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隐身技术--突破电子防御的关键

时间:2014-10-17  来源:  点击数:1707

    随着现代科学技术的不断发展,针对飞行器、舰船等作战装备的探测技术日益完善。现在,各个军事强国在本土都有强大的雷达网,空中有预警机,在太空还有战略预警系统。这些系统通过链路构成一张强大的预警网络,对飞机,舰船甚至是导弹的生存都构成了严重的威胁。所以,武器装备的隐身性能已经成为考量整体战斗力的重要指标。具有隐身性的装备,既拥有了在战场上赖以生存的法宝,又使得自己在进攻中处于主动的一方,加大了攻击的突然性。在讲究快速反应的现代战场,隐身技术已经成为决定战争胜负的关键因素。 
    美国等发达国家长期以来一直在研究隐形武器装备,使得隐形武器装备异军突起,一系列新型的隐形武器装备相继问世。目前,美国已将隐形技术普遍应用于侦察、轰炸、战斗、海军舰载攻击等各种飞机上。隐形武器的开发和应用是航空武器技术乃至整个武器技术发展的重标志。由于隐形飞机的出现,早期的雷达很难发现目标,在海湾战争的第一次攻击中,美军使用的F-117隐形飞机,偷袭伊拉克首都巴格达市中心通信大楼,投弹45 min后,巴格达才拉响空袭警报。在整个海湾战争中,F-117出动架次仅占所有作战飞机攻击架次的2%,但却完成了40%的攻击目标。因此,伴随着隐形飞机的出现,探测隐形飞行器的雷达技术体制也将进行相应的变化。 
    隐身技术按照战斗平台分,可以分为飞行器隐身,舰船隐身,导弹隐身。按照隐身的方式手段主要为雷达隐身,并辅之以红外、光学和声波隐身,其中雷达隐身是现代隐身技术的重中之重。红外隐身在导弹突防中应用较为广泛。而随着反潜技术的发展,潜艇的声波隐身则是至关重要的一环。 
    一、雷达隐身技术的关键 
    若用一句话概括雷达隐身技术,就是采取各种手段减小装备的雷达散射截面(Radar Cross Section,一下简称RCS)。所谓目标的雷达散射截面RCS,就是定量表征目标散射强弱的物理量。目标的雷达散射截面RCS,越小,雷达接收能量越小,因而使敌方侦察雷达难于对己方目标作出正确的判断,从而达到隐形目的。RCS不是目标的几何截面积,而是一个与目标产生同等回波的金属圆球的等效截面积,几何截面积、材质和形状对雷达的反射率和反射的方向性都对雷达截面积有影响,所以雷达反射面积可以比几何截面积大,也可以比几何截面积小,就好像在黑夜里手电照射下,一块小镜子可以远比一个蒙面黑衣大汉显眼。作为参照,美国的 F-15 的RCS为 405 平方米,B-1B 为 1.02 平方米,SR-71 为 0.014 平方米,F-22 为 0.0065 平方米,F-117 为 0.003 平方米,B-2 为 0.0014 平方米。 
    雷达的探测距离和目标RCS成四次根关系,也就是说,如果雷达反射面积小十倍,雷达探测距离只缩短一半都不到。所以,雷达反射面积必须缩小很多,才能达到隐身目的。换句话说,除非采取隐身措施,简单地缩小飞机的物理尺寸对减小雷达反射面积没有太大的实际效果。由于RCS的特性,现在军事上常常采用且比较熟悉的雷达隐身技术首先是外形隐身,第二是材料隐身。 
    (一)、外形隐身 
    飞行器的外形对RCS影响最大,所以隐身飞机的外形设计是隐身的主要措施,并被证实确实有显著的效果。任何一架隐身飞行器都是一个复杂的形体,虽然可将其分解成十多个主要的和几十个甚至上百个较小的形体,先分别计算出它们每个形体的RCS,再进一步得出整个飞行器的雷达散射截面积,但每个典型形体的RCS都随着雷达波的入射方向、波长和极化方向变化而变化,且各个小形体之间还存在雷达波的相互干扰。所以整个飞行器的雷达散射截面积的计算过程十分复杂。 
    计算机技术的飞速发展,使得这种复杂的计算能够在较短时间内完成。现在美国、俄罗斯等一些国家已能够模拟和评价各种各样的隐身外形,从而研究出和不断完善减缩雷达散射截面积的各种方法,并建立一定的设计规范。 
    总体来说,外形隐身技术需要遵循的原则主要有一下几点: 
    1、减小单一连续的平面的面积 
    2、增加表面的平滑度,减少开口和缝隙 
    3、加大开缝和边缘与雷达入射方向的夹角 
    4、避免互成90度的平面 
    世界上首架隐身飞机F-117就是外形隐身技术的经典之作,为了追求理想的隐身技术,F-117的设计者不惜很大程度牺牲了飞机的空气动力性能,形体设计与常规机型相差很大。但是,在上世纪八十年代到九十年代的雷达水平,证明F-117做出的牺牲是明智的。到目前为止,该型机只有一架在战争中被击落的,并且是南联盟使用的无源雷达系统。可以说,F-117是外形隐身技术中无法超越的典范了。 
    (二)、材料隐身 
    雷达吸波材料的应用是实现隐身的主要技术性措施之一,也是隐身技术中研究的主要内容。由于气动方面的限制,飞行器的许多部件无法采用外形隐身,只能在这些部件上采用雷达吸波材料来减缩RCS。雷达吸波材料主要有两种:涂敷型雷达吸波材料和雷达吸波结构材料。其应用形式有:索尔慈波里屏蔽层、蜂窝和开放式网状结构、梯度多层吸波、达伦巴奇层、电路模拟吸波、乔曼吸波和导电高分子吸波等。 
    从上世纪九十年代开始,各国都加大了隐身飞机的研制力度,隐身性能已经成为第四代战机(俄罗斯称第五代)的主要技术指标。现在已经成功研制的是美国的F-22和F-35两款。F-22是F-117重型战机的替代品。其特点是保证其隐身性能的情况下增加战机的机动性能。关键就是隐身材料的发展可以在细节上弥补战机提高机动性而不得不在隐身性上做出的牺牲。F-35轻型战机是F-16和F-18的替代品,遵循的也是这样的思路。 
    其他比较热门的还有俄罗斯的X-47,以及最近炒得很火的中国歼-20战斗机。 
    (二)、红外隐身及其他隐身术 
    作为隐身技术的另外一个重要环节,红外隐身技术是雷达隐身技术的补充。 
    红外隐身技术在导弹突防中具有关键的作用。首先,导弹本身飞行需要强大的推力,发动机喷出的尾焰温度极高;其次弹道导弹在高速进入大气层之后与空气摩擦产生高热壳也极其容易被红外探测雷达发现。 
    红外隐身技术能有效抑制飞行器在敌方红外探测系统方向上的红外辐射强度。飞行器红外辐射主要来源于发动机本身的热辐射,发动机喷出的高温尾焰,外体上的气动加热和对环境辐射的发射。抑制飞行器红外辐射的技术主要包括在导弹武器上选用涡扇发动机,以降低发动机及其尾焰的红外辐射强度;改变发动机及其喷管的外形结构,利用兼顾低辐射与动力要求的外形,来抑制其红外辐射强度;对涡喷发动机的高温辐射源,如燃烧等采取综合抑制技术,使用特殊材料,或在燃烧中加入添加剂,在喷焰中加入吸收剂和冷却剂,既改变红外辐射频段,又使尾气与大气迅速混合并很快冷却,以达到迅速降温和降低辐射强度的目的;采用波瓣混合喷管或二元喷管,降低排气红外辐射;采用陶瓷复合材料造喷管,将喷口安放在弹体上方,遮挡向前下方的红外辐射,并在弹尾安装红外挡板;在飞行器上喷涂红外掩饰涂料,起隔热和抗红外辐射作用;采取红外干扰措施,如用红外干扰机发射干扰信号,投放红外诱饵以保护飞行器等。据估计,在飞行器上采用上述隐身措施后,可抑制90%以上的红外辐射。 
    二、隐身技术的发展趋势 
   (一)、材料隐身技术 
    传统的隐身材料以强吸收为主要目标,新型的隐身材料要求满足"薄、轻、宽、强",而未来的隐身材料则应满足多频谱隐身、环境自适应、耐高温、耐海洋气候、抗核辐射等更高要求,以适应未来战场的需要。其中多频谱隐身材料与智能型隐身材料将成为隐身材料的两 
个主要发展方向。 
    迄今为止的隐身材料都是针对厘米波雷达(2~18GHz),而先进的红外探测器、米波雷达、毫米波雷达等先进探测设备的问世,要求隐身材料在不久的将来要发展成为能够兼容米波、厘米波、毫米波、红外、激光等多波段电磁隐身的多频谱隐身材料。单波段隐身材料在未来将不再具有实战意义。在同一目标上使用的材料不应该再是单功能多层结构,而希望采用多功能材料,实现四个或五个波段的多功能隐身材料一体化设计。 
   (二)、智能型隐身材料 
    智能型隐身材料是一种具有感知功能、信息处理功能、自我指令并对信号做出最佳响应的功能的材料系统或结构。目前这种新兴的智能材料和结构已在军事和航空航天领域得到了越来越广泛的应用。同时这种根据环境变化调节自身结构和性能,并对环境做出最佳响应的概念,也为隐身材料和结构的设计提出了一个崭新的思路,使智能隐身目标的实现成为可能。 
    三、应用微博传播知识技术     
     微波传播指示技术是利用计算机预测雷达波束在不同大气条件下传播发生畸变所产生的"空隙"和"波道",使突防飞行器在雷达覆盖区的"空隙"、"盲区"和"波道"外飞行,以避开敌方雷达的探测,从而顺利地实现突防。美国海军航空兵司令部和英国费兰蒂计算机有限公司对微波指示技术进行了深入的研究。 
   (一)、应用仿生技术 
    实验证明,海鸥虽与燕八哥的形体大小相近,但海鸥的雷达散射截面积比燕八哥大200倍。蜜蜂的形体小于麻雀,但它的雷达散射截面积比麻雀大16倍。有关科学家正在研究这些现象,试图采用仿生技术,寻求新的隐身技术。 
   (二)、等离子隐身技术 
    等离子隐身技术是目前各军事强国都在加紧研制的一项新型隐身技术。据传,俄罗斯的新一代战斗机就是以等离子隐身为基石。实际上,等离子体隐身是一种在未来应用将极为广泛的隐身技术。比如,现在已经研制出来的等离子体天线就是一种很好的隐身方式。在战斗机,舰船上的前景及广。 
   (三)、雷达反隐身技术 
    虽然隐形技术的发展增加了雷达发现目标的难度,但这并不是说雷达就不能发现目标。实际上,已多次有雷达发现进行训练的F-117的记录。在科索沃战争中,南联盟也曾击落了一架F-117战机。 
    针对隐形飞行器的隐身原理,可采用多种方法提高雷达探测到隐形飞行器的能力。 
    1、扩展雷达的工作波段范围 
    增大普通雷达的波长是一种反隐身的有效办法。我们知道,当雷达波长与被照射的物体的某部分尺寸接近时,由于物体某部分直接反射的回波和整个物体表面的传播之间会产生谐振,形成强回波尖峰,这也就是增大雷达波长反隐身的道理。隐形飞行器通常是针对厘米波段雷达设计的,因此,将雷达的工作波段向米波段和毫米波段甚至红外波段、激光波段扩展,都将具有一定的反隐身能力。 
    2、采用传统方法提高雷达的探测性能 
    隐形飞行器通常总有一定的雷达散射截面积(1 m2以下),如果提高常规雷达的设计技术指标,也能探测到隐形飞行器。如:采用频率捷变、扩频技术、低旁瓣或旁瓣对消、恒虚警电路等技术,可提高雷达的抗干扰能力;采用大时宽脉冲压缩技术、增大发射功率等措施,可提高雷达的作用距离;采用数字滤波、电荷耦合器件、声表面滤波等先进技术,可提高接收机的信号处理能力,等等。在此基础上,再通过雷达联网,从整体上提高雷达的反隐身能力。 
    3、采用特殊体制(高灵敏度)的雷达 
    高灵敏度雷达,是利用某些特种技术措施来提取目标的重要信息,如采用较低工作频率、宽频带、多频谱、双极化、双/多基地等。其代表种类有:先进的单基地雷达(宽频带/超频带雷达、超视距雷达)、双(多)基地雷达、毫米波雷达、激光雷达等。 
   (1)、双(多)基地雷达 
    一般的雷达是单基地的,即发射机和接收机安装在一起,且通常共用一个天线。而双基地或多基地雷达是将发射机和接收机分别安装在相距很远的2个或多个站址上。站址可以选在地面、空中(机载)或卫星上,一般是将发射机设在远离战场的安全地方或防空系统严密保护的地点。这种雷达的最大优点是接收机可以不受反雷达导弹的威胁,效率较单基地雷达高。他所具有的优点将在未来的反隐身战斗中发挥重要作用。 
   (2)、宽频带或超宽频带雷达 
    这种雷达,其带宽至少为中心频率的50%,通常所说的冲击雷达或无载波雷达就是典型的超宽带雷达。该雷达具有极高的距离分辨率,可进行高分辨率的测量和目标识别;具有抑制杂波和地面穿透能力;能探测低可见度目标;能有效地对付外形隐身和采用雷达吸收波材料的隐身飞行器。 
   (3)、多频信号雷达 
    该雷达能产生多种不同频率信号,当用多个连续信号同时照射隐身目标时,每个频率的反射信号由独立的通道接收和处理,隐身飞行器不能对付的那些频率的反射信号相当强,因而就可以探测到在一定频率上具有隐身能力的飞行器。 
   (4)、谐波雷达 
    雷达波照射到大多数金属目标如飞机、导弹等人造构体时,除了直接产生反射回波外,还产生谐波再辐射,即辐射出入射波频率的信号谐波。而雷达波照射到大多数自然物体,只产生反射回波,不产生谐波再辐射。谐波雷达就是根据这种物理现象研制的接收金属目标的谐波能量信号作为回波信号的雷达。 
   (5)、无源雷达 
    该雷达不发射电磁信号,而是通过接收目标的电磁辐射信号来探测目标的位置。他是对抗雷达隐身技术的一种可行的技术途径。 
   (6)、超视距雷达 
    最有前途的探测隐身飞机的方法之一是利用超视距雷达。所谓超视距雷达是利用电磁波在电离层与地面之间的反射或电磁波在地球表面的绕射,对地平线以下的目标实施超视距探测和跟踪,因而不受地球曲率限制,这种雷达频率为5~28 MHz,工作波长10~60 m,作用距离为1 000~3 000 km,可覆盖数百平方公里。  
   (7)、毫米波雷达 
    毫米波雷达是反隐身技术的一种有效途径。由于频率30,94,140 GHz的毫米波在目前隐身技术所能对抗的波段之外,同时毫米波雷达具有天线波束窄、分辨率高、频带宽、抗干扰力强并对目标细节反应敏感等特点,使得目标外形图像可在雷达荧屏上直接显示出来,因而具有反隐身能力。 
   (8)、激光雷达 
    由于当前隐身飞行器主要针对雷达波和红外采取隐身措施,他们对可见光和接近可见光的波段没有明显的隐身效果。激光雷达波长短、光束质量高、定向性强、其分辨率也相当高。他对目标具有识别、姿态显示和轨道记录等功能。他的工作波长为微波雷达的万分之一到千分之一,因而比微波雷达的测量精度高、分辨力好、抗干扰能力强,且体积小。尤其是他采用小口径天线低仰角工作时,能跟踪低空和超低空飞行的隐身飞机。 
    四、综合运用各种反隐身技术 
    由于隐形飞行器大都采用了多种隐身技术措施,因此,与之相对抗的任何一种单一的反隐身技术都不太可能大幅度增加隐身目标的易损性(即增大可探测性和摧毁概率)。为了获得最佳的作战效果,在新一代作战系统依靠单传感器提供信息已无法满足作战需要,只有综合运用各种探测隐身目标的雷达、电视、红外探测器,并汇集多个探测器的信息,才能获得最佳的反隐身效果。隐身技术的发展,大大改变了制空战和制海战的战争样式,在未来的发展上,如何掌握一种更好更新的隐身技术将很大程度上改变自己在未来战争中的地位。 
    未来战争打得是科技,如何缩减目标的RCS仍然是隐身技术的关键,仍然是各国军工行业着眼的地方。相信在将来,越来越多的战场鲲鹏遨游于大海蓝天。 

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