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【历史】Ho-229真的隐身吗?

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霍顿229 v3飞机的航空考古
Thomas L. Dobrenz[1] 与 Aldo Spadoni[2]
诺斯罗普格鲁曼公司, 洛杉矶, 加利福尼亚, 90067
Michael Jorgensen[3]
Myth Merchant Films, SpruceGrove市, 阿尔伯塔省, 加拿大, T7Y1E9
[1]总监,精确打击技术
[2]经理,工程可视化
[3]电影制作人,MythMerchant Films


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      IP属地:上海3楼2018-11-04 00:56
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        摘要
        这份文件是一份关于德国第二次世界大战飞机,霍顿229 v3的雷达散射截面(RCS)设计特性的报告。此飞机由专攻飞翼飞机研制的霍顿兄弟设计。德意志第三帝国资助他们研制一架飞机以击败英美盟军战斗机及防御系统。在二战的最后几个月,美军在德国的一个绝密工厂发现了一架先进的蝙蝠翼喷气式飞机。如果当初纳粹工程师有更多时间,这架喷气机是否已经最终改变了战争的结局?若有的话,设计者们使用什么RCS降低特性来击败当时的雷达防御系统?这些问题已经被历史学家争论数年。 Michael Jorgensen,来自Myth Merchant Films,一家发行历史纪录片的公司,与诺斯罗普格鲁曼公司的隐身方面的专家合作,来解答这些争议已久的问题——关于霍顿229 v3的隐身能力。现代RCS工具被用于检视已知的一架保存于华盛顿DC的Smithsonian国家航空航天博物馆的霍顿229 v3。现代技术构建了一个全尺寸RCS模型来模拟暴露于电磁能中的霍顿229 v3飞机。原始的飞机结构为钢桁架设计与木质蒙皮。RCS模型由木质制成以复制原始设计,而复杂的部分以现代技术制造,如立体平版印刷。诺斯罗普格鲁曼公司以与第二次世界大战中盟军雷达系统相同的电磁频率,在其位于加利福尼亚的户外RCS测试设施测试了全尺寸复制品。成像技术被用于了解霍顿229 v3的主要RCS散射源。霍顿229 v3受到实际评估。雷达探测距离根据雷达系统的不同而(被缩减)约6英里到20英里。速度也是霍顿229 v3胜过当时的传统战斗机/轰炸机的主要因素。


        IP属地:上海本楼含有高级字体4楼2018-11-04 00:56
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          术语
          ° = 度
          CAD = 计算机辅助设计
          CH = ChainHome / 本土链(雷达系统)
          dB = 分贝
          dBsm = 分贝相对于每平方米(译者注:也作dB(m²),通常RCS负值则为“隐身”飞机)
          g = 重力加速度
          GHz = 千兆赫
          ISAR = 逆合成孔径雷达
          kg = 千克
          km/h = 千米/时
          lbs = 磅
          MHz = 兆赫
          mph = 英里/时
          RADAR = 无线电探测与测距,即雷达
          RCS = 雷达散射截面
          RF = 射频
          UHF = 超高频
          VHF = 甚高频


          IP属地:上海本楼含有高级字体5楼2018-11-04 00:56
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            I. 介绍
            第二次世界大战最后阶段,美军发起了回形针行动,即多个情报部门协作,俘获先进德国武器科技、交流研究材料、防止其落入苏军之手。其中,美国人成功俘获了一架当时正在进行最后总装的完好无损的Ho-229 v3。这是一架由Reimar Horten和Walter Horten设计的独特的战斗/轰炸机。这是一架喷气推进的飞翼飞机,在钢桁架结构外包裹着几乎全部使用胶合板制的蒙皮。Ho-229毫无疑问是当时世界上最先进的飞机之一。
            当被俘获的Ho-229 v3在战争结束被带回美国时,诺斯罗普公司参与了它的评估。诺斯罗普因其自身对飞翼飞机的设计经验而被选中。自1939年的N-1M开始,Jack Northrop一直在独立地建造和测试飞翼飞机。
            Ho-229的一个特殊方面一直被神秘和猜测所笼罩。它是一架真正的隐身飞机吗?许多人已经猜测这实际上是世界上第一架特别设计以使其难以被雷达探测的飞机,是第一架结合了现在所谓低可侦测性或隐身技术的飞机。毫无疑问的是没有垂尾和平尾的纯飞翼外形通常有望具有更低的雷达散射截面,相比起传统飞机设计。但是可观的证据证明:追求这种设计是因为这种设计固有的气动特性,而非出于隐身。第二次世界大战结束很久之后(译者注:可能为1983年),Reimar Horten声称用于组装飞机的木胶中混入了木炭粉,以吸收来自雷达的电磁能。他进一步声称,这项技术能够有效地使飞机免于英国地基预警雷达,Chain Home / 本土链,的探测。他人已经推断了Horten是在第二次世界大战结束数十年后作出的宣称,在他了解现代隐身技术之后。


            IP属地:上海本楼含有高级字体6楼2018-11-04 00:57
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              Myth Merchant Films,一家发行历史纪录片的公司,与现在代表诺斯罗普格鲁曼公司的隐身方面的专家合作的目的是,探索并可能地解答部分这些引人好奇的问题。计划是建造一个全尺寸雷达散射截面(RCS)模型,由木质制成以复制原始设计,而复杂的部分以现代技术制造,如立体平版印刷。诺斯罗普格鲁曼公司将以与第二次世界大战中盟军雷达系统相同的电磁频率,在其位于加利福尼亚的户外RCS测试设施测试全尺寸复制品。成像技术将被用于了解霍顿229 v3的主要RCS散射源。Ho-229 v3的飞行性能特性将被建模并且使用诺斯罗普格鲁曼大量的模拟设施进行评估。


              IP属地:上海7楼2018-11-04 00:57
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                美国人不是捣鼓了个木头模型然后在纪录片里煞有介事的说这带有隐身效果么


                IP属地:加拿大来自Android客户端8楼2018-11-04 00:57
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                  III. 对霍顿229的评估
                  A. 对目前的霍顿229的物理检验
                  在建造RCS测试模型之前,诺斯罗普格鲁曼的工程师首先检查了目前现存的Ho-229,保存于华盛顿DC的Smithnonian Garber国家航空航天博物馆。团队怀着崇高的敬意处理这件惊人的工艺品。团队测量了外形尺寸并随后与Arthur Bentley提供的Ho-229设计图纸进行了比较。便携式电磁设备用于测量飞机的多层木质前缘部分。蒙皮大约3/4英寸厚。测试显示出与纯胶合板不同的电磁性质,可能对飞机内的金属结构形成了一些电磁屏蔽。
                  B. 原始制造使用的材料
                  Ho-229由1930年代的德国人能够获取到的常规材料制造。中间部分由焊接钢制成一个空间框架桁架结构。机翼由木材制成,金属油箱布置在左右机翼前缘。木质翼梁被连接到焊接钢上以承受飞机载荷。中间部分的前缘由多层薄木制成,用以制成复杂的翼型外形。当我们在国家航空航天博物馆检查Ho-229时发现,在飞机前缘的薄木层之间,有一种类似于炭黑或木炭的材料混合在胶水中。图2展示了Ho-229的前缘组成结构。使用这些老旧技术的原因之一是由于战争而缺乏铝和其他材料。


                  IP属地:上海本楼含有高级字体10楼2018-11-04 00:58
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                    C. 反射计测试
                    诺斯罗普格鲁曼利用次世
                    代传感器(NGS)来确定霍顿229的前缘表面能够反射多少电磁能。NGS收集到频宽为2GHz到18GHz的频率响应。NGS系统以宽带双极化喇叭、介质透镜、校准方法以及独特的数据处理和提取算法为特色。NGS喇叭封装在圆柱形的吸收器外壳中,配有准直透镜,以实现高度局部化的射频照射。估计的照射投影直径为5英寸。NGS喇叭的孔径暴露在外,喇叭由四根支架悬起,以尽量减少低频干扰。NGS软件支持三种标准校准方法,1) 响应和隔离,2) 三个偏移短路,3) 两个偏移短路和一个负载。这些纠错算法解决了与单端口设备相关的方向性、不匹配和跟踪错误。单独的误差校正应用在喇叭的两个极化上。NGS数据处理软件包括时域变换、门函数、窗函数、加权和去加权函数,以提高处理精度并最小化变换伪影。
                    NGS的准确性和紧凑性使飞机的吸波检查变得切实可行。利用NGS的结果显示在图3中。胶合板测试样品结果表现出周期性,由于它3/4英寸的厚度。Ho-229的前缘具有与胶合板相同的特性,除了频率零点位移并具有更短的频宽。这表明Ho-229的前缘的介电常数高于胶合板测试样品。两个试验的相似性表明设计使用炭黑型材料产生了一种比较差的吸波剂。


                    IP属地:上海本楼含有高级字体11楼2018-11-04 00:58
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                      IV. 全尺寸霍顿229的再造
                      A. 模型制造
                      诺斯罗普格鲁曼公司的低可侦测性工程团队拥有丰富的经验。几十年来,无数的结构已经在所有可能的雷达频率范围内被照射过。上到全装的飞机和模型,下到单个部件代表了自莱特兄弟以来研制的所有形式的飞机布局和材料。与经验主义测试结果相比,低可侦测性计算基数已经得到了相当的改进和验证。
                      在制定模型建造方案之前,诺斯罗普格鲁曼公司的工程师获得了Arthur Bentley准备好的全套精美Ho-229布局图纸,而Bentley本人也是该项目的一名顾问。
                      根据这些信息、实际飞机的检查,以及可观测量经验的深度和广度,工程团队相信他们可以弄清楚如何构建Ho-229的RCS测试模型。该团队已经对这架飞机有了非常详细的技术理解,以及如何有效地模拟它以确定其电磁特性。
                      团队的高级低可侦测性工程师讨论了重建桁架结构的可能性,但这将导致成本过高,并且工程师确定这不是必要的。为了获得所需的初次结果,用高级胶合板建造模型,在内部和外部设精心设计各种导电涂层,以模拟内部结构,就足够了。专业的油漆和涂料是关键,这在许多以前的项目中得到证实。
                      工程师基于Bentley的图纸制作了飞机的3D CAD模型。CAD模型用于制作内部胶合板结构布局。计算机辅助工具被用于切割各种翼梁、隔板和其他结构元件。该飞机分为三个主要部分,两个机翼和中间部分。玻璃纤维和碳纤维技术在某些区域用于提高强度并且模拟复杂的轮廓。座舱盖由几块聚碳酸酯组成。经过多次试错试验后,这些部分将被加热并手工成型在座舱盖形状的模具上。立体平版印刷用于制造复杂的组件,例如进气道唇口和涡轮喷气发动机压气机面。
                      B. 准备测试
                      诺斯罗普格鲁曼公司Tejon RCS测试设施位于加利福尼亚州的特哈查比山脉。它是一个专为电磁测试而设计的室外平面反射阵列。可用的RCS测试频率范围为145MHz至18GHz。所有频段均提供成像功能。这些阵列可在14英尺或26英尺的目标支撑杆上处理重达8000磅的目标,射程长度为1500英尺或3000英尺。模型车间可用于目标的组装和/或改装,并提供目标存储设施。
                      数据由每个能够同时测量八个频率的目标旋转协同提供。频率扫描可以设置为128、256、512、1024个频率每啁啾。数据输出有多种格式,包括硬拷贝、磁性和光学。各种图表形式可用于数据输出,包括直线相干图、极坐标相图、中值相干图、扇区统计、ISAR图像、像素转储、图像编辑和重建以及全局图。
                      从145MHz到2GHz,垂直和水平极化以及相对于飞机的0°和-5°的锥形高度,收集了200个离散频率(幅度和相位)的相干RCS数据。
                      C. 结果和数据汇总
                      当今的技术使我们能够收集足够的数据来回答有关Ho-229的一些历史问题。许多人推测这实际上是世界上第一架专门设计为低可侦测性的飞机。现在我们有RCS测试数据来回答其中的一些问题。首先,炭黑型物质在前缘多层板中的物理混合可能表明霍顿兄弟试图在飞机上制造某种吸波剂。这种吸波剂被证明是不成功的,只增加了前缘的介电常数。这从长远来看本可能有助于屏蔽内部管状结构和部件的射频能量。然而,必须记住,与传统飞机设计相比,通常没有垂尾或平尾表面的纯飞翼布局具有较低的雷达横截面。但有大量证据表明,最初采用这种设计,是由于设计固有的空气动力学特性,而非因为隐身。
                      速度和较低RCS的结合有助于减小探测范围,这使得Ho-229具有明显优于当时传统战斗轰炸机的优势。探测范围和速度之间的结果汇总如图4所示。我们的模型测试和分析表明,Ho-229的探测范围降低了17%至20%。这将显著影响盟军战斗机的反应时间。然而,如果Ho-229速度上的潜力能够实现,它将比当时的传统飞机快得多,并且留给盟军的反应时间将减少大约47%。


                      IP属地:上海本楼含有高级字体12楼2018-11-04 00:58
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                        收集到的相干RCS数据经过分析,图5至图8呈现了全尺寸Ho-229 RCS极点模型的典型线性RCS图。Each plot is at -5°elevation (relative to the aircraft) and for each frequency in the bands ofconcern, VHF, UHF, and L-Band for Horizontal polarization. (译者能力有限)
                        数据以足够精确的频率收集以创建Ho-229 RCS目标的图片。这些图片是ISAR图像,可以成为定位Ho-229 RCS目标散射区域的有用工具。通过旋转目标并使用傅里叶变换算法处理散射中心的合成相变以制成ISAR图像。This operation issimilar to the generation of a large synthetic aperture phased array antennaformed by the coherent summation of the receiver outputs for changing target /antenna geometries. (译者能力有限)对于小角度,ISAR图像是接收信号作为频率和目标方位角的函数的二维傅里叶变换。图9是二维ISAR图像。颜色的强度与各个像素的RCS值相关。Ho-229的机头和进气口是飞机前部的主要散射机械元件。






                        IP属地:上海13楼2018-11-04 00:58
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                          V. 结论
                          Ho-229在当时是一架非常先进的飞机。根据对原始Ho-229的检查,很明显霍顿兄弟试图采用雷达吸波材料。尽管该材料不能用作射频吸波剂(译者注:世界上第一种射频雷达吸波材料为英国制DX-3,首次试验于博尔顿保罗Balliol轻型飞机WG125上,显著降低了雷达回波,但由于螺旋桨的存在探测距离变化较小;此后,喷涂DX-3的堪培拉轰炸机WK161在赛福德进行的试验证明DX-3的高效性,显著降低了雷达探测距离),但外模线的介电常数的增加确实有助于屏蔽飞机内部免受射频能量的影响。我们对Ho-229的测试和复制是利用导电材料来模拟机身前缘和机翼的屏蔽效果。霍顿兄弟是经验丰富的滑翔机设计师,他们尽一切努力来减小阻力。这包括将发动机和排气口整合到机身中并从机身上移除垂尾。对现代飞机隐身特性的显著贡献就是从这种平板的外形而来。从当时的角度来看,Ho-229对抗雷达探测的效果比传统战斗轰炸机更好。即使是传统战斗轰炸机能与Ho-229以相同的速度飞行,Ho-229也能在避免探测方面取得0.5分钟至2分钟的优势。而速度是Ho-229的一大优势。
                          对它所在的时代来说,Ho-229绝对是飞机设计的突破。如果德国人成功地大量部署了Ho-229,那么其增加的速度和较低的被探测范围可能足以击败第二次世界大战的雷达系统和盟军飞机。


                          IP属地:上海本楼含有高级字体14楼2018-11-04 00:59
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                            IP属地:上海15楼2018-11-04 00:59
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                              ——American Institute of Aeronautics and Astronautics——
                              ——美国航空航天学会——


                              IP属地:上海本楼含有高级字体16楼2018-11-04 00:59
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