雷達(dá)隱身技術(shù)在水面艦艇上的應(yīng)用

范曉軒，耿國桐

(中國國防科技信息中心，北京 100142)

0 引言

20世紀(jì)60年代，國外開始探索發(fā)展隱身技術(shù)，研究控制目標(biāo)特征信號的方法，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)識別和發(fā)現(xiàn)的技術(shù)。雷達(dá)隱身技術(shù)在飛機上廣泛應(yīng)用，美國的F－117隱身戰(zhàn)斗機、B－2隱身轟炸機參加了數(shù)次戰(zhàn)爭，都取得較好的作戰(zhàn)效果，驗證了雷達(dá)隱身技術(shù)的有效性。雷達(dá)是海上對水面艦艇的主要探測手段，一些采用新技術(shù)、新體制的雷達(dá)具有極強的探測能力，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，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)護艦，受到對海搜索雷達(dá)探測時，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距離，減弱敵目標(biāo)識別能力，增強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都積極開展艦艇雷達(dá)隱身技術(shù)研究。

1 水面艦艇面臨的雷達(dá)探測威脅

雷達(dá)作為海上的主要探測手段，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中應(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)警機的預(yù)警雷達(dá)和直升機載海上監(jiān)視雷達(dá)是其中主要的4類。

1)反艦導(dǎo)彈是對海作戰(zhàn)的重要武器，可從艦艇、岸上和空中發(fā)射，對水面艦艇有極大的殺傷力。美國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雷達(dá)導(dǎo)引頭。為了提高對大型水面艦艇的打擊能力，美國開展了“遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈”(LRASM)研究。該項目始于2009年由國防高級研究計劃局和美國海軍聯(lián)合開發(fā)，初步設(shè)計的2種方案已經(jīng)通過評估，并由洛克希德·馬丁公司進行演示驗證。目前，遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈項目選擇電子制造服務(wù)商國防航天公司開發(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、越南等多個國家，具有很強的通用性。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)。美國為DDG－1000驅(qū)逐艦等下一代水面主戰(zhàn)平臺開發(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年在瓦勒普斯島進行了功能測試。2010年5月，美國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［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，利用2個頻率范圍跟蹤目標(biāo)，將為DDG－1000驅(qū)逐艦提供先進的水面探測能力。為了增強艦載雷達(dá)的探測能力，澳大利亞海軍為“安扎克”級護衛(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1.2 m，每面含1024個收發(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。

3)預(yù)警機是集遠(yuǎn)程探測、信息分發(fā)、指揮協(xié)調(diào)和聯(lián)合作戰(zhàn)的大型平臺，機上安裝了整套遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)系統(tǒng)，能克服地球曲率對水面目標(biāo)搜索距離的限制，是探測水面艦艇的重要手段。美國為了提高海軍編隊的空中指揮控制能力，在E－2C預(yù)警機的基礎(chǔ)上改進開發(fā)了E－2D“先進鷹眼”預(yù)警機。E－2D采用了全新的任務(wù)系統(tǒng)，對雷達(dá)系統(tǒng)進行了大幅升級。新型AN/APY－9雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)雷達(dá)天線罩集成了1個18通道的先進探測系統(tǒng)(ADS－18)天線和1個36單元的敵我識別陣列，先進探測系統(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)還率先采用了先進的數(shù)字式空時自適應(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小目標(biāo)及慢速運動目標(biāo)，自動抑制來自多方向的有源干擾。2010年7月，美國海軍首架“先進鷹眼”交付諾?？撕＼娀?2011年1月，該預(yù)警機在“杜魯門”號航母上完成首次上艦［4］，經(jīng)過作戰(zhàn)評估后，預(yù)計2015年形成初始作戰(zhàn)能力。

4)預(yù)警直升機是安裝了遠(yuǎn)距離搜索雷達(dá)和指揮控制系統(tǒng)的直升機。預(yù)警直升機既能提高艦隊的情報搜集能力，又能在固定翼預(yù)警機無法使用的艦艇上起降，具有輕便靈活的特點，應(yīng)用前景廣泛。目前正在服役的預(yù)警直升機主要有英國“海王”和俄羅斯“卡－31”。最新的“海王”AEW MK7型直升機裝備了“搜水 2000”雷達(dá)，該雷達(dá)工作于 X波段，在3 000 m高度時的探測距離超過200 km，可同時處理多個空中目標(biāo)和水上目標(biāo)。該直升機還裝備了聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)、電子支援偵察系統(tǒng)、敵我識別系統(tǒng)，具備很強的探測能力。俄羅斯“卡－31”預(yù)警直升機主要裝備了E801 M“眼睛”監(jiān)視雷達(dá)。該雷達(dá)工作于L波段，水平方位采用機械掃描，垂直方位采用電子掃描，能同時跟蹤多個目標(biāo)，對水面艦艇的探測距離達(dá)100～200 km。與艦載監(jiān)視雷達(dá)相比，預(yù)警直升機大大增加了海軍編隊對水面艦艇的探測距離。

2 水面艦艇的雷達(dá)散射截面

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發(fā)生散射，散射強度和方向同雷達(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)生較強的雷達(dá)回波。平面與波長的相對尺寸越大，每個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時發(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)入射波相對于反射體的掠角很小時，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、機庫外壁與甲板會形成角形結(jié)構(gòu)，外露通道和船體夾縫也會形成角形結(jié)構(gòu);艦艇上的進氣口、排氣口、舷窗和開口等空腔結(jié)構(gòu)，都是很強的雷達(dá)波散射源;甲板上的武器設(shè)備、電子設(shè)備以及外露機械裝置，會產(chǎn)生邊緣和尖端繞射等。當(dāng)艦艇沒有采用隱身技術(shù)時，其雷達(dá)散射截面可用以下經(jīng)驗公式估算:

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“伯克”級驅(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)計的艦艇自身存在大量雷達(dá)波強散射源，有必要對這些散射源進行隱身處理，降低艦艇的雷達(dá)散射截面。

3 艦艇雷達(dá)隱身的戰(zhàn)術(shù)意義

在海灣戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭等幾場局部高技術(shù)戰(zhàn)爭中，隱身飛機取得了非常好的作戰(zhàn)效果，面對一體化防空系統(tǒng)，隱身技術(shù)具有極高的應(yīng)用價值。對水面艦艇來講，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)識別能力。雷達(dá)不僅是探測海面目標(biāo)的主要手段，也是進行海上目標(biāo)識別的重要工具。目前，雷達(dá)目標(biāo)識別主要是人員根據(jù)經(jīng)驗判斷，海軍作戰(zhàn)人員根據(jù)雷達(dá)探測距離和回波強度建立起判別一般艦艇的經(jīng)驗規(guī)則，結(jié)合目標(biāo)運動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)驗和判斷規(guī)則不再適用，將會導(dǎo)致目標(biāo)識別錯誤。在實際作戰(zhàn)中，敵方可能把經(jīng)過隱身設(shè)計的大型艦艇誤判為中小型目標(biāo)，依據(jù)這種判斷做出的錯誤戰(zhàn)術(shù)決策，將會造成嚴(yán)重的后果。

3)增強有源干擾和無源干擾的效果?，F(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，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。在利用箔條云團進行無源干擾時，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。

4 水面艦艇采用雷達(dá)隱身技術(shù)的主要途徑

目前，雷達(dá)隱身主要通過2種技術(shù)途徑實現(xiàn)。一是對隱身目標(biāo)進行精確的外形設(shè)計，減弱雷達(dá)波的散射強度或者將雷達(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，減弱回波強度。水面艦艇外形設(shè)計通常遵循以下原則: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，并用多面體外殼進行封裝;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)備等也用傾斜護墻遮擋。除了外形隱身設(shè)計，水面艦艇在一些重點部位采用雷達(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)波散射強度。

集成上層建筑設(shè)計技術(shù)是水面艦艇隱身設(shè)計的一項主要技術(shù)。該技術(shù)利用系統(tǒng)工程方法，綜合運用復(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)計技術(shù)等，使隱身設(shè)計、電磁兼容設(shè)計與艦艇上層建筑設(shè)計有機地統(tǒng)一起來［6］。美國海軍為了提高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)等多個研究項目。封閉式桅桿/傳感器系統(tǒng)項目研究在桅桿中集成傳感器技術(shù)、隱身設(shè)計、先進材料與制造技術(shù)等。這種桅桿的表面采用了先進的復(fù)合頻率選擇技術(shù)，允許本艦上的雷達(dá)和通信信號穿透，同時阻止可能產(chǎn)生干擾的噪聲信號或其他頻段的信號進入桅桿。多功能電磁輻射系統(tǒng)將敵我識別、作戰(zhàn)測向、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)具有高信號密度和多參數(shù)等特點，敵方難以從復(fù)雜波束中分辨出雷達(dá)的發(fā)射信號。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10年后的海上威脅，德國海軍研究開發(fā)了FDZ－2020“未來型護衛(wèi)艦”。該艦上層建筑頂端安裝了多探測器集成桅桿(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，國外大力推進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)取得重大進展。電磁波在“左手”材料中傳播時，會出現(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) 和倫敦帝國學(xué)院的聯(lián)合研究小組提出，電磁波遇到“左手材料”后會繞道向前傳播從而實現(xiàn)隱身，并通過試驗在微波波段對新原理進行了驗證。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)計方案;2007年12月，馬里蘭大學(xué)的1個研究小組在實驗室研制出“隱身斗篷”，采用合成材料，把具有2種不同折射率的介質(zhì)有機結(jié)合在一起，在二維空間實現(xiàn)了隱身;2008年8月，利用“隱身斗篷”在納米尺度上實現(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)表面進行了大量隱身測試。這些新型材料可能用于艦艇的隱身設(shè)計，增強水面艦艇的雷達(dá)隱身性能。

5 結(jié)語

水面艦艇作為大型海戰(zhàn)裝備，是實現(xiàn)國家安全戰(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，爭取早日研制出隱身性能良好的水面艦艇。

［1］USA EMS.Lockheed Martin to develop seeker antenna for LARSM［EB/OL］.http://navaltoday.com，2011 －6.

［2］U.S.NAVY'S dual band radar achieves X-and S-Band milestone［EB/OL］.http://www.armybase.us，2010 －5.

［3］AUSTRALIA and USA collaborating on new small-ship radars［EB/OL］.http://www.defenseindustrydaily.com，2011－6.

［4］E －2D advanced Hawkeye completes first carrier landing aboard USS Truman ［EB/OL］. http://www.militaryaerospace.com，2011 －2.

［5］朱英富，張國良，等.艦船隱身技術(shù)［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2003.73－94.

［6］黃繼進.水面艦艇集成天線隱身設(shè)計技術(shù)［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30(11):143 －146.