衛(wèi)星隱身技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢*

胡豪斌，張 翔，廖文和，孔祥鯤

(1. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094； 2. 南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星技術(shù)迅猛發(fā)展，在軌衛(wèi)星數(shù)量劇增，軍用、民用、商業(yè)衛(wèi)星繁榮發(fā)展，對于軍事戰(zhàn)略而言，太空已成為新的戰(zhàn)場，與制海權(quán)、制空權(quán)一樣，制天權(quán)已成為目前發(fā)達(dá)國家軍事戰(zhàn)略中的重要組成部分。歐美等發(fā)達(dá)國家的太空發(fā)展計(jì)劃中，防御性對抗在整個攻防體系中發(fā)揮著重要作用，具有隱身功能的衛(wèi)星已經(jīng)成為防御性對抗的重要組成部分。隨著針對太空目標(biāo)的探測識別和監(jiān)視技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星的安全和生存能力將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，為了降低在軌衛(wèi)星的可探測性，增強(qiáng)對敵方探測和監(jiān)視系統(tǒng)的抵御能力，迫切需要在衛(wèi)星上應(yīng)用隱身技術(shù)。

針對目標(biāo)可探測特征的分類，隱身技術(shù)主要分為雷達(dá)隱身技術(shù)、可見光及紅外隱身技術(shù)、射頻隱身技術(shù)等。雷達(dá)隱身技術(shù)是發(fā)展最早也是最重要的隱身技術(shù)，降低雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section, RCS)的措施主要有：外形修形技術(shù)，也稱為外形隱身；采用雷達(dá)吸波材料?？梢姽饧凹t外隱身技術(shù)的核心是通過冷卻、降溫、涂料、涂層、遮擋和降低發(fā)射率等手段來控制或縮減自身可見光及紅外特征信號，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)與背景融為一體，使得光學(xué)或紅外成像設(shè)備難以分辨。射頻隱身技術(shù)是采用主動控制輻射的技術(shù)措施，以降低被無源探測器截獲的概率[1]。

自蘇美軍備競賽以來，針對日益增多的人造衛(wèi)星及愈發(fā)嚴(yán)峻的太空形勢，美國發(fā)展建立了系列太空探測系統(tǒng)，如太空跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)(space tracking and surveillance system)、天基空間監(jiān)視(space based space surveillance)系統(tǒng)、太空籬笆(the space fence)及林肯空間監(jiān)視系統(tǒng)(lincoln space surveillance complex)等，已經(jīng)形成在沒有預(yù)先提示或指派任務(wù)情況下實(shí)現(xiàn)對9 cm大小空間目標(biāo)的隨機(jī)探測，在提示情況下能夠跟蹤探測1 cm大小空間目標(biāo)的能力。另外，俄羅斯“天窗”(Okno space-monitoring complex)系統(tǒng)及光學(xué)跟蹤系統(tǒng)、法國的空間監(jiān)視網(wǎng)雷達(dá)網(wǎng)等空間目標(biāo)探測系統(tǒng)也已具備探測能力。目前，國際上空間目標(biāo)探測系統(tǒng)的探測能力發(fā)展迅速，無論是雷達(dá)探測設(shè)備還是光學(xué)成像設(shè)備，地基探測系統(tǒng)或是天基探測系統(tǒng)都具備優(yōu)越的探測識別及跟蹤能力，這對衛(wèi)星的隱身能力提出了極高的性能要求。

衛(wèi)星是一個系統(tǒng)工程，其本身技術(shù)復(fù)雜，包含了很多分系統(tǒng)，如測控、結(jié)構(gòu)、熱控、電源、數(shù)據(jù)管理、姿態(tài)控制等，隱身作為一個分系統(tǒng)需要與各個分系統(tǒng)兼容。衛(wèi)星在搭載于運(yùn)載火箭發(fā)射升空、在運(yùn)載火箭發(fā)射過程中，衛(wèi)星需經(jīng)歷極大的過載加速度、沖擊及噪聲環(huán)境，衛(wèi)星受到體積、質(zhì)量和功耗的嚴(yán)格限制。因此，衛(wèi)星自身的功能及設(shè)計(jì)限制作為保證衛(wèi)星任務(wù)成功的首要條件，對隱身方式及其力學(xué)性能提出了特殊要求。

衛(wèi)星在軌飛行過程中，暴露在紫外線輻射、原子氧、微重力以及高真空度的極端環(huán)境下，對衛(wèi)星表面材料具有一定的腐蝕降解作用，要求隱身材料具備較強(qiáng)的耐空間環(huán)境能力。太空平均溫度為-270.3 ℃，在太陽輻射、地球反照環(huán)境、衛(wèi)星的自身功耗及熱控措施下，星內(nèi)溫度一般控制在-15～+50 ℃的范圍內(nèi)，星體表面及太陽能電池陣溫度范圍可達(dá)-90～+120 ℃，對隱身材料工作溫度提出了較為嚴(yán)苛的要求[2]。此外，由于任務(wù)需求，要求隱身衛(wèi)星具備長時間在軌潛伏的能力，且衛(wèi)星上隱身材料的修補(bǔ)或更換等工作極難展開，因而對衛(wèi)星隱身材料提出了長壽命的需求。

本文首先概述了雷達(dá)隱身技術(shù)、紅外及可見光隱身技術(shù)，調(diào)研了外形隱身手段、各類雷達(dá)吸波材料、紅外及可見光吸收材料等，討論并總結(jié)了各類隱身技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及在衛(wèi)星上應(yīng)用的可能性，最后展望了衛(wèi)星隱身技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 雷達(dá)隱身技術(shù)

1.1 外形隱身技術(shù)

外形隱身作為比較有效的雷達(dá)隱身手段，其通過改變目標(biāo)的特征外形，可在特定角度范圍內(nèi)降低目標(biāo)的RCS，使目標(biāo)的主要散射能量規(guī)避雷達(dá)威脅區(qū)域，達(dá)到雷達(dá)隱身的效果。如圖1所示，美國的F-117A戰(zhàn)斗機(jī)、B-2轟炸機(jī)等就是外形隱身設(shè)計(jì)的代表作。

圖1 美國B-2隱形轟炸機(jī)Fig.1 US B-2 stealth bomber

外形隱身技術(shù)可利用多種途徑：①優(yōu)化目標(biāo)總體布局，減少強(qiáng)散射源；②通過修形消除或減弱鏡面散射；③避免構(gòu)成角反射器的外形布局；④改變散射回波的方向，使散射能量在雷達(dá)威脅區(qū)域外；⑤對強(qiáng)散射部件進(jìn)行遮擋等。

美國朦朧(Misty)衛(wèi)星是已公開報道過的在軌隱身衛(wèi)星，其隱身性能來源于充氣罩[3]，地面雷達(dá)探測電磁波通過錐形充氣罩的外壁折射至其他方向，大大降低了回波能量，屬于外形隱身技術(shù)的一種，朦朧衛(wèi)星在軌期間隱身效果顯著，其構(gòu)型如圖2所示。陳衛(wèi)東等[4]公開了一種隱身衛(wèi)星構(gòu)型，如圖3(a)所示，衛(wèi)星構(gòu)型為六棱柱體、六棱錐與隱身天線罩的結(jié)合，該設(shè)計(jì)主要通過漫反射雷達(dá)探測電磁波實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星隱身。秦遠(yuǎn)田等[5]公開了一種橄欖體形隱身衛(wèi)星構(gòu)型，如圖3(b)所示，其暴露于外表面的天線、噴管和太陽能帆板可通過窗口收進(jìn)本體內(nèi)，衛(wèi)星切換為隱身狀態(tài)，針對全尺寸實(shí)物模裝分別進(jìn)行隱身狀態(tài)和非隱身狀態(tài)下的RCS測試，兩組數(shù)據(jù)表明，在隱身狀態(tài)切換前后的RCS分別縮減至原來的1/719和1/350。

圖2 美國朦朧衛(wèi)星示意Fig.2 US Misty satellite

(a) 隱身衛(wèi)星(a) Stealth satellite

(b) 橄欖體形衛(wèi)星構(gòu)型(b) Olive-shaped satellite configuration圖3 典型隱身衛(wèi)星構(gòu)型Fig.3 Typical stealth satellite configuration

綜上所述，衛(wèi)星采用外形隱身技術(shù)具有一定的可行性，且隱身效果較好，但上述隱身衛(wèi)星構(gòu)型仍存在一定的技術(shù)缺陷：①朦朧衛(wèi)星可充氣圓錐結(jié)構(gòu)體積龐大，圓錐角需長時間對地以指向地基雷達(dá)，影響載荷的搭載，且難以兼顧對天基探測設(shè)備、地基光學(xué)成像設(shè)備的隱身；②六棱柱與六棱錐結(jié)合隱身天線罩的構(gòu)型同樣需要錐角對地，無展開式電池陣，對日電池片數(shù)量少，難以為大功率載荷供電；③橄欖形構(gòu)型外形不規(guī)則，在有限的運(yùn)載火箭搭載空間內(nèi)，此衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)備安裝空間會更小，空間利用率降低，不符合現(xiàn)代衛(wèi)星小型化趨勢。

1.2 涂覆型雷達(dá)吸波材料

雷達(dá)吸波材料(Radar Absorbing Material，RAM)有多種分類，如按對電磁的損耗機(jī)理可分為電吸收吸波材料和磁吸收吸波材料，按吸收帶寬可分為窄帶型和寬帶型，按材料的使用方式可分為涂覆型和結(jié)構(gòu)型吸波材料。目前涂覆型吸波材料有鐵氧體涂料[6-8]、多晶鐵纖維材料[9-11]、金屬微粉材料[12]、納米材料[13]、導(dǎo)電高聚物[14-15]、手性材料[16-19]、石墨烯復(fù)合材料[20-25]、碳纖維復(fù)合材料[26-30]、碳納米管復(fù)合材料[31-34]等。

Zhang等[7]研制的Fe3O4/ GNPs-NH-PANI復(fù)合材料與石蠟按照3 ∶7的質(zhì)量比混合涂層，在2.6 mm的厚度時，反射損耗(Reflection Loss, RL)低于-10 dB的帶寬高達(dá)9.62 GHz(7.85～17.47 GHz)。Zheng等[16]采用納米鎳對微螺旋手性碳纖維改性，如圖4所示，測試結(jié)果表明涂層的反射率為-6～-8 dB的帶寬為12 GHz(6～18 GHz)。Chen等[21]在濕化學(xué)條件下，成功制備了新型還原氧化石墨烯/赤鐵礦納米復(fù)合材料，厚度為4 mm時，RL<-10 dB的頻帶為11.3～18 GHz。Pan等[22]通過在石墨烯上生長的六方鈷(α-Co)和立方鈷(β-Co)納米晶的相控合成提高鈷的電磁性能，如圖5所示，通過調(diào)節(jié)涂層厚度，有效吸收帶寬可在3～16 GHz(RL≤-10 dB)內(nèi)變化。Qing等[25]研究了寬帶微波吸收的石墨烯納米片(Graphene NanoPlatelets, GNP)和BaTiO3顆粒填充的環(huán)氧涂層，采用雙層結(jié)構(gòu)和頻率選擇表面(Frequency Selective Surface, FSS)設(shè)計(jì)改善此類涂層的微波吸收率后，RL<-8 dB的帶寬為13.9 GHz(4.1～18 GHz)。

(a) 納米Ni改性纖維顯微圖(a) Microscopic image of nano-Ni modified fiber

(b) 反射損耗曲線(b) Reflection loss curve of material圖4 納米Ni改性纖維Fig.4 Nano-Ni modified fiber

Kim等[26]研究了兩層復(fù)合層壓板(碳纖維-環(huán)氧樹脂復(fù)合板與炭黑浸漬橡膠板)的微波吸收特性，發(fā)現(xiàn)復(fù)介電常數(shù)可以通過橡膠復(fù)合板中炭黑的含量來控制，對于含10%炭黑的橡膠板，最大微波吸收為30 dB(10 GHz處)。Liu等[28]分別使用Ni和Ni / Al2O3催化乙炔分解，在碳纖維的表面上選擇性地生長形成雙碳納米線圈和單碳納米線圈，如圖6所示，測試結(jié)果表明單碳納米線圈復(fù)合材料RL小于等于-10 dB的帶寬達(dá)9.6 GHz。

(a) β-Co 100 nm顯微圖(a) Microscopic image of β-Co in 100 nm

(b) β-Co 2 nm顯微圖(b) Microscopic image of β-Co in 2 nm

(c) 不同厚度涂層的反射損耗曲線(c) RL of coatings of different thicknesses圖5 石墨烯上生長立方鈷納米晶Fig.5 Growing β-Co nanocrystals on graphene

Xu等[32]通過在兩輥混合器混合硅橡膠、多壁碳納米管(Multi-Walled Carbon NanoTube, MWCNT)和片狀羰基鐵顆粒(Carbonyl Iron Particle, CIP)來制備的智能吸收復(fù)合材料，厚度為1 mm或1.5 mm時，反射吸收帶(RL<-10 dB)為5.2～10.6 GHz或4.0～8.4 GHz。Huang等[33]通過球磨法制備的片狀FeSiAl合金/MWCNT復(fù)合材料，通過控制銑削時間及MWCNT含量，可調(diào)整復(fù)合材料電磁性能，如圖7所示，測試表明RL<-10 dB時，帶寬可達(dá)4.6 GHz。De Micheli等[35]在立方體衛(wèi)星表面覆蓋了優(yōu)化設(shè)計(jì)的用于吸波的多層MWCNT，在2～18 GHz頻帶內(nèi)的大部分頻率范圍內(nèi)電磁波反射低于-10 dB，可實(shí)現(xiàn)立方體衛(wèi)星的隱身。

(a) 單碳納米線圈在碳纖維上生長的顯微圖像(a) Microscopic image of single-carbon nanocoils growth on carbon fiber

(b) 單碳納米線圈的高倍放大圖(b) High magnification of single-carbon nanocoils

(c) 不同厚度的反射損耗曲線(c) RL of different thickness圖6 單碳納米線圈復(fù)合材料Fig.6 Single-carbon nanocoils composite

(a) 0.2 μm高清電鏡圖像(a) HD image in 0.2 μm

(b) 1 μm高清電鏡圖像(b) HD image in 1 μm

(c) 厚度為2 mm不同研磨時間樣品的反射損耗曲線(c) RL of the 2 mm thickness sample of different grinding time

(d) 不同MWCNT含量樣品的反射損耗曲線(d) RL of the sample of different MWCNT content圖7 FeSiAl / MWCNT復(fù)合材料Fig.7 FeSiAl / MWCNT composite material

然而目前廣泛研究和使用的涂覆型吸波材料，仍存在密度大、吸收頻帶窄(在2～18 GHz頻帶內(nèi)，RL<-10 dB的帶寬一般低于10 GHz)、電磁波吸收率低等缺點(diǎn)。吸波材料多為碳系材料，輻射吸收率高、發(fā)射率高，紅外特征明顯，難以適應(yīng)衛(wèi)星應(yīng)用環(huán)境或滿足隱身性能需求。此外，如碳納米管等納米級材料具備的非常復(fù)雜的制備工藝、高昂的制備成本會限制其應(yīng)用。

1.3 結(jié)構(gòu)型雷達(dá)吸波材料

結(jié)構(gòu)型吸波材料，如吸波蜂窩板，通常有三種形式：①透波蒙皮，中間蜂窩夾芯中充填吸波材料(絮狀、泡沫狀、纖維狀)；②透波蒙皮，中間紙蜂窩夾芯在吸波劑中反復(fù)浸潤或者噴涂吸波劑，吸波劑附著在夾芯壁上[12,35-39]；③表面蒙皮及蜂窩夾芯透波，底層為多層復(fù)合吸波材料[40]。

He等[12]通過在蜂窩狀夾層結(jié)構(gòu)中噴涂金屬磁性微粉涂層(Metal Magnetic microPowder, MMP)構(gòu)成的微波吸收材料，如圖8所示，在2.6～18 GHz的頻率范圍內(nèi)RL<-5 dB。郭雪松等[36]對異形蜂窩的電磁參數(shù)進(jìn)行仿真，優(yōu)化了15 mm 厚蜂窩，在增重41.25%、拉伸率為0.68時，RL<-10 dB的帶寬達(dá)到12 GHz(2～18 GHz內(nèi))。孫鵬程等[37]選取了兩種采用不同類型吸波劑浸漬的芳綸紙蜂窩結(jié)構(gòu)型吸波材料FW10和FW20作為夾層，內(nèi)外側(cè)蒙皮為鋁合金板件及石英纖維板，如圖9所示，結(jié)果表明，厚31 mm的最優(yōu)方案RL<10 dB的帶寬為13.1 GHz(1.7～14.8 GHz)。禮嵩明等[38]建立了具有良好計(jì)算準(zhǔn)確性的吸波蜂窩及其夾層吸波結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的電性能計(jì)算模型，并實(shí)現(xiàn)了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的寬頻電性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖10所示， 30 mm厚的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料優(yōu)化后在1.5～18 GHz寬頻內(nèi)實(shí)現(xiàn)RL<-10 dB。

(a) 蜂窩夾層(a) Honeycomb sandwich

(b) 涂有環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的蜂窩夾層(b) Honeycomb sandwich coated with epoxy resin composite

(c) 樣品的反射損耗(涂層厚度為2.5 mm)(c) RL curve of sample (coating thickness is 2.5 mm)圖8 蜂窩夾層板Fig.8 Honeycomb sandwich

(a) 仿真模型(a) Simulation model

(b) 采用最優(yōu)方案時的反射損耗曲線(b) RL curve when using the optimal scheme圖9 雙層吸波蜂窩復(fù)合材料Fig.9 Double-layer absorbing honeycomb composite materials

(a) 30 mm 厚吸波蜂窩芯反射損耗(a) RL curve of a 30 mm thickness absorbing honeycomb core

(b) 不同電結(jié)構(gòu)形式蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料反射損耗(b) RL curve of a honeycomb sandwich structure with different electrical structures圖10 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料Fig.10 Absorbing honeycomb sandwich structure

對比1.2小節(jié)可知，結(jié)構(gòu)型吸波材料吸波頻帶普遍比涂覆型吸波材料寬，并且材料密度小，若能達(dá)到衛(wèi)星承力要求，可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)隱身一體化。

1.4 電磁超材料

超材料(metamaterials)指的是一種特種復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)，通過對材料關(guān)鍵物理尺寸上進(jìn)行有序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其獲得常規(guī)材料所不具備的超常物理性質(zhì)。超材料中的“左手材料”最早在1968年由蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago 在理論上提出，預(yù)測其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負(fù)數(shù)的特性[41]。20世紀(jì)90年代，英國Pendry 教授提出周期性排布的金屬線陣列[42]和金屬開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)[43]可以分別實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率。2001年，美國Smith 教授團(tuán)隊(duì)將上述二者復(fù)合而首次制造出了左手材料，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其具有負(fù)折射現(xiàn)象[44]。Landy等[45]于2008年設(shè)計(jì)出了吸波超材料,數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)表明在11.48 GHz處吸收率可達(dá)99%。后續(xù)在國際上超材料吸波體的研究蓬勃發(fā)展，大量超材料相關(guān)論文相繼發(fā)表。目前可用于隱身技術(shù)的超材料設(shè)計(jì)繁多，如超材料微波吸波體[46-56]、超材料可見光吸波體[57-61]、超材料紅外吸波體[62-65]、超材料極化轉(zhuǎn)換器[66]、超材料極化旋轉(zhuǎn)反射面[29,67-68]、超材料天線罩[69-70]、可調(diào)諧超材料吸波體[71-73]、光子晶體等。另外，F(xiàn)SS[74]、頻率選擇反射器(Frequency Selective Reflector, FSR)[75-76]也可歸類于超材料。

Li等[47]提出了一種多層超材料吸波體，絲網(wǎng)印刷的碳基電阻膜夾在兩層硅橡膠與MWCNT復(fù)合材料之間，如圖11所示，90%吸收帶寬為13.5 GHz(7.1～20.6 GHz)。Tayde等[48]提出的寬帶超材料微波吸波體，由多層電阻表面構(gòu)造，每層使用電阻石墨在FR-4基板上印刷不同的周期性圖案，90%吸收帶寬為16.5 GHz(2～18.5 GHz)，如圖12所示。

圖11 在彎曲試驗(yàn)前后測量的反射率曲線及仿真曲線Fig.11 Simulated RL curve and RL curve measured before/after the bending test

(a) 單元結(jié)構(gòu)示意圖(a) Unit cell model

(b) 使用HFSS和等效電路模型的仿真曲線(b) Simulated curves by HFSS and equivalent circuit model圖12 多層電阻表面超材料微波吸波體Fig.12 Metamaterial wave absorber based on resistance surface

Harsh等[49]提出的光學(xué)透明超材料由氧化銦錫(Indium Tin Oxide, ITO)電阻膜圖案及PET介質(zhì)板制成，如圖13所示，90%吸收帶寬為 8.6 GHz(6.06～14.66 GHz)。Zhang等[51]提出采用ITO的光學(xué)透明雷達(dá)吸波體，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整結(jié)構(gòu)的共振，在8.3～17.4 GHz寬頻內(nèi)實(shí)現(xiàn)90%吸收。Zhou等[56]提出了一種超寬帶周期性兩層階梯式雷達(dá)吸收結(jié)構(gòu)(Periodic Stepped Radar Absorbing Structure, PSRAS)，通過使用αFe增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料構(gòu)造的PSRAS，由于微觀和介觀尺度相結(jié)合的多尺度效應(yīng)，如圖14所示，其在2.64～40.0 GHz超寬頻內(nèi)實(shí)現(xiàn)RL<-10 dB。

(a) 單元結(jié)構(gòu)模型(a) Unit cell model

(b) 仿真及實(shí)測的吸波率(b) Simulated and measured absorption圖13 透明電磁超材料吸波體Fig.13 Transparent metamaterial absorber

(a) 單元結(jié)構(gòu)模型(a) Unit cell model

(b) αFe顯微圖(b) αFe micrograph

(c) TM波不同入射角下反射損耗曲線(c) RL curve of TM wave at different incident angles圖14 周期性兩層階梯式雷達(dá)吸收結(jié)構(gòu)Fig.14 Periodic Stepped Radar Absorbing Structure

Pang等[29]提出在玻璃纖維復(fù)合材料表面加載少量的碳纖維絲，形成棋盤和隨機(jī)圖案進(jìn)行了仿真及測試，其減少RCS機(jī)制為相位抵消而不是吸收，在厚2.7 mm時，RCS低于-10 dB頻段為8.7～19.2 GHz。Jia等[67]提出的由超寬帶極化旋轉(zhuǎn)反射面形成的棋盤表面，90%吸收帶寬為11.7 GHz(6.1～17.8 GHz)，如圖15所示。Jeong等[69]提出了一種單元結(jié)構(gòu)由扇形圖案及電阻組成的超材料天線罩，如圖16所示，其表面采用FR-4材料進(jìn)行保護(hù)，在厚度僅5.2 mm情況下吸收率大于90%的頻帶為4.6～12 GHz。Kumar等[70]通過使用尼龍纖維和輕木以及E-玻璃 / 環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，在不影響機(jī)械性能的情況下，改善現(xiàn)有隱形天線罩的電磁波傳輸特性。

(a) 棋盤結(jié)構(gòu)示意圖(a) Schematic diagram of the checkerboard structure

(b)棋盤結(jié)構(gòu)的單站RCS與極化旋轉(zhuǎn)表面的反射率(b)Monostatic RCS of the checkerboard structure and the RL curve of the polarized rotating surface圖15 基于極化旋轉(zhuǎn)表面的棋盤結(jié)構(gòu)Fig.15 Checkerboard structure based on the polarized rotating surface

岳守晶等[74]提出了一種基于頻率選擇表面的小型衛(wèi)星隱身天線罩及其制備方法，如圖17所示，天線罩為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)外層FSS屏、內(nèi)外蒙皮及中間層，各層間采用膠膜膠接，其力學(xué)性能滿足衛(wèi)星應(yīng)用。

(a) 單元結(jié)構(gòu)示意圖(a) Unit cell model

(b) 實(shí)物圖(b) Fabricated sample

(c) 實(shí)測吸波率(c) Measured absorptivity圖16 超材料天線罩Fig.16 Metamaterial radome

(a) 天線罩側(cè)視圖(a) Side view of radome

(b) 天線罩俯視圖(b) Top view of radome

(c) 夾層結(jié)構(gòu)(c) Sandwich structure of radome圖17 夾層結(jié)構(gòu)天線罩Fig.17 Radome based on sandwich structure

Han等[72]提出的可通過3D打印實(shí)現(xiàn)的水基可調(diào)超材料吸波體，通過機(jī)械運(yùn)動控制可實(shí)現(xiàn)吸收波段的改變，如圖18所示。Sun等[76]提出了一種基于FSR設(shè)計(jì)的低RCS平面反射陣列天線，測量結(jié)果表明，所提出的天線設(shè)計(jì)與常規(guī)反射陣列天線的增益相比僅減少了0.3 dB，而在4～12.5 GHz有-10 dB RCS縮減，如圖19所示。

(a) 單元結(jié)構(gòu)示意圖(a) Unit cell model

(b)機(jī)械運(yùn)動后可形成的三種圖案(b) Three patterns that can be formed after mechanical movement

(c)三種圖案對應(yīng)實(shí)測反射損耗參數(shù)(c) Measured reflection parameters corresponding to three patterns圖18 可調(diào)超材料吸波體Fig.18 Tunable metamaterial absorber

超材料在改變介質(zhì)基板材質(zhì)后，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)隱身一體化，如禮嵩明等[77]提出在透波蒙皮中引入超材料結(jié)構(gòu)單元的新型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料，相比于原吸波蜂窩，新型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在1～2 GHz 頻率范圍內(nèi)的吸波性能顯著提升，同時材料質(zhì)量大幅降低。陳育秋等[78]采用芳綸紙蜂窩與FSS復(fù)合設(shè)計(jì)，得到兼具質(zhì)量輕、強(qiáng)度高及吸波帶寬寬的蜂窩吸波復(fù)合材料，通過開槽等方法優(yōu)化仿真，設(shè)計(jì)厚度為6 mm的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)吸波材料，如圖20所示，其-10 dB吸收帶寬達(dá)14 GHz(4～18 GHz)。Shen等[79]將兩層電阻膜嵌入纖維柱陣列增強(qiáng)的泡沫夾層結(jié)構(gòu)中，以實(shí)現(xiàn)微波寬帶吸收以及良好的機(jī)械性能，結(jié)果表明，所提出的夾層結(jié)構(gòu)厚度為9.73 mm，在2.6～21 GHz寬頻內(nèi)RL<-10 dB，增強(qiáng)的機(jī)械性能使其適合某些裝載應(yīng)用。

(a) 單元結(jié)構(gòu)示意圖(a) Unit cell model

(b) 實(shí)物圖(b) Fabricated sample

(c) 實(shí)測單站RCS對比(c) Comparison of measured monostatic RCS圖19 基于FSR設(shè)計(jì)的低RCS平面反射陣列天線Fig.19 Low-RCS reflect array antenna based on FSR

(a) 單元結(jié)構(gòu)示意圖(a)Unit cell model

(b) 實(shí)物圖(b) Fabricated sample

(c) 仿真及實(shí)測反射參數(shù)(c) Simulated and measured reflectivity圖20 吸波蜂窩復(fù)合材料Fig.20 Absorbing honeycomb composite material

隱身衣作為變換光學(xué)應(yīng)用最具代表性的范例，其通過外層包覆的方式使其內(nèi)部的物體對外部探測器隱身，采用具有特殊電磁響應(yīng)的超材料實(shí)現(xiàn)[80]。2006年Schurig等[81]等首先實(shí)現(xiàn)了工作于8.5 GHz的二維隱身衣，成功隱藏其內(nèi)部一根圓形銅線。其后，Li等[82]采用非均勻介質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)了地毯隱身，Liu等[83]實(shí)現(xiàn)了覆蓋13～16 GHz的寬帶地毯隱身。Yang等[84]提出了一種兩層超表面雙波段隱身地毯，可在6.1 GHz和10.2 GHz處實(shí)現(xiàn)隱身。Islam等[85]提出了一種基于雙裂方形超材料的電磁隱身衣。使用提出的超材料單元設(shè)計(jì)的單層方形隱身衣，如圖21所示，測試結(jié)果表明，在5.94～6.95 GHz的頻率范圍內(nèi)，在隱身衣內(nèi)放置一些大小和形狀不同的物體都具有隱身效果。Chu等[86]實(shí)現(xiàn)了一種混合型隱身衣，通過超表面和雙零介質(zhì)構(gòu)成的菱形雙層隱身殼，成功隱藏其內(nèi)部的菱形金屬，如圖22所示。

電磁超材料以多種方式及途徑實(shí)現(xiàn)物體雷達(dá)隱身，具有很好的應(yīng)用前景。對比1.2與1.3小節(jié)可知，超材料吸波體的可設(shè)計(jì)性更強(qiáng)，在2～18 GHz頻帶內(nèi)有效吸波帶寬可實(shí)現(xiàn)更寬，厚度相對于涂層較厚，密度主要取決于介質(zhì)板(可考慮輕輕質(zhì)材料替換)。此外，電磁超材料相比于吸波納米材料，其加工工藝簡單、成本低(單元結(jié)構(gòu)多為毫米級)，在介質(zhì)板更換后有實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)隱身一體化的可能性(如加載紙蜂窩等)。

(a) 方形隱身衣內(nèi)放置圓柱形物體示意(a) Cylindrical object inside the Square-cloak

(b) 僅物體在隱身頻率(6.70 GHz)時xz平面的電場分布(b) Distribution of E-field in the xz-plane for uncloaked object at cloaked frequency (6.70 GHz)

(c)物體在隱身衣內(nèi)，在不隱身的頻率時xz平面的電場分布(c) Distribution of E-field in the xz-plane for object inside the cloak shell at uncloaked frequency

(d)物體在隱身衣內(nèi)，在隱身頻率(6.70 GHz)時xz平面的電場分布(d)Distribution of E-field in the xz-plane for object inside the cloak shell at cloaked frequency (6.70 GHz)圖21 方形隱身衣對圓柱形物體隱身Fig.21 Cylindrical object cloaked by the square-cloak

(a) 制作的菱形隱身殼，中心部分是金屬(a) Picture of the fabricated rhombic cloaking shell and the central part is a metallic rhombus as the hidden region

(b) 帶隱身外殼情況下的電場分布(b) Electric field distribution for the case with the cloaking shell

(c) 沒有隱身外殼的情況下的電場分布(c) Electric field distribution for the case without the cloaking shell圖22 混合隱身衣Fig.22 Hybrid invisibility cloak

2 紅外及可見光隱身手段

2.1 紅外隱身

衛(wèi)星運(yùn)行在-273.15 ℃的太空中，由于其自身設(shè)備的產(chǎn)熱以及在光照區(qū)及陰影區(qū)的周期性的熱量吸收與輻射，使得衛(wèi)星紅外特征明顯，極易被探測到，需要施加紅外隱身手段用以降低衛(wèi)星紅外特征，從而降低紅外被探測的概率。

常規(guī)紅外隱身技術(shù)大多針對導(dǎo)彈、飛機(jī)、軍艦、坦克、裝甲車等平臺，主要手段包括：①減少自身產(chǎn)熱，比如飛機(jī)發(fā)動機(jī)采用新型噴口，使燃油充分燃燒，從而降低紅外輻射；②結(jié)構(gòu)隱身，比如把發(fā)動機(jī)噴口設(shè)計(jì)成狹長形，使得噴出的熱氣流很快與高空中的冷空氣融為一體，迅速降低了飛機(jī)的溫度；③選擇輻射系數(shù)(ε1)低的涂料，以減少導(dǎo)彈因氣動加熱而引起的熱輻射；④紅外吸收涂料，涂覆于機(jī)身表面以吸收紅外輻射能，可降低機(jī)體的熱輻射；⑤采取屏蔽措施降低輻射透過率，比如軍艦采用的煙火型紅外遮蔽煙幕和水幕；⑥使目標(biāo)盡量融入背景，比如飛機(jī)腹部的涂層降低與天空背景對比度，背部涂層具有自然背景光譜特性[87-88]。

紅外隱身材料按作用機(jī)理一般可分為三類：一是吸收型，可使吸收的能量在涂層內(nèi)部不斷被消耗而不引起明顯的溫升，從而減少物體的紅外輻射；二是轉(zhuǎn)換型，吸收紅外能量之后，涂料的紅外輻射向其他波段轉(zhuǎn)移，使之處于紅外探測系統(tǒng)的工作波段之外；三是反射型，材料具有低紅外發(fā)射率，對紅外波段電磁波具有高反射和低吸收的特性[89]。

Diao等[90]采用嵌段共聚物膠束光刻與金納米顆粒的化學(xué)生長相結(jié)合的方法制造的亞波長納米結(jié)構(gòu)，牛角形的納米柱在可見光和近紅外光波段具有低反射率(<0.02%)和高透射率(>99.8%)。周亦康[91]用“摻雜—脫摻雜—再摻雜”的方法制備了樟腦磺酸摻雜的聚苯胺復(fù)合材料，結(jié)果表明，當(dāng)摻雜濃度為2 ∶2時，RL<-10 dB的帶寬達(dá)到8.16 GHz(9.84～18 GHz)， 紅外輻射大氣窗口(3～5 μm、8～14 μm)平均發(fā)射率僅為0.46和0.29。Peng等[92]提出了基于Ag/Ge多層膜的紅外隱身選擇性發(fā)射器，其在大氣窗口內(nèi)具有低發(fā)射率(ε3-5 μm= 0.18，ε8-14μm=0.31)，而在大氣窗口之外具有高發(fā)射率(ε5-8μm= 0.82)以進(jìn)行輻射冷卻。Moghimi等[93]在柔性基板上集成介電納米線和金屬納米粒子等，形成紅外隱身薄板，如圖23所示，在2.5～15.5 μm寬帶內(nèi)反射率和透射率皆低于5%。

光子晶體(Photonic Crystal，PC)是由多種具有不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間按一定的周期排列所形成的一種人造結(jié)構(gòu)晶體，也屬于一種超材料，其光子禁帶對入射電磁波具有高反射率，能夠有效改變目標(biāo)的輻射特性[94]。目前基于光子晶體的紅外隱身材料研究發(fā)展迅猛，Wang等[95]提出了紅外一維雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合光子晶體(Composite Photonic Crystal, CPC)，仿真與測試結(jié)果表明其在3～5 μm和8～14 μm的波長范圍紅外發(fā)射率低至0.073和0.042。此外，由于其在雷達(dá)波段的高透射率，可用于構(gòu)造紅外雷達(dá)隱身兼容材料。王航等[96]研究了可見光、遠(yuǎn)紅外與多種激光兼容隱身PC薄膜，8～14 μm 波段平均發(fā)射率為0.14，10.6 μm 及0.93 μm、1.06 μm波長處的反射率在20%和10%以下，大幅降低了激光回波功率，且PC薄膜可為黃、綠或藍(lán)色，可用來模擬荒漠、林地或海洋背景。Hu等[97]以ZnSe和Te為介電材料設(shè)計(jì)的PC，在0.4～1.2 μm波段的反射曲線類似于綠色植物的反射光譜曲線，同時，在8～12 μm波段發(fā)射率為0.05。

(a) 隱形薄板示意圖(a) Schematics of a stealth sheet

(b) SiNW的掃描電子顯微圖(b) Photograph of SiNW from scanning electron microscope

(c) SiNW長度對透射光譜的影響(c) Effect of SiNW length on transmission spectra圖23 超薄紅外隱身板Fig.23 Ultrathin infrared stealth sheets

Tian等[98]基于電阻頻率選擇表面(Resistance Frequency Selective Surface, RFSS)設(shè)計(jì)的紅外吸收體，如圖24所示，仿真結(jié)果表明，在3～5 μm和8～12 μm波長范圍內(nèi)吸收體的吸收率均大于90%。Cao等[62]提出了一種基于石墨烯-銀的混合超材料結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，其在特定紅外波長吸收率可達(dá)100%，且可以通過改變參數(shù)靈活地調(diào)節(jié)吸收峰中心波長。Zhong等[63]提出了一種僅7 mm厚的超表面，可以同時減少雷達(dá)波反射和紅外熱輻射，通過兩個專門設(shè)計(jì)的單元結(jié)構(gòu)層(紅外吸收層(InfraRed Shielding Layer, IRSL)與雙方環(huán))的微妙組合來實(shí)現(xiàn)，如圖25所示，測量結(jié)果表明，90%吸收頻帶為3～8 GHz，紅外發(fā)射率約為0.2。

(a) 仿真模型(a) Simulation model

(b) 仿真紅外吸收率(b) Simulated absorption of the absorber圖24 基于電阻FSS的紅外吸收體Fig.24 Infrared absorber based on resistance FSS

Xu等[99]提出的由金屬-電介質(zhì)-多層截頭圓錐體組成的吸收體，在兩個大氣窗口3～5 μm和8～14 μm中具有0.9的高反射率，在5～8 μm的非大氣窗口中，吸收帶較寬。Zhang等[100]提出了一種采用ITO膜的柔性透明微波-紅外雙隱身結(jié)構(gòu)，可以同時實(shí)現(xiàn)微波波段高吸收率、紅外波段低發(fā)射率及光學(xué)透明性，如圖26所示，90%吸收頻帶為7.7～18 GHz，紅外大氣窗口熱發(fā)射率約為0.23。

(a) 吸波體示意圖(a) Schematic diagram of the absorber

(b) 吸波體側(cè)視圖(b) Side view of the absorber

(c) 仿真微波反射曲線(c) Simulated microwave reflectivity

(d)實(shí)測紅外發(fā)射率(d) Measured infrared transmissivity圖25 雷達(dá)紅外兼容隱身結(jié)構(gòu)Fig.25 Radar-infrared bi-stealth structure

(a) 單元結(jié)構(gòu)(a) Unit cell model

(b) TE模式下，不同入射角的吸收率(b) Measured absorption spectrum of our structure under different incident angles at TE mode

(c)在溫度為60 ℃的加熱爐中對設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)、金屬和PET進(jìn)行熱紅外成像(c) Thermal IR images of designed structure, metal, and PET at a heating furnace with temperature of 60 ℃圖26 微波-紅外雙隱身結(jié)構(gòu)Fig.26 Microwave-IR bi-stealth structure

因此，應(yīng)用在武器平臺的紅外隱身技術(shù)，衛(wèi)星也可借鑒一些手段，如隱藏變軌發(fā)動機(jī)或推進(jìn)器、采用紅外吸收材料。此外，紅外隱身性能優(yōu)異的材料種類較多，其中超材料吸波體或光子晶體還具有雷達(dá)或可見光隱身性能，具有更好的應(yīng)用前景。

2.2 可見光隱身

傳統(tǒng)衛(wèi)星星體包裹多層隔熱組件，其表面層為金色或銀色二次反光鏡，可見光反光極強(qiáng)。因此，衛(wèi)星總體的光學(xué)特性十分明顯，極易被光學(xué)望遠(yuǎn)鏡探測。衛(wèi)星熱控系統(tǒng)中不可或缺的多層隔熱組件，讓衛(wèi)星的可見光隱身成為一個難以解決的問題。

與雷達(dá)隱身技術(shù)相比，可見光隱身也有相似的隱身手段：①構(gòu)型隱身，減小光學(xué)橫截面積 (Optical Cross Section, OCS)，降低被探測的概率；②材料隱身，涂覆光學(xué)吸收涂料或安裝加載光學(xué)吸收材料。

朱冬駿等[101]提出了一種光學(xué)隱身衛(wèi)星構(gòu)型，如圖27所示，分別對衛(wèi)星平臺構(gòu)型、太陽能帆板、半球形遮光罩進(jìn)行設(shè)計(jì)及整星OCS仿真分析，結(jié)果表明該衛(wèi)星構(gòu)型OCS峰值僅0.082 m2。

(a) 衛(wèi)星整體結(jié)構(gòu)圖(a) Satellite overall structure diagram

(b) 衛(wèi)星布局示意(b) Schematic of satellite layout圖27 光學(xué)隱身衛(wèi)星Fig.27 Optical stealth satellite

Wang等[102]采用氧化石墨烯(graphene oxide)對鋁顏料進(jìn)行改性，可用于低輻射織物涂層，與未改性鋁顏料織物涂層相比，其亮度降低了49%，可見光反射率降低了23%，光澤度降低了58%，而紅外發(fā)射率在8～14 μm波段僅增加了0.12。Qi等[103]提出了一種頂層覆蓋聚四氟乙烯(Poly Tetra FluoroEthylene,PTFE)的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)PTFE / Hs /(Ge/ZnS)3，由于PTFE保護(hù)層的高粗糙度和界面反射，可使光澤度從200 Gs下降至74.2 Gs。此外，在8～14 μm平均發(fā)射率為0.196，在2～18 GHz微波范圍內(nèi)具有96.45%的傳輸率。Ding等[104]提出了一種無須光刻的寬帶超薄可見光吸收體，由多層電介質(zhì)和金屬膜組成，可見波長范圍吸收率均大于90%。Zhu等[105]通過間苯二酚和甲醛的水性縮合形成的有機(jī)氣凝膠進(jìn)行熱解，制備了各種密度的碳?xì)饽z，發(fā)現(xiàn)密度低于70 mg/cm3的碳?xì)饽z在400～2 000 nm波長范圍內(nèi)總反射率小于0.24%，如圖28所示。

(a) <70 mg/cm3 (b) >70 mg/cm3圖28 碳?xì)饽z的抗反射機(jī)制Fig.28 Anti-reflection mechanism of carbon aerogel

Rana等[57]設(shè)計(jì)了采用鎢的可見光吸收超材料，其在400～800 nm波段具有近99%的吸收率。Wu等[106]提出的二維超材料超寬帶吸收體，在400～1500 nm波長范圍內(nèi)平均吸收率達(dá)97.8%，此外，通過在單元結(jié)構(gòu)中增加金屬-電介質(zhì)對的數(shù)量并同時采用金和鐵，改進(jìn)的吸收體在400～2 000 nm范圍內(nèi)的平均吸收率達(dá)到96.4%。Ghobadi等[107]提出了一種基于金屬-絕緣體-金屬(Metal-Insulator-Metal, MIM)的超寬帶吸收體，如圖29所示，在300～1 000 nm范圍內(nèi)平均吸收率達(dá)94%。

Ni等[108]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了包裹在物體上的超薄隱身衣，由厚度為80 nm(約λ / 9)的具有分布相移的超表面構(gòu)成，如圖30所示，其通過完全恢復(fù)730 nm波長的反射光的相位來隱藏包裹其內(nèi)的任意形狀三維物體。Hsu等[109]提出在可見光波長從650 nm到800 nm范圍內(nèi)用于線極化寬帶隱身地毯的新型超表面設(shè)計(jì)。

(a) 單元結(jié)構(gòu)(a) Unit cell

(b) MIM設(shè)計(jì)的橫截面(b) Cross section of the MIM design

(c) 加工結(jié)構(gòu)的SEM圖像(c) SEM image of the fabricated structure

(d) D1為60 nm時吸收光譜(d) Absorption spectra when D1 is 60 nm圖29 基于金屬-絕緣體-金屬的光學(xué)吸收體Fig.29 Optical absorber based on MIM

(a) 單元結(jié)構(gòu)示意圖(a) Schematic view of the unit cell

(b) 超表面隱身衣的插圖(b) Illustration of a metasurface skin cloak

(c) 披風(fēng)打開時的干涉圖像(c) Respective interference images when the cloak is on

(d) 披風(fēng)關(guān)閉時的干涉圖像(d) Respective interference images when the cloak is off圖30 光學(xué)超表面隱身衣Fig.30 Optical metasurface skin cloak

綜上所述，已提出的光學(xué)隱身衛(wèi)星構(gòu)型仍有需突破的難點(diǎn)，如不能搭載多樣化載荷、對衛(wèi)星其他分系統(tǒng)影響較大、通用性不足等。光學(xué)隱身材料中，碳?xì)饽z及多頻譜兼容吸收超材料有較好的應(yīng)用前景。

3 隱身衛(wèi)星存在的問題及建議

3.1 隱身衛(wèi)星存在的問題

根據(jù)雷達(dá)隱身技術(shù)、紅外及可見光隱身技術(shù)現(xiàn)狀分析，各類隱身技術(shù)在衛(wèi)星上應(yīng)用存在以下問題或要求：

1)現(xiàn)有隱身衛(wèi)星外形設(shè)計(jì)與衛(wèi)星其他分系統(tǒng)兼容性較差，或難兼顧多頻譜隱身。

2)當(dāng)前隱身材料難以滿足應(yīng)用于衛(wèi)星上所具備的適應(yīng)太空環(huán)境、壽命長、厚度薄、密度小、力學(xué)性能優(yōu)異等條件。

3)涂覆型和結(jié)構(gòu)型隱身材料與衛(wèi)星其他分系統(tǒng)的兼容問題。衛(wèi)星表面一般包裹有熱控多層隔熱組件，會直接反射電磁波，按熱控系統(tǒng)常規(guī)設(shè)置，多層隔熱組件安裝于承力結(jié)構(gòu)外部，此時結(jié)構(gòu)型吸波材料將失去吸波作用，因此，結(jié)構(gòu)型吸波材料的實(shí)施方式及位置需與熱控系統(tǒng)協(xié)調(diào)，而涂覆型吸波材料可涂覆在熱控多層組件表面。此外，雷達(dá)隱身材料與衛(wèi)星通信系統(tǒng)存在吸收電磁波與輻射電磁波的矛盾。

4)紅外或可見光隱身技術(shù)與其他隱身技術(shù)及衛(wèi)星分系統(tǒng)的兼容問題。紅外隱身材料紅外發(fā)射率低，可見光隱身材料多為黑色且可見光吸收率高，都需與衛(wèi)星熱控系統(tǒng)協(xié)調(diào)。衛(wèi)星上太陽能電池片多為三結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體材料，其吸光能力強(qiáng)，導(dǎo)致太陽能帆板溫度高，紅外特征明顯，且由于電池片表面加載的玻璃片，在特定角度存在可見光鏡面反射。因此，應(yīng)綜合考慮紅外、可見光隱身性能與太陽能帆板的工作效率。

5)隱身衣或隱身地毯需將其結(jié)構(gòu)或薄膜包裹于物體表面，對于衛(wèi)星而言，通信天線、太陽能電池陣、展開機(jī)構(gòu)及相機(jī)等載荷的存在，使得包裹措施難以實(shí)施，且無論是微波或是可見光波段，隱身頻段都較窄，因此，隱身衣的工程應(yīng)用還需技術(shù)突破。

3.2 隱身衛(wèi)星應(yīng)用建議

結(jié)合各類隱身技術(shù)及衛(wèi)星總體技術(shù)，對于隱身衛(wèi)星提出以下建議：

1)對于衛(wèi)星隱身技術(shù)總體，衛(wèi)星構(gòu)型采用隱身外形設(shè)計(jì)，衛(wèi)星表面安裝或涂覆各類隱身材料，實(shí)現(xiàn)微波、紅外及可見光綜合隱身，隱身構(gòu)型及各類隱身材料的采用都需兼顧衛(wèi)星其他分系統(tǒng)。

2)對于外形隱身技術(shù)，在保證衛(wèi)星總體技術(shù)要求的前提下，通過合理的構(gòu)型布局與構(gòu)型設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)隱身效果，采用多棱面和融合外形技術(shù)，避免出現(xiàn)較大平面與凸?fàn)畹膹澢?、尖點(diǎn)、邊緣、棱角、缺口和垂直交叉的接面。太陽電池片布局時減少片間縫隙。同時，在隱身構(gòu)型設(shè)計(jì)過程中，需考慮運(yùn)載火箭提到的衛(wèi)星許用包絡(luò)約束以及外形設(shè)計(jì)對衛(wèi)星實(shí)際功能的影響，如衛(wèi)星內(nèi)部的有效容積、表面太陽能電池片的有效利用面積、衛(wèi)星熱控等因素。

3)對于吸波材料的應(yīng)用，涂覆型吸波材料可直接涂覆于衛(wèi)星表面包裹的多層隔熱組件上；結(jié)構(gòu)型吸波材料可作為衛(wèi)星承力結(jié)構(gòu)或安裝于承力結(jié)構(gòu)外，多層隔熱組件安裝于結(jié)構(gòu)型吸波材料內(nèi)表面。

4)對于電磁超材料的應(yīng)用，電磁超材料可以多種方式實(shí)現(xiàn)隱身：①分別采用超材料微波吸收體、紅外吸收體、可見光吸收體實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星雷達(dá)、紅外、可見光隱身，電池陣表面采用專門設(shè)計(jì)的光學(xué)透明吸波體；②采用極化轉(zhuǎn)換器，將入射電磁波由一種極化狀態(tài)轉(zhuǎn)換為與其正交的極化狀態(tài)，可避免被雷達(dá)探測；③采用可調(diào)諧超材料吸波體，實(shí)現(xiàn)吸波特性在不同環(huán)境、條件下具備適應(yīng)性及可調(diào)性，改變衛(wèi)星RCS特性，擾亂敵方雷達(dá)探測；④采用FSS或FSR，應(yīng)用于天線罩，天線工作頻段透波，其余波段吸波；⑤采用多頻譜兼容吸收體，實(shí)現(xiàn)微波、紅外或可見光多頻譜吸收。因此，可按需采用各類電磁超材料，集成于衛(wèi)星隱身系統(tǒng)。

5)對于紅外隱身技術(shù)，衛(wèi)星儀器設(shè)備安裝于星體內(nèi)部，統(tǒng)一導(dǎo)熱至散熱面，星體采用熱控措施使得熱導(dǎo)通，避免局部熱量過高，通過衛(wèi)星布局或采取姿態(tài)調(diào)整使得散熱面避免被探測；太陽能帆板吸收的熱量及時導(dǎo)出，避免溫度急劇上升；采用紅外隱身材料，降低衛(wèi)星紅外輻射。

6)對于可見光隱身技術(shù)，通過衛(wèi)星布局或采取姿態(tài)調(diào)整使得可見光強(qiáng)反射面避免被探測；采用可見光隱身材料，降低可見光散射截面。

4 衛(wèi)星隱身技術(shù)展望

4.1 提高集成化水平

衛(wèi)星總體必須不斷提高衛(wèi)星隱身系統(tǒng)的集成化水平，以滿足隱身衛(wèi)星的高隱身性能要求，特別是加強(qiáng)各頻譜隱身材料的集成技術(shù)研究。此外，隱身外形與衛(wèi)星構(gòu)型的一體化設(shè)計(jì)、雷達(dá)隱身材料與通信天線的電磁兼容設(shè)計(jì)、隱身材料與熱控系統(tǒng)的熱整合設(shè)計(jì)等，都是衛(wèi)星總體應(yīng)考慮到的分系統(tǒng)間需協(xié)調(diào)的問題。

4.2 加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)攻關(guān)

關(guān)鍵技術(shù)突破是隱身技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵點(diǎn)，結(jié)合衛(wèi)星隱身實(shí)際，需要從以下幾個方面加強(qiáng)研發(fā)投入。

1)隱身結(jié)構(gòu)一體化。已有結(jié)構(gòu)型隱身材料吸波性能大多較強(qiáng)，應(yīng)用于衛(wèi)星隱身，需力學(xué)性能滿足運(yùn)載火箭要求，因此，在滿足吸波性能強(qiáng)的同時，結(jié)構(gòu)型隱身材料需往厚度薄、密度小、力學(xué)性能強(qiáng)的設(shè)計(jì)發(fā)展。

2)材料適應(yīng)空間環(huán)境。對于雷達(dá)吸波材料、紅外或可見光吸收材料，除了吸波性能強(qiáng)、密度小、厚度薄等傳統(tǒng)發(fā)展方向，還需具備太空環(huán)境適應(yīng)性。

3)多頻譜兼容隱身。現(xiàn)有的隱身材料大多是雷達(dá)、紅外、可見光中單頻譜隱身，多頻譜兼容隱身材料是重要研究方向，如同時實(shí)現(xiàn)紅外和可見光吸收的材料，可節(jié)省空間、減少材料兼容性測試及涂覆步驟等。

4)衛(wèi)星構(gòu)型隱身。在衛(wèi)星總體指導(dǎo)下，在目前衛(wèi)星小型化、高功能密度等發(fā)展趨勢下，衛(wèi)星構(gòu)型往隱身外形設(shè)計(jì)發(fā)展。

4.3 落地工程應(yīng)用

多數(shù)隱身衛(wèi)星構(gòu)型和隱身材料停留在理論階段或難以實(shí)現(xiàn)低成本批量生產(chǎn)。因此，隱身構(gòu)型的設(shè)計(jì)應(yīng)由衛(wèi)星總體指導(dǎo)開展，盡快實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用；隱身材料設(shè)計(jì)在追求性能指標(biāo)的同時，需考慮加工成本及應(yīng)用環(huán)境，盡快應(yīng)用于衛(wèi)星。

4.4 建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是隱身技術(shù)的制高點(diǎn)，在隱身技術(shù)迅速發(fā)展之時，衛(wèi)星隱身技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范應(yīng)提前謀劃，比如各頻譜隱身性能指標(biāo)、衛(wèi)星隱身構(gòu)型設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)、隱身材料的隱身、力學(xué)、熱學(xué)性能要求等需盡快提出。

5 結(jié)論

衛(wèi)星是空間攻防系統(tǒng)的重要組成部分，具有隱身功能的衛(wèi)星可增強(qiáng)對敵方探測和監(jiān)視系統(tǒng)的抵御能力。目前國內(nèi)外衛(wèi)星隱身技術(shù)發(fā)展雖已開展多年，但發(fā)展不如隱身戰(zhàn)斗機(jī)等武器平臺，目前沒有公開報道正在軌運(yùn)行的隱身衛(wèi)星。在地面裝甲車輛、艦船、飛機(jī)等平臺上應(yīng)用的先進(jìn)雷達(dá)、紅外及可見光隱身技術(shù)，對于衛(wèi)星隱身技術(shù)具有一定的借鑒意義。由于衛(wèi)星所處的空間環(huán)境及其自身復(fù)雜的技術(shù)，衛(wèi)星隱身技術(shù)將是極具特點(diǎn)的，涉及多學(xué)科交叉的前沿技術(shù)，在研究過程中應(yīng)從衛(wèi)星應(yīng)用需求出發(fā)，將隱身材料技術(shù)、隱身外形技術(shù)與衛(wèi)星總體技術(shù)相結(jié)合，加強(qiáng)總體方案論證，注重可實(shí)現(xiàn)性，突破關(guān)鍵技術(shù)，推進(jìn)衛(wèi)星隱身技術(shù)的發(fā)展。