黃　龍　趙亞鵬

(海軍駐鄭州某軍事代表室　鄭州　450015)

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艦面設(shè)備隱身防護(hù)罩的設(shè)計(jì)與仿真*

黃龍趙亞鵬

(海軍駐鄭州某軍事代表室鄭州450015)

摘要論文回顧了艦船隱身技術(shù)發(fā)展的歷程，介紹了雷達(dá)散射截面理論計(jì)算方法以及雷達(dá)散射截面減縮的基本方法和注意事項(xiàng)?；陔[身外形技術(shù)，設(shè)計(jì)了三種隱身防護(hù)罩，通過開展RCS仿真與分析優(yōu)選設(shè)計(jì)方案。在所選方案基礎(chǔ)上，開展了雷達(dá)吸波材料涂覆前后的RCS分析。

關(guān)鍵詞艦面設(shè)備; 隱身防護(hù)罩; RCS; 仿真

Class NumberTN219

1引言

隱身技術(shù)是一項(xiàng)跨學(xué)科的綜合技術(shù)，它涉及到電磁原理、材料、能量轉(zhuǎn)化、信息處理及大量高難度動(dòng)態(tài)測(cè)試等方面的問題，主要研究如何控制和降低武器系統(tǒng)的目標(biāo)特征信號(hào)，使其難以被探測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)和跟蹤，包括雷達(dá)隱身技術(shù)、紅外隱身技術(shù)、聲隱身技術(shù)和可見光隱身技術(shù)等[1～4]。

艦船隱身性是當(dāng)今各海軍大國(guó)普遍關(guān)注的重點(diǎn)問題。對(duì)于一艘在海上執(zhí)行任務(wù)的艦艇來說，暴露于開闊的海面，就會(huì)面對(duì)著來自空中、海上、水下多方面的威脅。水面艦艇被發(fā)現(xiàn)和命中的概率不斷地增大，使其在海上作戰(zhàn)中更易遭受到攻擊。因此，近年來各國(guó)海軍對(duì)艦艇的雷達(dá)隱身提出了迫切的要求，并作為艦艇的一項(xiàng)重要的戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)指標(biāo)[5～7]。

英國(guó)在23型護(hù)衛(wèi)艦設(shè)計(jì)中首次采用了雷達(dá)隱身技術(shù)，主要通過在艦艇上層建筑采用側(cè)壁傾斜7°、減少角反射的影響等措施以減小艦的雷達(dá)散射截面積。瑞典海軍于1991年開始用隱身試驗(yàn)艇“斯米杰”號(hào)(Smyge)進(jìn)行各種試驗(yàn)。法國(guó)海軍成功地研制了排水量為3600噸“拉斐特”號(hào)(La Fayatte)隱身護(hù)衛(wèi)艦。德國(guó)布朗沃斯公司推出的MEKO系列新一代隱身艦中的4000噸級(jí)的MEKO A-200型，其雷達(dá)散射截面積只相當(dāng)于一艘常規(guī)高速攻擊艇。美國(guó)早在80年代中期就開發(fā)了以小水線面雙體船型為基礎(chǔ)的隱身試驗(yàn)艇“海影”號(hào)(Sea Shadow)，而近幾年服役的DDG1000驅(qū)逐艦不但具有出眾的攻擊和防護(hù)能力，隱身性能也特別突出，其天線采用了考究的隱蔽式設(shè)計(jì)，在敵方的雷達(dá)上，該驅(qū)逐艦僅相當(dāng)于一條普通漁船。

雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)主要是通過各種措施來降低艦艇的雷達(dá)信號(hào)特征值——雷達(dá)散射截面(RCS)，以達(dá)到“隱蔽”的目的。艦艇甲板面上眾多的武器設(shè)備及天線對(duì)雷達(dá)隱身有著重要的影響，各國(guó)海軍在這方面也作了不懈的努力，本文通過研究艦面設(shè)備隱身防護(hù)罩，以減小艦面設(shè)備的雷達(dá)散射截面，增強(qiáng)其隱身性能。

2雷達(dá)散射截面(RCS)

雷達(dá)方程是雷達(dá)最大作用距離和雷達(dá)系統(tǒng)各參數(shù)之間的關(guān)系，在自由空間的脈沖雷達(dá)方程的基本形式為[8]

(1)

式中，Rmax是雷達(dá)最大作用距離;Pt是雷達(dá)發(fā)射機(jī)輸出的脈沖功率;G是雷達(dá)天線增益;λ是雷達(dá)工作波長(zhǎng);σ是目標(biāo)有效散射面積(雷達(dá)散射截面);Pr是雷達(dá)接收的回波功率。

雷達(dá)散射截面積(Radar Cross Section，RCS)即目標(biāo)有效散射截面積是在給定方向上返回的散射功率的一種量度。通常用符號(hào)σ來表示，其理論定義式為[9]

(2)

式中，ES，HS分別為散射電場(chǎng)和磁場(chǎng)，Ei，Hi分別為入射電場(chǎng)和磁場(chǎng)。

RCS的單位通常用平方米(m2)表示。但由于RCS值的動(dòng)態(tài)范圍很大，在實(shí)際應(yīng)用中通常采用分貝值(dBsm)表示，即：

σ(dBsm)=10lg(σ)

(3)

式中，右邊σ的單位是m2。

3雷達(dá)散射截面減縮

雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)主要是通過RCS減縮來實(shí)現(xiàn)的。RCS減縮優(yōu)先考慮的問題是使RCS減縮既可行又實(shí)用，也就是說RCS減縮在某些方向比其他方向更重要，在某些頻率上比其他頻率更關(guān)鍵。

RCS減縮的基本方法有兩種[10]：

1) 改變被偵測(cè)設(shè)備的外形和結(jié)構(gòu)，采用隱身外形技術(shù);

2) 在被偵測(cè)設(shè)備上采用吸收雷達(dá)波的涂覆材料和結(jié)構(gòu)材料。

3.1隱身外形技術(shù)

采用隱身外形技術(shù)時(shí)，需要注意以下事項(xiàng)：

1) 考慮面對(duì)的是單站雷達(dá)還是雙站雷達(dá);

2) 避免偶然形成的角反射器結(jié)構(gòu);

3) 避免大的平板結(jié)構(gòu);

4) 避免兩平板正交;

5) 避免暴露腔體結(jié)構(gòu)。

3.2雷達(dá)吸波材料應(yīng)用技術(shù)

雷達(dá)吸波材料按發(fā)揮作用方式可分為兩種[11]：

1) 電磁波能量轉(zhuǎn)化成熱能，近似I2R損耗;

2) 不吸收電磁波能量，只改變?nèi)肷洳▊鞑シ较颉?/p>

使用吸波材料可以有效地降低飛行器的RCS，但是吸波材料的應(yīng)用必須考慮到力學(xué)性能、環(huán)境性能、費(fèi)用、結(jié)構(gòu)空間等方面的約束。如1)應(yīng)用吸波材料會(huì)增加設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)費(fèi)用;2)應(yīng)滿足力學(xué)性能要求;3)應(yīng)滿足環(huán)境特性需要，如耐濕性、耐雨性等。

4艦面設(shè)備隱身防護(hù)罩

艦船上有大量的且是必需的舾裝設(shè)備，這些設(shè)備本身可能幾何尺寸并不大，但是如果沒有妥善處理，會(huì)形成比較大的雷達(dá)散射截面。電子設(shè)備和武器設(shè)備更是現(xiàn)在戰(zhàn)艦不可或缺的主要裝備，這些設(shè)備多數(shù)安裝在甲板面以上，如果不采取隱身措施處理，其可能會(huì)形成一個(gè)很強(qiáng)的雷達(dá)反射亮點(diǎn)。一些艦面設(shè)備的外形具有特定的使用功能，難以進(jìn)行較大的隱身外形改進(jìn)，因此，加裝隱身防護(hù)罩是一項(xiàng)重要的隱身處理措施。

隱身外形技術(shù)適應(yīng)的頻段較寬，效果好，又不需要維護(hù)保養(yǎng)，在艦船雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)中作為首要手段。艦面設(shè)備首先根據(jù)最大外形輪廓確定基本型防護(hù)罩(如圖1(a)所示)。為將雷達(dá)波反射到偏離入射波的方向，對(duì)防護(hù)罩各側(cè)面作一定的傾角處理，考慮到艦船環(huán)境，特選用5°、7°和10°傾角方案(如圖1 (b)～(d)所示)進(jìn)行分析。

圖1　防護(hù)罩外形圖

FEKO 是南非EMSS 公司研發(fā)的一款基于積分方程方法求解麥克斯韋方程組的任意結(jié)構(gòu)通用三維電磁場(chǎng)仿真軟件。FEKO 的超強(qiáng)電大求解能力，令其在各種目標(biāo)的RCS 分析領(lǐng)域發(fā)揮了非常出色的作用。同時(shí)，F(xiàn)EKO提供的考慮涂覆材料的功能，在隱身特性分析中尤其重要。其中物理光學(xué)法(PO)為高頻近似法，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求低，對(duì)大的凸多面體計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。

4.1外形隱身型防護(hù)罩RCS分析

針對(duì)圖1中各型防護(hù)罩多面體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文采用物理光學(xué)法對(duì)防護(hù)罩進(jìn)行RCS仿真分析。由于首先采用的是隱身外形技術(shù)處理，未涂覆吸波材料，因此，仿真中將防護(hù)罩外表面進(jìn)行全金屬化處理。重點(diǎn)分析10GHz和15GHz頻率下，周向RCS分布情況，仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2　10GHz RCS周向分布曲線

圖3　15GHz RCS周向分布曲線

對(duì)比圖2和圖3中各方案周向RCS分布曲線可知，將基本型護(hù)罩各側(cè)面設(shè)計(jì)成一定的傾角，周向各角度RCS值均有較大程度的降低，且趨勢(shì)一致，特征值出現(xiàn)位置(0°、90°、180°及270°)未發(fā)生變化。傾角越大，周向RCS值降低越多，但隨著角度增加，RCS值降低的幅度變小。

對(duì)隱身防護(hù)罩圓周向各角度RCS值取平均值，得到隱身防護(hù)罩周向RCS均值，各方案周向RCS均值如表1所示。

表1　4種護(hù)罩方案周向RCS均值表

由表1中數(shù)據(jù)可知，5°方案在10GHz頻率下，RCS均值比基本型降低30.85dBsm，在15GHz頻率下，RCS均值比基本型降低33.05dBsm;7°方案在10GHz頻率下，RCS均值比基本型降低33.27dBsm，在15GHz頻率下，RCS均值比基本型降低35.31dBsm;10°方案在10GHz頻率下，RCS均值比基本型降低35.10dBsm，在15GHz頻率下，RCS均值比基本型降低38.14dBsm。

綜上分析，隱身防護(hù)罩各側(cè)面傾角從5°增加到7°和10°，周向RCS值略有降低，但降低幅度較小，而傾角增大，隱身防護(hù)罩體積加大，占用了更多的艦面空間。隱身防護(hù)罩傾角的設(shè)計(jì)既要保證一定的隱身效果，又要最大限度地減少占用的艦面空間。因此，5°傾角方案是較優(yōu)的選擇。

4.2吸波材料涂覆型防護(hù)罩RCS分析

雷達(dá)吸波材料是指能夠吸收衰減入射的電磁波，并將其電磁能轉(zhuǎn)換成熱能而耗散掉或使電磁波因干涉而消失的一類材料。雷達(dá)吸波材料主要是依靠材料吸收電磁波，降低目標(biāo)的回波強(qiáng)度，達(dá)到減小目標(biāo)RCS的隱身效果。對(duì)于具有特殊功能的外形而不便進(jìn)行外形隱身改進(jìn)或僅依靠外形隱身不能滿足隱身指標(biāo)要求的情況，就應(yīng)考慮采用雷達(dá)吸波材料進(jìn)行隱身處理。艦面設(shè)備空間有限，隱身防護(hù)罩可增加涂覆雷達(dá)吸波材料，進(jìn)一步增強(qiáng)隱身效果。選取5°方案隱身防護(hù)罩進(jìn)行雷達(dá)吸波材料涂覆前后RCS仿真分析，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4　10GHz RCS對(duì)比曲

圖5　15GHz RCS對(duì)比曲

由圖4和圖5所示，隱身防護(hù)罩涂覆雷達(dá)吸波材料后，RCS特征值(0°、90°、180°及270°)有較大程度減小，其他位置RCS值也有一定程度的減小。

同樣計(jì)算周向RCS均值，如表2所示。對(duì)比可知，在10GHz頻率下，涂覆雷達(dá)吸波材料后，RCS均值比未涂覆降低9.06 dBsm;在15GHz頻率下，涂覆雷達(dá)吸波材料后，RCS均值比未涂覆降低10.36 dBsm。

綜上，涂覆雷達(dá)吸波材料可顯著降低RCS特征值及周向RCS均值，其降低程度取決于雷達(dá)吸波材料的吸波性能。理想的雷達(dá)吸波材料應(yīng)該具有厚度薄、重量輕、頻帶寬，堅(jiān)固耐用和價(jià)格便宜等特點(diǎn)。艦面設(shè)備隱身防護(hù)罩是否采用雷達(dá)吸波材料，應(yīng)綜合衡量設(shè)備的RCS指標(biāo)要求，吸波材料在艦面環(huán)境的適用性以及成本價(jià)格因素。

表2　5°方案涂覆前后周向RCS均值表

5結(jié)語(yǔ)

雷達(dá)散射截面減縮有兩種基本方法：隱身外形技術(shù)和雷達(dá)吸波材料應(yīng)用技術(shù)。文中介紹了這兩種方法的實(shí)施措施和注意事項(xiàng)。以艦面設(shè)備防護(hù)罩為對(duì)象，設(shè)計(jì)了5°、7°和10°傾角三種隱身外形改進(jìn)方案。由仿真結(jié)果可知，隱身防護(hù)罩側(cè)面傾角選取5°方案，既保證了RCS值比原方案有較大程度減小(平均降低30 dBsm以上)，極大地提高了隱身性，又兼顧了占用盡可能少的艦面空間。對(duì)比5°方案隱身防護(hù)罩雷達(dá)吸波材料涂覆前后的RCS仿真結(jié)果可知，涂覆雷達(dá)吸波材料可顯著降低RCS特征值及周向RCS均值，其降低程度取決于雷達(dá)吸波材料的吸波性能。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 戴全輝.大力發(fā)展隱身技術(shù),提高武器作戰(zhàn)效能[J].巡航導(dǎo)彈系列譯文集,第八分冊(cè):隱身技術(shù).056831:1-3.

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收稿日期：2016年1月20日,修回日期：2016年3月10日

作者簡(jiǎn)介：黃龍，男，助理工程師，研究方向：導(dǎo)彈發(fā)射裝置質(zhì)量監(jiān)督。趙亞鵬，男，博士，工程師，研究方向：某導(dǎo)彈發(fā)射裝置研制和生產(chǎn)。

中圖分類號(hào)TN219

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.040

Design and Simulation of Ship Equipment Stealth Shield

HUANG longZHAO Yapeng

(Navy Representative Office in Zhengzhou, Zhengzhou450015)

AbstractThis article reviewed the history of ship stealth technology and introduced the theoretical calculation method of RCS and the basic method of RCS reduction. Three kinds of stealth shield were designed based on stealth shape technology and the RCS simulation and analysis of stealth shield were carried out to choose the best design. Further, the RCS of stealth shield coated radar absorbing materials or not was analyzed.

Key Wordsship equipment, stealth shield, RCS, simulation