艦用雷達(dá)波隱身材料的應(yīng)用及發(fā)展

徐 飛，李銑鑌

(海軍研究院，北京 100161)

0 引 言

雷達(dá)探測技術(shù)具有全天時(shí)、全天候的探測特點(diǎn)，一直為當(dāng)前軍事領(lǐng)域遠(yuǎn)程非合作目標(biāo)特征獲取、識(shí)別的主要手段,是戰(zhàn)場態(tài)勢感知的最前端，具備區(qū)域警戒、遠(yuǎn)程目標(biāo)搜索等諸多優(yōu)勢，是綜合作戰(zhàn)體系的核心組成之一。水面艦船作為海軍力量的前沿存在，要求具備對(duì)抗敵方綜合探測體系，提高本艦的生存性能力，而在當(dāng)前已知的所有目標(biāo)特性探測制導(dǎo)手段中，雷達(dá)探測制導(dǎo)是致使艦船被遠(yuǎn)距離攻擊的主要威脅之一。雖然艦船為提升其生存能力，裝備多重武器防衛(wèi)系統(tǒng)，但是通過降低全艦雷達(dá)波散射截面提升全艦雷達(dá)波隱身能力是實(shí)現(xiàn)全艦電子對(duì)抗效能最為重要、直接的手段之一[1–3]。

目前，各國海軍結(jié)合戰(zhàn)術(shù)使用、艦船目標(biāo)散射特征、海洋環(huán)境特性對(duì)艦船的雷達(dá)波隱身性設(shè)計(jì)及作戰(zhàn)使用進(jìn)行規(guī)范，形成以隱身外形為主，局部應(yīng)用吸波材料的艦船雷達(dá)波隱身技術(shù)途徑，但是面對(duì)雷達(dá)探測制導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，艦船對(duì)雷達(dá)波隱身性能的要求將不斷提高，而以隱身外形、隱身材料并重的艦船雷達(dá)波隱身技術(shù)途徑將是進(jìn)一步提升艦船的雷達(dá)波隱身性能的重要手段[4–7]。

1 材料技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

海軍應(yīng)用雷達(dá)波隱身技術(shù)起源較早，二戰(zhàn)時(shí)期，德國就有在U型潛艇潛望上涂敷吸波材料來提高潛艇隱蔽的先例。盡管海軍應(yīng)用雷達(dá)波隱身技術(shù)起源早，但是真正起步并進(jìn)行實(shí)用化也只是近幾十年的事，目前艦船雷達(dá)波隱身技術(shù)主要分為兩類，一類是外形隱身技術(shù)，通過隱身外形構(gòu)建弱散射區(qū)域的方式來實(shí)現(xiàn)艦船在水平方位的雷達(dá)波隱身性，一類是材料技術(shù)，直接利用材料的電磁特性吸收或者偏折入射的電磁波來減小艦船雷達(dá)波后向散射的強(qiáng)度。雷達(dá)波外形隱身技術(shù)是雷達(dá)波隱身技術(shù)中性價(jià)比較高的隱身技術(shù)，一旦設(shè)計(jì)完成基本惡化不需要后期維護(hù)，但是應(yīng)用條件受總體制約較大。材料技術(shù)由于具備隱身效果優(yōu)異、應(yīng)用條件簡單等特點(diǎn)，在一些不適合外形隱身設(shè)計(jì)，但是卻需要進(jìn)行雷達(dá)波隱身的區(qū)域往往采用涂敷吸波材料的方式加以控制，同時(shí)使用隱身材料所帶來的后期維護(hù)問題也是在應(yīng)用材料技術(shù)的過程中不得不加以重視的問題，目前，在艦船雷達(dá)波隱身設(shè)計(jì)中，隱身材料主要作為艦船外形隱身技術(shù)的補(bǔ)充手段進(jìn)行運(yùn)用。艦船雷達(dá)波材料技術(shù)根據(jù)其雷達(dá)波隱身機(jī)理及工藝不同，可以分為損耗型吸波材料、諧振型材料、參雜型復(fù)合材料。

1）損耗型吸波材料

損耗型吸波材料主要通過涂料內(nèi)部的金屬微粒、鐵氧體等對(duì)入射雷達(dá)波進(jìn)行吸收，將其轉(zhuǎn)化為熱能來降低雷達(dá)波的反射；艦船雷達(dá)波隱身中，損耗型吸波材料使用至今也有十多年的歷史，長期的使用過程中對(duì)艦船的雷達(dá)波隱身發(fā)展起到重要的促進(jìn)作用，同時(shí)也積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，損耗型吸波材料是目前艦用吸波材料應(yīng)用方面較為成熟的技術(shù)，但是在應(yīng)用方面也暴露出一些問題，比如施工周期長、涂覆工藝復(fù)雜等，另外由于艦船長期處于高溫、高濕、高鹽的海洋環(huán)境中，“三高”海洋環(huán)境往往會(huì)導(dǎo)致艦用吸波材料流掛、脫落，特別是當(dāng)吸波材料破損后流掛、脫落現(xiàn)象特備明顯，因此對(duì)于艦用吸波材料除關(guān)注其雷達(dá)波吸波性能外，其耐環(huán)境性能也是評(píng)價(jià)艦用吸波材料的重要指標(biāo)之一。

2）諧振型材料

諧振型材料主要通過在基板上構(gòu)建周期性結(jié)構(gòu)將入射雷達(dá)波偏折到其他方向上或者對(duì)電磁波進(jìn)行吸收，實(shí)現(xiàn)后向雷達(dá)波散射減小。從已檢測過的實(shí)用諧振型材料看，與損耗型吸波材料相比，諧振型材料在較窄波段內(nèi)垂直入射隱身性能較好，而斜入射、耦合、寬頻帶等條件下性能稍弱，可以認(rèn)為一般應(yīng)用條件下與損耗型吸波材料水平相當(dāng)，而對(duì)于以鏡面散射為主的散射源，則可認(rèn)為諧振型材料優(yōu)于損耗型吸波材料。根據(jù)電磁場理論，金屬受到電磁波照射后，表面將生成大量的感應(yīng)電流元，感應(yīng)電流元在自由空間激發(fā)電磁場，電磁場在自由空間相位疊加后就形成金屬的雷達(dá)回波。諧振型材料的原理就是通過在金屬表面構(gòu)建大量周期性微結(jié)構(gòu)，形成規(guī)律性分布的感應(yīng)電流元，改變自由空間中電磁波的最大疊加方向。

在實(shí)際使用過程中通常會(huì)將諧振型材料密封在具有高透波性的玻璃鋼材質(zhì)中，避免了材料本身與外界的接觸，有效地解決材料對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性問題，另外諧振型材料在設(shè)計(jì)過程中要防止可能出現(xiàn)的不利于隱身的柵瓣的問題，同時(shí)諧振型材料的工作原理決定其單層設(shè)計(jì)很難在較寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)其吸波特性，為達(dá)到擴(kuò)展帶寬的目的，通常采用多層疊加的方式來實(shí)現(xiàn)，這將難以避免增加材料的厚度。但從技術(shù)的發(fā)展看，普通損耗型吸波材料基本已到極限，而隨著技術(shù)進(jìn)步，諧振型材料設(shè)計(jì)則還有進(jìn)一步優(yōu)化電磁結(jié)構(gòu)以提高性能的可能。

3）參雜型復(fù)合材料

參雜型復(fù)合材料主要是在玻璃鋼等高透波性能材料的基礎(chǔ)上，將雷達(dá)波吸收劑參雜到材料的內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)性能和吸波性能的一體化。一方面，雷達(dá)波吸收劑參雜于材料內(nèi)部，能夠有效避免與外部環(huán)境直接接觸，優(yōu)化了吸收劑材料對(duì)海洋環(huán)境的適應(yīng)性，后期維護(hù)簡單；另一方面作為基材的玻璃鋼具備一定的彎曲、拉伸及層間剪切強(qiáng)度，在艦面對(duì)力學(xué)性能要求不高的部位可作為結(jié)構(gòu)件使用。參雜型復(fù)合材料將雷達(dá)波吸收劑參雜于玻璃鋼等材質(zhì)中，即降低后期對(duì)于材料本身電性能的維護(hù)，同時(shí)又可以作為結(jié)構(gòu)件使用，減輕對(duì)全艦直接涂敷吸波材料帶來的增重壓力，對(duì)全艦大面積使用吸波材料實(shí)現(xiàn)全空域的雷達(dá)波散射截面減縮提供解決方案。

2 總結(jié)與展望

材料技術(shù)在艦船雷達(dá)波隱身中的應(yīng)用而言，任何材料在保證優(yōu)良的電性能的同時(shí)都面臨著一些其他方面的限制條件，沒有所謂的完美材料技術(shù)能夠一次解決所有問題。材料技術(shù)是艦船實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波隱身的重要途徑，在需求決定牽引的艦船雷達(dá)波隱身設(shè)計(jì)中，最大限度發(fā)揮材料的優(yōu)勢特點(diǎn)，同時(shí)通過其他技術(shù)途徑彌補(bǔ)其不足，是艦船雷達(dá)波隱身設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。目前，直接涂敷于艦面的損耗型吸波材料仍然是現(xiàn)階段減縮艦船雷達(dá)散射截面的最常用的手段，諧振型材料則是具備實(shí)現(xiàn)比損耗型吸波材料更高吸收率的發(fā)展?jié)摿?，而參雜型復(fù)合材料具備的力學(xué)性能與電性能兼容的特性則是對(duì)于吸波材料大面積艦面應(yīng)用實(shí)現(xiàn)艦船全空域雷達(dá)散射截面減縮具有重要的意義。隨著未來對(duì)艦船雷達(dá)波隱身的要求越來越高，具有結(jié)構(gòu)功能一體化特性，同時(shí)能夠降低對(duì)材料的維護(hù)要求的參雜型復(fù)合材料將是艦用雷達(dá)波吸波材料的發(fā)展趨勢。

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