![]() 试论隐身技术与反隐身技术的发展研究
摘 要:
通过对世界几种典型隐身飞机隐身机理的分析和隐身效果的对比!阐明隐身的必要性及其关键技术!并介绍当前用于隐身性能提升的隐身材料! 说明雷达反隐身的可能性!并阐述当前隐身和反隐身技术的实现途径和发展方向。 关键词:隐身;反隐身;雷达反隐身;隐身技术;发展前景 引言: 1 隐身技术 1.1 隐身技术来源 隐形对于一般人来说都不陌生,虽然这些说法大多数来自小说和神话,但是在现实生活中也不乏隐形的例子。比如说变色龙就能够通过改变自己的颜色来进行隐形。人们通过研究仿生学,并且应用了最新的技术和材料,终于在庞大的飞机上也实现了隐形。 1.2 隐身技术原理 从原理上来说,隐形飞机的隐形并不是让我们的肉眼都看不到,它的目的是让雷达无法侦察到飞机的存在。隐形飞机在现阶段能够尽量减少或者消除雷达接收到的有用信号,虽然是最为秘密的军事机密之一,隐形技术已经受到了全世界的极大关注。主要包括:雷达隐身、红外隐身、声隐身等. 隐 身技术定义是:在飞机研制过程中设法降低其可探测性,使之不易被敌方发现、跟踪和攻击的专门技 术,当前的研究重点是雷达隐身技术和外形隐身技术。简言之,隐身就是使敌方的各种探测系统(如雷达等)发现不了己方的飞机,无法实施拦截和攻击。早在第二 次世界大战中,美国便开始使用隐身技术来减少飞机被敌方雷达发现的可能。虽然隐形飞机能够在相当大的程度上隐身,但只是针对一般的探测设备而言,还有许多 方法都可以发现隐身飞机,如米波雷达等等;也可以利用先进的战术来击落隐身飞机。在1999年3到5月美国对南联盟实施轰炸的时候,南联盟防空部队就曾经击落了美国的一架F-117A战斗轰炸机。此外,有得必有失,隐形飞机的隐身能力是以牺牲机动性作为代价的,而且造价也十分昂贵并且牺牲了飞机的载弹量,维护相当麻烦对机身的材料非常苛刻,一般国家难以负担。
首先我们分析雷达的工作方式,雷达是利用无线电波发现 目标,并测定其位置的设备。由于无线电波具有恒速、定向传播的规律,因此,当雷达波碰到飞行目标飞机、导弹等时,一部分雷达波便会反射回来,根据反射雷达 波的时间和方位便可以计算出飞行目标的位置。由此可见,飞机要想不被雷达发现,除了超低空飞行避开雷达波的探测范围外,就得想办法降低对雷达波的反射,使 反射雷达波弱到敌人无法辨别的地步。这里有一个衡量飞行器雷达回波强弱的物理量:雷达散射截面积(英文名称RadarCross-Section,缩写为RCS),是指飞机对雷达波的有效反射面积,雷达隐身的方法便是采用各种手段来减小飞机的RCS。例如美国的B-52轰炸机的RCS大于100平方米,很容易被雷达发现,而与其同类的采用了隐身技术的轰炸机B-2的RCS约为0.01平方米,一般雷达很难探测到它。 1.3 隐身最重要的两种技术是形状和材料 首先,隐形飞机的外形上避免使用大而垂直的垂直面,最好采用凹面,这样可以使散射的信号偏离力图接收它的雷达。例如,SR-71“黑鸟”飞机和B-1隐形轰炸机采用的弯曲机身;贝尔AH-1s“眼镜蛇”直升机最先采用的扁平座舱盖;在海湾战争中发挥重要的F-117A“大趋势”隐形战斗机采用的多面体技术;美国波音F-111实验机上的任务自适应机翼等。这些飞机的造型之所以较一般飞机古怪,就是因为特种的形状能够完成不同的反射功能。 1.3.2 材料 其次,隐形飞机采用非金属材料或者雷达吸波材料,吸收掉而不是反射掉来自雷达的能量。雷达吸波材料分两大类,一类是谐振型,一类是宽频带型。其中谐振型雷达吸波材料是为了某一频率而设计的、以磁性材料为基础、能把相消干涉和衰减结合起来的吸波材料。宽频带雷达吸波材料通常通过把碳-耗能塑料材料加到聚氨酯泡沫之类的基体中 制成,它在一个相当宽的频率范围内保持有效性。把雷达吸波材料与雷达能量可以透过的刚性物质相结合,形成雷达吸波结构材料,这种材料还属于保密的吸波材料 之一。运用最新的材料,隐形飞机在雷达上反射的能量几乎能够做到和一只麻雀的反射能量相同,仅仅通过雷达就想分辨出隐形飞机是非常困难的。 另外,应尽量减少机身的强反射点或者说是“亮点”、发动机的噪声以及机体本身的热辐射等,因为这些方面的存在也容易“出卖”飞机的存在。例如,SR-71黑鸟飞机就采用闭合回路冷却系统,把机身的热传给燃油,或把热在大气不能充分传导的频率下散发掉。 1.3.3 隐身武器在现代战争中地位 隐形飞机在现代战争中发挥着重要的作用。例如,在1991年的海湾战争中,美军派出了42架F-117A隐形战斗机,出动1300余架次,投弹约2000吨,在仅占2%架次的战斗中去攻击了40%的重要战略目标,自身没有受到任何损失。随着材料技术和更新的技术的出现,隐形飞机的隐形能力会越来越强,在未来战争中的作用会越来越突出。 1.4 国外隐身技术的发展 1.4.1 国外隐身技术研究现状分析 1.4.1.1雷达目标特征信号控制技术 1.4.1.2低RCS外形技术 外形技术是实现武器系统高性能隐身的最直接有效的手段。如导弹弹头低RCS设计时,相同投影面积的光卵形、拱形及球形弹头的前视后向RCS相差高达200dB以上,而在对飞行器侧面进行低RCS外形设计时,外形技术更是其它技术无法匹比的。外形技术的应用原则是,在保证导弹总体技术要求的前提下,将目标强散射中心转化为次散射中心,或将强散射中心移出受雷达威胁的主要方位区域。多棱面外形和融合外形技术是低RCS外形技术的两个重要方面。前者是将弹体设计成多棱面体,使得整个弹体沿弹身周向只呈现出几个有限的窄散射峰值,而在其它宽方位角内的RCS则很小。典型的应用实例如美国的F-117A隐身战斗机;事例外形技术作为外形技术的另一重要方面主要包括平面和空间的三维融合,如弹翼平面融合和翼身的三维融合。通过对弹身截面形状进行合理设计,使其侧向的镜面散射变为劈形边缘绕身,从而可以大大降低飞行器的侧向RCS。其典型应用如美国的B-2战略轰炸机,该机独特的飞翼式全融合结构使它的前向RCS得到大幅度的降低。 1.4.1.3 RAM技术 RAM的研制和应用极大地推动隐身事业的发展,RAM技术作为雷达隐身措施的重要技术之一,按其功能可分为涂覆型和结构型。结构型RAM通常是将吸收剂分散在特种纤维(如玻璃纤维、石英纤维等)增强的结构材料中所形成的结构复合材料,其典型特点是既能承载同时又可减小目标RCS;而涂覆型RAM是将吸收剂与粘结剂混合后涂覆于目标表面形成吸波涂层。涂覆型RAM以其涂覆方便灵活可调节、吸收性能好等优点而受到世界许多国家的重视,几乎所有隐身武器系统上都使用了涂覆型RAM。 随着未来战场的日趋恶劣和隐身技术研究的不断深化拓广。现在RAM需要从其吸波性能、带宽特性、重量、环境适应性等方面进行改进,新的RAM、新的吸波机理的研制与开发日益受到世界各国的高度重视,纳米材料、手征材料、智能材料、多频谱RAM等新型RAM的研究已在世界范围内得到展开,并已初见成效。 智能RAM是一种同时具备感知功能、信息处理功能、自我指令并对信号作出最佳响应功能的材料系统/结构。目前这种新兴的RAM已在隐身飞行器设计中得到越来越广泛的应用。同时,它根据外界环境变化调节自身结构和性能,并对环境做出最佳响应的特点,也为RAM的设计提供了一种全新的思路。它将使"智能"隐身目标的实现成为可能。 多频谱RAM,先进探测设备的相继问世(如俄罗斯的"高王"米波探测雷达,荷兰的"翁鸟"毫米波雷达及先进红外探测雷达),对目前仅针对厘米波而研制的吸波涂料提出新的挑战。在不久的将来,RAM领域将是集吸收米波、厘米波、毫米波以及红外、激光等多波段电磁波于一体的多频谱RAM的天下,只具单一固定吸波频段的雷达吸波材料将会失去用武之地。这也是吸波材料发展的总趋势。 涂覆型RAM和结构型RAM两者结合使用可望加大武器系统的隐身效果,拓宽吸波频带。如美国的F-22隐身战斗机和法国的阿帕奇隐身巡航导弹的弹体,通过将用来吸收高频波的涂覆型RAM涂于用来吸收低频波的结构型RAM的表面而使得吸波频带得以拓展。 1.4.1.5等离子体技术 等离子体技术作为一种目标雷达特征信号控制的新兴技术,其核心是等离子体的生成与适度应用。所谓等离子体就是气体在某种外在因素(如高超音速飞行器的激波;核爆炸、喷气式飞机的射流;放射性同位素的射线等)的激发下,电离生成数密度近似相等的自由电子、正离子和少量负离子而形成的第四态物质。理论研究和实验结果表明,等离子体对雷达波具有十分显著的吸收、耗散效果,受到隐身武器设计师们的极大关注。美、俄两国早在60年代就已开始注意到飞行器周围激波产生的等离子体所起的作用,并通过风洞试验做过一些探索性研究。研究发现,飞行器表面的等离子体包层的电子密度对飞行速度的大小十分敏感。当飞行速度在某一范围内时,RCS最小,而当速度进一步增大时,RCS则迅速增大。研究还发现,雷达波的能否进入包层、在何处发生反射及其吸收频段等都取决于包层内的电子分布与密度。最后得出的结论是,实现武器系统等离子体隐身的关键在于如何对飞行器等武器系统的等离子体包层的电子密度进行控制。 随着研究的不断深入以及大量实验数据的积累,目前已获得两种典型的能有效地产生等离子体包层的方法:一是应用等离子体发生器;二是在飞行器的特定部位涂适量的放射性同位素(如P210O、C242m等)。前一种方法的优点是武器结构不用改变,使用方便且隐身效果很好,缺点是等离子体发生器安装部位的隐身化很成问题,而且发生器的电源功率大小受到限制。后一种的技术难点是放射性同位素辐射剂量的难控制性。剂量过小,则由它所产生的α射线不能产生密度和厚度足量的电子;剂量过大,则会由于雷达波未到达飞行器表面时就在包层中具有临界电子密度的位置反射回去。 等 离子体技术作为一种全新的隐身技术,在其初始研究发展阶段尽管存在着各种困难与难点,但由于它的不涉及飞行器本身的空气动力特性、可隐身性以及实际应用方 面的价廉性,尤其是对于现役武器系统的易隐身改造化等一系列优点,使得它得到世界很多国家的高度重视。据报道,俄罗斯在等离子体雷达隐身技术方面领先于美 国,他们已经研制出两代等离子体设备,目前正在研制第三代。他们还准备对前两代进行对外开放出口化。其它国家也逐渐开始涉足这方面的研究和应用工作 1.4.1.6 红外特征信号控制技术 红 外隐身技术是隐身技术的重要内容之一。随着红外探测技术,尤其是红外成像技术的飞速发展,使得各种具有高探测精度、高分辨率的红外探测和遥感设备不断涌现 出来,常规的红外对抗措施越来越不能满足现代战争的需要,寻求发展新的先进有效的红外隐身技术已成为提高作战武器系统生存和突防能力的当务之急。 武器系统的红外特性信号主要由发动机尾喷管、武器系统表面及其相关设备的红外辐射产生的。红外探测系统通过探测目标与其所处背景之间的温差而探测和跟踪目标,其中尤以探测、跟踪目标尾喷管的红外辐射为主,其次是武器系统表面由于气动加热、阳光辐射或地球辐射的反射作用引起的红外辐射。因此,红外隐身技术研究的重点是尾喷管的红外特征信号抑制。主要途径有非常规喷管外形技术、隔热与屏蔽技术、混合/冷却技术、改变燃烧效果等。例如,美国的F-22战斗机通过矢量可调管壁来降低其二元矢量喷管所产生的红外辐射;"战斧"巡航导弹采用涡轮风扇发动机使其红外辐射得到大幅度抑制;"科曼奇"RAH-66隐身直升机的一体化条带式外抑制器则采用波瓣混合并结合大宽高比二元喷管等技术研制而成。F-117隐身战斗机上采用固定式的二元大宽高比喷管,等等。此外,通过结合使用吸热、红外迷彩材料来控制第二类红外信号可使武器系统的红外特征信号得到很好的抑制。 1.4.1.7 声特征信号控制技术 新一代隐身武器应具有低声特征信号的隐身特点,以用来对抗性能和种类日趋完善的防御探测系统。飞行器作为主要武器系统之一,它的噪声主要由螺旋桨/旋翼的旋转和涡流噪声、发动机进气、排气、燃烧的噪声、机体空气动力尾流噪声、涡流噪声等声源组成。用于抑制可探测噪声级的常用声响特征信号减缩方法有:降低噪声级和改变噪声特性。具体是指降低声响频率范围内的声功率;修改噪声的频谱特性(幅值和频率)以增加噪声通过大气、大气-水界面和海里时的噪声衰减;对噪声采取遮挡和吸收措施。 1.4.1.8 视频特征信号控制技术 随着隐身技术研究的不断深化和现代战争对武器提出的全天候作战要求,以往不是很重要的视频隐身也已提到日程上来,并日益得到重视。采用雷达隐身技术的美国F-117战斗轰炸机黑夜隐身性能好,但在白天,用肉眼/光学仪器就能看到这种以天空为背景的黑色飞机,而勿需雷达就能瞄准。为此,美国等发达国家极其重视视频隐身技术的研究,目前正在大力开展特殊照明系统、适宜的涂色、奇异的蒙皮、电致变色材料和烟幕伪装等视频隐身技术的研究工作。 1.5世界主要的隐身武器 目前国内在研制的飞行器:歼20和歼31。研制或服役的舰艇022导弹艇,052D级导弹驱逐舰。 美国的F22,F35 , F117,隐身导弹,如AGM-86B型、AGM-109C型和AGM-129型隐身战略巡航导弹、AGM-137型和MGM-137型隐身战术导弹,“阿利·伯克”级驱逐舰,F/A-18E/F“超级大黄蜂”战斗机 俄罗斯 S-37“金鹰”战斗机, T60S(又称为S-60)隐形轰炸机、在研“幻影”级隐身快艇、已经问世的T-95主战坦克、BM-2T战车等都具有很强的隐身性能。 “基洛夫”级隐身驱逐舰, “基洛”级潜艇、“阿库拉”(又名“鲨鱼”)级潜艇、SSN-P-ⅠX级潜艇。 英 国 两艘高速隐身作战船。 “海魂”护卫舰, Unipower8×8高机动战斗加油车。 法 国“拉菲特”级护卫舰, C-70级驱逐舰。隐身高超音速攻击导弹。FREMM护卫舰,瑞典“维斯比”护卫舰 瑞 典“斯迈杰”号隐身试验艇。YS2000“维斯比”轻型护卫舰 日 本 FW-X隐身战斗机的原型机,另反隐身武器 2.反隐身技术 2.1反隐身技术起源 反隐身技术(anti-stealthtechnology)是研究如何使隐身措施的效果降低甚至失效的技术。雷达隐身是首先发展和使用的隐身技术,因此反雷达隐身也是当前重点发展的反隐身技术。 有隐形就有反隐形,随着对隐形技术的不断了解,各个国家同时也在不断寻求反隐形的技术。虽然隐形飞机的材料和形状十分巧妙,但是还是不可避免地在雷达上会留下一点痕迹。而且,隐形飞机为了隐形,牺牲了另外的一些技术性能,比如F-117A这种先进的战机的速度就远远低于普通的战机,而且飞行高度甚至在肉眼观察范围之内,这样地面发现成为了这种隐形战机的敌人,而且已经有通过地面火炮成功击落F-117A的战例。 2.2 雷达反隐身的可能性 隐身和反隐身研究是密不可分的矛盾统一体!它们彼此相互依存,失去一方另一方也没有存在的意义"在隐身飞机出现前!雷达的能力优于飞机!飞机的生存力受到严重威胁"粗略地说!雷达比飞机强"BN"现在隐身飞机的LMA下降了准隐身飞机的LMA下降了故此为反隐身雷达的能力应该提高。 双多基地雷达是将发射机和接收机置于不同的地点!接收机是隐蔽的"隐身飞机采用外形设计和吸波材料结合的方法!使雷达信号的反射波发生偏转!偏离了辐射源的方向’而双多基地雷达就利用了这点!由设置在另一地方的接收机接收这种反射波!达到雷达反隐身的目的" 米波和毫米波雷达目前各种飞行器由于受到气动力学和吸波材料频率响应的限制!其隐身的频率范围限于ZbU!如果雷达工作频率超出此范围!则毫米波和米波雷达就可实现反隐身的目的!使雷达隐身效果大大降低" 雷达组网,把不同频段的雷达部署在地面&飞机和卫星上形成雷达组网!并配有一个控制和数据处理中心"雷达组网通过多部雷达在大角度范围内! 从隐身飞机的下面&背面和侧面多点观察!所有截获的信号由数据中心进行数据融合和相关处理!从而准确发现和识别目标"这种方案不仅扩大了雷达覆盖区!提高角分辨率和探测概率及改善跟踪能力!而且可以在空间上分布!具有频率分集和能量分集的特点。" 超视距雷达工作在bU短波频段!利用电离层返回散射传播机理!实现对地平线以下超远程运动目标进行探测"由于这种雷达的工作波长为飞行器采用的雷达波吸收材料对它无效"另外!超视距雷达波是经过电离层反射后照射到飞行器上的!而飞行器的雷达隐身措施主要是减小正前方鼻锥附近的LMA!对来自上方的雷达隐身效果不好"此外!雷达由于工作在高频波段!其波长较长!大部分飞行器尺寸及其主要结构的特征与其波长接近或小于波长!因此!目标的散射处于谐振区或瑞利区!其LMA会大于光学区的LMA"处于瑞利区时!其LMA与目标形状的细节无关而只同其体积或照射面积有关!亦即外形设计隐身这时是无效的"可见!超视距雷达是探测隐身目标很有希望的手段反隐身技术的发展情况 由于隐身技术的发展!反隐身技术也随之得到发展"反隐身雷达技术已经有了实质性的突破和运用!按体制分类双多基地雷达星载雷达短波雷达超视距雷达连续波雷达等!特别是多种体制的结合是今后反隐身雷达技术的发展方向" 2.3反隐身技术原理 2.3.1 目前的雷达隐身措施都是针对厘米波雷达的,改变探测雷达的工作波长,可以使这些隐身措施失效,例如,现有的超视距雷达工作频率为2~60兆赫,可用来探测隐身目标; 2.3.2 采用双/多基地雷达,从侧面探测隐身目标; 2.3.3 利用预警飞机、预警卫星、预警无人机乃至高空气球、飞艇等,从隐身措施较弱的部位探测目标; 2.3.4 雷达脉冲能量和雷达信号处理质量,可探测雷达截面积在0.1平方米以下隐身飞行器; 2.3.5 采用新体制雷达,例如无载波雷达、双频段或多频段雷达、谐波雷达等,可发现隐身目标; 2.3.6 用多部雷达组成雷达网探测隐身目标。 这种技术、武器系统之间的对抗循环不已,推动相关技术和武器系统向更高水平发展。 2.4 反隐身技术机理 2.4.1等离子体隐身技术。实验证明,用等离子气体层包围诸如飞机、舰船、卫星等的表面,当雷达波碰到这层特殊气体时,由于等离子体层对雷达波有特殊的吸收和折射特性,使反射回雷达接收机的能量很少。例如,应用等离体技术可使一个13厘米长的微波反射器的雷达平均截面在4~14吉赫频率范围内平均减小20分贝,即雷达获取的回波能量减少到原来的1%。美国休斯实验室已进行了这方面的实验。 2.4.2 应用仿生技术。试验证明,海鸥虽与燕八哥的形体大小相近,但海鸥的雷达反射截面比燕八哥的大200倍。蜜蜂的体积小于麻雀,但它的雷达反射截面反而比麻雀大16倍。有关科学家们正在研究这些现象,试图采用仿生技术,寻求新的隐身技术。 2.4.3应 用“微波传播指示”技术。这种技术是利用计算机预测雷达波在大气中的传播情况。大气层的变化(如湿度、温度等的变化)能使雷达波的作用距离发生变化,使雷 达覆盖范围产生“空隙”(即盲区),同时雷达波在大气里传播时要形成“传播波道”,其能量集中于“波道内”,“波道”之外几乎没有能量。如果突防兵器在雷 达覆盖区的“空隙”内或“波道”外通,就可避开敌方雷达的探测而顺利突防. 2.5 反隐身技术发展方向 隐 身技术的出现促使战场军事装备向隐身化方向发展。由于各种新型探测系统和精确制导武器的相继问世,隐身兵器的重要性与日俱增。以美国为首的各军事强国都在 积极研究隐身技术,取得了突破性进展,相继研制出隐身轰炸机、隐身战斗机、隐身巡航导弹、隐身舰船和隐身装甲车等,有的已投入战场使用,在战争中显示出巨 大威力。同时,反隐身技术也在深入发展,并不断取得新成就。当前,隐身与反隐身技术发展呈现以下几个新动向。 2.6 反隐身技术世界差异 美国的隐身兵器发展较快,目前居世界领先地位。它的F-117A、B-2、F-22等隐身飞机代表当今世界隐身兵器的先进水平。F-117A隐身攻击机已投入实战,在局部战争中发挥了重要作用。第一架B-2隐身轰炸机已于1993年12月开始服役,空军轰炸机联队装备的B-2隐身轰炸机有6架已具备初始作战能力。 第一架F-22已于1997年9月7日首次试飞成功,其设计兼顾了超声速机动和隐身特性。F/A-18E/F飞机上采用了具有抗蚀性的吸波材料,这是隐身领域的一个突破。 在现有隐身飞机的基础上,美国不断开拓新项目的研究,研制新型隐身飞行器以及其他新式隐身装备。例如,正在实施“联合攻击战斗机(JSF)计划”,旨在研制多用途隐身战斗机;世界著名的“暗星”(即蒂尔Ⅲ)隐身无人机已于1996年3月29日首次飞行成功;正在研制AGM-137三军防区外隐身攻击导弹和隐身电动战车;正在实施旨在提高海军潜艇隐身性能的秘密计划(“M计划”);诺思罗普·格鲁曼公司正在研制一种攻击型隐身无人战斗机和一种能模仿隐身飞机的新型诱饵;空军正在考虑发展一种远程隐身运输机;陆军已设计出一种隐身帐篷,拟从2000年开始取代部队的老式木制、纤维制帐篷;陆军将与英陆军合作,研制隐身侦察车;正在开发各种隐身工事和隐身机库,以保护停放在里边的通信车、飞机和导弹等装备。 俄罗斯 隐身技术问世以来,前苏联与美国一直在竞相发展隐身飞机。当今的俄罗斯也不甘落后,它已开始研制隐身的轻型多用途第5代战斗机(LFI)和S-54战斗机,与美国的JSF相当,现已放弃该计划,转而研究T-50;米高扬设计局正在研制一种中型隐身战斗机“米格-35”;苏霍伊设计局的S-32隐身战斗机的验证机已于1997年9月25日首飞成功;俄空军还正在研制一种与美空军B-2轰炸机相似的新型隐身战略轰炸机;俄罗斯的隐身军舰令人瞩目,已有4艘交付使用。 除美、俄外,英、法、德、日和瑞典等国都在积极发展隐身兵器。英国国防部制定了一项研制第三代隐身攻击机的秘密计划,预计2000年前制造出试飞样机;英国防研究局正在研制一种隐身装甲战车,并已研制成功隐身军舰和一种新型隐身教练水雷。法国正在研制类似于美国F-117A隐身攻击机的试验样机;已研制出一艘全部采用隐身技术的护卫舰;开始研究下一代隐身的高超声速攻击导弹,预计2010年前后服役;正在研制装备“电动车轮”的隐身装甲车。 2.7 反隐身技术新突破 实现战场军事装备隐身化的技术措施多种多样,主要有外形隐身措施、电子隐身措施、红外隐身措施、视频隐身和声隐身措施等。针对探测技术方面的改进,目前正在酝酿一些新的隐身概念和新的隐身技术。 隐 身技术的迅速发展对战略和战术防御系统提出了严峻挑战,迫使人们考虑如何摧毁隐身兵器并研究反隐身技术。隐身技术与反隐身技术的发展,是相互制约、相互促 进的,无论哪一方有新的突破,都将引起另一方的重大变革。反隐身技术的发展方向是:综合运用,系统综合(集成),开发新的反隐身技术理论。 由于目前隐身技术的研究主要是针对雷达探测系统的,所以,反隐身技术的发展重点也是针对雷达的。雷达实现反隐身的技术途径主要有以下三个方面:⑴提高雷达本身的探测能力;⑵利用隐身技术的局限性,削弱隐身兵器的隐身效果;⑶开发能摧毁隐身兵器的武器。 目前,美、俄、英、法、日等国家都在积极发展反隐身技术,取得的进展主要表现在以下几个方面: 高灵敏度雷达通常包括:先进的单基地雷达(宽频带/超宽频带雷达、超视距雷达)、双/多基地雷达、毫米波雷达、超高距离分辨率雷达、合成孔径/逆合孔径雷达、多功能相控阵雷、激光雷达等。目前,美国的高灵敏度雷达正处于研究、样机试验阶段。预计,高灵敏度雷达技术,如研制稳定度更高的频率发生器、信号处理能力更强的系统以及动态范围更宽的接收机和模拟/数字转换器等方面,将会有新的突破。由于隐身兵器的设计通常是针对厘米波段雷达的,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和激光波段扩展,都将具有一定的反隐身能力。美军正在建造工作在米波段的AN/FPS-118超视距预警雷达;已研制成功一种海军用的可调防的小型战术超视距雷达;美空军计划为“爱国者”防空导弹安装35千兆赫的毫米波雷达导引头,并开始进行激光雷达预警系统的研究工作。 隐身飞行器的隐身重点一般放在鼻锥方向±45°角范围内。因此,将探测系统安装在空中或卫星上进行俯视,可提高探测雷达截面较小目标的概率。美空军的E-3A预警机(载高脉冲重复频率的脉冲多普勒雷达)和海军正在研制的“钻石眼”预警机(载有源相控阵雷达)以及高空预警气球(载大型孔径雷达),都能有效地探测隐身目标。美国还正在研制预警飞艇、预警直升机、预警卫星等。此外,俄罗斯、英国、印度等国都很重视发展预警机的工作。 美 国正在用先进技术将现有雷达加以改进。通过采用频率捷变技术、扩频技术、低旁瓣或旁瓣对消、窄波束、置零技术、多波束、极化变换、伪随机噪声、恒虚警电路 等技术,来提高雷达的抗干扰能力,进而提高雷达的探测性能。通过采用功率合成技术和大时宽脉冲压缩技术,来增加雷达的发射功率。雷达接收机通过采用数字滤 波、电荷耦合器件、声表面滤波和光学方法等先进技术来提高信号处理能力。在此基础上,再通过雷达联网来提高雷达的反隐身能力。 隐 身兵器主要是通过采用吸波材料(结构吸波材料和吸波涂层)达到隐身的。但是,当它遇到高功率微波波束时,会受损害甚至失去战斗能力。美国正在加紧研究高功 率微波武器,一种可重复发射的高功率微波武器处于预研阶段,另一种高功率微波弹头处于演示阶段。俄罗斯已研制出方向性很强的高功率微波武器,可用手榴弹、 迫击炮、火炮或导弹投掷。 雷达反隐身技术是指使雷达探测、跟踪、定位隐身目标而采用的技术。可通过采取扩展雷达的工作频段、改进雷达的探测性能、发展新技术体制雷达等途径,提高雷达的反隐身能力。 日前,在中国民转军技术博览会上,中国展出了一款“谐振雷达”,据称,该雷达是一种新概念雷达,利用电磁谐振现象使目标回波信号增强10-100倍,可连续观察和跟踪飞机、隐身飞机、卫星、导弹等多种飞行目标和水面目标,有目标识别能力。成为入侵目标的克星,可以提供距离量程为600-2000公里的多种规格。 隐振谐雷达的探测原理是,把被测体看作是一根无源天线,它表面的任何吸波涂料都不影响它在某一特定频率(或倍数频率)上的电谐振,在1/4波 长上对基波的谐振产生绝对的反射,这是雷达所需的回波。这和金属表面反射的相对表面波长很短的无线电波截然不同,它是不可屏蔽的。困难的是不同尺寸的物 体,如飞艇飞机导弹各有不同的固有谐振反射频率,且由姿态不同反射固有频率又不同,所以谐振雷达要发射广频谱能量,频率是50KC---300MC,须有很高的技术含量。 飞机调整外形以及现用雷达吸波材料,只能有效对抗工作频率在0.2~29GHz的 厘米波雷达。当雷达波长与被照射目标特征尺寸相近时,在目标反射波与爬行波之间产生谐振现象,尽管没有直接的镜面反射也会造成强烈的信号特征。例如,某些 陆基雷达的长波(米级波)辐射能在飞机较大的部件(平尾或机翼前缘)上引起谐振。在波长很短(毫米波)的雷达照射下,则飞机的不平滑部位相对波长来说显然 增多,而任何不平滑部位都会产生角反射并导致RCS增大。大多数RAM都 含有“活性成分”,经雷达波照射后其分子结构内部产生电子重新排列,分子振荡的惯性会吸收一部分入射能量。但是,照射波的波长越长,分子振荡越慢而吸波效 果越不明显。雷达跳出目前隐身技术所能对抗的波段,将使飞机的隐身性能大大降低或失效。另外,目前的雷达波隐身技术主要是针对微波雷达的,飞机的红外辐射 可以减弱并限制在一定的方位角内但却不能完全消除。发展可见光或接近可见光波段的探测器,以及提高红外传感器的探测性能,也可作为探测隐身飞机的措施及手 段。 长波雷达可以对付隐身飞机的外形调整设计及现用的雷达吸波材料,使得隐身飞机外形设计与雷达吸波材料(涂层厚度有难以实现的过高要求。近年来,一些国家重新重视研制长波雷达。目前发展很快的长波雷达是超地平线雷达(OTH),其工作波长达10~60m(频率为5~28MHz),完全在正常雷达工作波段范围之外。这种雷达靠谐振效应探测大多数目标,几乎不受现有雷达吸波材料(的影响。国外还非常重视发展毫米波雷达,目前已有可供实用的毫米波雷达。但是,频率越低波束越难集中,而频率越高波束传播损耗越大。美国空军曾在1990年有关反隐身对抗的总结报告中称,甚高频(VHF)雷达(频率160~180MHz、波长1.65~1.90m)在探测低飞目标或对付人工干扰时存在严重问题;OTH雷达提供的跟踪和定位数据不够精确;毫米波雷达(频率约为94GHz)探测概率不高。 中国已形成无源雷达、外辐射源雷达、有源雷达相结合的反隐形雷达体系,并正在构建多基址与单基址雷达相结合的综合雷达网。包括DWL-002无源雷达探测系统、JY-27A对空警 戒米波雷达系统、被动监测无源信号分析系统等多种型号,已构成严密的反隐身雷达网,有能力在500公里范围的第一岛链包括台湾在内构成一道探测网,从而在敌隐身飞机还没飞进国门前,就有能力发现并做好战斗准备。 应对隐身飞行器的方向是被动雷达站。它自身不辐射电磁信号,而是借住外部的辐射源(即目标本身的辐射源)来进行探测和定位。现代战机具有复杂的操作和信息交流系统,拥有自己的雷达站,因为通常本身就是一个辐射源。苏联和华沙条约组织的一些国家,尤其是民主德国和捷克曾在80年代大力研发此种雷达。当时以为,一旦欧洲爆发战争,美国就会千方百计干扰雷达站的工作并用反雷达导弹对其实施打击。而被动雷达就能防止这种威胁。 分析其对空战乃至整个四代机的发展可能产生的重大影响。尽管美俄此前在研制反隐身雷达方面投入较少,但随着中国反隐形雷达的亮相,以及歼-20战机的加快研制,信奉战争“绝对优势”的美国,必将丧失其原本自信的隐身作战能力。 2.7.1 雷达反隐身技术的发展 随着隐身技术的飞速发展,各国的防空雷达系统都面临着严重的威胁。不过,隐身目标也有其局限性,目标通过怪异外形设计虽然增加了单基地雷达探测目标的难度,但为双/多基地雷达探测隐身目标提供了“空域观察窗口”;在目标上涂敷雷达吸波材料可以降低反射回波,但其吸收频带较窄不能在宽频带内得到好的吸收效果,从而为双/多波段雷达探测隐身目标提供了一个“频域观察窗口”;隐身目标存在侧向、前向和后向散射回波信息,采用变极化技术和双/多基地雷达技术,可达到探测隐身目标的目的;隐身目标运动将产生热辐射,这为红外搜索跟踪系统探到隐身目标提供了可能;通过多种传感器数据融合和组网多雷达数据融合,可获得单传感器无法获得的数据和推断能力,实现反隐身的目的。本文主要介绍国外反隐身技术的最新进展、雷达反隐身技术的实现途径和方法。 国外反隐身技术的发展概况 反隐身技术是研究使隐身措施的效果降低甚至失效的技术。目前隐身技术的研究主要是针对雷达探测系统的,所以,反隐身技术的发展重点也针对雷达。雷达实现反隐身的技术途径主要有以下3个方面:提高雷达本身的探测能力;利用隐身技术的局限性削弱隐身兵器的隐身效果;开发能摧毁隐身兵器的武器。目前,世界各国都在积极发展反隐身技术取得的进展主要表现在以下几个方面: 美国“隐身飞机”雷达的发展促使各国积极开展反隐身技术的研究美国是隐身技术发展最早的国家 ,相继研发出了B-2隐身轰炸机、F-117和F-22隐身战斗机、JSF联合攻击机,并在海湾战争中取得了不俗的战绩。面对这种潜在威胁,各军事大国一方面加紧研制第4代战机 ,同时也积极开展了一系列反隐身措施的研究。意大利最新研制成功了地面效应远程反隐身无源雷达。据悉,该无源雷达可以探测并且发现F-22的行踪 ,试验表明,3次发现并且模拟拦击F-22,都取得成功。机载作用距离可以达到140km,地面作用距离达到1800km。此外,意大利目前正在与国际合作研制一种被称为“ 加强型多普勒”技术,这实际上就是一种被称为“安纳斯蒂之眼”的反隐身探测雷达。捷克研发的“维拉2E”是一种反隐身无源雷达系统,曾在科索沃战争中与俄制萨姆-23防空导弹配合击落美国F-117“夜鹰”隐形战机。马来西亚通过向捷克采购“维拉2E”雷达系统来提高自己的反隐身能力。 乌克兰研制的“铠甲”无源电子监视雷达系统能侦察、分析及跟踪美国的隐形飞机。“铠甲”系统是20世纪80年代末由前苏联开发的,90年代俄罗斯对该系统进行大幅度的现代化改造,升级为数字化的“铠甲”系统,其侦察范围增加了50%,达到600 km。 雷达反隐身技术的特点 随着隐身飞机、反辐射导弹的RCS (雷达散射截面积 )越来越小 ,反隐身技术的研究也就越来越深入、范围也越来越广。下面根据隐身目标的特性、所处环境,分析一下反隐身技术的特点。 a) 发展发射机和接收机分开的双站雷达,以探测低可观测飞机。双站防御利用成正方形的4部雷达,它们有时作为单站雷达,其他时候作为双站雷达。每部雷达都与其他雷达相连。这些雷达以双站方式互相协调工作,能够发现隐身目标。2部双站雷达提供4个通道以探测从监视空域飞行的隐身飞机的反射信号。目标一旦被发现,雷达就接通单站方式 ,将从4个方向把探测到的微弱信号进行合成以便跟踪目标。将这些雷达建立在边长为100 km的正方形地面上,该系统能监视10000m2的区域。 b) 美国反隐身技术计划希望发展一种单发、高杀伤概率的空对空武器,以便对付高速、 掠海飞行导弹和在城市杂波环境下或利用地形掩护飞行的直升机。正在研究的一种半主动雷达寻的导弹,它是双站雷达系统的组成部分,发射机放臵在发射飞机上,而接收机在导弹上,这种布局能够用于对付隐身飞机。此外,如果加以适当的修改, 2架机载预警与控制飞机也能够作为双站雷达使用。 c) 利用宽波段雷达也能有效对付隐身飞机。宽波段的应用可能产生被放大的回波 ,很像长波从弯曲边缘和圆锥形尖端、短波从平面和圆柱形反射的回波。 d) 发展天基雷达。一部天基雷达系统能够看见隐身飞机和导弹薄弱的顶部。此外 ,利用地球同步轨道通信卫星作为发射机已经进行了一系列的双站雷达试验 ,也能有效对付隐身飞机。 e) 研究利用先进的高速计算能力过滤掉诸如来自海浪、城市和其他文化特征、以及高山与峡谷的噪声和杂波,以从中探测出被它们掩盖了隐身飞机的微弱信号,这也是一种雷达反隐身技术。 f) 研究一种能够探测隐身飞机尾流和废气的技术,飞机尾流和废气是不可能被消除的 ,这是雷达发现隐身飞机的又一种途径。 g) 美国国家海洋和大气局研制了一种探测和跟踪这种旋涡的近程雷达。其原理是 ,由于旋涡内部高速流动形成的紊流和质量密度变化引起折射指数变化,使电磁辐射发生散射以产生雷达回波。这种机理也可以作为雷达反隐身技术。 h) 利用飞机发动机的废气是潜在的隐身飞机致命弱点这一特性,仔细选择雷达频率,能够开发异常散射以建立具有飞机废气准确位臵和尺度的大气电磁“空穴”。从电磁上说,该“空穴”有真空特征,但是有特别高的吸收率,这些特征会引起雷达波的散射,雷达反射约在0~10 dBsm之间。美国利用这一特性正在开发激光雷达反隐身技术。 雷达反隐身的主要技术途径 电磁隐形的核心问题在于降低RCS。因为RCS越小,雷达就越难对目标做出正确判断。削减 RCS的方法多种多样,但大体上不外乎隐身材料和外形设计这两大方向。因此 ,雷达反隐身技术的研究也不外乎围绕这两大方向来开展。 2.7.2 采用长波或毫米波雷达 长波雷达可以对付隐身飞机的外形调整设计及现用的RAM(雷达吸波材料),使得隐身飞机外形设计与RAM涂层厚度有难以实现的过高要求。目前发展很快的长波雷达是OTH (超视距)雷达,其工作波长达10m~60m(频率为 5MHz~28MHz) ,完全在正常雷达工作波段范围之外。这种雷达靠谐振效应探测大多数目标,几乎不受现有RAM的影响。毫米波雷达是反隐身技术的有效途径。由于频率为30 GHz, 94GHz,140GHz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。目前对长波或毫米波雷达主要研究解决如下问题: VHF雷达 (频率160MHz~180MHz、波长1.65m~1.90m)在探测低飞目标或对付人工干扰时存在严重问题;OTH雷达提供的跟踪和定位数据不够精确;毫米波雷达(频率约为 94 GHz)探测概率不高。 采用双/多基地雷达双 /多基地雷达系统是将发射机和接收机分臵在2个或2个以上不同的站址,其中包括地面、空中、海上或卫星等多种平台。利用远离发射机的接收机接收隐身飞机偏转的雷达波,从侧面探测隐身目标,并因无源而不会受到反辐射导弹的威胁。目前正在研究解决的主要问题是,不论是双站还是多站雷达,接收机都必须在发射波束的作用范围之内并与发射机精确同步。解决这个问题的一个办法是,采用广角天线并利用GPS。 2.7.3 采用无载频超宽波段雷达 无载频超宽波段雷达被称为“反隐身雷达”,无载频脉冲可覆盖 L、S、C等波段。产生这种脉冲的小型低功率雷达已广泛用于民用。目前,正是积极探索适用于防空的无载频超宽波段雷达,以及研究解决提高无载频超宽波段雷达平均功率和在没有载频引导下保证宽波段接收机能区分出噪声与目标回波的问题。 2.7.4 采用激光雷达和红外探测系统 由于隐身飞机主要是针对雷达电磁波隐身,其声、光、红外隐身效果较之雷达隐身相差很大,所以采用光学、红外、紫外探测器 ,可弥补雷达探测的缺陷。英国宇航公司曾将“轻剑”雷达改装成光电跟踪系统,在6 km的距离上截获和跟踪了 B-2隐形轰炸机。目前正在研究解决的主要问题是 ,提高其作用距离以及在恶劣环境下的使用效能。 3 隐身与反隐身技术的发展展望 3.1隐身武器的未来展望 展望21世 纪,由于近几年来世界各国特别是美、俄、英、法等军事强国都加大了隐身技术的研究力度,拓展了研究范围,并在传统外形隐身、材料隐身、结构隐身等隐身技术 的研究基础上,不断探索仿生学隐身技术、等离子隐身技术、微波传播技术、有源隐身技术等新的隐身机理,研制高分子隐身材料、纳米隐身材料、手征材料、结构 吸波材料、智能隐身材料等新型隐身材料,因而,21世纪各种隐身武器装备必将犹如“雨后春笋”,层出不穷,而且,隐身武器装备将继续朝着多样化、综合化、立体化、系列化的方向发展。可以预见,未来战场属于隐身。 3.2 发展前景 在美国以外,其他国家也在研制自己的隐形作战飞机。虽然这些飞机种类繁多,但或是隐形方面略显不足,或是尚停留在研制阶段。 此外,一些中小国家也在研制自己的“隐形飞机”,但更多是用于训练、侦察等辅助用途。 值得一提的是,虽然有人作战飞机的隐形化实现起来颇有难度,但在方兴未艾的无人机领域,隐形化已经成为一种潮流。由于无人机不必布置飞行员座舱,不必担心人员伤亡,因此在设计中贯彻隐形理念较为容易。这也算是隐形飞机的一个重要分支。 总的来说,虽然隐形飞机风潮十分显眼,但真正的隐形飞机甚至“准隐形飞机”,仍只有不多的几种,而且其“东家”仍以美国为主。 我国研制的准四代战斗机歼20,自从它首次试飞的那一天起就被高度关注。其性能被认为接近F22强T-50而且载弹量都超过二者。从歼20的图片来看,采用了单座、双发、双垂尾、带边条的鸭式气动布局。根据图片可看出,该机属于一款双发重型战斗机,机头、机身呈现菱形、垂直尾翼也向外倾斜,起落架舱门采用锯齿边设计,具备隐形战斗机的特征。 隐身方面,歼20总体上采用了隐身设计,同时鸭翼和腹鳍的存在对隐身性能构成了不利影响,正面RCS值(即雷达反射截面积,飞机对雷达波的有效反射面积)应该会大于F22。 2012年10月31日上午10时32分,由中航工业沈飞研制的AMF五代战机(歼-31)成功首飞。中国成为世界第二个同时试飞两种五代机原型机的国家,此前,只有美国同时研制了F-22和F-35两种五代机。 从原理上来说,隐形飞机的隐形并不是让我们的肉眼都看不到,它的目的是让雷达无法侦察到飞机的存在。隐形飞机在 现阶段能够尽量减少或者消除雷达接收到的有用信号,虽然是最为秘密的军事机密之一,隐形技术已经受到了全世界的极大关注 3.3 反隐身武器的未来发展 现 代战场对雷达的隐身和反隐身性能都提出了很高的要求,无源雷达由于其独特的工作体制,使其同时兼备这两种性能。无源雷达尤其是基于外辐射源的无源雷达将是 未来数十年内雷达技术的重点发展方向之一。随着科学技术的不断发展,无源雷达的一些关键性问题必将得以解决,其反隐身性能也将不断改进。 目前,有源隐身技术的突飞猛进,使未来的隐身目标可以综合使用无源隐身和有源隐身技术,这给反隐身技术提出了新的更高的要求。无源雷达未来的发展不仅要能对抗无源隐身目标,而且还要考虑对抗有源隐身目标,无源雷达反隐身研究的道路任重而道远 结束语 在隐身技术研究中!必须强调在雷达对抗的环境中进行,经过多年的努力!我国在一些基础的预研和演示验证工作中已取得了长足的进步!并且也在逐步实施自己的隐身计划"相信在不久的将来!我国也一定会拥有让世人刮目的隐身飞机" 隐身技术已经在美国等发达国家得到广泛应用!它的发展对我国军事防御的安全造成了严重威胁"必须加快我国隐身飞机的研究步伐"特别是随着海湾战争和科索沃战争的爆发!隐身与反隐身研究变得更加迫切。"
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试论隐身技术与反隐身技术的发展研究
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