水面艦艇雷達(dá)隱身技術(shù)發(fā)展與設(shè)想?

馮 洋 朱 煒 黃麗云

（1.上海交通大學(xué) 上海 200030）（2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心（上海） 上海 201108）

1 引言

水面艦船隱身主要包括雷達(dá)波隱身、聲隱身、紅外隱身以及其他物理場(chǎng)隱身。對(duì)于現(xiàn)代艦船，其海上探測(cè)手段主要依靠雷達(dá)，海上作戰(zhàn)主要的攻擊武器中如艦炮、反艦導(dǎo)彈等武器也要依靠雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)目標(biāo)的指示和制導(dǎo)。因此，雷達(dá)技術(shù)對(duì)于水面艦艇而言是一把雙刃劍，各國(guó)既要努力提高自身的雷達(dá)探測(cè)距離和精度，又要想方設(shè)法的減小艦艇被他國(guó)雷達(dá)探測(cè)到的概率。

雷達(dá)最大作用距離方程［1］：

其中：Rmax為雷達(dá)的最大作用距離；Pt為發(fā)射功率；S為接收機(jī)可辨識(shí)的最小功率；G為天線增益；λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng)；σ為雷達(dá)散射截面。由公式可知，雷達(dá)的探測(cè)距離Rmax的四次方與目的散射截面積σ成正比，接收機(jī)可辨識(shí)的最小功率S與目的散射截面積σ成正比。

對(duì)現(xiàn)代化水面艦艇來(lái)說(shuō)，雷達(dá)波隱身技術(shù)在降低自身雷達(dá)波散射截面積的同時(shí)帶來(lái)了四個(gè)方面的戰(zhàn)術(shù)意義，一是降低了被敵方雷達(dá)截獲的概率，獲得充分的戰(zhàn)斗準(zhǔn)備時(shí)間，隱蔽接敵，獲取戰(zhàn)場(chǎng)主動(dòng)；二是減弱了敵方對(duì)我方的目標(biāo)辨識(shí)能力，造成敵指揮員對(duì)我方目標(biāo)的誤判，進(jìn)而貽誤戰(zhàn)機(jī)；三是縮短了敵雷達(dá)制導(dǎo)武器的攻擊距離，降低了敵方艦艇的作戰(zhàn)效能；四是增強(qiáng)了我艦無(wú)源質(zhì)心干擾的效果，提升了應(yīng)對(duì)敵反艦導(dǎo)彈的能力。

因此，雷達(dá)波隱身技術(shù)對(duì)于水面戰(zhàn)斗艦艇的戰(zhàn)術(shù)價(jià)值巨大。

2 國(guó)內(nèi)外水面艦艇雷達(dá)波隱身技術(shù)發(fā)展情況

雷達(dá)波隱身理論于20世紀(jì)60年代被蘇聯(lián)科學(xué)家彼得·烏菲莫切夫首先提出，最先被運(yùn)用于空軍領(lǐng)域，到了20世紀(jì)70年代，美國(guó)科學(xué)家根據(jù)該理論，發(fā)明了飛機(jī)“隱身”的概念并將其運(yùn)用在了F-117戰(zhàn)斗機(jī)上。直到20世紀(jì)80年代，各國(guó)才逐步開展艦艇雷達(dá)波隱身技術(shù)的研究和應(yīng)用。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，目前水面艦船雷達(dá)波隱身技術(shù)措施主要包括隱身外形隱身和吸波材料技術(shù)兩大類。

縱觀目前各國(guó)現(xiàn)役和在研的水面戰(zhàn)斗艦艇在雷達(dá)隱身技術(shù)方面的運(yùn)用和突破，可大致將各國(guó)艦艇由低到高劃分為三級(jí)，即“次隱身艦”、“準(zhǔn)隱身艦”和“隱身艦”。

“次隱身艦”最大的技術(shù)標(biāo)志是開始注重隱身外形隱身技術(shù)的運(yùn)用，將以往水面艦艇上層建筑的外側(cè)壁由垂直面做成內(nèi)傾面，并關(guān)注對(duì)平臺(tái)部分散射源的控制，消除角反射結(jié)構(gòu)［2］。代表艦有美國(guó)海軍“阿利·伯克”級(jí)驅(qū)逐艦，見圖1。

“準(zhǔn)隱身艦”［3］在對(duì)平臺(tái)采用外形隱身的同時(shí)重點(diǎn)針對(duì)艦面設(shè)備開展了精細(xì)化的雷達(dá)波隱身設(shè)計(jì)，包括將以往的露天甲板機(jī)械進(jìn)行“隱藏”式設(shè)計(jì)，將部分甲板設(shè)備進(jìn)行整形以降低對(duì)全艦RCS的貢獻(xiàn)程度，部分艦艇還運(yùn)用了雷達(dá)波隱身材料。代表艦有德國(guó)F-123型護(hù)衛(wèi)艦和法國(guó)“拉菲特”護(hù)衛(wèi)艦等（見圖2），其中“拉菲特”護(hù)衛(wèi)艦采用的吸波材料為木材和玻璃纖維復(fù)合材料，硬度與鋼材相當(dāng)，但質(zhì)輕、耐火。

“隱身艦”和“準(zhǔn)隱身艦”的最根本的區(qū)別在于是否運(yùn)用了射頻集成技術(shù)，因?yàn)榇罅康姆抡嬗?jì)算和測(cè)試結(jié)果表明，常規(guī)水面艦艇上的各類天線等構(gòu)件對(duì)全艦RCS的貢獻(xiàn)程度占比近40%，而由于功能性要求，各類天線的隱身整形和綜合集成的技術(shù)難度相當(dāng)大，涉及材料學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、電磁學(xué)等多種學(xué)科的交叉，目前該類艦船現(xiàn)役的只有三型，即瑞典的“維斯比”輕護(hù)艦、美國(guó)的LPD-17型兩棲艦和DDG1000驅(qū)逐艦［4］。其中LPD-17型兩棲艦采用的綜合集成桅桿其結(jié)構(gòu)由先進(jìn)的復(fù)合材料構(gòu)成，表面采用了在復(fù)合層板內(nèi)嵌入具有選頻透波功能的濾波材料，允許發(fā)射和接受預(yù)定的頻率，同時(shí)濾除敵方雷達(dá)信號(hào)，有效減少雷達(dá)波散射截面積，而DDG1000驅(qū)逐艦不僅采用了隱身內(nèi)傾船型，同時(shí)為減少天線數(shù)量而采用了天線孔徑共用技術(shù)，而且率先采用一體化上層建筑，使全艦的雷達(dá)波隱身性能發(fā)揮到極致。

與國(guó)外相比，我國(guó)水面艦艇雷達(dá)波隱身技術(shù)起步較晚，20世紀(jì)80年代及以前的水面艦艇基本上未采取或較少采取雷達(dá)波隱身措施，90年代以后，雷達(dá)波隱身技術(shù)開始得到應(yīng)用，并在第二代水面艦艇上采取了部分隱身措施；而在第三代水面艦艇的設(shè)計(jì)建造中，雷達(dá)波隱身技術(shù)得到了較廣泛的應(yīng)用，取得了較好的效果，體現(xiàn)出一定的雷達(dá)波隱身水平。

3 水面艦船雷達(dá)波隱身關(guān)鍵技術(shù)

從水面艦艇由“次隱身艦”向“隱身艦”發(fā)展的歷程來(lái)看，目前已得到工程運(yùn)用的雷達(dá)波隱身技術(shù)措施其關(guān)鍵技術(shù)包括如下幾個(gè)方面：

1）隱身船型技術(shù)［5］

在確保水面艦艇的航行性能如快速性、耐波性以及操縱性等前提下，盡可能地降低主船體帶來(lái)的RCS貢獻(xiàn)值，如DDG1000采用的穿浪單體內(nèi)傾船型（見圖3），艦艏為“沖角”造型能夠“切穿”海浪，不僅航行阻力低于傳統(tǒng)圓舭船型，而且由于側(cè)壁內(nèi)傾，雷達(dá)波隱身性較好。

2）設(shè)備與平臺(tái)融合設(shè)計(jì)技術(shù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，艙面電氣設(shè)備、電子武備以及舾裝設(shè)備對(duì)全艦RCS的貢獻(xiàn)值約占40%，艙面設(shè)備除自身的散射貢獻(xiàn)外，其與主船體、上層建筑艦間的耦合也會(huì)產(chǎn)生較大影響。將艙面設(shè)備與平臺(tái)進(jìn)行雷達(dá)波融合設(shè)計(jì)（見圖4），在降低設(shè)備自身散射值的同時(shí)，設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與平臺(tái)間的耦合也降到了最低程度。

3）射頻孔徑集成技術(shù)

常規(guī)艦艇外露的天線對(duì)全艦RCS貢獻(xiàn)占比大，射頻孔徑集成技術(shù)能夠在滿足雷達(dá)、電子戰(zhàn)、敵我識(shí)別和通信導(dǎo)航等任務(wù)的前提下，盡量以共用天線的方式減少外部天線數(shù)量［6］。如DDG1000驅(qū)逐艦，其上層建筑開口有70個(gè)天線孔徑位置，采用射頻孔徑集成技術(shù)，一部天線就可完成多種功能，且后續(xù)新增功能不必再新增天線，見圖5。

4）先進(jìn)隱身材料技術(shù)

隱身材料是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波隱身的第二重要途徑，是對(duì)外形隱身措施的補(bǔ)充，雷達(dá)波隱身材料其本質(zhì)是對(duì)雷達(dá)波信號(hào)的選擇通過和吸收。先進(jìn)隱身材料除了應(yīng)具有盡可能寬的吸收頻帶外，對(duì)于涂覆型吸波材料關(guān)鍵技術(shù)在于吸收劑成份和顆粒形態(tài)的改進(jìn)控制［7］；對(duì)于結(jié)構(gòu)型吸波材料關(guān)鍵技術(shù)包括材料強(qiáng)度提升、吸波材料與船體結(jié)構(gòu)的連接、防火性能等方面，同時(shí)由于復(fù)合制導(dǎo)武器廣泛使用，隱身材料還要兼顧紅外等特征信號(hào)的隱身。

5）一體化集成上層建筑技術(shù)［8］

運(yùn)用復(fù)合材料將桅桿、機(jī)艙進(jìn)排氣系統(tǒng)、信號(hào)收發(fā)設(shè)備、艦橋以及上層建筑艙室等功能性要求進(jìn)行綜合集成，形成一個(gè)互相融合的完美整體。涉及一體化上層建筑功能區(qū)規(guī)劃、天線板陣化設(shè)計(jì)、與主船體協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)、輕型化復(fù)合材料綜合運(yùn)用等方面。一體化集成上層建筑技術(shù)是綜合集成桅桿技術(shù)的拓展，將以往全艦中部區(qū)域上層建筑、收發(fā)天線、照明燈具、進(jìn)排氣管等散射源進(jìn)行了綜合集成，極大地控制了該區(qū)域的散射效應(yīng)。

4 雷達(dá)波隱身前沿技術(shù)

目前世界軍事強(qiáng)國(guó)正在開展雷達(dá)波隱身前沿技術(shù)開發(fā)工作，目前具備一定運(yùn)用前景的前沿技術(shù)包括等離子體隱身技術(shù)和雷達(dá)波有源對(duì)消技術(shù)。

1）艦船等離子體隱身技術(shù)

離子體隱身技術(shù)是指產(chǎn)生并利用在飛機(jī)、艦船等武器裝備表面形成的等離子云來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)避電磁波探測(cè)的一種隱身技術(shù)，其特點(diǎn)為：吸波頻帶寬，吸收率高，隱身效果好。美國(guó)休斯實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，采用等離子體技術(shù)，可使一個(gè)長(zhǎng)13cm的微波反射器的雷達(dá)截面積在4GHz～14GHz頻率范圍內(nèi)平均降低20dB，即雷達(dá)獲取回波的信號(hào)強(qiáng)度減弱至原有的1%。

2）雷達(dá)波有源對(duì)消技術(shù)

通過有源方式產(chǎn)生與目標(biāo)散射回波相干的一列波，利用互相干涉效用，改變目標(biāo)的散射分布，達(dá)到縮減RCS的目的。其工作時(shí)與電子戰(zhàn)系統(tǒng)配合使用，其技術(shù)難點(diǎn)在于若敵探測(cè)雷達(dá)信號(hào)出現(xiàn)跳頻，我方產(chǎn)生的相干回波頻率也要相應(yīng)的改變，這一過程的時(shí)間差會(huì)降低對(duì)消的效果。相關(guān)資料顯示，美國(guó)DARPA近年來(lái)研制出一套認(rèn)知通信電子戰(zhàn)系統(tǒng)［9］，融合了通信電子戰(zhàn)、認(rèn)知無(wú)線電等技術(shù)，基本實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)跟蹤敵方跳變信號(hào)的目標(biāo)，這樣就解決有源對(duì)消技術(shù)的前端問題。

5 技術(shù)發(fā)展設(shè)想

隨著武器攻擊模式由單一向多樣化方式發(fā)展以及海上交戰(zhàn)兵力投入由單艦向規(guī)?；D(zhuǎn)變，未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)背景下的水面艦船雷達(dá)波隱身技術(shù)可能朝以下幾個(gè)方面發(fā)展：

1）威脅方向由水平入射向大角度入射擴(kuò)展

以往雷達(dá)波隱身性主要考慮來(lái)至水平方向入射的雷達(dá)波隱身，這也是由目前各國(guó)海軍廣泛列裝的反艦導(dǎo)彈飛行模式?jīng)Q定的。目前裝備的反艦導(dǎo)彈一般采用掠海方式飛行，導(dǎo)彈末端的飛行高度可降到距水面2m～8m，在此背景下，雷達(dá)波隱身性主要考慮來(lái)自水平方向的威脅。

彈道導(dǎo)彈作為反艦導(dǎo)彈進(jìn)入戰(zhàn)場(chǎng)［10］，使得大入射余角下的雷達(dá)波隱身性有了現(xiàn)實(shí)的戰(zhàn)術(shù)需求，其技術(shù)原理雖與水平方向相同，但對(duì)水面艦船的總體設(shè)計(jì)技術(shù)水平提出了更高的要求。

2）隱身對(duì)象由單艦隱身向編隊(duì)隱身覆蓋

根據(jù)體系作戰(zhàn)需求，未來(lái)海上強(qiáng)國(guó)在戰(zhàn)場(chǎng)上的兵力投入將更加巨大，特別是以航母為核心的海上編隊(duì)建成，使得以往“一對(duì)一”的較量變?yōu)椤岸鄬?duì)多”的對(duì)抗，這也為雷達(dá)波隱身技術(shù)帶來(lái)了新的問題，如何解決編隊(duì)的雷達(dá)波隱身［11］，編隊(duì)的雷達(dá)波隱身性與單艦的隱身性是何關(guān)系？體系作戰(zhàn)條件下總體資源如何分配？這些都是需要研究解決的問題。

3）隱身方式由被動(dòng)方式向主動(dòng)方式轉(zhuǎn)變［12］

各國(guó)海軍從20世紀(jì)70年代開始發(fā)展自身的雷達(dá)波隱身技術(shù)，到目前為止，排水量在萬(wàn)噸級(jí)的水面艦船RCS已由原來(lái)的數(shù)十萬(wàn)平方米量級(jí)降至上百平方米，隱身技術(shù)水平呈現(xiàn)出指數(shù)提升，未來(lái)RCS值降低的空間有限。目前美國(guó)最新型的驅(qū)逐艦DDG1000采用的雷達(dá)波隱身方式仍為被動(dòng)式——即通過外形和材料技術(shù)降低自身的RCS值，設(shè)想未來(lái)的雷達(dá)波隱身將依靠某種特定技術(shù)，進(jìn)一步釋放總體資源，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)方式向主動(dòng)方式轉(zhuǎn)變，使艦船達(dá)到“隱”、“現(xiàn)”可控。

6 結(jié)語(yǔ)

各國(guó)海軍在水面艦艇雷達(dá)波隱身技術(shù)上投入巨大，特別是美國(guó)、法國(guó)、瑞典為代表的國(guó)家在此方面已取得了矚目的成就。雷達(dá)波隱身是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，我國(guó)如何在目前技術(shù)水平基礎(chǔ)上取得更大突破，進(jìn)入“隱身艦”行列，這一切有賴于在材料、電磁、天線系統(tǒng)、工業(yè)設(shè)計(jì)等多個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科上逐步提升技術(shù)實(shí)力，同時(shí)注重對(duì)雷達(dá)波隱身總體設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)，合理統(tǒng)籌總體資源，更好地從頂層把握和牽引雷達(dá)波隱身技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)用。

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