潛用光電設(shè)備及其升降裝置雷達(dá)波隱身設(shè)計(jì)研究

張寅，李忠，戴德山

(華中光電技術(shù)研究所?武漢光電國家研究中心，湖北 武漢 430223)

0 引言

隨著隱身探測技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)探測技術(shù)作為遠(yuǎn)距離先敵探測的主要技術(shù)手段，其應(yīng)用日益廣泛，對(duì)飛機(jī)、艦船、潛艇、坦克等武器裝備的作戰(zhàn)生存產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅。為此，世界主要軍事國家都對(duì)反雷達(dá)探測技術(shù)即雷達(dá)波隱身技術(shù)展開了研究，并廣泛應(yīng)用于武器裝備中[1]。

潛用光電設(shè)備安裝在潛艇舷外，作為潛艇在水下航行時(shí)少數(shù)暴露在水平面上的設(shè)備，其隱身性能的好壞直接影響潛艇的隱身性能。因此有必要對(duì)潛用光電設(shè)備開展隱身設(shè)計(jì)研究，提高其雷達(dá)波隱身性能，進(jìn)而提高潛艇安全與作戰(zhàn)生存性能[2]。

雷達(dá)波隱身技術(shù)主要包括外形隱身技術(shù)、材料隱身技術(shù)、無源和有源對(duì)消技術(shù)等[3]。無源對(duì)消技術(shù)由于適用頻段太窄，有源對(duì)消技術(shù)由于使用太復(fù)雜而難以在潛用光電設(shè)備上實(shí)施。本文結(jié)合雷達(dá)波散射機(jī)理，首先從結(jié)構(gòu)外形影響因素、隱身材料方面對(duì)雷達(dá)波隱身性能的影響進(jìn)行分析，然后從外形隱身技術(shù)和材料隱身技術(shù)2 個(gè)方面對(duì)潛用光電設(shè)備進(jìn)行雷達(dá)波隱身設(shè)計(jì)研究，探索潛用光電設(shè)備雷達(dá)波隱身設(shè)計(jì)發(fā)展的方向。

1 雷達(dá)波隱身技術(shù)分析

1.1 雷達(dá)波散射機(jī)理

雷達(dá)散射截面（Radar cross section,RCS）定義為在單位立體角內(nèi)目標(biāo)朝接收方向散射功率與從給定方向投射到目標(biāo)的平面波功率密度之比的4π 倍[4]，即是一種假想面積。

將散射功率歸一化處理使得由于散射波以球面擴(kuò)散引起的衰減不致成為計(jì)算雷達(dá)散射截面的一個(gè)因子，則雷達(dá)散射截面可以表示為[5]：

式中：上標(biāo)i，s分別表示入射場、散射場；E，H分別表示場功率、場功率密度、電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度。

按照基于雷達(dá)測量觀點(diǎn)，收發(fā)天線位于同一地點(diǎn)，可得到目標(biāo)雷達(dá)散射截面σ的表達(dá)式為[6]：

式中：A為天線的接收有效面積，m2；Pi為發(fā)射功率；Ps為散射功率；G為天線增益；R為雷達(dá)的作用距離。

從上式可以看出，目標(biāo)的雷達(dá)截面積與雷達(dá)的作用距離的4 次方成正比，如果隱身目標(biāo)是降低雷達(dá)探測距離50%，則需雷達(dá)截面積減小到原來的1/16。

根據(jù)電磁波理論中雷達(dá)散射截面與波長關(guān)系，在高頻區(qū)（光學(xué)區(qū)），目標(biāo)散射體各個(gè)部分之間累計(jì)的相互影響很小，一個(gè)散射體可作為各獨(dú)立的散射中心的集合來處理[7]。幾何形狀比較簡單的物體，如球體、圓柱、錐體等，可以直接計(jì)算出它們的雷達(dá)截面積。對(duì)于復(fù)雜目標(biāo)，如飛機(jī)、艦艇、地物等，其雷達(dá)散射截面是視角和工作波長的復(fù)雜函數(shù)。尺寸大的復(fù)雜反射體常近似分解成許多獨(dú)立的散射體，每一個(gè)獨(dú)立散射體的尺寸仍處于光學(xué)區(qū)，各部分沒有相互作用?？偟睦走_(dá)截面積是各部分截面積的矢量和[8]，即

式中：σk為第k個(gè)散射體的截面積；dk為第k個(gè)散射體與接收機(jī)之間的距離。

在X 波段頻率，潛用光電設(shè)備外形尺寸遠(yuǎn)大于波長，因此可以視其為電大尺寸物體，其各個(gè)組成部分（如潛用光電設(shè)備本體、流線型升降裝置等）可以認(rèn)為獨(dú)立起作用。對(duì)于潛用光電設(shè)備，其本體與流線型升降裝置部分由于受到約束條件限制，對(duì)其能夠采取的隱身措施不同，因此需要對(duì)其分別進(jìn)行隱身設(shè)計(jì)研究。

雷達(dá)隱身技術(shù)主要途徑包括外形隱身技術(shù)和材料隱身技術(shù)[9]，其中外形隱身占隱身貢獻(xiàn)的2/3，材料隱身占隱身貢獻(xiàn)的1/3。

1.2 外形隱身技術(shù)

外形隱身技術(shù)是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)體隱身技術(shù)最直接有效的手段。根據(jù)雷達(dá)散射截面計(jì)算公式，目標(biāo)體RCS 值與其外形尺寸大小緊密相關(guān)，所以為降低目標(biāo)體RCS值，其核心原則是實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。在小型化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在保證總體技術(shù)要求的前提下，將目標(biāo)強(qiáng)散射中心轉(zhuǎn)化為次散射中心，或是將強(qiáng)散射中心移出受雷達(dá)威脅的主要方位區(qū)域。

外形設(shè)計(jì)中主要采用多棱面外形和融合外形技術(shù)[9]。前者是將外形設(shè)計(jì)成多棱面體，使得目標(biāo)體沿周向只呈現(xiàn)出幾個(gè)有限的窄散射峰值，而在其他寬方位角內(nèi)的RCS 則很小。融合外形技術(shù)包括平面和空間的三維融合，通過對(duì)截面形狀進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使其鏡面散射變?yōu)榕芜吘壚@射，從而可以大大降低側(cè)向RCS 值。

1.3 材料隱身技術(shù)

材料隱身技術(shù)是指對(duì)入射的雷達(dá)波進(jìn)行吸收使其在所有方向上回波信號(hào)顯著衰減從而減小雷達(dá)散射截面的技術(shù)[10]。其主要工作機(jī)理是通過物理作用機(jī)制如電感應(yīng)、磁感應(yīng)、電磁散射等將電磁能量轉(zhuǎn)化為熱能并耗散掉。相比外形隱身設(shè)計(jì)，材料隱身技術(shù)不用改變目標(biāo)體的結(jié)構(gòu)外形，在所有方向上對(duì)雷達(dá)波都有衰減,并且在外形難以優(yōu)化設(shè)計(jì)的區(qū)域也可以使用。

隱身材料按成型工藝和承載能力主要分為涂敷型隱身材料和結(jié)構(gòu)型隱身材料[11]。涂覆型隱身材料是將吸收劑與粘接劑混合后涂覆在目標(biāo)物體表面形成涂層[12]，具有涂覆方便靈活，易調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，受到各主要軍事國家的重視，幾乎所有武器裝備表面都涂覆有雷達(dá)吸波涂層。其缺點(diǎn)是可靠性差，容易脫落，吸收頻段窄，不耐高溫；結(jié)構(gòu)型隱身材料通過將吸收劑融合在復(fù)合材料中形成兼具承載與雷達(dá)波吸收性能的材料[12]，相比涂覆型吸波涂料，其更加穩(wěn)定可靠，吸收頻段寬，不額外增加重量，可以成型各種復(fù)雜的形狀，是未來隱身材料發(fā)展的趨勢。

2 隱身設(shè)計(jì)

為開展?jié)撚霉怆娫O(shè)備雷達(dá)波隱身設(shè)計(jì)研究，制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠眚?yàn)證采取隱身設(shè)計(jì)措施前后的影響。該試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕蓾撚霉怆娫O(shè)備本體，下部包裹支撐本體部分的流線型升降裝置兩部分組成，如圖 1 所示。

圖1 潛用光電設(shè)備模型組成圖Fig.1 Outline drawing of the out-water part of underwater optronic device modal

2.1 潛用光電設(shè)備本體隱身設(shè)計(jì)

根據(jù)前文對(duì)雷達(dá)波散射機(jī)理的分析，對(duì)于潛用光電設(shè)備本體，其外形隱身設(shè)計(jì)的核心原則是在保證總體技術(shù)要求的前提下，實(shí)現(xiàn)本體小型化設(shè)計(jì)；將設(shè)備本體大的平面、圓柱面設(shè)計(jì)成多棱面體，便得整個(gè)潛用光電設(shè)備本體沿360°周向只呈現(xiàn)出幾個(gè)有限的窄散射峰值，而在其他寬方位角內(nèi)的RCS 值很小。采用外形融合技術(shù)重點(diǎn)解決潛用光電設(shè)備本體不同外形要素之間的過渡問題。根據(jù)雷達(dá)散射截面計(jì)算公式，雷達(dá)波反射最強(qiáng)的形狀是直三面角、直二面角、平面、凸?fàn)顝澢?，而錐形、多棱面體和二次曲面則對(duì)雷達(dá)波反射較小，所以在潛用光電設(shè)備本體外形設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免直三面角、直二面角和大的平板，以避免出現(xiàn)鏡面反射和角反射器效應(yīng)。

隨著對(duì)隱身技術(shù)要求的提高，需要對(duì)潛用光電設(shè)備本體結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)外形采取融合技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)其外形特征，在窗口處較大平面易產(chǎn)生鏡面反射，固定窗口的壓蓋與頭罩之間連接處會(huì)出現(xiàn)直二面角，此處為潛用光電設(shè)備本體強(qiáng)散射點(diǎn)，出現(xiàn)局部峰值。受限于潛用光電設(shè)備功能，難以對(duì)此處進(jìn)行外形優(yōu)化設(shè)計(jì)，為此采用材料隱身方法，對(duì)潛用光電設(shè)備本體模型除窗口部分外其余金屬外表面涂覆雷達(dá)吸波涂層的方法抑制整體RCS 值，如圖 2所示。經(jīng)過模型測試，潛用光電設(shè)備本體相比未采取隱身措施前，周向RCS 均值降低為原來的8.5%，峰值減小為原來的1/4，對(duì)潛用光電設(shè)備本體的隱身設(shè)計(jì)有效控制了其雷達(dá)散射截面值。

圖2 潛用光電設(shè)備本體隱身模型Fig.2 The stealth modal of the underwater optronic device

2.2 升降裝置隱身設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的升降裝置通常為圓柱形，根據(jù)前文對(duì)雷達(dá)波散射機(jī)理分析，圓柱形為較強(qiáng)散射源，而且其在潛艇航行時(shí)水動(dòng)力作用下會(huì)產(chǎn)生較長尾跡與卡門渦街，并產(chǎn)生較強(qiáng)水動(dòng)力噪聲。從提高雷達(dá)波與尾跡隱身性能，減小水動(dòng)力噪聲角度出發(fā)，對(duì)升降裝置外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，外形設(shè)計(jì)為具有導(dǎo)流功能的流線型，可減小航行時(shí)水動(dòng)力作用下產(chǎn)生的卡門渦街，降噪性能好，可提高設(shè)備使用航速。采用復(fù)合材料設(shè)計(jì)流線型升降裝置，可以進(jìn)一步減小其對(duì)于雷達(dá)波的強(qiáng)反射，減輕設(shè)備重量，降低噪聲。目前逐漸采用復(fù)合材料非穿透式升降裝置。

隨著隱身要求越來越苛刻，而考慮到迎水阻力與水動(dòng)力噪聲，難以對(duì)流線型實(shí)施外形優(yōu)化設(shè)計(jì)，目前采用的隱身措施是在流線型升降裝置外表面涂覆過渡導(dǎo)電涂層實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料表面金屬化，用以實(shí)現(xiàn)與雷達(dá)吸波涂層表面的阻抗匹配，在導(dǎo)電涂層外涂覆雷達(dá)吸波涂層的方法實(shí)現(xiàn)升降裝置的隱身設(shè)計(jì)，如圖 3 所示。經(jīng)過模型測試，流線型升降裝置相比原復(fù)合材料狀態(tài)，周向RCS 均值降低為原來的1/3，峰值縮減為原來的1/2，對(duì)流線型升降裝置采取的隱身措施能夠有效降低其雷達(dá)散射截面值。

圖3 流線型升降裝置隱身模型Fig.3 Stealth modal of the fairshaped lifting device

3 結(jié)語

根據(jù)以上分析并結(jié)合潛用光電設(shè)備特點(diǎn)可知：對(duì)于潛用光電設(shè)備本體，引起較強(qiáng)雷達(dá)波反射源主要是窗口平面部分、窗口壓蓋與頭罩結(jié)合部位形成的直二面角和角反射器、下部圓柱法蘭部分；對(duì)于流線型升降裝置，其強(qiáng)散射點(diǎn)為迎水面部分，左右舷流線型接近平面部分以及尾部圓弧的曲率半徑方向。雖然采取隱身措施后潛用光電設(shè)備RCS 值相比之前狀態(tài)大幅降低，但隨著潛用光電設(shè)備本體功能集成化程度越來越高，其小型化空間受限。目前潛用光電設(shè)備本體采用的外形設(shè)計(jì)方法，流線型升降裝置采取的材料隱身方法難以滿足今后越來越嚴(yán)苛的隱身要求。為此，后續(xù)對(duì)于潛用光電設(shè)備及其升降裝置的雷達(dá)波隱身設(shè)計(jì)研究建議如下：

1）對(duì)于潛用光電設(shè)備本體，結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在不影響視場的情況下將窗口由垂直布置更改為傾斜布置，通過增加傾斜角避開水平入射角度大平面對(duì)于雷達(dá)波的強(qiáng)平面反射。對(duì)于固定窗口的壓蓋與頭罩之間連接處，應(yīng)盡量采用平滑外形過渡，避免形成直二面角和角反射器強(qiáng)反射。

2）對(duì)于流線型升降裝置，受制于總體尺寸以及水動(dòng)力流體性能要求，難以對(duì)外形實(shí)施進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。復(fù)合材料表面金屬化涂覆雷達(dá)吸波涂層的方法雖然能夠降低一部分RCS 值，但這是以犧牲小型化設(shè)計(jì)為代價(jià)的。復(fù)合材料表面增加過渡金屬導(dǎo)電涂層后，其雷達(dá)散射特性由透射性為主變?yōu)槿瓷湫?，?qiáng)散射源由原來被復(fù)合材料包覆的潛用光電設(shè)備圓柱形法蘭變更為流線型升降裝置外表面，其周長顯著增大，僅靠流線型外表面涂覆的雷達(dá)吸波涂層來吸收雷達(dá)波。對(duì)于雷達(dá)散射截面控制實(shí)際上采取的是一種外形增大再通過隱身材料來抑制雷達(dá)散射截面的辦法，后續(xù)工作需要研究復(fù)合材料隱身機(jī)理，將復(fù)合材料與隱身材料融合，研制結(jié)構(gòu)型隱身材料，重點(diǎn)考核結(jié)構(gòu)型隱身材料力學(xué)性能與環(huán)境適應(yīng)性能，實(shí)現(xiàn)流線型升降裝置隱身性能提升。

3）考慮到目標(biāo)RCS 值與外形尺寸密切相關(guān)，控制了潛用光電設(shè)備的出水高度也就控制了目標(biāo)高度尺寸，因此可以考慮對(duì)升降裝置出水高度控制技術(shù)進(jìn)行研究，使其出水高度盡量小或者相對(duì)于不同海情均能保持相對(duì)較小值，這樣也就控制了潛用光電設(shè)備的RCS 值，使其能夠滿足日益提高的隱身要求。