范曉軒,耿國(guó)桐
(中國(guó)國(guó)防科技信息中心,北京 100142)
20世紀(jì)60年代,國(guó)外開始探索發(fā)展隱身技術(shù),研究控制目標(biāo)特征信號(hào)的方法,其中雷達(dá)隱身技術(shù)占有重要地位。雷達(dá)隱身技術(shù)是通過減弱、抑制、吸收、偏轉(zhuǎn)目標(biāo)的雷達(dá)回波強(qiáng)度,降低目標(biāo)的雷達(dá)散射截面,使其在一定范圍內(nèi)難以被敵方雷達(dá)識(shí)別和發(fā)現(xiàn)的技術(shù)。雷達(dá)隱身技術(shù)在飛機(jī)上廣泛應(yīng)用,美國(guó)的F-117隱身戰(zhàn)斗機(jī)、B-2隱身轟炸機(jī)參加了數(shù)次戰(zhàn)爭(zhēng),都取得較好的作戰(zhàn)效果,驗(yàn)證了雷達(dá)隱身技術(shù)的有效性。雷達(dá)是海上對(duì)水面艦艇的主要探測(cè)手段,一些采用新技術(shù)、新體制的雷達(dá)具有極強(qiáng)的探測(cè)能力,給水面艦艇造成很大威脅。艦艇作為大型海戰(zhàn)裝備,如果不經(jīng)過特殊的隱身設(shè)計(jì),具有較大的雷達(dá)散射截面。例如,排水量在3 000 t以上的常規(guī)驅(qū)護(hù)艦,受到對(duì)海搜索雷達(dá)探測(cè)時(shí),其雷達(dá)散射截面通常在10 000 m2以上。艦艇采用雷達(dá)隱身技術(shù)后可有效縮短敵方探測(cè)距離,減弱敵目標(biāo)識(shí)別能力,增強(qiáng)有源干擾和無源干擾的效果,具有重要的戰(zhàn)術(shù)意義。因此,世界上主要的軍事大國(guó)都積極開展艦艇雷達(dá)隱身技術(shù)研究。
雷達(dá)作為海上的主要探測(cè)手段,在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中應(yīng)用廣泛。隨著作戰(zhàn)需求的不斷變化、雷達(dá)技術(shù)自身的進(jìn)步、基礎(chǔ)器件以及有關(guān)學(xué)科的發(fā)展,最新開發(fā)的先進(jìn)雷達(dá)采用了一系列新技術(shù)、新體制。這些雷達(dá)使水面艦艇面臨多種探測(cè)威脅,而反艦導(dǎo)彈的末制導(dǎo)雷達(dá)、艦載搜索雷達(dá)、固定翼預(yù)警機(jī)的預(yù)警雷達(dá)和直升機(jī)載海上監(jiān)視雷達(dá)是其中主要的4類。
1)反艦導(dǎo)彈是對(duì)海作戰(zhàn)的重要武器,可從艦艇、岸上和空中發(fā)射,對(duì)水面艦艇有極大的殺傷力。美國(guó)20世紀(jì)70年代研制的“魚叉”亞音速反艦導(dǎo)彈,其末端制導(dǎo)采用寬帶頻率捷變主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭。為了提高對(duì)大型水面艦艇的打擊能力,美國(guó)開展了“遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈”(LRASM)研究。該項(xiàng)目始于2009年由國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局和美國(guó)海軍聯(lián)合開發(fā),初步設(shè)計(jì)的2種方案已經(jīng)通過評(píng)估,并由洛克希德·馬丁公司進(jìn)行演示驗(yàn)證。目前,遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈項(xiàng)目選擇電子制造服務(wù)商國(guó)防航天公司開發(fā)的一種射頻導(dǎo)引頭天線,用于導(dǎo)彈的末端雷達(dá)制導(dǎo)[1]。遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈將成為美軍新的反艦利器。與美國(guó)不同,俄羅斯非常青睞發(fā)展超音速反艦導(dǎo)彈,“日炙”和“花崗巖”反艦導(dǎo)彈都能超音速巡航,飛行末段采用有源雷達(dá)制導(dǎo)技術(shù)。其第四代反艦導(dǎo)彈“紅寶石”出口印度、印尼、越南等多個(gè)國(guó)家,具有很強(qiáng)的通用性。該型導(dǎo)彈在超音速巡航段采用慣性制導(dǎo),飛行末段為有源雷達(dá)制導(dǎo)。
2)艦載雷達(dá)是海上信息戰(zhàn)的重要信息來源,已經(jīng)成為艦載武器系統(tǒng)的重要組成部分,其中艦載搜索雷達(dá)負(fù)責(zé)警戒、監(jiān)視和跟蹤水面目標(biāo)。美國(guó)為DDG-1000驅(qū)逐艦等下一代水面主戰(zhàn)平臺(tái)開發(fā)了新型的多功能有源相控陣?yán)走_(dá)AN/SPY-3。該雷達(dá)于2003年在瓦勒普斯島進(jìn)行了功能測(cè)試。2010年5月,美國(guó)海軍又在瓦勒普斯島成功完成利用雙波段雷達(dá)跟蹤目標(biāo)的試驗(yàn)[2]。該雷達(dá)裝有通用雷達(dá)組件控制器,結(jié)合了X波段的AN/SPY-3多功能雷達(dá)和S波段廣域搜索雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn),利用2個(gè)頻率范圍跟蹤目標(biāo),將為DDG-1000驅(qū)逐艦提供先進(jìn)的水面探測(cè)能力。為了增強(qiáng)艦載雷達(dá)的探測(cè)能力,澳大利亞海軍為“安扎克”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦安裝新的CEA-FAR雷達(dá)[3]。該雷達(dá)為多功能有源相控陣?yán)走_(dá),工作于S波段,由6面天線陣列組成,陣列邊長(zhǎng)1.2 m,每面含1024個(gè)收發(fā)單元,能通過不同配置滿足不同的作戰(zhàn)任務(wù),如監(jiān)視各種水面艦艇等。該雷達(dá)采用數(shù)字波束成形技術(shù),由電子系統(tǒng)控制掃描、跟蹤角度,集成了全數(shù)據(jù)融合管理系統(tǒng)和顯示界面,抗干擾能力很強(qiáng)。
3)預(yù)警機(jī)是集遠(yuǎn)程探測(cè)、信息分發(fā)、指揮協(xié)調(diào)和聯(lián)合作戰(zhàn)的大型平臺(tái),機(jī)上安裝了整套遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)系統(tǒng),能克服地球曲率對(duì)水面目標(biāo)搜索距離的限制,是探測(cè)水面艦艇的重要手段。美國(guó)為了提高海軍編隊(duì)的空中指揮控制能力,在E-2C預(yù)警機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)開發(fā)了E-2D“先進(jìn)鷹眼”預(yù)警機(jī)。E-2D采用了全新的任務(wù)系統(tǒng),對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了大幅升級(jí)。新型AN/APY-9雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)雷達(dá)天線罩集成了1個(gè)18通道的先進(jìn)探測(cè)系統(tǒng)(ADS-18)天線和1個(gè)36單元的敵我識(shí)別陣列,先進(jìn)探測(cè)系統(tǒng)天線在垂直方向上采用全電掃描,水平方向上采用機(jī)械掃描,掃描角度分別為120°和360°。該雷達(dá)還率先采用了先進(jìn)的數(shù)字式空時(shí)自適應(yīng)處理(STAP)技術(shù)。STAP電路能將天線截獲的數(shù)據(jù)快速數(shù)字化,還能從大量雜波中檢測(cè)小目標(biāo)及慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo),自動(dòng)抑制來自多方向的有源干擾。2010年7月,美國(guó)海軍首架“先進(jìn)鷹眼”交付諾福克海軍基地;2011年1月,該預(yù)警機(jī)在“杜魯門”號(hào)航母上完成首次上艦[4],經(jīng)過作戰(zhàn)評(píng)估后,預(yù)計(jì)2015年形成初始作戰(zhàn)能力。
4)預(yù)警直升機(jī)是安裝了遠(yuǎn)距離搜索雷達(dá)和指揮控制系統(tǒng)的直升機(jī)。預(yù)警直升機(jī)既能提高艦隊(duì)的情報(bào)搜集能力,又能在固定翼預(yù)警機(jī)無法使用的艦艇上起降,具有輕便靈活的特點(diǎn),應(yīng)用前景廣泛。目前正在服役的預(yù)警直升機(jī)主要有英國(guó)“海王”和俄羅斯“卡-31”。最新的“海王”AEW MK7型直升機(jī)裝備了“搜水 2000”雷達(dá),該雷達(dá)工作于 X波段,在3 000 m高度時(shí)的探測(cè)距離超過200 km,可同時(shí)處理多個(gè)空中目標(biāo)和水上目標(biāo)。該直升機(jī)還裝備了聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)、電子支援偵察系統(tǒng)、敵我識(shí)別系統(tǒng),具備很強(qiáng)的探測(cè)能力。俄羅斯“卡-31”預(yù)警直升機(jī)主要裝備了E801 M“眼睛”監(jiān)視雷達(dá)。該雷達(dá)工作于L波段,水平方位采用機(jī)械掃描,垂直方位采用電子掃描,能同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo),對(duì)水面艦艇的探測(cè)距離達(dá)100~200 km。與艦載監(jiān)視雷達(dá)相比,預(yù)警直升機(jī)大大增加了海軍編隊(duì)對(duì)水面艦艇的探測(cè)距離。
雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section)是度量目標(biāo)在給定方向上返回散射能量的物理量。雷達(dá)波在傳播過程中遇到金屬障礙物就會(huì)發(fā)生散射,散射強(qiáng)度和方向同雷達(dá)波能量和障礙物的特性密切相關(guān)。障礙物對(duì)雷達(dá)波的散射主要有以下5種方式[5]:
1)鏡面反射,在反射表面的法線方向產(chǎn)生較強(qiáng)的雷達(dá)回波。平面與波長(zhǎng)的相對(duì)尺寸越大,每個(gè)波瓣的波束角就越小。
2)角形結(jié)構(gòu)反射,由相互正交的平面構(gòu)成的結(jié)構(gòu)為角形結(jié)構(gòu),雷達(dá)波在這種結(jié)構(gòu)中形成多次反射,會(huì)在較大的視角范圍內(nèi)產(chǎn)生后向散射。
3)空腔結(jié)構(gòu)反射,雷達(dá)波在空腔結(jié)構(gòu)中經(jīng)過多次反射后,能在很大角度范圍內(nèi)產(chǎn)生較強(qiáng)的反向散射。
4)邊緣和尖端繞射,當(dāng)散射面的尺寸近于或小于波長(zhǎng)時(shí)發(fā)生。波束能量可向入射波照射不到的陰暗區(qū)域散射。
5)表面行波反向散射,當(dāng)入射波相對(duì)于反射體的掠角很小時(shí),表面波可能在表面后端不連續(xù)的地方產(chǎn)生散射。
水面艦艇通常體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,以上5種形式的散射都會(huì)發(fā)生。艦艇的甲板、船體及上層建筑中都有很多平面結(jié)構(gòu),容易發(fā)生鏡面反射;艙室外壁與甲板、機(jī)庫外壁與甲板會(huì)形成角形結(jié)構(gòu),外露通道和船體夾縫也會(huì)形成角形結(jié)構(gòu);艦艇上的進(jìn)氣口、排氣口、舷窗和開口等空腔結(jié)構(gòu),都是很強(qiáng)的雷達(dá)波散射源;甲板上的武器設(shè)備、電子設(shè)備以及外露機(jī)械裝置,會(huì)產(chǎn)生邊緣和尖端繞射等。當(dāng)艦艇沒有采用隱身技術(shù)時(shí),其雷達(dá)散射截面可用以下經(jīng)驗(yàn)公式估算:
其中:f為雷達(dá)的工作頻率,MHz;ν為艦艇的排水量,kt。假設(shè)某種監(jiān)視雷達(dá)的工作頻率為5 GHz,美國(guó)“伯克”級(jí)驅(qū)逐艦的滿載排水量約為9 000 t,其雷達(dá)散射截面約為10萬m2;俄羅斯“現(xiàn)代”級(jí)驅(qū)逐艦的滿載排水量約為8 000 t,其雷達(dá)散射截面約為8.3萬 m2;1艘滿載排水量為500 t的常規(guī)小艇,其雷達(dá)散射截面也高達(dá)1 300 m2。經(jīng)過隱身設(shè)計(jì)的艦艇可大大降低自身的雷達(dá)散射截面,如瑞典“維斯比”護(hù)衛(wèi)艦的滿載排水量為620 t,但是其雷達(dá)散射截面只有幾十平方米。由于常規(guī)設(shè)計(jì)的艦艇自身存在大量雷達(dá)波強(qiáng)散射源,有必要對(duì)這些散射源進(jìn)行隱身處理,降低艦艇的雷達(dá)散射截面。
在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)等幾場(chǎng)局部高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)中,隱身飛機(jī)取得了非常好的作戰(zhàn)效果,面對(duì)一體化防空系統(tǒng),隱身技術(shù)具有極高的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)水面艦艇來講,雷達(dá)隱身技術(shù)同樣具有重要的戰(zhàn)術(shù)意義。
2)降低敵方目標(biāo)識(shí)別能力。雷達(dá)不僅是探測(cè)海面目標(biāo)的主要手段,也是進(jìn)行海上目標(biāo)識(shí)別的重要工具。目前,雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別主要是人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷,海軍作戰(zhàn)人員根據(jù)雷達(dá)探測(cè)距離和回波強(qiáng)度建立起判別一般艦艇的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則,結(jié)合目標(biāo)運(yùn)動(dòng)情況等可大致判明目標(biāo)的類型。由于隱身艦艇的雷達(dá)散射截面較小,以前建立的經(jīng)驗(yàn)和判斷規(guī)則不再適用,將會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)識(shí)別錯(cuò)誤。在實(shí)際作戰(zhàn)中,敵方可能把經(jīng)過隱身設(shè)計(jì)的大型艦艇誤判為中小型目標(biāo),依據(jù)這種判斷做出的錯(cuò)誤戰(zhàn)術(shù)決策,將會(huì)造成嚴(yán)重的后果。
3)增強(qiáng)有源干擾和無源干擾的效果。現(xiàn)代海戰(zhàn)中,反艦導(dǎo)彈已經(jīng)成為攻擊艦艇的有利武器,艦艇要提高生存能力,必須提高防御和抗擊反艦導(dǎo)彈的能力。通常,艦艇可以通過電子有源干擾和質(zhì)心無源干擾,干擾反艦導(dǎo)彈的雷達(dá)末制導(dǎo)系統(tǒng)。雷達(dá)在受到有源干擾時(shí),其最大作用距離可通過下式表示:
即雷達(dá)最大作用距離與雷達(dá)散射截面的平方根成正比。如果艦艇的雷達(dá)散射截面降為原來的10%,在其他因素不變的情況下,電子干擾設(shè)備的功率只需為原來的10%即可獲得相同的干擾效果。在利用箔條云團(tuán)進(jìn)行無源干擾時(shí),誘餌的雷達(dá)散射截面要大于艦艇的雷達(dá)散射截面,一般二者比例(壓制系數(shù))超過1.5才能獲得較好的干擾效果。艦艇采用隱身設(shè)計(jì)后,利用同樣的箔條云可以提高壓制系數(shù),取得更好的干擾效果。
目前,雷達(dá)隱身主要通過2種技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)。一是對(duì)隱身目標(biāo)進(jìn)行精確的外形設(shè)計(jì),減弱雷達(dá)波的散射強(qiáng)度或者將雷達(dá)波偏轉(zhuǎn)到雷達(dá)接收器以外的方向;二是采用雷達(dá)隱身材料,吸收雷達(dá)波能量,減弱回波強(qiáng)度。水面艦艇外形設(shè)計(jì)通常遵循以下原則:船體外側(cè)壁采用外傾或者先外傾后內(nèi)傾形狀,將水平方向的雷達(dá)波向海面或空中反射;上層建筑采用立面內(nèi)傾形狀,平面與平面之間的連接處采用平滑過渡;煙囪、桅桿等盡量采用一體化設(shè)計(jì),并用多面體外殼進(jìn)行封裝;盡量減少甲板上的外露部件,使其保持平整、光滑,武器發(fā)射裝置、舾裝設(shè)備等也用傾斜護(hù)墻遮擋。除了外形隱身設(shè)計(jì),水面艦艇在一些重點(diǎn)部位采用雷達(dá)吸波材料也能提高隱身性能。例如平面相交處的折線、外露門窗等結(jié)構(gòu),使用較少的吸波材料就能顯著降低雷達(dá)波散射強(qiáng)度。
集成上層建筑設(shè)計(jì)技術(shù)是水面艦艇隱身設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要技術(shù)。該技術(shù)利用系統(tǒng)工程方法,綜合運(yùn)用復(fù)合天線技術(shù)、聯(lián)合孔徑技術(shù)、頻率選擇表面技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)等,使隱身設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)與艦艇上層建筑設(shè)計(jì)有機(jī)地統(tǒng)一起來[6]。美國(guó)海軍為了提高DDG-1000驅(qū)逐艦的隱身能力,突破全封閉隱身桅桿設(shè)計(jì)的技術(shù)障礙,先后開展了封閉式桅桿/傳感器系統(tǒng)(AEM/S)、多功能電磁輻射系統(tǒng)(MERS)、多功能射頻系統(tǒng)(AMRFS)、隱身多功能煙囪(LMS)等多個(gè)研究項(xiàng)目。封閉式桅桿/傳感器系統(tǒng)項(xiàng)目研究在桅桿中集成傳感器技術(shù)、隱身設(shè)計(jì)、先進(jìn)材料與制造技術(shù)等。這種桅桿的表面采用了先進(jìn)的復(fù)合頻率選擇技術(shù),允許本艦上的雷達(dá)和通信信號(hào)穿透,同時(shí)阻止可能產(chǎn)生干擾的噪聲信號(hào)或其他頻段的信號(hào)進(jìn)入桅桿。多功能電磁輻射系統(tǒng)將敵我識(shí)別、作戰(zhàn)測(cè)向、甚高頻視距通信和聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分配系統(tǒng)等艦載功能天線綜合成1根隱身的天線系統(tǒng),重量與原來系統(tǒng)相比降低一半以上,便于安裝到桅桿上。多功能射頻系統(tǒng)項(xiàng)目是將雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通信功能集成到1套天線中。該系統(tǒng)具有高信號(hào)密度和多參數(shù)等特點(diǎn),敵方難以從復(fù)雜波束中分辨出雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)。隱身煙囪開發(fā)了1種采用復(fù)合材料并能集成嵌入式多功能衛(wèi)星天線的排氣煙囪。為了應(yīng)對(duì)10年后的海上威脅,德國(guó)海軍研究開發(fā)了FDZ-2020“未來型護(hù)衛(wèi)艦”。該艦上層建筑頂端安裝了多探測(cè)器集成桅桿(IMSEM)系統(tǒng),是1種集成式聯(lián)合孔徑天線的封閉式桅桿,其中的雷達(dá)天線包括X波段及S波段有源相控陣天線陣列,雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信系統(tǒng)的天線均以不同方式的孔徑進(jìn)行集成,提高了隱身性能。
雷達(dá)吸波材料是有效降低目標(biāo)雷達(dá)散射截面的重要技術(shù)途徑。艦艇上使用的雷達(dá)隱身材料可分為涂覆型材料和結(jié)構(gòu)型材料2類。涂覆型隱身材料技術(shù)相對(duì)比較成熟,如鐵氧體吸波涂層、金屬微粉吸波材料等都已經(jīng)在艦艇中應(yīng)用。結(jié)構(gòu)型隱身材料主要應(yīng)用在集成上層建筑和綜合桅桿上,使用較多的是夾芯結(jié)構(gòu)。近年來,國(guó)外大力推進(jìn)隱身材料方面的基礎(chǔ)研究,開發(fā)了一些新型隱身材料,其中“左手材料”隱身技術(shù)取得重大進(jìn)展。電磁波在“左手”材料中傳播時(shí),會(huì)出現(xiàn)負(fù)折射率效應(yīng)、逆多普勒效應(yīng)、完美透鏡等奇特物理現(xiàn)象。2006年,杜克大學(xué) 和倫敦帝國(guó)學(xué)院的聯(lián)合研究小組提出,電磁波遇到“左手材料”后會(huì)繞道向前傳播從而實(shí)現(xiàn)隱身,并通過試驗(yàn)在微波波段對(duì)新原理進(jìn)行了驗(yàn)證。2007年4月,普度大學(xué)根據(jù)以上隱身原理提出1種名為“隱身斗篷”的設(shè)計(jì)方案;2007年12月,馬里蘭大學(xué)的1個(gè)研究小組在實(shí)驗(yàn)室研制出“隱身斗篷”,采用合成材料,把具有2種不同折射率的介質(zhì)有機(jī)結(jié)合在一起,在二維空間實(shí)現(xiàn)了隱身;2008年8月,利用“隱身斗篷”在納米尺度上實(shí)現(xiàn)了三維物體的隱身。此外,傳導(dǎo)化合物公司于2010年研制出1種彩色聚合體材料,既能進(jìn)行有效的電磁加固和輻射屏蔽,也能利用其廣泛的色譜制成隱身涂層。研究人員已經(jīng)在多種應(yīng)用該聚合體的系統(tǒng)表面進(jìn)行了大量隱身測(cè)試。這些新型材料可能用于艦艇的隱身設(shè)計(jì),增強(qiáng)水面艦艇的雷達(dá)隱身性能。
水面艦艇作為大型海戰(zhàn)裝備,是實(shí)現(xiàn)國(guó)家安全戰(zhàn)略的重要力量。艦艇一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積龐大,存在大量雷達(dá)波散射源,沒有采用隱身技術(shù)的艦艇具有很大的雷達(dá)散射截面。隨著雷達(dá)探測(cè)性能不斷提升,艦艇采用隱身技術(shù)具有重要的戰(zhàn)術(shù)意義。我國(guó)應(yīng)該重視開展雷達(dá)隱身技術(shù)在水面艦艇上的應(yīng)用研究,爭(zhēng)取早日研制出隱身性能良好的水面艦艇。
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