現(xiàn)代隱身技術(shù)的發(fā)展

張鈺涵,姜　文

(1.北京市八一學(xué)校,北京　100080;2.西安電子科技大學(xué) 天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安　710061)

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現(xiàn)代隱身技術(shù)的發(fā)展

張鈺涵1,姜文2

(1.北京市八一學(xué)校,北京100080;2.西安電子科技大學(xué) 天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710061)

摘要分別從外形技術(shù)、有源隱身、天線隱身、雷達(dá)吸波材料、等離子體、RCS測(cè)量以及紅外特征信號(hào)控制7個(gè)方面闡述現(xiàn)代隱身技術(shù)的發(fā)展。其中,外形技術(shù)是目前隱身技術(shù)中最為有效的技術(shù)途徑之一;雷達(dá)吸波材料是實(shí)用且具有潛力的隱身技術(shù)之一;等離子體技術(shù)則是控制目標(biāo)RCS指標(biāo)的一種新興技術(shù),其核心關(guān)鍵問題是如何產(chǎn)生等離子體。

關(guān)鍵詞隱身技術(shù);RCS測(cè)量技術(shù);紅外信號(hào)控制

Development of Morden Stealth Technology

ZHANG Yuhan1,JIANG Wen2

(1.Beijing Bayi School,Beijing 100080,China;

2.National Laboratory of Antennas and Microwave,Xidian University,Xi’an 710061,China)

AbstractIn this paper,low RCS shape technology,radar absorbing materials,plasma technology,active stealth technology,antenna stealth technology,RCS measurement technology and infrared characteristic signal control technology is introduced.Stealth structure technology is the most important and effective way in stealth technology.Radar absorbing material is the most challenging stealth technology.Plasma technology is a new technology to control the characteristic signal of the target radar,and the key is the formation and the appropriate application of the plasma.

Keywordsstealth technology;RCS measurement technology;infrared signal control

第二次世界大戰(zhàn)之后,隱身技術(shù)被越來(lái)越多的國(guó)家和機(jī)構(gòu)注視,世界各大強(qiáng)國(guó)不惜投入大量的精力和成本到隱身技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)之中[1-3]。但是,研究表明僅依靠單一的某項(xiàng)技術(shù)不能令產(chǎn)品達(dá)到理想的隱身效果,要實(shí)現(xiàn)良好的隱身效果必須綜合利用多項(xiàng)技術(shù)。本文分別從低RCS外形技術(shù)、雷達(dá)吸波材料、等離子體技術(shù)、有源隱身技術(shù)、天線隱身技術(shù)、RCS測(cè)量技術(shù)以及紅外特征信號(hào)控制技術(shù)7個(gè)方面闡述了現(xiàn)代隱身技術(shù)的發(fā)展。

1低RCS外形技術(shù)

外形隱身技術(shù)是提高裝備產(chǎn)品隱身性能的一項(xiàng)重要技術(shù),是目前隱身技術(shù)中最有效的技術(shù)途徑之一。外形隱身并不能吸收雷達(dá)波,而是通過精確的外形設(shè)計(jì)將雷達(dá)波能量反射到較低威脅的方向上,以減小高威脅方向上的雷達(dá)回波。以飛行器為例,常用的外形隱身設(shè)計(jì)方法包括翼身融合技術(shù)、座艙與機(jī)身融合、V形尾翼、取消吊艙和副油箱等技術(shù)措施[4-5]。此外,還可對(duì)一些強(qiáng)散射源進(jìn)行低RCS外形處理,例如發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道和尾噴口、雷達(dá)艙和天線等[6-7]。

常見的低可見平臺(tái)的上體表面通常由多個(gè)梯形或矩形平面封閉而成,如搭載天線,則通常采用嵌入式天線,從而使整個(gè)平臺(tái)外形渾然一體。此外,平臺(tái)上層建筑大多數(shù)平面均相對(duì)于垂線傾斜幾度,且在設(shè)計(jì)中取消了大量的同向排列平面,而特定的構(gòu)型布置。以上措施都可作為隱身平臺(tái)外形設(shè)計(jì)的方法。

但是,采用單一的外形隱身設(shè)計(jì)方法對(duì)降低整體的RCS指標(biāo)并不理想,因此需綜合采用各種隱身設(shè)計(jì),并不斷研究新的隱身技術(shù),從而滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)越來(lái)越高的要求[8]。圖1所示為外形設(shè)計(jì)在減縮RCS方面的一個(gè)應(yīng)用。F35戰(zhàn)斗機(jī)所采用的多項(xiàng)外形隱身措施如圖2所示。

圖1　傾斜外形使回波偏離雷達(dá)威脅區(qū)

圖2　F35戰(zhàn)斗機(jī)的外形隱身措施

2雷達(dá)吸波材料

目前,雷達(dá)吸波材料的開發(fā)與應(yīng)用是最具挑戰(zhàn)性的隱身技術(shù)之一,其具有有效、方便、經(jīng)濟(jì)、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),現(xiàn)階段具有較大的發(fā)展空間[9]。隱身涂層具有如下要求:良好的頻帶特性、較寬溫度的化學(xué)穩(wěn)定性、面密度小、重量輕、黏接強(qiáng)度高、在一定溫度和不同環(huán)境下穩(wěn)定性高。因此,研究和開發(fā)多功能隱身涂料是雷達(dá)吸波材料發(fā)展的必然趨勢(shì)[10]。

(1)納米吸波材料。納米粒子材料具有較好的吸波特性,同時(shí)兼容性好、厚度薄、質(zhì)量小。因此,納米材料是一種高性能、多功能材料,是隱身技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一,發(fā)展前景良好[11];

(2)手征吸波材料。1987年,研究人員提出了一種具有寬頻吸波特性的“手征”的材料。很快,手征吸波材料就成為了近30年隱身材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的吸波材料相比,手征材料具有吸波頻率高、吸收頻帶寬等優(yōu)勢(shì),而且可以通過調(diào)節(jié)旋波參量來(lái)改善其吸波特性。對(duì)于進(jìn)一步提高吸波性能、擴(kuò)展吸波材料的吸波頻帶方面,手征吸波材料具有較大的潛力[12-13]。

3等離子體技術(shù)

等離子體技術(shù)是近年來(lái)新興的一種技術(shù),可利用其來(lái)控制目標(biāo)的RCS指標(biāo),該技術(shù)的核心是如何產(chǎn)生等離子體[14]。

等離子體可認(rèn)為是電離的“氣體”,是指氣體在特定的外界因素(如噴氣式飛機(jī)的射流;放射性同位素;超高音速飛行器的激波等)的作用下,生成由自由電子、陽(yáng)離子和少量中性粒子構(gòu)成的集合,整體呈中性的物質(zhì)狀態(tài),是物質(zhì)的第四態(tài)[15]。

通過研究人員的理論研究及大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),等離子體對(duì)電磁波具有良好的吸收和耗散作用,這一點(diǎn)與隱身技術(shù)的需求不謀而合,因而得到了隱身設(shè)計(jì)師們的極大關(guān)注。

經(jīng)過對(duì)等離子體的深入探索,研究人員掌握了可有效產(chǎn)生等離子體包層,并可實(shí)現(xiàn)良好隱身的兩種方法,但這兩種方法各有優(yōu)劣:(1)應(yīng)用等離子體發(fā)生器。應(yīng)用等離子體發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)是在不改變武器結(jié)構(gòu)的條件下獲得良好的隱身效果,使用方便。但缺點(diǎn)是,等離子體發(fā)生器安裝位置處的隱身效果將大打折扣,而且發(fā)生器的電源功率大小也會(huì)受到限制;(2)應(yīng)用放射性同位素。該技術(shù)方法是指將適量的放射性同位素涂抹在武器裝備需要隱身的部位。該技術(shù)的難點(diǎn)是很難控制放射性同位素的輻射劑量。劑量過小,則不能產(chǎn)生足量密度和厚度的電子;劑量過大,雷達(dá)波就在包層中具有臨界電子密度的位置處被反射回去,達(dá)不到隱身的目的。

4有源隱身技術(shù)

有源隱身技術(shù),指的是通過有源方式控制電、聲、熱等信號(hào),從而躲避探測(cè)設(shè)備探測(cè)的技術(shù)[16],又稱之為主動(dòng)隱身技術(shù)。

以上提到的外形、吸波材料的方法值得是無(wú)源(被動(dòng))隱身技術(shù),也就是通過改變平臺(tái)的外形結(jié)構(gòu)、涂敷透波、吸波材料等措施,盡量減小威脅區(qū)域內(nèi)電磁、紅外、可見光、聲波等信號(hào)的能量,降低目標(biāo)的信號(hào)特征,最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的隱身。鑒于無(wú)源隱身技術(shù)手段受目標(biāo)自身的限制,國(guó)內(nèi)外學(xué)者們開始著眼于研究如何通過有源的方式,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的隱身。圖3給出了一個(gè)有源隱身的基本原理圖。

圖3　有源隱身基本原理圖

常見的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑有以下4種:

(1)電子欺騙和干擾。利用干擾機(jī)施行電子欺騙和干擾,可以提高武器裝備平臺(tái)40%以上的存活率。具體的實(shí)施方式是:首先計(jì)算出武器裝備平臺(tái)可能或正在遭受威脅的雷達(dá)的工作頻率,然后通過發(fā)射出與敵方雷達(dá)對(duì)應(yīng)的脈沖,制造出虛假的信號(hào)來(lái)干擾敵方雷達(dá);也可以采用更為方便的誘餌系統(tǒng),該誘餌可以準(zhǔn)確地辨認(rèn)出敵方雷達(dá),并可快速響應(yīng),產(chǎn)生實(shí)時(shí)對(duì)抗信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)誘騙的目的;

(2)使用低截獲概率雷達(dá)。該技術(shù)指的是:在保證已經(jīng)完成自身工作任務(wù)的前提下,盡可能控制自身電磁信號(hào)被敵方截獲的概率。如:自適應(yīng)控制己方雷達(dá)天線的發(fā)射功率,在雷達(dá)捕獲到敵方目標(biāo)之后,將天線的輻射能量立即降低可跟蹤目標(biāo)的最小功率,從而保護(hù)己方不被發(fā)現(xiàn);

(3)采取有源對(duì)消法。有源對(duì)消的基本原理就是,在敵方雷達(dá)探測(cè)方向上,主動(dòng)發(fā)射電磁波,并與己方產(chǎn)生的散射互對(duì)消,從而保證敵方雷達(dá)接收機(jī)始終位于合成方向圖的零點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)隱身的目的。成功的有源對(duì)消的裝備有加載在B-2隱身轟炸機(jī)的ZSR-63電子戰(zhàn)設(shè)備,該設(shè)備主動(dòng)發(fā)射電磁波,與照射在機(jī)體上的雷達(dá)信號(hào)相干對(duì)消;

(4)采用特殊照明系統(tǒng)和電致變色材料。美國(guó)計(jì)劃在2025年采用有源技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的隱身(即衛(wèi)星偽裝)。計(jì)劃采用的方式是,采用納米智能薄膜(Robot Films)偽裝衛(wèi)星,此薄膜可檢測(cè)輻射在衛(wèi)星上的能量,且能夠通過改變自身結(jié)構(gòu)來(lái)吸收輻射能量,從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的隱身。

5天線隱身技術(shù)

天線是一種極其特殊的散射目標(biāo),與常規(guī)目標(biāo)不同的是天線必須首先保證其自身工作電磁波的準(zhǔn)確發(fā)射和接收。既要發(fā)射、接收電磁波又不能散射電磁波,使得天線系統(tǒng)的隱身成為隱身技術(shù)中難以解決的關(guān)鍵問題之一[17]。

對(duì)于天線的隱身而言,可針對(duì)不同的研究對(duì)象采取綜合的隱身措施,例如時(shí)域隱身、空域隱身、帶外隱身和正交極化隱身等。

修形方法是廣泛應(yīng)用于各種天線的一種有效地實(shí)現(xiàn)天線隱身的方法。超寬帶天線、喇叭天線及微帶天線等均可以利用修形方法來(lái)減縮天線的RCS,實(shí)現(xiàn)天線的 隱身。具體的方法有:通過分析天線表面輻射和散射狀態(tài)下的電流分布,在保證不影響輻射電流或者影響很小的前提下,通過對(duì)天線外形的改變,減小金屬覆蓋面積,從而減小天線的結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射。圖4所示是一種典型的基于修形方法的超寬帶平面八角形低RCS天線。

圖4　修形設(shè)計(jì)用于平面天線示意圖[18]

近年來(lái),隨著超材料技術(shù)的迅速發(fā)展,超材料應(yīng)用于天線RCS減縮之中已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。利用超材料吸波體的吸波特性可有效地降低天線的結(jié)構(gòu)模式項(xiàng)散射,從而顯著減小天線的RCS。

基于無(wú)源對(duì)消原理,利用具有極化轉(zhuǎn)換特性的超材料也可顯著減小天線的RCS。另外,也可利用超材料對(duì)電磁波的選擇作用來(lái)降低天線的RCS。

除上述方法之外,還可通過在天線上加載特殊結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的隱身。例如,加載導(dǎo)波結(jié)構(gòu)(基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu))將電磁能量導(dǎo)引到低威脅角域,降低雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)概率;或者加載諧振結(jié)構(gòu)減縮天線RCS等。此外,將不同減縮天線RCS的方法有機(jī)地結(jié)合在一起,可進(jìn)一步有效地實(shí)現(xiàn)天線的隱身。

除此之外同時(shí)具有良好低可觀測(cè)性/低截獲概率(LO/LPI)特性的天線系統(tǒng)已成為必然,其具備的特征有:靈活而精確的幅相控制能力;特殊設(shè)計(jì)的低副瓣特性(形狀和指向);較寬的工作帶寬;良好的各態(tài)阻抗匹配特性等。

良好的隱身天線的設(shè)計(jì)和發(fā)展一般也應(yīng)遵循以上設(shè)計(jì)思路。

6RCS測(cè)量技術(shù)

對(duì)于隱身技術(shù)而言,有效的RCS測(cè)量手段是研究目標(biāo)特性的基礎(chǔ)。RCS測(cè)量技術(shù)可通過對(duì)目標(biāo)的實(shí)際測(cè)量,了解目標(biāo)的RCS特性、檢驗(yàn)理論分析結(jié)果[19],獲得目標(biāo)特征數(shù)據(jù),建立目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫(kù)。圖5是典型的RCS測(cè)量系統(tǒng)原理圖。

圖5　典型的RCS測(cè)量系統(tǒng)原理圖

近幾十年,隨著微波測(cè)試儀器的快速發(fā)展,雷達(dá)測(cè)試技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。除了常規(guī)的室內(nèi)外RCS測(cè)量之外,還有其他技術(shù):利用拋物面緊縮場(chǎng)進(jìn)行縮距測(cè)量;利用角度濾波的空間分離法和距離波門的時(shí)間分離法來(lái)提高信噪比;利用極窄脈沖高分辨系統(tǒng)和逆合成孔徑技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)閃爍點(diǎn)識(shí)別的二維和三維成像測(cè)量;利用時(shí)域測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試目標(biāo)的瞬態(tài)響應(yīng)。

將來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)是更高的測(cè)試精度和更完善的測(cè)試功能,具體有以下幾個(gè)方面:測(cè)試頻率的擴(kuò)展;測(cè)試精度的提高;測(cè)試項(xiàng)目的增多;可測(cè)目標(biāo)的增多。

7紅外特征信號(hào)控制技術(shù)

隨著科技的進(jìn)步,紅外探測(cè)技術(shù),尤其是紅外成像技術(shù)的迅速發(fā)展,不斷涌現(xiàn)出具有高分辨率、高探測(cè)精度的紅外探測(cè)和遙感設(shè)備[15]。如果不采用合理的紅外隱身措施,將大大降低武器裝備的安全性,因此尋求能夠有效實(shí)現(xiàn)武器裝備紅外隱身的技術(shù)成為提高武器平臺(tái)隱身和戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵[20-21]。

武器系統(tǒng)表面、發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管及其相關(guān)設(shè)備的紅外輻射是武器系統(tǒng)紅外特性信號(hào)的主要產(chǎn)生源。通過探測(cè)目標(biāo)與所在背景之間的溫度差異,紅外系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和追蹤,其中以探測(cè)和追蹤尾噴管的紅外輻射為主,其次是武器系統(tǒng)表面的紅外輻射[20-21]。因此,尾噴管的紅外特征信號(hào)抑制是紅外隱身技術(shù)的研究重點(diǎn)。

主要途徑有:不規(guī)則外形技術(shù);隔熱與冷卻技術(shù);屏蔽與抗紅外輻射技術(shù);特殊材料技術(shù)等。

8結(jié)束語(yǔ)

本文分別從外形技術(shù)、有源隱身、天線隱身、雷達(dá)吸波材料、等離子體、RCS測(cè)量以及紅外特征信號(hào)控制七個(gè)方面闡述現(xiàn)代隱身技術(shù)的發(fā)展。分析了各種隱身技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

從隱身技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀看,隱身技術(shù)的發(fā)展方向是“薄、寬、輕、強(qiáng)”。新的隱身機(jī)理和技術(shù)手段、新型隱身材料的研制將為隱身技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)突破。

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中圖分類號(hào)TN973

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)03-194-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.051

通信作者:姜文(1985—),男,博士,副教授。研究方向:天線理論與工程、電磁散射與隱身技術(shù)。

收稿日期:2016- 01- 30