水面艦船雷達波隱身技術與總體設計

朱煒，陳煒，馮洋

中國艦船研究設計中心，上海201108

0 引 言

隨著探測技術和導彈技術的發(fā)展，艦船的自身防御變得越來越困難，為提高其生存能力，降低艦船自身信號特征成為一項具有重大意義的應對策略。

艦船雷達波隱身技術的研究和應用越來越受到各國海軍的重視。國外海軍強國在艦船雷達波隱身技術上投入巨大，在基礎理論、實驗技術及工程應用上都取得了大量成果。新一代水面戰(zhàn)艦的設計，將雷達波隱身技術的應用提升到了更高的層次和地位。從世界先進國家海軍的發(fā)展趨勢來看，雷達波隱身已由從屬于艦船總體外形設計逐步發(fā)展到主導總體外形設計，已成為艦船的主要戰(zhàn)技指標之一。艦船雷達波隱身采取的方法主要有外形隱身和隱身材料應用，此外，在上層建筑的設計和建造中，國外已經開展了綜合隱身桅桿的研究、試驗和應用，以及新型隱身結構材料的實船應用［1］，艦船雷達波隱身及相關技術的研究得到了極高程度的投入和重視。

應用雷達波隱身技術可以降低和控制艦船的雷達散射截面（RCS）值，從而降低敵方雷達對我艦的探測距離以及敵反艦導彈的“燒穿”距離，同時，我艦較小的RCS 還能提高電子戰(zhàn)的效果。采用隱身技術后，水面艦船突襲的隱蔽性和成功率將大幅提高，突防能力明顯增加。在當今各國新研制的艦船中，不僅驅逐艦和護衛(wèi)艦逐步采用了隱身技術，航母上也采取了一些行之有效的隱身措施。

未來戰(zhàn)爭是隱身兵器的大比拼，艦船必須適應未來戰(zhàn)場的要求，實現(xiàn)隱身化，提高生命力和戰(zhàn)斗力。海軍新型艦船的發(fā)展應將雷達波隱身作為重點突破口和關鍵技術來抓，在艦船的雷達波隱身技術上力爭取得較大的突破，應對日益嚴峻的未來海戰(zhàn)環(huán)境。

艦船隱身性是一項系統(tǒng)工程，應建立自上而下的組織管理體系，以隱身技術為牽引，帶動艦船設計、裝備研發(fā)、艦船建造等各個領域的同步協(xié)調發(fā)展。在隱身技術的發(fā)展中，應以總體設計單位為龍頭，吸收雷達波隱身專門研究單位共同參加，在艦總體設計層面上，實現(xiàn)艦船雷達波隱身機理、設計和綜合控制技術的突破，帶動試驗技術和測試技術的同步發(fā)展。

1 國內外發(fā)展概況

1.1 國外雷達波隱身技術發(fā)展概況

隱身技術是當今陸、海、空、天、電磁五位一體的立體化戰(zhàn)爭中最重要、最有效的突防戰(zhàn)術技術措施之一，美國在隱身技術研究領域處于世界領先地位，其發(fā)展歷程比較有代表性。

早在20 世紀60年代以前，美國就開始進行隱身技術的探索，并在SR-71“曙光”高空偵察機上采用了雷達波隱身技術；在60～70年代隱身技術全面發(fā)展時期，美國對該技術進行了有計劃、有步驟的試驗與研究，基本完成了隱身技術的基礎研究和先期開發(fā)工作。為增加武器系統(tǒng)的突防能力，美國在新設計的各種武器系統(tǒng)上廣泛采用隱身技術，并將目標特征控制（隱身技術）列入關鍵技術。美國海軍從1995年開始研究全封閉式桅桿/傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)完全脫離了傳統(tǒng)的桅桿概念，并裝備在“斯普魯恩斯”級驅逐艦“阿瑟·雷德?！碧枺―DG-968）上進行了評估試驗。

法國、英國、瑞典等國海軍對隱身艦船也進行了多年不懈的探索和研究，應用多種隱身技術的艦船陸續(xù)問世。邁入21 世紀，水面艦船將綜合運用各種隱身技術［2］，外形更加簡潔，綜合作戰(zhàn)能力和生存能力得到進一步提升。

1.2 國內雷達波隱身技術發(fā)展

我國開展雷達波隱身技術的研究較晚，在海軍強烈需求的牽引之下，于20 世紀80年代逐步開展了這方面的研究工作，并取得了一定的成績，特別是在工程型號艦船研制中已大量采用隱身技術，艦船的隱身性能有了較大幅度的提高。

但國內雷達波隱身技術在理論研究、實驗測試及艦船設計水平上都與發(fā)達國家海軍存在差距，艦船雷達波隱身技術雖已有初步應用，但總體來說層次還較低。在研究設計領域，艦船RCS計算、控制和評估方法及體系有待完善；艦船總體的隱身性設計還未能有效地規(guī)范和制約各裝艦系統(tǒng)、設備的隱身性工作，艦載武器、電子設備及船用機械等在雷達波隱身性方面的研制考核機制有待加強；隱身材料在吸波性能和裝艦適應性方面尚需改進。為使我國艦船雷達波隱身性能達到甚至超越發(fā)達國家水平，還需開展大量的研究工作。

2 艦船雷達波隱身技術應用情況

2.1 雷達波隱身技術應用

水面艦船的雷達波隱身是一個系統(tǒng)工程。首先，減小艦船雷達波散射特征的各項技術都是綜合性的；其次，從艦船設計的角度來看，隱身設計涉及總體、系統(tǒng)和設備3 個層次，缺一不可。即使在總體設計層次上，也需眾多專業(yè)的協(xié)同，從而達到綜合平衡的效果。艦船的隱身性牽涉面廣，以我國當前的技術基礎、經濟承受能力以及艦船自身條件的限制，短期內實現(xiàn)全面隱身的代價較大，只能立足在現(xiàn)有條件的基礎上，控制和減少艦船的RCS，提高雷達波隱身性能。

國內對水面艦船雷達波隱身技術的研究起步較晚，在上世紀90年代初研制的艦船中，僅在艦船平臺上進行了一些雷達波隱身的嘗試工作，如上層建筑側壁較小角度的傾斜設計［3］，消除部分直角反射體等。

在近幾年的海軍裝備發(fā)展中，為迅速提升艦船的作戰(zhàn)能力，減少物理特征，在未來海戰(zhàn)中爭取主動，普遍采用了隱身技術，某型艦船在研制中將雷達波隱身性能作為了總體設計的一項重點。將艦船雷達波隱身設計納入系統(tǒng)工程范疇，通過雷達波隱身頂層設計，明確總體隱身設計目標并分配雷達波隱身指標，應用系統(tǒng)工程的方法將總體隱身性要求逐級分解到系統(tǒng)級、設備級（或子系統(tǒng)級、設備級），再將總體以下各級在隱身性方面的努力以及可能達到的效果逐級綜合到總體層面。

為使某型艦船的雷達波隱身性較現(xiàn)役水面艦船有質的提高，從總體平臺、上層建筑和露天甲板面上的設備等3 個方面系統(tǒng)、全面地開展了隱身性研究工作，特別針對艦船雷達波隱身的瓶頸——艦面電子武器裝備的隱身進行了重點研究。在總體設計中采取了以下一些措施：

1）為減少雷達波反射，艦船水線以上的外型設計避免與鄰近各表面相互垂直，使平面法線方向偏離威脅方向。

2）主船體水線以上舷側大角度外飄或內傾；上層建筑各個側面的法線方向朝前、后、正橫方向，各主要側面內傾；上層建筑外形設計采用平面組合形式，減少角反射體的產生；主船體和上層建筑保持雷達波反射特性的連續(xù)，舷側開口設置有效的屏蔽裝置，避免產生空腔現(xiàn)象。

3）桅桿采用筒型桅，大角度傾斜［4］；在滿足設備使用要求的情況下減少平臺、橫桁等結構物。

4）煙囪大角度傾斜，避免上層建筑和艦面設備形成角反射體；煙囪上的百葉窗開口采取隱身措施，降低因空腔產生的反射特性影響。

5）減少散射源的數(shù)量，盡可能減少暴露在甲板上的電子武備、甲板機械、舾裝件的數(shù)量，避免其相互間構成角反射體的可能性。

6）對露天設備的外形進行隱身改進，將強散射源減弱為弱散射源，對于無法避免的強散射源，設法對其進行遮蔽。

7）對于采用外形隱身技術難以解決的一些問題，如局部亮點、甲板面裸露的設備以及某些大平板，采用雷達吸波材料。

在開展艦總體雷達波隱身研究設計工作的同時，還進行了艦船雷達波隱身仿真計算和模型測試工作，通過全面研究和全程控制，經實船測量，某型艦船的RCS 典型值較國內同類型艦船大幅度降低，取得了良好的隱身效果。

2.2 雷達波隱身技術對總體設計的影響

目前，在水面艦船雷達波隱身設計中應用較多的技術措施為外形隱身技術和吸波材料技術（RAM）。

外形隱身技術是通過改變目標的外形來降低目標的RCS，這是水面艦船設計中一種最為有效、發(fā)展最成熟的隱身技術途徑。外形的改變對RCS的影響十分敏感，合理選擇艦船的外形，可對艦船RCS 的減小起到立竿見影的效果。

對于采用外形隱身技術難以解決的一些隱身問題，如局部亮點、甲板面裸露的設備以及某些大平板，采用雷達吸波材料是一項十分有效的措施，可以取得雷達波隱身性的最佳效費比。

但雷達波隱身技術也存在局限性。雖然改變幾何外形可以改變雷達波能量散射的方向，但這種技術措施的實施常常受到水面艦船本身性能的限制。船體部分對艦船的總體性能影響較大，不能簡單地采用大傾角的方法改變外形，尚需充分考慮船體形狀改變對艦船航海性能的影響；考慮總體布置的要求，保證一定的甲板面積和艙容；還需考慮合理的結構形式和建造工藝的方便性。

大量運用外形隱身技術在總體設計上必然會付出一定的代價。外表面大角度的傾斜會使全艦艙容的利用率降低，隱身封閉式上層建筑會使全艦的排水量和受風面積增加，重心升高，給總體設計帶來巨大的壓力。

1）艙容影響。

在常規(guī)艦船的設計中，上層建筑大量由平板等構成，運用外形隱身技術后，從消除角反射體和清理與海平面成直角的平面考慮，上層建筑采用傾斜多面體形式不僅會減少艙室容積，還降低了艙容的利用率。

2）排水量和重心影響。

選取同樣采用長橋樓船型的艦船進行比較，從上層建筑結構重量與主船體結構重量關系的分析比較來看，采用外形隱身技術的艦船，其上層建筑重量有較大幅度的增加，船體部分的重量占正常排水量的比例明顯高于以往的艦船，船體結構重量的增加對排水量產生直接影響，并導致全艦的重心明顯升高。

雷達吸波材料的比重較大，敷設位置較高，對艦船的排水量和重心也會產生一定影響。

3）受風面積、橫搖周期影響。

采用隱身船型后，隱身封閉使上層建筑較以往的水面艦船要龐大，致使受風面積增加較大；其與船體水下面積的比值增大，對橫搖周期也會產生一定的影響。

4）操作使用影響。

艦船外形隱身要求主船體與上層建筑保持雷達反射特性的連續(xù)，舷側盡量避免有開口的存在以消除空腔現(xiàn)象。隱身封閉給艦員的常規(guī)拖帶、停靠碼頭帶來了一些使用上的不便，需配備一些輔助操作工具，同時對一些操作口還需附加門或蓋。

2.3 存在的有關問題

從目前水面艦船雷達波隱身技術的應用情況來看，尚存在以下一些問題：

1）國內水面艦船雷達波隱身設計的相關標準和規(guī)范有待完善，艦船RCS計算、控制和評估的體系與方法有待提高。

2）水面艦船雷達波隱身設計是一個系統(tǒng)工程。現(xiàn)階段，艦船雷達波隱身研究工作主要集中在總體設計方面，在系統(tǒng)和設備這方面的研究較少，電子設備及船舶機械等在雷達波隱身性設計方面還有待加強。

3）現(xiàn)在開展的雷達波隱身研究和對實船的測試考核中，雷達波反射的威脅頻段均以部分波段為主，且考慮的威脅是小入射余角，雷達頻段和空域范圍較窄。

4）理論計算由于受計算時空復雜性的限制，尚不能很好地處理耦合等計算復雜程度高的問題，理論計算在總體設計中的指導性有待提高。

5）縮比模型測量在特殊的微波暗室中進行，以此推算出實際目標的電磁散射特性。但在模型縮比較大、實際頻段較高的情況下，由于受測試信號源頻率的限制，經常不能滿足全相似條件，致使模型測量存在一定的局限性。

3 水面艦船雷達波隱身設計

在總結艦船雷達波隱身技術研究和雷達波隱身設計工作的基礎上，形成了初步的水面艦船雷達波隱身設計體系和流程，以及雷達波隱身設計程序和控制指南，同時借助計算機仿真技術，在總體設計階段對雷達波隱身方案進行驗證和評估，為雷達波隱身方案提供設計參考，指導某型艦船的總體設計，也為今后水面艦船開展雷達波隱身設計工作提供參考。

3.1 水面艦船雷達波隱身設計體系和流程

不同的水面艦船擔負著不同的使命任務，因而對其作戰(zhàn)功能要求和自身的防護要求不盡相同。對于一艘明確使命任務的艦船來說，其雷達波隱身性能達到什么樣的程度，應在艦船立項論證階段對其作戰(zhàn)需求和相關裝備的配置進行充分論證，以提出該艦雷達波隱身明確的指標和要求。在總體設計階段系統(tǒng)地開展雷達波隱身設計，同時要和艦船總體的相關性能綜合權衡，既要在艦體外形、艦面設備布局、吸波材料應用等方面盡量縮減RCS，又必須充分考慮艙容的有效利用、機械設備和電子武備的使用和性能發(fā)揮、建造工藝上的可行性以及經濟性等諸多因素，才能保證綜合性能兼優(yōu)。

降低雷達波信號特征的工作在水面艦船總體設計的初期就應開展，在設計之初做好頂層規(guī)劃，確定總體雷達波隱身的控制指標，將其納入全艦主要戰(zhàn)技指標考核體系中，并制定全艦雷達波隱身實施方案和控制措施。

在開始進行總體設計時就進行系統(tǒng)的均衡設計與控制，將總體雷達波隱身指標進行逐級分解，將隱身指標要求分配到有關系統(tǒng)和設備中。

在有關系統(tǒng)和設備的研制中開展雷達波隱身研究，確定系統(tǒng)和設備的雷達波隱身指標，并在系統(tǒng)、設備的技術規(guī)格書中予以明確，作為出廠檢驗的一項考核指標。

將雷達波隱身設計落實到設計和建造的各個階段與艦船總體設計的各個方面，從船舶性能、總體布置、船體結構、艦面甲板機械設備、電子武備等各個方面系統(tǒng)地控制全艦的雷達波隱身水平。

水面艦船雷達波隱身設計體系和流程一般過程如圖1 所示。

3.2 雷達波隱身設計和控制程序

水面艦船雷達波隱身性涉及到艦船的船型、主尺度、排水量、總體布置、船體結構、艦面的機械設備和電子武器裝備以及建造工藝等諸多方面，因此，艦船的雷達波隱身性設計應與艦船總體方案緊密結合，同步進行。在總體方案中，應體現(xiàn)雷達波隱身設計的要求，將降低雷達波散射截面積的措施融入到總體方案及各個階段的設計中，形成總體性能和雷達波隱身性能兼優(yōu)的總體技術方案。

水面艦船雷達波隱身設計一般應經歷以下幾個階段［5］，如圖2 所示。

圖1 水面艦船雷達波隱身設計體系和流程圖Fig.1 Flow chartof radarstealth design forsurface combatant ships

圖2 水面艦艇雷達波隱身設計和控制流程圖Fig.2 Flow chart of radar stealth design and control of surface combatant ships

1）在方案論證階段，開展艦船總體頂層研究，確定全艦雷達波隱身性能指標。

全艦雷達波隱身性指標主要根據(jù)水面艦船的主要作戰(zhàn)使用性能、母型船的雷達波隱身性能以及新的雷達波隱身技術的運用情況統(tǒng)籌考慮確定。

2）在方案設計階段，制定全艦的雷達波隱身控制方案；進行控制指標分解和分配。

結合方案設計階段的總體布置情況及全艦的總體性能制定全艦雷達波隱身控制方案，并根據(jù)艦上的雷達波散射源特點，進行雷達波隱身指標的分配。

3）在技術設計階段，進行雷達波隱身控制設備及有關專題研究，固化全艦雷達波隱身的技術狀態(tài)。

重點利用計算機仿真和縮比模型測試等手段對全艦雷達波隱身設計初步方案進行驗證和評估，通過不斷優(yōu)化調整初步方案，最終形成全艦雷達波隱身設計方案并達到雷達波隱身性指標要求。完成艦面設備雷達波隱身技術要求的制定，并落實到艦面設備的設計與制造環(huán)節(jié)。

4）在施工設計階段，編制相應的施工圖紙、文件，將各項隱身措施落實到施工文件中。

5）在施工配建階段，提出有關隱身控制要求，控制施工質量，保障雷達波隱身效果。

主要針對船廠的施工建造提出雷達波隱身實施工藝要求，確保雷達波隱身設計中的各種措施、手段體現(xiàn)在船廠的施工建造中。

6）在試驗試航階段，開展航行試驗檢測，考核設計效果，進行技術總結分析。

3.3 計算機仿真

隨著計算機技術的發(fā)展，特別是計算機運算速率的不斷提高，運用計算機對大型目標的雷達波性能進行RCS 仿真計算得以實現(xiàn)。水面艦船RCS 計算機仿真作為獲取目標RCS 特性數(shù)據(jù)、預報設計方案可行性的重要工具，是艦船總體雷達波隱身設計的主要技術手段之一。根據(jù)水面艦船的散射機理和極大電尺度的特點，結合目前水面艦船雷達波隱身主要是考慮高頻區(qū)雷達波，因而計算機仿真通常采用高頻法進行計算。

計算機仿真能在總體設計前期以較小的成本實現(xiàn)對雷達波隱身設計初步方案的預測及評估，同時結合計算機輔助設計、計算機圖形學等方法，能對水面艦船RCS 局部“亮點”進行分析查找，有針對性地為雷達波隱身的初步方案提供優(yōu)化調整依據(jù)。

3.4 發(fā)展方向

隨著現(xiàn)代化武器的高度發(fā)展，各國都在不斷加強雷達波隱身技術的研究和隱身武器裝備的研制。綜合來看，雷達波隱身技術的發(fā)展有以下幾個方面［6］：

1）隱身船型和艦貌。

研究和探索具有綜合隱身性能的船型——單體船、雙體船、多體船等，整體外形和上層建筑形狀、局部結構形式、甲板及舷外突出物的形狀以及艏艉部的結構形式等，應用外形隱身技術，水面艦船的艦貌將發(fā)生深刻的變化，如美國的“海影”、DDG 1000，英國的“?；辍钡龋?］。

2）綜合集成桅桿。

對艦上的電子設備進行集成、性能優(yōu)化，將各系統(tǒng)天線陣列布置在桅桿內，組成一體化的隱身封閉式綜合集成桅桿，隱身集成優(yōu)化技術將對艦船的總體設計和總體作戰(zhàn)性能帶來極為重要的影響。如美國“阿瑟·雷德福”號驅逐艦上的封閉式綜合傳感器桅桿、德國FDZ 2020 的內置集成式聯(lián)合孔徑天線的封閉式桅桿等。

3）隱身材料。

隱身吸波結構材料將用來制造艦船表面的某些殼體和構件，具有吸收率高、吸收頻帶寬、厚度薄、力學性能好和防彈性好等性能。目前使用的隱身材料是針對某種特殊用途（如雷達波、紅外波等）的專用材料，歐美等先進國家正在著手研究寬頻譜綜合性隱身材料。

4）新理論、新技術。

隱身技術是一門交叉性學科，歐美等先進國家正在積極研究隱身新理論和新技術，如集成化上層建筑設計技術、等離子體隱身技術、對消技術、阻抗加載技術、仿生技術、微波傳播指示技術等，水面艦船的隱身技術將是多學科的綜合優(yōu)化技術。

4 結 語

常規(guī)水面艦船的雷達波隱身是有限隱身，是以犧牲部分其他性能為代價。當然，在艦總體設計中應盡量減少對其他性能的影響。因此，在艦船論證初期，應按照艦船的作戰(zhàn)需求合理確定雷達波隱身指標。首先，應做好總體頂層雷達波隱身設計，即從全艦總體角度出發(fā)，統(tǒng)籌規(guī)劃、制定對總體設計方案的要求、降低雷達波目標信號特征的技術途徑以及必須開展的專項課題研究、艦面設備的雷達波隱身控制指標、施工建造的原則工藝等方面的設計工作。

水面艦船雷達波隱身技術難度高、牽涉面廣，與總體和其他各專業(yè)有著密切的聯(lián)系。為使我國雷達波隱身技術有質的提高，應根據(jù)海軍裝備建設的需要，針對具體的艦船種類，從艦船平臺和艦載系統(tǒng)、設備3 個方面加大隱身技術研究的力度；從設計伊始就堅決貫徹隱身設計思想，進行工程全過程監(jiān)督管理和控制，保證設計目標的實現(xiàn)。

同時，應將雷達波隱身技術研究與預先研究和科研生產相結合，結合各型艦船的研制，以及未來全隱身水面艦船的研究，使之主導艦船總體外形設計，并將雷達波隱身性能作為一項主要戰(zhàn)技指標加以貫徹，實現(xiàn)隱身技術的突破和艦船總體設計水平的提升。

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