高速列車暴露癥候及偽裝防護(hù)對(duì)策

崔傳安，姜萬(wàn)春，董 鑫，孫云厚

(解放軍理工大學(xué) 工程兵學(xué)院，南京 210007)

戰(zhàn)時(shí)高速列車將承擔(dān)部隊(duì)成員運(yùn)輸和戰(zhàn)略力量投送的任務(wù)，搭載高價(jià)值軍事目標(biāo)的高速列車將成為敵精確制導(dǎo)武器的重點(diǎn)打擊對(duì)象。隨著軍事偵察技術(shù)的高速發(fā)展，若高速列車不采取有效地偽裝措施，極易被敵鎖定摧毀。為了免受敵方精確制導(dǎo)武器打擊，戰(zhàn)時(shí)特種高速列車必須采用有效的偽裝措施，使其在敵偵察設(shè)備和打擊武器面前遁形。

1 高速列車的軍事價(jià)值

我國(guó)高速鐵路正在快速發(fā)展，高速列車在應(yīng)用在軍事上，能提升部隊(duì)的遠(yuǎn)程投送能力，加快戰(zhàn)斗力的迅速集結(jié)和機(jī)動(dòng)部署。首先高鐵相對(duì)于公路、空運(yùn)有載量和速度上的優(yōu)勢(shì)。例如將一個(gè)輕裝摩步師投送到千里之外的戰(zhàn)區(qū)，選擇空運(yùn)需要大型運(yùn)輸機(jī)和200 座客機(jī)21 架次，輸送時(shí)間為10 個(gè)小時(shí)，利用高鐵則一列列車5 小時(shí)即可完成兵力調(diào)動(dòng)［1］。其次高鐵覆蓋面廣、體系成熟，到2020 年我國(guó)將建成總長(zhǎng)120 000 km，包括“四縱”、“四橫”客運(yùn)專線及3 個(gè)城際客運(yùn)系統(tǒng)。屆時(shí)將聯(lián)通華北、東北、華東、中南等幾大區(qū)域，覆蓋95%以上的大中型城市，一旦戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，各戰(zhàn)區(qū)之間的互聯(lián)互通能力將得到極大的加強(qiáng)。

2 高速列車暴露癥候

高速列車的主要背景是高速鐵路，高速鐵路在光學(xué)紅外及雷達(dá)波段均與高速鐵路有明顯的差異。

2.1 光學(xué)暴露癥候

1)車輛外形。高鐵具有棱角分明、線條清晰的規(guī)則外型，能夠被敵方輕易地從高速鐵路上區(qū)別辨認(rèn)。

2)表面涂料。高鐵的涂漆顏色以白色為主，而鐵路的鐵軌一般呈黑色，路基則成光亮的淡灰色長(zhǎng)條，路基碎石一般為灰黑色，因此高鐵列車與高速鐵路兩者的色差極為明顯，在很遠(yuǎn)的距離上即可將高速列車從高速鐵路中區(qū)分出來(lái)［2］。

3)高光部位。高速列車上部分設(shè)備如車窗玻璃和車頭燈反光強(qiáng)烈，暴露特征極為明顯。

2.2 紅外暴露癥候

1)車體材料。由于機(jī)車主要材料是金屬材料，相對(duì)于枕木和路基熱慣量較大。測(cè)試表明，在晴天情況下上午7 時(shí)左右，車體的紅外輪廓就顯現(xiàn)出來(lái)了，中午時(shí)分紅外輪廓最為明顯。

2)動(dòng)力組件。由于機(jī)車的功率往往在千瓦級(jí)別以上，動(dòng)力組件的溫度往往很高，另一方面車體與車軌摩擦也會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，使得在夜間車體紅外特性明顯的區(qū)別于鐵路，極易被紅外偵查設(shè)備發(fā)現(xiàn)。

2.3 雷達(dá)暴露癥候

一方面由于高速列車的車身蒙皮由鋁合金材料構(gòu)成，其相對(duì)介電常數(shù)在80 以上，是雷達(dá)波的強(qiáng)反射體，在雷達(dá)上成白色的亮帶，而路基沙礫的相對(duì)介電常數(shù)一般在1.7 ～6 之間。由于兩者的雷達(dá)反射特性存在較大差異，因此在機(jī)載側(cè)視雷達(dá)的偵查過(guò)程中，在開闊地上一般50 km 距離上即可發(fā)現(xiàn)高速列車，而在植被較為茂盛的地區(qū)，由于雜波干擾強(qiáng)烈，列車相對(duì)難以被偵察到。另一方面由于列車的側(cè)壁一般與地面成嚴(yán)格的直角，兩者往往形成兩面角反射器效應(yīng)，可以在一個(gè)很寬的姿態(tài)角范圍內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的雷達(dá)波反射。

3 高速列車偽裝

3.1 車窗玻璃偽裝

根據(jù)能量守恒定律，入射到材料的電磁波會(huì)發(fā)生反射、透射和吸收3 種物理現(xiàn)象

其中:α 為吸收率;ρ 為反射率;τ 為透射率。根據(jù)基爾霍夫定律可知材料的發(fā)射率ε 等于材料的吸收率α。因此對(duì)于玻璃這種透明介質(zhì)有

故只要玻璃在可見光波段與紅外波段透射率足越大，則玻璃的反射率和發(fā)射率就越小，越有利于玻璃偽裝，敵偵察設(shè)備越難發(fā)現(xiàn)。傳統(tǒng)的單層氟化鎂減玻璃增透膜，只針對(duì)可見光550 nm 波長(zhǎng)附近較窄的波段范圍內(nèi)有較高的透射率，無(wú)法實(shí)現(xiàn)可見光全波段和紅外波段電磁波的高透射。針對(duì)雙波段多層增透膜的研究已經(jīng)較為完善，采用ZnS 和YbF3作為高低折射率材料的多層玻璃增透膜取得了良好的效果［3］，其在近紅外波段400 ～1 000 nm 的平均透射率為91.8%，遠(yuǎn)紅外波段7 ～11 μm 的平均透射率為90.2%，其透射曲線如圖1和圖2 所示。

圖1 ZnS 基底上雙面鍍膜6 ～11 μm 波段范圍內(nèi)實(shí)測(cè)反射率曲線

圖2 ZnS 基底上雙面鍍膜400 ～1 000 nm 波段范圍內(nèi)實(shí)測(cè)反射率曲線

由圖2 可知，高速列車玻璃貼覆可見與紅外雙波段增透膜之后，其可見光反射率和紅外發(fā)射率大幅降低，紅外及可見光暴露癥候明顯削弱，隱身能力顯著增強(qiáng)。

3.2 車身蒙皮偽裝

3.2.1 可見光波段偽裝

為了實(shí)現(xiàn)列車在可見光波段隱身，實(shí)現(xiàn)與背景的融合，高速列車的蒙皮部分宜采用迷彩涂裝。數(shù)碼迷彩利用色塊的多種排列組合，不同顏色間的邊緣模糊、破碎，具有空間混色和視覺(jué)效應(yīng)的特點(diǎn)，偽裝效果良好［4］。列車的主要背景為高鐵鐵道，鐵軌、枕木和道砟的顏色亮度各異，因此有必要設(shè)計(jì)針對(duì)鐵道的特殊數(shù)碼迷彩圖案。

本文依據(jù)多年來(lái)數(shù)碼迷彩研究實(shí)踐，嚴(yán)格按照數(shù)碼迷彩設(shè)計(jì)流程(圖3 所示)，設(shè)計(jì)成功了高鐵專用迷彩(圖4 所示)，并通過(guò)3dmax 建模，對(duì)未涂裝數(shù)碼迷彩列車(圖5 所示)與涂裝數(shù)碼迷彩列車(圖6 所示)的視覺(jué)特征進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用數(shù)碼涂裝的列車隱身效果良好，可使高鐵良好的融入鐵道背景。

圖3 數(shù)碼迷彩設(shè)計(jì)流程

圖4 高速列車專用數(shù)碼迷彩1

圖5 未涂裝數(shù)碼迷彩列車效果圖1

3.2.2 雷達(dá)紅外波段偽裝

雷達(dá)紅外兼容隱身原理對(duì)于不透明的物體，其發(fā)射率和反射率滿足Kirchhoff 定律

由式(7)可知，物質(zhì)對(duì)同一波長(zhǎng)的電磁波而言其發(fā)射率和反射率成反比關(guān)系，紅外隱身材料要求材料具有低發(fā)射率，雷達(dá)隱身材料要求材料具有低反射率。目前技術(shù)較為成熟的兼容隱身材料是雙涂層復(fù)合材料，即在上層涂覆紅外隱身材料［5］，底層涂覆雷達(dá)隱身材料，結(jié)構(gòu)圖如圖7 所示。當(dāng)雷達(dá)波輻射到材料表面時(shí)，由于上層材料對(duì)雷達(dá)波反射率低，雷達(dá)波穿透紅外隱身材料進(jìn)入下層材料耗散;當(dāng)紅外波輻射到材料表面是，由于上層材料對(duì)紅外波具有低發(fā)射率，所以材料在紅外波段的輻射強(qiáng)度低。

圖6 涂裝數(shù)碼迷彩列車效果圖

圖7 紅外/雷達(dá)兼容隱身涂層1

通過(guò)在聚氨酯清漆中摻雜特殊形態(tài)片狀A(yù)l 粉，然后將混合液體超聲振動(dòng)混合均勻，再將混合液體通過(guò)壓縮空氣噴涂在雷達(dá)吸波板上。實(shí)驗(yàn)證明紅外屏蔽效果良好［6］，且吸波板的雷達(dá)波損耗性能基本保持不變。其涂覆層厚度及紅前后紅外發(fā)射率變化如表1 所示，由表可知吸波板上涂覆20 μm涂層后，紅外發(fā)射率僅為0.15，可以滿足紅外隱身的要求。

表1 涂覆前后板的紅外發(fā)射率

涂覆紅外隱身涂層前后吸波板的吸波性能如圖8 所示，在測(cè)試的3 ～18 GHz 波段內(nèi)，雷達(dá)波反射率小于-6 dB 的頻寬為10 GHz，且在10 ～18 GHz 波段內(nèi)達(dá)到最小-8 dB，且兩者的反射波曲線走勢(shì)與大小幾乎一致，因此紅外隱身材料沒(méi)有影響吸波板的吸波性能。

4 結(jié)論

1)通過(guò)在車窗玻璃上貼覆雙波段高透射膜，可有效的削弱其可見光及紅外暴露癥候，結(jié)合研發(fā)的車身蒙皮專用數(shù)碼迷彩，可有效降低高速列車在可見光波段被敵偵察到的概率。

2)鋁合金制的車身蒙皮紅外及雷達(dá)暴露癥候明顯，單一的隱身材料無(wú)法滿足隱身需求，采用復(fù)合隱身涂料，能夠抑制車體紅外信號(hào)，并最大限度的減少雷達(dá)波的反射。

3)由于經(jīng)費(fèi)及實(shí)驗(yàn)條件有限，只能在實(shí)驗(yàn)室完成一定的實(shí)驗(yàn)論證。如果條件允許在實(shí)際工況下進(jìn)行驗(yàn)證將有效的指導(dǎo)現(xiàn)有工作。

圖8 吸波板的吸波性能

［1］海軍.我國(guó)鐵路高速化的軍事意義及有關(guān)思考［J］.國(guó)防交通工程與技術(shù)，2010，5(1):5-6.

［2］葛強(qiáng)勝，沈云峰，葛強(qiáng)林.大型橋梁偽裝措施及主動(dòng)防護(hù)研究［J］.工兵裝備研究，2005，24(1):9-10.

［3］賀才美，付秀華，張家斌.可見與紅外雙波段寬帶增透膜的研制［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(10):9-10.

［4］喻鈞，雙曉，胡志毅.基于光學(xué)偽裝的數(shù)碼迷彩技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2011，39(12):143-145.

［5］周亮，周萬(wàn)城，劉濤.雷達(dá)吸波涂層制備技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)A:綜述篇，2011，25(3):10-12.

［6］馬成勇，程海峰，唐耿平.紅外/雷達(dá)兼容隱身材料的研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2007，21(1):126-128.

［7］張維波，李彥彬. 防空武器陣地反偵察偽裝防護(hù)［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2011(7):134-136.