裝備隱身技術(shù)的智能化發(fā)展

王龍,許可俊，汪劉應(yīng),劉顧，陽能軍，李平，葛超群

(中國人民解放軍火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710025)

0 引言

隨著當(dāng)前世界面臨的新軍事變革，導(dǎo)彈、戰(zhàn)機、坦克、艦艇等裝備系統(tǒng)趨向于精準(zhǔn)化和智能化方向發(fā)展。導(dǎo)彈武器系統(tǒng)智能化主要體現(xiàn)在控制、制導(dǎo)、引信與隱身等技術(shù)方面。隱身技術(shù)已經(jīng)過近大半個世紀(jì)的發(fā)展，成效斐然。美國率先展開了隱身技術(shù)研究，在20世紀(jì)80年代就已將該技術(shù)實用化于U-2以及SR-71偵察機等軍事裝備[1]。至今，美國采用最新隱身技術(shù)的B-2轟炸機、F-22戰(zhàn)斗機一直都倍受世界各國的密切關(guān)注?，F(xiàn)代戰(zhàn)場上的精確制導(dǎo)武器和偵察技術(shù)已經(jīng)日益多樣化，美軍的 U-2 高空偵察機、RC-135電子偵察機和RQ-4A無人偵察機等多層次立體化先進偵查裝備的服役，使得美軍的搜索、探測、識別、跟蹤及打擊目標(biāo)能力大幅提升。隱身是躲避摧毀與達成突襲的重要手段，可降低或減弱目標(biāo)特性而提高裝備戰(zhàn)場生存、突防和打擊能力，對奪取未來戰(zhàn)爭制勝起到至關(guān)重要作用[2]。

隱身技術(shù)按應(yīng)對的探測手段可分為可見光隱身、雷達隱身、紅外隱身、激光隱身、聲隱身等[3-6],分別減弱或控制軍事目標(biāo)的光、電、聲等探測特征信號而達到隱身目的。隨著體系對抗條件下反隱身技術(shù)的不斷發(fā)展，軍事目標(biāo)將同時面臨著雷達探測、高光譜探測、紅外探測、激光探測等全頻譜的全天侯全天時戰(zhàn)場威脅環(huán)境。因此，武器系統(tǒng)的隱身技術(shù)必將趨向于多頻譜兼容和智能自適應(yīng)2個新方向發(fā)展。

1 多頻譜兼容隱身

為了規(guī)避雷達探測與制導(dǎo)，雷達隱身技術(shù)主要通過低雷達散射截面(radar cross section,RCS)外形設(shè)計與吸波材料作用,減小目標(biāo)雷達散射截面，達到安全隱身的目的[7-8]。如圖1所示，當(dāng)前日本的SSM-1岸艦導(dǎo)彈、ASM-2空艦導(dǎo)彈以及瑞典的RBS-15反艦導(dǎo)彈等均采用鐵氧體、碳纖維、石墨、SiC纖維、金屬微粉等為吸波涂層。近些年，隨著導(dǎo)電高分子材料、特殊結(jié)構(gòu)材料、陶瓷、纖維、納米及其復(fù)合材料等逐步在隱身技術(shù)上的應(yīng)用，促使裝備隱身材料走向?qū)掝l化、輕型化、復(fù)合化、納米化和高溫化。GAMMA公司采用新型多晶鐵纖維吸收劑制成性能較好的吸波涂層，將其實用到法國導(dǎo)彈裝備上，質(zhì)量比傳統(tǒng)金屬微粉減輕40%以上[9]。美國F-22猛禽戰(zhàn)斗機采用了復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)，將納米吸波材料涂層進行優(yōu)化配置,達到了最優(yōu)隱身性能?；祀s纖維增強復(fù)合材料可成為質(zhì)輕高強的承載結(jié)構(gòu)件，又可用于拓寬吸波頻帶。陶瓷基復(fù)合材料更有助于高溫場合保持較好的吸波效果。法國Alcole公司將玻璃、芳酰胺和碳等纖維材料合成復(fù)合纖維，并與TiO2混雜制備成耐受1 200 ℃高溫的隱身無人機殼體。美國將陶瓷基復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)材料安裝在F-117隱身戰(zhàn)機的尾噴管，可承受高溫1 100 ℃，有效提升高溫隱身性能。

圖1 有微波吸收涂層的導(dǎo)彈

現(xiàn)有隱身技術(shù)無法覆蓋整個電磁譜波段，大多隱身技術(shù)只能較好地應(yīng)對單一波段探測，2種以上的聯(lián)合探測手段下就無所遁形，不能完全滿足實戰(zhàn)需求。譬如美軍F-117隱身戰(zhàn)機，敗于伊拉克戰(zhàn)爭中伊軍的毫米波雷達而慘遭擊毀。伴隨著較為先進的紅外、激光、米波雷達以及毫米波雷達等多波段偵察手段的不斷發(fā)展，亟待發(fā)展多頻譜兼容的新型隱身技術(shù)[10-11]。當(dāng)前多頻譜兼容隱身材料主要有高分子聚合物材料、納米材料以及氧化物摻雜半導(dǎo)體等[12]，更多是采用多層特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備工藝形成復(fù)合的涂層型、夾層型與多層膜等結(jié)構(gòu)樣式。被動紅外探測和主動激光探測兩者在所處的相同波段范圍內(nèi)存在難以協(xié)調(diào)的矛盾問題。然而，采用摻雜態(tài)Ge/ZnS，SiO2/ITO，Te/ZnS，TiO2/SiO2等膜系結(jié)構(gòu)光子晶體的光子禁帶與光子局域效應(yīng)，形成紅外光波段區(qū)域的階躍型反射光譜與挖孔型反射光譜并存現(xiàn)象，較好實現(xiàn)紅外高反射特性與1.06，10.6 μm激光陷光特性的兼容[13-16]。由于我國在這一方面的研究起步較晚，多頻譜兼容隱身技術(shù)并沒有得到很好的實裝應(yīng)用。然而，歐美國家的多種戰(zhàn)機、艦艇以及導(dǎo)彈卻可在一定程度上實現(xiàn)雷達、紅外以及可見光等多頻譜兼容隱身，提高了武器裝備的隱身性能。法國將多種隱身技術(shù)應(yīng)用于圖2中的AMX-30DFC坦克以及“勒克萊爾”2015坦克上，有效抑制了紅外以及雷達波的反射信號。瑞典的巴拉庫達公司研制的BMX-ULCAS型超輕偽裝網(wǎng)具有較好的中遠(yuǎn)紅外、可見光以及雷達等多頻譜隱身性能。

圖2 多頻譜兼容隱身坦克

2 智能隱身技術(shù)

在武器裝備的轉(zhuǎn)場機動運輸過程中，存在差異的多域復(fù)雜背景變化，靜態(tài)隱身方式逐漸不能滿足戰(zhàn)場偽裝需求。智能隱身技術(shù)[17-19]，又稱為自適應(yīng)隱身技術(shù)，能主動感知與分析軍事目標(biāo)不同方位的光電特性變化，主動改變軍事目標(biāo)的可探測特征,使軍事目標(biāo)全天候、全過程、全時段與環(huán)境的各種特征信號相匹配，適應(yīng)背景動態(tài)變化，從而顯著降低目標(biāo)被偵測、識別、鎖定及攻擊的可能性。智能隱身是集感知、決策、執(zhí)行于一體的系統(tǒng)技術(shù)，具備戰(zhàn)場環(huán)境智能感知功能、信息自主處理功能、目標(biāo)特征信號智能調(diào)節(jié)功能。動態(tài)隱身過程需要實時處理多種繁冗的復(fù)雜背景環(huán)境信息，將來必然與人工智能相結(jié)合，通過深度學(xué)習(xí)等算法產(chǎn)生最優(yōu)的隱身模式及隱身特征信號調(diào)控策略。世界各軍事強國都在熱衷于智能隱身技術(shù)研究，主要研究圍繞著雷達波、紅外、可見光智能隱身以及智能蒙皮等方面展開。

2.1 雷達智能隱身

雷達智能隱身技術(shù)能夠?qū)χ車肷涞碾姶挪ㄟM行感知，并實時調(diào)整和控制軍事目標(biāo)吸收、反射以及散射雷達波的特性，使得軍事目標(biāo)能夠?qū)崟r融合于復(fù)雜多變的電磁環(huán)境。目前主要實現(xiàn)途徑有自適應(yīng)伺服裝置控制可變外形、主動頻率選擇表面、電磁參數(shù)可調(diào)控材料和有源主動隱身技術(shù)等[20-21]。美國在自適應(yīng)伺服裝置控制可變外形研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，美國航空航天局(national aeronautics and space administration，NASA)和國防高級研究計劃局(defense advanced research projects agency，DARPA)早已開展了飛行器的智能變形技術(shù)研究且進展較為迅速，將來可望在航空航天、飛航導(dǎo)彈和無人機領(lǐng)域獲得應(yīng)用。主動頻率選擇表面是在無源頻率選擇表面中加入可控器件，通過調(diào)節(jié)等效電路中阻抗特性實現(xiàn)諧振頻率的響應(yīng)特性[22-24]。電磁參數(shù)可調(diào)控材料能通過施加電壓改變其物相從而實現(xiàn)吸波峰值頻率的可調(diào)諧。目前學(xué)者對聚吡咯、聚苯胺等導(dǎo)電聚合物進行摻雜改性，能對其電磁參數(shù)和電導(dǎo)率進行相應(yīng)調(diào)節(jié)，這些使得在很寬頻帶內(nèi)具有非常強的隱身能力。雷達有源主動隱身技術(shù)主要包括有源對消、等離子隱身技術(shù)等[25-26]。有源對消技術(shù)是利用反相電磁波去消除隱身目標(biāo)表面所產(chǎn)生的反射波。圖3中的B-2轟炸機搭載的有源對消系統(tǒng)“ZSR-63電子戰(zhàn)系統(tǒng)”能夠較好實現(xiàn)主動雷達隱身。由于隱身信號的多參量實時跟蹤、控制技術(shù)研究依舊存在難以突破的瓶頸，有源對消技術(shù)發(fā)展仍然不夠成熟。等離子隱身技術(shù)是通過電磁波與帶電粒子的相互作用，使電磁波能量逐漸被吸收與衰減。近年來，俄羅斯的等離子體隱身技術(shù)已經(jīng)超越了美國，取得了相應(yīng)技術(shù)成果。等離子體隱身能夠?qū)㈦[身裝備的可探測概率降低99%，促使傳統(tǒng)的隱身技術(shù)觀念發(fā)生根本性的變化。此外，通過將有源干擾技術(shù)與隱身技術(shù)結(jié)合使用，更能提高武器裝備的生存能力。美國在F-15以及F/A-18等高端戰(zhàn)斗機都裝有干擾機，且在F-22戰(zhàn)機(如圖4)等裝備加裝有小型誘餌系統(tǒng)。有源干擾技術(shù)可主動感知敵方的探測手段與工作頻率，并結(jié)合先進的電子干擾機與誘餌系統(tǒng)形成對抗干擾信號，能更好地規(guī)避敵方的偵測、跟蹤與打擊。

圖3 B-2轟炸機

圖4 F-22戰(zhàn)斗機

2.2 智能光學(xué)隱身

傳統(tǒng)的迷彩偽裝、遮障偽裝等靜態(tài)偽裝技術(shù)無法與背景環(huán)境的光譜細(xì)節(jié)特性達成一致，不能有效對抗高、超光譜成像偵察技術(shù)。智能可見光隱身原理與變色龍、章魚等生物變色機制相似，通過感知自身所處的環(huán)境顏色，主動改變自身顏色。智能變色材料主要分為光致變色、熱致變色、電致變色和壓敏變色等[27-29]，為實現(xiàn)自適應(yīng)可見光譜隱身系統(tǒng)提供了可能。法國在2014年巴黎國際防務(wù)展上展出的“多光譜活性皮膚”仿生偽裝變色材料能夠?qū)崿F(xiàn)電致輻射、反射和發(fā)光等特殊功能，通過動態(tài)變色使目標(biāo)類似于變色龍一樣與背景融為一體，且對紅外探測技術(shù)有一定隱身效果。俄羅斯于2018年研制出了隱形的頭盔，能夠針對周圍環(huán)境變化而改變顏色，俄軍可使用這種頭盔在戰(zhàn)場上發(fā)揮出驚人的隱身優(yōu)勢。美國養(yǎng)馬人湖空軍基地已經(jīng)著手研究在計算機程序控制下實現(xiàn)摻雜導(dǎo)電聚合物電致變色器件的色彩與亮度調(diào)節(jié)，力圖使飛機與背景環(huán)境達到類似圖5所示的自適應(yīng)可見光隱身功能。基于LED燈等方式的光譜亮度主動補償旳自適應(yīng)偽裝技術(shù)[30]，也能使軍事目標(biāo)很好地融合背景環(huán)境。通過實時監(jiān)測背景環(huán)境的光譜特征，并自主計算軍事目標(biāo)所需的相應(yīng)補償量，通過控制補償發(fā)光系統(tǒng)實時補償軍事目標(biāo)相對于背景環(huán)境所差的光譜亮度。超材料能使得物體表面的電磁波繞過其表面繼續(xù)向前傳播，導(dǎo)致偵察器材或人眼無法接收到物體表面的返回波而無法成像，達到了隱身的效果。加拿大研究人員通過使光波彎曲后繞過物體繼續(xù)傳播的方式，研制出圖6所示的一款在可見光、紅外探測及熱成像偵察系統(tǒng)都具備隱身能力的神奇“量子隱形衣”。

圖5 可見光自適應(yīng)隱身飛行器

圖6 量子隱形衣

傳統(tǒng)紅外隱身技術(shù)一般采用具有低發(fā)射率隱身涂料控制發(fā)射率，或者采用隔熱、吸熱材料控制目標(biāo)溫度，但這些靜態(tài)偽裝技術(shù)不可避免地可能導(dǎo)致目標(biāo)與環(huán)境融合程度不同，導(dǎo)致隱身失敗。自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)能使被探測目標(biāo)的紅外輻射特性隨環(huán)境的紅外輻射特性自動發(fā)生相應(yīng)協(xié)調(diào)變化,從而達到動態(tài)紅外隱身目的。電致變色材料因其出色的發(fā)射率可調(diào)優(yōu)勢而受到各熱控領(lǐng)域的廣泛研究。美國Florida大學(xué)、California大學(xué)等在軍方資助下對聚噻吩及其衍生的電致變發(fā)射率器件開展了大量紅外自適應(yīng)隱身研究[31]。然而，電致變溫和變發(fā)射率材料的研究仍然不夠成熟，存在溫度控制精度不夠高、隨動控制靈敏度不夠好等缺陷。

2.3 智能蒙皮

美國空軍于20世紀(jì)80年代最先構(gòu)想了智能蒙皮技術(shù)，擬計劃將射頻功能件、光纖傳感器、微處理裝置、微型電子元件、功能材料、天線陣列等嵌入到航天器、戰(zhàn)機、軍艦、潛艇等武器系統(tǒng)的外層或內(nèi)部結(jié)構(gòu)體中以實現(xiàn)監(jiān)視、預(yù)警、隱身和通信等多項功能。智能蒙皮要求材料具備耐高溫、高強度的同時質(zhì)量輕，因此需采用滿足條件的新型復(fù)合材料，將傳感器陣列和光纖傳輸系統(tǒng)完美地嵌入蒙皮內(nèi)部，這兩項技術(shù)目前也是世界各國正在攻克的技術(shù)瓶頸。美國BMDO于1996年開始計劃在彈道導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星與導(dǎo)彈天基防御系統(tǒng)的復(fù)合材料蒙皮中植入射頻天線、光纖傳感器、激光傳感器等器件，對非對稱打擊威脅進行實時監(jiān)視和預(yù)警[32]。俄羅斯蘇-35BM戰(zhàn)斗機采用了第五代戰(zhàn)機“未來前線戰(zhàn)斗機(PAK-FA)”的電子戰(zhàn)智能蒙皮系統(tǒng)設(shè)計。英國航宇系統(tǒng)公司與西門子聯(lián)合正在研制具備雷達、通信、主動隱身等系統(tǒng)功能于一體的歐洲戰(zhàn)斗樣機智能蒙皮。另外，智能蒙皮一體化關(guān)鍵技術(shù)還包括共形天線、光纖智能隱身、智能隱身特性綜合優(yōu)化等技術(shù)層面。美國雷神公司于2012年采用主動頻率選擇表面研制出了人工可控電磁透波特性的復(fù)合蒙皮材料[33]。美國于2015年已將研制的超材料智能蒙皮技術(shù)應(yīng)用至F/A-18“大黃蜂”的垂尾，實現(xiàn)機載通信天線和合成孔徑雷達的共形設(shè)計，提高了裝備系統(tǒng)的隱身性能。

3 結(jié)束語

裝備隱身技術(shù)對現(xiàn)代體系作戰(zhàn)的復(fù)雜戰(zhàn)爭環(huán)境中武器裝備的生存、突防和打擊能力具有非常重要意義。國內(nèi)外隱身領(lǐng)域普遍熱衷于利用多元納米復(fù)合與人造特殊結(jié)構(gòu)等技術(shù)，使得武器裝備隱身涂層逐漸趨向于“厚度薄、質(zhì)量輕、頻帶寬、耐熱好”。然而，現(xiàn)有靜態(tài)隱身技術(shù)依然存在頻段兼容不夠?qū)?、寬波段性能不均、動態(tài)可調(diào)可控性差等局限性。當(dāng)前雷達波、紅外、可見光等自適應(yīng)偽裝技術(shù)逐步取得了重大突破，但離實裝工程化應(yīng)用尚有差距。由此，當(dāng)前隱身技術(shù)不能有效支撐未來體系作戰(zhàn)下多頻譜平衡、多特征域綜合、跨域復(fù)雜背景高度融合與匹配等偽裝發(fā)展需求。

世界各國軍事實力競爭日益激烈，研發(fā)多頻譜兼容隱身技術(shù)與智能隱身技術(shù)已經(jīng)成為未來發(fā)展的必然趨勢。智能隱身裝備殼體必選擇將感知、處理與控制、執(zhí)行集中于一體的智能蒙皮樣式。在現(xiàn)狀條件下，智能隱身材料是制約裝備隱身技術(shù)突破的一項技術(shù)瓶頸，發(fā)展全新的隱身材料、隱身結(jié)構(gòu)與隱身機理是突破智能隱身技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵途徑，對構(gòu)建我國及火箭軍自有的隱身體系具有十分深遠(yuǎn)的意義。隨著傳感器、人工智能、超材料、納米材料、復(fù)合材料、智能材料等技術(shù)逐步成熟，相信智能隱身技術(shù)實裝應(yīng)用是指日可待。