例如在1942年2月,德军就利用舰载无线电干扰机对英国岸防雷达实施干扰,使其大型分舰队悄悄地撤离法国海军基地布勒斯特。

  箔条使用方便、价格低廉的特点和优异的性能使它在战场上得到了日益广泛的应用。用于在主要攻击方向上形成干扰走廊,以掩护部队接近重要军事目标,或制造虚假的攻击东西。洲际弹道导弹在中段可以通过布撒箔条掩护弹头。飞机和舰船受到雷达制导的导弹攻击时,大量抛撒箔条,形成箔条云以掩护自身。

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在苏德战场上的各大战役中,苏军都发挥了电子侦察和电子干扰的效能,并于1943年2月把以往的干扰小组改编为独立无线电干扰营。自此,电子战部队正式投入到军级战役的协同作战,在很宽频域搜集和分析敌方电子装备辐射的电磁波,截获了大量德军作战情报信息,并对德军实施高强度干扰,成功地使电子侦察部队与炮兵协同作战,以摧毁敌炮兵阵地和指挥通信网,并及时地对被围德军实施“无线电封锁”。

  除了箔条,反射器也是一种常用的无源干扰器材。一块理想的导电金属板,当其尺寸远大于波长时,可以对法线方向的入射波产生强烈的反射,其雷达反射截面积与金属板面积的平方成正比。因此,如果入射波方向偏离法线方向,有效反射面积就会显著减小。针对这些特性,科研人员研发了多种质量和尺寸较小并由较大有效发射面积的反射器,例如龙勃透镜反射器、角反射器、双锥反射器。

通过日本这次的F-35A坠机事件,我们也能能够看出,拥有“高”、“精”、“尖”的先进武器是一件多么重要的事情,它不仅能够提高国家自身的硬实力,还能够在探测、搜救上做出许多的贡献。毕竟,如果日本没有龙勃透镜这个装备,日本想要打捞出F-35A,无疑是大海捞针。

二战后期,苏军的机载干扰器材,对德军地面、防空及航空兵部队的指挥通信网破坏极大,有力促进了苏军战略反攻的胜利。同样的,在整个二战期间,仅英美用于电子战役投掷在德国领空上的箱条至少20万吨。

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  三角反射器(来源:维基百科)

1941年12月3日,在国民党军委会从事破译密码工作的青年池步周截获并破译出日本在太平洋战场计划偷袭珍珠港的“虎虎虎”密码电文,国民党政府及时密告美国总统罗斯福,美国方面却半信半疑,而未采取防范措施。12月7日日军果然偷袭了珍珠港,炸沉了美海军主力舰5艘、重创3艘,炸毁机场各种飞机347架,美国损失惨重。

  角反射器分为三角反射器、圆形反射器和方型反射器,虽然方型反射器的效果最好,但在实际使用中一般选择三角形反射器。角反射器的雷达截面积与雷达波束的波长成反比,因此针对波长普遍较小的火控雷达有很好的效果。龙勃透镜反射器是在龙博透镜的表面加上金属反射面构成的,根据所加金属面的不同有不同的波束宽度。龙勃透镜反射器的优点是重量轻、体积小,却有很高的有效面积,缺点是造价昂贵,适合对重量敏感的航空器。

次年春,美军截获监听并破译了日军“AF”行动密电码及日军联合舰队司令、海军大将山本五十六向中途岛进发的日军下达的各项命令,美军在中途岛东北约300海里海域进行伏击,集中了一切可集中的打击兵力(包括航母“企业”号、“大黄蜂”号、“约克城”号等),并以鱼雷轰炸机分批轮番猛烈截击日本舰队,先后击沉日本航母“赤诚”号、“加贺”号、“苍龙”号和“飞龙”号,并推毁了大量舰載机,而取得中途岛大捷。

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  挂载龙勃透镜反射器的歼-20战机(来源:维基百科)

1943年春,日本在太平洋战场节节失利,山本五十六前往南太平洋所罗门群岛视察日程的绝密电文又被盟军破译,美军事先派出18架战斗机伏击拦截,山本座机被美机炮火击落,终于给这个日本法西斯最高海军统帅罪悉的一生画上了句号。

  随着隐身技术的发展,出现了众多隐身战机和舰艇,在非任务时期,为了保证航行安全,它们通常都会搭载反射器,确保自身“可见”。反射器可以被用作假目标压制用于搜索和目标指示的电子设备。反射器也可以做诱饵,诱饵虽然原理与假目标类似,但其作用是破坏敌方导弹的瞄准,使其脱离目标,瞄准诱饵。

19世纪末发明的无线电通讯在一战中仅扮演了普通通讯的角色,谁能想到,它竟然成为二战战场上能够左右战局的关键因素。从简单到复杂,从单一到综合,从纯“软杀伤”到软、硬”结合,从分散小组活动到组建电子战部队,电子战在世界现代战争史上拉开了电子战的序幕,直到今天仍被世界各大军事强国追捧。

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