现代隐身技术的发展

张钰涵,姜　文

(1.北京市八一学校,北京　100080;2.西安电子科技大学 天线与微波技术重点实验室,西安　710061)



现代隐身技术的发展

张钰涵1,姜文2

(1.北京市八一学校,北京100080;2.西安电子科技大学 天线与微波技术重点实验室,西安710061)

摘要分别从外形技术、有源隐身、天线隐身、雷达吸波材料、等离子体、RCS测量以及红外特征信号控制7个方面阐述现代隐身技术的发展。其中,外形技术是目前隐身技术中最为有效的技术途径之一;雷达吸波材料是实用且具有潜力的隐身技术之一;等离子体技术则是控制目标RCS指标的一种新兴技术,其核心关键问题是如何产生等离子体。

关键词隐身技术;RCS测量技术;红外信号控制

Development of Morden Stealth Technology

ZHANG Yuhan1,JIANG Wen2

(1.Beijing Bayi School,Beijing 100080,China;

2.National Laboratory of Antennas and Microwave,Xidian University,Xi’an 710061,China)

AbstractIn this paper,low RCS shape technology,radar absorbing materials,plasma technology,active stealth technology,antenna stealth technology,RCS measurement technology and infrared characteristic signal control technology is introduced.Stealth structure technology is the most important and effective way in stealth technology.Radar absorbing material is the most challenging stealth technology.Plasma technology is a new technology to control the characteristic signal of the target radar,and the key is the formation and the appropriate application of the plasma.

Keywordsstealth technology;RCS measurement technology;infrared signal control

第二次世界大战之后,隐身技术被越来越多的国家和机构注视,世界各大强国不惜投入大量的精力和成本到隐身技术及相关产品的研发之中[1-3]。但是,研究表明仅依靠单一的某项技术不能令产品达到理想的隐身效果,要实现良好的隐身效果必须综合利用多项技术。本文分别从低RCS外形技术、雷达吸波材料、等离子体技术、有源隐身技术、天线隐身技术、RCS测量技术以及红外特征信号控制技术7个方面阐述了现代隐身技术的发展。

1低RCS外形技术

外形隐身技术是提高装备产品隐身性能的一项重要技术,是目前隐身技术中最有效的技术途径之一。外形隐身并不能吸收雷达波,而是通过精确的外形设计将雷达波能量反射到较低威胁的方向上,以减小高威胁方向上的雷达回波。以飞行器为例,常用的外形隐身设计方法包括翼身融合技术、座舱与机身融合、V形尾翼、取消吊舱和副油箱等技术措施[4-5]。此外,还可对一些强散射源进行低RCS外形处理,例如发动机进气道和尾喷口、雷达舱和天线等[6-7]。

常见的低可见平台的上体表面通常由多个梯形或矩形平面封闭而成,如搭载天线,则通常采用嵌入式天线,从而使整个平台外形浑然一体。此外,平台上层建筑大多数平面均相对于垂线倾斜几度,且在设计中取消了大量的同向排列平面,而特定的构型布置。以上措施都可作为隐身平台外形设计的方法。

但是,采用单一的外形隐身设计方法对降低整体的RCS指标并不理想,因此需综合采用各种隐身设计,并不断研究新的隐身技术,从而满足现代战争越来越高的要求[8]。图1所示为外形设计在减缩RCS方面的一个应用。F35战斗机所采用的多项外形隐身措施如图2所示。

图1　倾斜外形使回波偏离雷达威胁区

图2　F35战斗机的外形隐身措施

2雷达吸波材料

目前,雷达吸波材料的开发与应用是最具挑战性的隐身技术之一,其具有有效、方便、经济、适应性强的特点,现阶段具有较大的发展空间[9]。隐身涂层具有如下要求:良好的频带特性、较宽温度的化学稳定性、面密度小、重量轻、黏接强度高、在一定温度和不同环境下稳定性高。因此,研究和开发多功能隐身涂料是雷达吸波材料发展的必然趋势[10]。

(1)纳米吸波材料。纳米粒子材料具有较好的吸波特性,同时兼容性好、厚度薄、质量小。因此,纳米材料是一种高性能、多功能材料,是隐身技术的关键技术之一,发展前景良好[11];

(2)手征吸波材料。1987年,研究人员提出了一种具有宽频吸波特性的“手征”的材料。很快,手征吸波材料就成为了近30年隐身材料领域的研究热点。与传统的吸波材料相比,手征材料具有吸波频率高、吸收频带宽等优势,而且可以通过调节旋波参量来改善其吸波特性。对于进一步提高吸波性能、扩展吸波材料的吸波频带方面,手征吸波材料具有较大的潜力[12-13]。

3等离子体技术

等离子体技术是近年来新兴的一种技术,可利用其来控制目标的RCS指标,该技术的核心是如何产生等离子体[14]。

等离子体可认为是电离的“气体”,是指气体在特定的外界因素(如喷气式飞机的射流;放射性同位素;超高音速飞行器的激波等)的作用下,生成由自由电子、阳离子和少量中性粒子构成的集合,整体呈中性的物质状态,是物质的第四态[15]。

通过研究人员的理论研究及大量实验发现,等离子体对电磁波具有良好的吸收和耗散作用,这一点与隐身技术的需求不谋而合,因而得到了隐身设计师们的极大关注。

经过对等离子体的深入探索,研究人员掌握了可有效产生等离子体包层,并可实现良好隐身的两种方法,但这两种方法各有优劣:(1)应用等离子体发生器。应用等离子体发生器的优点是在不改变武器结构的条件下获得良好的隐身效果,使用方便。但缺点是,等离子体发生器安装位置处的隐身效果将大打折扣,而且发生器的电源功率大小也会受到限制;(2)应用放射性同位素。该技术方法是指将适量的放射性同位素涂抹在武器装备需要隐身的部位。该技术的难点是很难控制放射性同位素的辐射剂量。剂量过小,则不能产生足量密度和厚度的电子;剂量过大,雷达波就在包层中具有临界电子密度的位置处被反射回去,达不到隐身的目的。

4有源隐身技术

有源隐身技术,指的是通过有源方式控制电、声、热等信号,从而躲避探测设备探测的技术[16],又称之为主动隐身技术。

以上提到的外形、吸波材料的方法值得是无源(被动)隐身技术,也就是通过改变平台的外形结构、涂敷透波、吸波材料等措施,尽量减小威胁区域内电磁、红外、可见光、声波等信号的能量,降低目标的信号特征,最终实现目标的隐身。鉴于无源隐身技术手段受目标自身的限制,国内外学者们开始着眼于研究如何通过有源的方式,实现目标的隐身。图3给出了一个有源隐身的基本原理图。

图3　有源隐身基本原理图

常见的技术实现途径有以下4种:

(1)电子欺骗和干扰。利用干扰机施行电子欺骗和干扰,可以提高武器装备平台40%以上的存活率。具体的实施方式是:首先计算出武器装备平台可能或正在遭受威胁的雷达的工作频率,然后通过发射出与敌方雷达对应的脉冲,制造出虚假的信号来干扰敌方雷达;也可以采用更为方便的诱饵系统,该诱饵可以准确地辨认出敌方雷达,并可快速响应,产生实时对抗信号,从而实现诱骗的目的;

(2)使用低截获概率雷达。该技术指的是:在保证已经完成自身工作任务的前提下,尽可能控制自身电磁信号被敌方截获的概率。如:自适应控制己方雷达天线的发射功率,在雷达捕获到敌方目标之后,将天线的辐射能量立即降低可跟踪目标的最小功率,从而保护己方不被发现;

(3)采取有源对消法。有源对消的基本原理就是,在敌方雷达探测方向上,主动发射电磁波,并与己方产生的散射互对消,从而保证敌方雷达接收机始终位于合成方向图的零点,从而实现隐身的目的。成功的有源对消的装备有加载在B-2隐身轰炸机的ZSR-63电子战设备,该设备主动发射电磁波,与照射在机体上的雷达信号相干对消;

(4)采用特殊照明系统和电致变色材料。美国计划在2025年采用有源技术来实现卫星的隐身(即卫星伪装)。计划采用的方式是,采用纳米智能薄膜(Robot Films)伪装卫星,此薄膜可检测辐射在卫星上的能量,且能够通过改变自身结构来吸收辐射能量,从而实现卫星的隐身。

5天线隐身技术

天线是一种极其特殊的散射目标,与常规目标不同的是天线必须首先保证其自身工作电磁波的准确发射和接收。既要发射、接收电磁波又不能散射电磁波,使得天线系统的隐身成为隐身技术中难以解决的关键问题之一[17]。

对于天线的隐身而言,可针对不同的研究对象采取综合的隐身措施,例如时域隐身、空域隐身、带外隐身和正交极化隐身等。

修形方法是广泛应用于各种天线的一种有效地实现天线隐身的方法。超宽带天线、喇叭天线及微带天线等均可以利用修形方法来减缩天线的RCS,实现天线的 隐身。具体的方法有:通过分析天线表面辐射和散射状态下的电流分布,在保证不影响辐射电流或者影响很小的前提下,通过对天线外形的改变,减小金属覆盖面积,从而减小天线的结构项散射。图4所示是一种典型的基于修形方法的超宽带平面八角形低RCS天线。

图4　修形设计用于平面天线示意图[18]

近年来,随着超材料技术的迅速发展,超材料应用于天线RCS减缩之中已成为发展的必然趋势。利用超材料吸波体的吸波特性可有效地降低天线的结构模式项散射,从而显著减小天线的RCS。

基于无源对消原理,利用具有极化转换特性的超材料也可显著减小天线的RCS。另外,也可利用超材料对电磁波的选择作用来降低天线的RCS。

除上述方法之外,还可通过在天线上加载特殊结构来实现天线的隐身。例如,加载导波结构(基片集成波导结构)将电磁能量导引到低威胁角域,降低雷达对目标的探测概率;或者加载谐振结构减缩天线RCS等。此外,将不同减缩天线RCS的方法有机地结合在一起,可进一步有效地实现天线的隐身。

除此之外同时具有良好低可观测性/低截获概率(LO/LPI)特性的天线系统已成为必然,其具备的特征有:灵活而精确的幅相控制能力;特殊设计的低副瓣特性(形状和指向);较宽的工作带宽;良好的各态阻抗匹配特性等。

良好的隐身天线的设计和发展一般也应遵循以上设计思路。

6RCS测量技术

对于隐身技术而言,有效的RCS测量手段是研究目标特性的基础。RCS测量技术可通过对目标的实际测量,了解目标的RCS特性、检验理论分析结果[19],获得目标特征数据,建立目标特性数据库。图5是典型的RCS测量系统原理图。

图5　典型的RCS测量系统原理图

近几十年,随着微波测试仪器的快速发展,雷达测试技术有了长足的进展。除了常规的室内外RCS测量之外,还有其他技术:利用抛物面紧缩场进行缩距测量;利用角度滤波的空间分离法和距离波门的时间分离法来提高信噪比;利用极窄脉冲高分辨系统和逆合成孔径技术进行目标闪烁点识别的二维和三维成像测量;利用时域测量系统测试目标的瞬态响应。

将来发展的趋势是更高的测试精度和更完善的测试功能,具体有以下几个方面:测试频率的扩展;测试精度的提高;测试项目的增多;可测目标的增多。

7红外特征信号控制技术

随着科技的进步,红外探测技术,尤其是红外成像技术的迅速发展,不断涌现出具有高分辨率、高探测精度的红外探测和遥感设备[15]。如果不采用合理的红外隐身措施,将大大降低武器装备的安全性,因此寻求能够有效实现武器装备红外隐身的技术成为提高武器平台隐身和战斗力的关键[20-21]。

武器系统表面、发动机尾喷管及其相关设备的红外辐射是武器系统红外特性信号的主要产生源。通过探测目标与所在背景之间的温度差异,红外系统可实现对目标的探测和追踪,其中以探测和追踪尾喷管的红外辐射为主,其次是武器系统表面的红外辐射[20-21]。因此,尾喷管的红外特征信号抑制是红外隐身技术的研究重点。

主要途径有:不规则外形技术;隔热与冷却技术;屏蔽与抗红外辐射技术;特殊材料技术等。

8结束语

本文分别从外形技术、有源隐身、天线隐身、雷达吸波材料、等离子体、RCS测量以及红外特征信号控制七个方面阐述现代隐身技术的发展。分析了各种隐身技术的优缺点。

从隐身技术的发展现状看,隐身技术的发展方向是“薄、宽、轻、强”。新的隐身机理和技术手段、新型隐身材料的研制将为隐身技术的发展带来突破。

参考文献

[1]杨红娟.雷达隐身与反隐身技术的发展与现状[J].火控雷达技术,2002,31(2):67-71.

[2]焦方金.隐身与反隐身技术的发展动向[J].国防技术基础,2003(2):33-36.

[3]薛晓春,王雪华.隐身与反隐身技术的发展研究[J].现代防御技术,2004,32(2):60-65.

[4]李毅,张光甫,梁步阁,等.高功率冲激雷达反隐身机理研究[J].现代雷达,2007,29(8):40-43.

[5]吴明忠,赵振声,何华辉.隐身与反隐身技术的现状和发展[J].上海航天,1997(3):36-42.

[6]方斌,董明荣.雷达隐身特性的外形设计方法[C].北京:第六届ABB杯全国自动化系统工程师论文大赛论文集,2013.

[7]张浩斌.腔体电磁散射的混合算法研究[D].西安:西北工业大学,2003.

[8]田义宏,颜仲新.舰艇外形隐身技术的理论与实效性分析[J].飞航导弹,2006(5):38-41.

[9]崔岩.国内外隐身涂料的发展现状[J].科学与财富,2014(4):121-121.

[10]艾宝英.浅谈隐身涂料技术应用特性与研究发展方向[J].中国涂料,2007,22(7):17-20.

[11]钱海霞.纳米复合材料的制备及吸波性能的研究[D].武汉:华中科技大学,2002.

[12]崔作林,张志琨,董立峰,等.手征媒质吸收剂的研究进展[J],隐身技术,1999,(2):19.

[13]夏新仁.隐身技术发展现状与趋势[J].中国航天,2002(1):22-28.

[14]徐利军.复杂目标等离子体涂层的散射特性算法研究[D].长沙:国防科学技术大学,2006.

[15]孟新强.隐身技术和隐身武器的研究和应用[J].中国航天,1999,13(3):40-43.

[16]白木,子荫.隐身技术纵谈[J].飞航导弹,2002(2):28-38.

[17]崔冠峰.分形天线的设计及其RCS减缩[D].西安:西安电子科技大学,2008.

[18]Dikmen C M,Cimen S,Cakir G.Planar octagonal-shaped UWB antenna with reduced radar cross section[J].IEEE Trans.on Antennas & Propagation,2014,62(6):2946-2953.

[19]翟炜刚.目标散射特性近场测量方法研究[D].西安:西安电子科技大学,2012.

[20]白木,子荫.隐身技术纵谈[J].飞航导弹,2002(2):28-38.

[21]赵培聪.201O年隐身与反隐身技术发展情况[J].现代雷达,2011,33(4):9-12.

中图分类号TN973

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)03-194-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.051

通信作者:姜文(1985—),男,博士,副教授。研究方向:天线理论与工程、电磁散射与隐身技术。

收稿日期:2016- 01- 30