“真实”的太空战舰——探测与隐身
啰嗦两句。看过引言的朋友应该记得这个提问： 如何评价这部科幻小说中的军事桥段？
其中不少回答都着重提到“探测”相关的问题，有朋友认为太空战斗中根本不存在隐身，小说中的电磁对抗毫无意义。这与我的看法截然不同，促使我开了这个专栏。到底谁对谁错呢？咱今天好好讨论讨论。
1、概述
任何形态的战斗中，侦察都是重中之重，甚至高于杀伤。做得好是单方面屠杀，做得不好则是王八拳乱挥。而探测和隐身正是“侦察”的攻防两面。
正式开始前，先明确什么是探测、什么是隐身。
军事探测的目的是啥？在嘈杂的背景环境中发现、识别敌人，最好在敌人发现我前发现他。因此，肯定是探测距离越远越好、探测速度越快越好。如此一来，后续无论是部署还是攻击都能获得战术优势。
反过来便是隐身——迫使对方探测的距离越近越好、速度越慢越好。
请注意！隐身并不意味着完全消失！
有时候真的服气很多人谈论战争时的“绝对化”思想：
- 好的装甲要挡住所有炮弹。
- 好的武器要横扫任何防御。
拿隐身战机来说，其“隐身”的实际效果是降低敌方探测距离，靠近了照样能发现。并且该效果是针对特定方向的，一旦从侧面、腹部、顶部进行照射，其RCS（Radar Cross section）会迅速增大，甚至与普通战机无明显差异。
当然，探测这事儿也没那么简单，不等同于游戏里的插眼开视野。
探测可以粗分为发现和锁定两个阶段，其中发现又可以分为早期预警、特征识别、身份认定等过程。只要能干扰其中任何一个阶段，那都可以称之为广义的隐身。
- 隐身可以是隐藏身体，也可以是隐藏身份，更可以是隐藏身法！
- 让敌人找不到、认不出、瞄不准！
如果你接受上述定义，那欢迎继续阅读交流；如果你仍然沉迷于“绝对化”的思想无法自拔，那还是关闭本页面吧，再往后看也是闹心。
这应该是本专栏至今最不友善的概述了。不好意思。
2、传统雷达
科普雷达原理时，“黑暗中的手电筒”是最常用的例子——在密室中藏了个歹徒，你想找到他，但苦于一片漆黑，为了看清歹徒的位置，方法大致有两种：
- 换个眼睛。“黑暗的密室”并非绝对无光，只是孬弱的人眼无法分辨。假如换上一具采光能力更强的眼睛，我们也许就能捕获到歹徒身上反射的微弱光线
- 拿出手电筒。主动创造光源，逐步照亮屋内的每个角落。一旦发现歹徒，立即用光束持续对准他，使其无法遁形。
上述第一种方法对应被动探测，第二种对应主动探测。两者的优缺点已经说烂了，我简单总结个大概——被动探测能力相对差但胜在隐蔽性，主动探测能力相对好但同时暴露了自己。
手电筒的例子过于劣化了现代主动探测的隐蔽性。
手电光的“波束性”非常差，再加上光在空气中的散射，导致即使偏离实际照射方位（不在手电光的范围内），对方也能清楚的看到光源位置。
极端情况下，我们在太空中使用完全无扩散的理想激光作为雷达波，那么敌人并不会提前发现我们（先忽略激光源的热辐射），最多也就是同时相互发现。这也是激光雷达拥有“隐蔽性好”的原因之一。
手电筒相比激光并非一无是处。
手电筒的照亮范围大，所以在探测大范围空间时，能更加迅速的完成任务。那么激光和手电筒到底谁更好呢？要回答这个问题，我们进一步看看雷达索敌的实际流程。
本来准备上雷达公式，但想想还是换个方式。大家应该还记得“导弹”篇中的这张图吧？
雷达的探测能力与其能量密度正相关，这一点不上公式相信大家也能直观理解。假如搞个四面撒网（球面均摊），那雷达能量将会平方衰减。而且别忘了，雷达是探测回波，能量从目标反射回来还要再衰减一次！
听起来相当低效！况且这种行为和广播自己的位置无异。
实际应用中，大部分雷达会将能量集中于限定方位角内，以增强给定功率下的探测精度和距离（简化讨论，这里继续假设理想情况，即能量均在雷达主瓣内）。
由于方位角限制，雷达无法在同一时间覆盖全部空间，因此需要扫描，而扫描需要时间。
矛盾出现了——探测精度（距离）vs探测速度。
许多主张外太空“清澈透明”的朋友都喜欢拿人类当前的太空观测技术举例。例如各种望远镜绘制的宇宙图像、NASA的小行星监控计划等。
例子没错，但必须注意，这些探测并非在几分钟之内完成的！为了保证精度，几乎所有太空观测设备的视场角都非常窄，意味着它们扫描整个天球需要很长时间。
“计划在光学舱里架设一套口径两米的巡天望远镜，分辨率与哈勃相当，视场角是哈勃的300多倍。如果在轨十年，可以对40%以上的天区，约17500平方度天区进行观测。”
上文是对中国巡天望眼镜的一段描述，大家自己品吧（整个球体大约41252平方度）。
咱做个简单估计，半径1光秒的天球，根据球面公式，总面积大概是1,000,000,000,000平方公里，目标飞船的等效面积算0.1平方公里（为了满足识别精度，单位像素大小怎么说也得与目标同数量级）。
设每次采样的分辨率为1000 x 1000，耗时0.001秒，即每秒100,000,000平方公里。不考虑采样的overlapping，要多久呢？
10,000秒，2.7小时！如果劣化部分参数、引入overlapping，时间还会更长！
当然了，实战中这个问题很容易规避：
- 发现敌人大概率不必扫描整个球面。
- 阶梯化探测，先进行低精度快速扫描，确定大致方位后再提升精度。
- 多战舰组网，各自负责一小片球面区域。
- 通过其他支援设备（后方超大功率雷达）提前确定敌方大致方位。
- 根据情报或天体环境提前估算敌方大致方位。
相比发现，锁定对于太空雷达来说更加轻松。
考虑到探测距离和飞船机动力的巨大差异，保持照射不需要视角的快速变换，所以并非难事。以目前蓝星的科技，已经可以完成在太阳系内对人造、自然天体的实时追踪（注意，这些天体都很“乐意”被锁定）。例子查查各国的航天史即可，不多说。
结合前文，再加上宇宙环境对雷达的天然增幅：没有大气、没有地平线……可以得出结论，在缺乏对抗手段时，太空中确实无处可藏！
好消息是，不用上太空，蓝星的科学家们已经为我们准备了一大票反制雷达的方法。
我直接引用了：
外形隐身 是实现武器装备隐身的最直接、最有效的方法。外形隐身技术的实质是将目标的强反射源转换为弱反射源，即通过改变目标的外形设计，在一定角度内增强目标的反射或折射效应，减小RCS。
材料隐身 按工作原理可分为三种类型：一是材料吸收雷达波后，以能量损耗的方式使电磁能转换为热能而散发。二是使雷达波迅速分散到装备全身，降低目标散射的电场强度。三是通过材料上下表面的反射波迭加干涉，实现无源对消。
阻抗加载隐身 分为无源阻抗加载和有源阻抗加载。无源阻抗加载是指通过在飞行器表面形成缝隙、腔体或加周期结构无源阵列等方法改变蒙皮表面的电流分布，从而降低一定角度范围内的电磁散射。有源阻抗加载是指在飞行器上安装转发器等信号处理元件，使其可发射与入射雷达波幅度相近而相位相反的电磁波，实现目标散射场和雷达辐射场在敌方雷达探测方向上相干对消。
等离子体隐身 通过入射雷达波作用于等离子体时的反射效应和衰减效应实现目标隐身。当雷达频率小于等离子体频率时发生反射效应，雷达显示屏只能显示虚假目标信息；当雷达频率大于等离子体频率时，雷达波进入等离子体发生吸收衰减效应，进而降低目标RCS。
对于主动干扰、欺骗、破坏等，我放在了“电子对抗”部分。
综合考虑，相比地球，太空中空旷的环境的的确确更利于雷达的发挥。但已有的反制手段依然有效，使得太空战斗中围绕雷达的博弈不会消失。只要不追求“绝对隐身”，在面对雷达探测时，逼近数千乃至数百公里内不被发现是完全可能的。
坏消息是……太空隐身的最大敌人并非传统雷达！
2、热
热探测的基本原理和雷达完全一样，也要面临探测精度（距离）vs探测速度的矛盾。不同的是，太空飞行器必定是主动热辐射源，且热辐射信号非常明显，导致对探测精度的要求大大降低，进而弱化了该矛盾的影响。
因此，许多人都同意太空中隐身最大的敌人是热辐射。
“太空飞行器的热辐射信号非常明显”，为什么？
- 太空中没有大气，红外信号不会衰减。
- 太空中十分寒冷，缺乏能够藏匿的红外背景。
- 太空中难以散热，太空飞行器的热信号难以消除。
首先，按目前技术，小半个太阳系都能观测到喷射高温尾焰的火箭喷嘴。
解决方案也不是没有：
- 喷口冷却技术。将低温介质与高温喷射工质混合，有点类似之前文章提到的二级加力火箭。问题在于如此混合会降低exhaust velocity，降低发动机性能。而且降温到底能降到多低？从3000降到2000似乎意义不大。
- 低温推进技术。冷工质推进，例如电推；或者干脆帆式推进。但由于这类推进装置的推力较小，无法进行有效的战术机动，是完全的“弹道载具”。
- 定向遮蔽技术。类似减少正向RCS的思想，于飞船前部放置一面隔热伞，阻挡热辐射信号朝某些方向的传播。
其次，即使侥幸解决了推进器，还有散热这个老大难。
燃烧室、动力中心、维生装置、电子运算模块、武器组……飞船任何一个模块的运转都会产生废热。之前简单提过，太空中的散热只有两种方式：
- 辐射散热，如巨大的辐射面板。
- 人造介质，如一次性冷却液等。
不管哪种，似乎都不利于隐身。辐射散射相当于手电筒；外排冷却液虽然不会直接暴露，但对方仍然可能通过探测高温介质推断你的行踪。
为了解决散热带来的隐身难题，人们首先想到的是“憋”——静默航行（silent running）。
静默航行大约有两种思路：
- 一种是关闭所有系统，完全掐断废热产生的源头。如此一来，飞船肯定不能带“活人”，也不能运行任何人工智能。事实上100%关闭全部系统是不现实的，飞船必须开启某些极低功耗的定时器、遥控接收装置，以保证进入战区后能正常启动。另外，该飞船在发射时（获得初始能量时）也必须要保持隐蔽，否则，由于其缺乏任何变轨能力，敌方完全可以根据初始状态轻松推断飞船的轨迹。
- 一种是通过高比热容介质将热量存在内部，表面则通过特殊物质（液氢、液氮等）维持超低温状态。这种情况下，由于介质存热总量有限，“隐身”将存在时效性。至于高比热容介质，你猜是啥？
除了静默航行，我们同样可以在处理散热时应用定向屏蔽技术。除了上文提到的船首隔热伞，还可以使用能够定向辐射的散热板，以减小飞船的可探测角。若只要求做到“瞄不准”，我们甚至可以将冷却剂制成“高温烟雾弹”，在散热同时干扰对方的火控系统。
若是大胆一些，假如你的科幻设定中存在几乎不产生废热的能源、传导效率逼近100%的超导材料、逼近绝对零度的冷工质推进，那么发热问题将根本不值一提！
补充，被动红外隐身。
看评论才发现忽略了被动隐身。
除去飞船内部废热，太空环境中的各种辐射也会导致飞船表面升温。对此无非也是两种思路：
- 吸收。这个方法一言难尽，自己的废热都搞不定。当然，如果散热技术非常牛逼、或者当前环境中的辐射生热非常小，此法也未尝不可。
- 向非敌方朝向反射。比较常规的思路，局限性和定向散热一样，只在特定方向有隐身效果。
分析下来，“热隐身”并非完全不可实现。
同时也必须承认，飞船必须付出高昂的代价——各种散热装置极大消耗了有效载荷，某些设计导致飞船失去战术机动能力等等。
但至少不像某些人说的那样，任何太空飞船都在光秒外轻松可见。
3、电子对抗
说到电子对抗，大家普遍想到的都是：一架“咆哮者”沿海飞过，路基雷达站全部失灵。
现实中的电子对抗不止于此，除了攻，还有防。ECM不但能削弱敌方的探测能力，也可以破坏对手的隐身能力。
电子对抗（ECM）是敌对双方为削弱、破坏对方电子设备的使用效能、保障己方电子设备发挥效能而采取的各种电子措施和行动，又称电子战。电子对抗分3个方面：电子对抗侦察、电子干扰和电子防御。
电子对抗相关的具体原理就不献丑了，一来我只是粗懂皮毛，二来是知乎上雷达相关的大佬一搜一大把。我简单介绍介绍概念。
电子对抗侦察是一切的基础。
电子对抗侦察的目的是搜集、分析敌方电子设备的电磁辐射信号，以获取其参数。如无线电通信的频率，雷达的频率、脉冲宽度等。
每次我海军演习时，美帝在演习区附近来回摩擦的原因之一正是这个。
电子干扰在“锁定”阶段的作用远大于“发现”阶段。
噪声干扰和欺骗干扰是两种主要的电子干扰方式，无论启动哪种，对方势必知道已遭到干扰，也就相当于“发现”了敌人的存在。
你知道我要来，而且知道我大概从北边来，但你就是打不着我。
气不气？
太空战斗中，成功锁定对方是发动攻击的前提。1000 km外想打中一个着弹面积不足100平方米，飞行速度约10 km/s、各向加速度均为10 m/s的目标谈何容易，只要能成功干扰了射击诸元中的任何一项，那武器几乎不可能成功命中（瞄都瞄歪了，激光也不好使）。
最不济，在太空中撒箔条依然好使。
电子防御常被忽视，可以简单理解为反制另外两项。
其旨在降低己方电子设备被敌截获、捕捉的概率，强化己方探测设备的抗干扰能力。比如前文提到的“如何提升主动探测的隐蔽性”，就是电子防御措施的一部分。
从不同角度看，电子防御既增强了探测方，也增强了隐身方。
针对热探测的主动干扰。
鉴于太空飞船是主动热辐射源，因此许多常规电磁干扰的手段不能直接应用于干扰热探测。
除了减少自身热辐射外，最合适的干扰办法应该是使用诱饵、假目标——人为制造屏蔽红外辐射的介质云，释放高辐射信号的无人机等等。
4、其他
环境因素。
深空战斗时，来自环境的影响会很小。不过我个人认为，从战争的根本目标出发，纯粹的深空战斗缺乏意义，未来太空战应围绕行星展开（以后找机会详细论述）。
- 如果战斗发生在行星轨道或小行星带内，那么躲藏在天体背后成为了一种可能的选择。例如以小行星为掩体不断伸缩卖头，又或者在行星背面点火然后一路静默航行。探测方也不会闲着，会释放更多轨道探测器覆盖天体背面，或是用核弹直接炸飞“小行星掩体”。
- 如果附近天体存在超强的磁场，那么环境的影响将更为丰富。例如通过引爆核弹制造EMP，破坏对方的观瞄设备，或者制造高能带电射流，为己方制造战场优势。
- 如果战斗发生在恒星周围，那也许能重演经典的空战战术——背靠太阳进攻。
最重要的是，引入环境因素后，战斗描写会精彩许多。
作战体系。
完整的作战体系是战场探测与隐身的倍增器。
- 合理分配各雷达的覆盖范围，提升索敌速度。
- 对于正向隐身的敌船，只要部署多台形成一定夹角的探测设备，即可大大提升发现距离。
- 配置专门的雷达母舰，在敌方武器射程外进行主动侦察，作战舰队则保持静默，只需单向接受母舰的信息，大大增强了电磁隐匿性。
- 与上条相反，主力舰雷达静默，而使用大量可消耗无人机进行探测。
- 多雷达战配合、多干扰源配合、防区外干扰、防区内干扰、伴随干扰……
作战体系对战斗的影响还有很多，都是蓝星人玩剩下的。这里主要是想说明，在太空战斗中，不同规模的冲突会决定不同程度的探测、隐身力量对比。切不可一概而论。
弹丸与导弹。
上述内容同样适用于动能弹丸和导弹，影响突防/拦截的成功率。当然弹丸也有其特殊性：譬如动能弹丸（铁疙瘩）不会产生废热，但在出膛时可能会携带高温（化学炮、轨道炮）；真空中无需考虑流体力学，弹丸外形设计更自由等等。
有点写不动了，欢迎大家在评论里讨论吧。
6、小结
再次强调，“隐身”旨在让对方探测自己的距离越近越好、速度越慢越好。哪怕多拖延一秒钟，多前进一公里，那都是好的！
结尾处表明个人观点：太空战舰想要隐藏自己困难重重，但广义的“隐身”绝非痴人说梦。
如同百年前人们对坦克的各种奇思妙想，上述的隐身太空船也许不会成为主流，甚至永远无法实用。可是从科学幻想的角度，我们没有任何理由否认这些理论上允许存在的设计。至少从蓝星目前的军事科技来推断，信息战大概率将主导未来战争。
正文结束！本篇还有份附录，感兴趣的朋友可以继续看看。
感谢阅读！喜欢的话请关注一波^_^
附录
我发现知乎很多人都喜欢拿《Children of a Dead Earth》说事儿，那我就贴上该游戏作者关于太空隐身的观点供大家参考（取自原子火箭）。
Carefully scanning the entire celestial sphere takes 4 hours or less.
Thruster burns of any drive with reasonable power can be detected all the way across the solar system (billions of km away).
Even with engines cold, the heat from radiators attached to life support will be detectable at tens of millions of km away, which is still far too large to get any sort of surprise.
Radiating heat in a single direction (away from the enemy) is easily defeated by fielding a number of tiny detector probes which idly coast about the system.
Additionally, the narrower of a cone in which you radiate heat, the larger and larger of radiators you need to field. A 60 degree cone of radiation is roughly 10% as efficient, and it only gets worse the tighter of a cone you have.
Making a huge burn and then trying to stealthily coast for months to the target is do-able, but as long as your enemy can track your first burn, they can very accurately predict where you'll be as you coast across the solar system. And you still have to worry about radiating your heat for months.
Decoys are only really viable on really short time scales, such as in combat. Over the long term, study of a decoy's signature over time will reveal it's true nature. It would need a power source and engine identical to the ship it's trying to conceal, as well identical mass, otherwise the exhaust plume will behave differently. This means your decoy needs to be the same mass, same power, same engine as your real ship, so at that point, why not just build a real ship instead?
Hiding behind a planet to make a burn is not really feasible. All it takes is two detectors at opposite sides of this planet to catch this. In reality, a web of tiny, cheap detectors spread across the solar system will catch almost all such cases.
A combat-ready ship will require very hot radiators for its nuclear power-plant for use in combat. If these radiators are going to be completely cold for the journey, they will suffer enormous thermal expansion stress when activated. In order to avoid this, very exotic and expensive materials for your radiators will be needed to get from 10 K to 1000 K without shattering. Not only that, your radiator armor will need to be similarly exotic, which means it will likely not be very good at armoring your radiators anyways.
Now there are plenty of dissenting views. Certain partial solutions, such as using internal heat-sinks, and so on, are pointed out, but they all are very limited.
Ultimately, stealth in space is somewhat possible, but current proposed solutions are either ridiculously expensive, impractical, or require you to accept limitations that defeat the purpose of stealth in the first place. Indeed, rather than consider it a 'yes-or-no' question, it's simply a matter of how close you can get to the enemy before they detect you.
With that all in mind, I will admit that at the beginning of my project, I was dead set on getting stealth to work in space warfare. Ultimately, I came to the conclusion that while stealth in space is certainly possible, it is not feasible given mass, cost, and time constraints. If you want stealth, you need to pay the price of decades-long travel times, enormously massive ships, vastly reduced military effectiveness, or all of the above all at once.
传送门
“真实”的太空战舰——引擎
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