現代艦船隱身技術的若干方法研究*

朱 煒 郭 航

(海軍駐上海滬東中華造船(集團)有限公司軍事代表室 上海 200129)

現代艦船隱身技術的若干方法研究*

朱 煒 郭 航

(海軍駐上海滬東中華造船(集團)有限公司軍事代表室 上海 200129)

隨著艦船隱身技術在信息化戰爭中發揮著越來越重要的作用,設計和建造隱身性能好的艦船已經成為當前海軍追求的一個發展方向。文中主要分析了諸如電場隱身、等離子體隱身等艦船隱身技術的特點,總結了國外艦船隱身技術的最新研究成果和發展趨勢,并分別從雷達、紅外、聲、電場隱身等幾個方面,探討了艦船總體設計時實現“隱身”的一些具體實現途徑和方法。

艦船隱身; 信息化戰爭; 電場隱身; 等離子體隱身; 艦船總體設計

Class Number U674

1 引言

信息技術的發展加速了艦船裝備的現代化進程,使得爭奪制信息權成為現代信息化戰爭中的焦點,各種探測技術、隱身手段以及精確制導武器將在戰爭中起主導作用,如何提高艦船隱身性能就顯得極為重要了,這也是現代艦船設計建造中必須重視的問題。研究艦船隱身技術的目的是控制、減小艦船的特征信號,降低聲納、雷達、電場傳感器、磁探儀等探測系統的發現距離、減少以特征信號為引信的制導武器的命中概率,從而提高艦船的生命力和戰斗力[1]。

新型艦船的設計建造,應適應現代信息化戰爭的需要[6],在設計時就著手考慮改善艦船的目標特性,提高隱身性能,但是艦船隱身技術是一門交叉性學科,涉及到材料學、聲學、光學、電磁學等多學科領域,本文重點對雷達隱身、聲隱身、電場隱身等技術的研究內容、特點進行了分析,并結合我國艦船的設計建造對艦艇隱身所涉及到的有關具體措施和方法進行了探討。

2 艦船隱身技術及特點[3～4,7,11～12]

在現代信息化戰爭中,艦船都以編隊的形式作戰,艦船可能同時面對太空、空中、海面以及水下等多方面威脅,因此艦船隱身目的就是降低或減小艦船向外界輻射的諸多物理場(電磁場、聲場、電場、磁場、紅外場等)的信號特征值[6]。

2.1 雷達隱身

雷達隱身技術就是通過各種措施降低艦船的雷達信號特征值—雷達散射截面積(RCS)以達到“隱身”目的。目前,艦艇雷達隱身的手段主要可歸納為三種,即外形隱身、材料隱身、阻抗加載(有源和無源)隱身,這幾種技術往往被綜合利用。

1) 外形隱身

艦船外形隱身是指通過對艦艇外形進行設計,減小RCS,這是雷達隱身的主要措施。該技術適用的頻帶寬,效果好,又不需要維護保養,因此在目前的艦船雷達隱身技術中作為首要手段。但其結構設計受艙容、動力特性和艦船姿態控制等方面的限制,而且僅適用于較大平面和水平方向,但某個角度的RCS減縮必然伴隨著另外某些角域內的RCS增加,所以艦船外形隱身技術存在一定的威脅區域。而敵方的探測器是從不同的角度探測艦船的,所以這種隱身是不完全的。

2) 材料隱身

艦船材料隱身就是通過在艦船適當位置涂裝吸波材料或采用結構隱身材料來達到雷達隱身目的。理想的吸波材料應該具有“薄、輕、寬”等特點,即厚度薄、重量輕、頻帶寬,但薄的吸波材料不能使雷達波產生足夠的損耗和吸收掉這些雷達波能量,也難于得到令人滿意的寬帶雷達波吸收性能,而高吸收材料通常具有與自由空間阻抗相差非常大的本征阻抗,因而將產生強反射,影響隱身效果,所以材料隱身對吸波材料性能有很高要求。另外,在不影響總體性能、結構、強度的前提下,盡量采用非金屬材料,這就是所謂的結構材料隱身,雖造價昂貴或條件限制,但這是艦艇隱身發展的一個方向。

3) 阻抗加載隱身

阻抗加載隱身技術就是根據電磁波干涉原理,產生一附加波來抵消入射波,從而減小RCS實現隱身的目的。最常見的一種方法是在艦船外形設計上適當的“開口子”,人為地產生一些“諧振腔”,它們會在入射波的激勵下自動產生一抵消入射波的附加波;另一種做法是通過艦船內部的特殊裝置來產生附加波,該附加波的空間分布與艦船周圍散射(反射)電磁波的分布相同,幅值相等,但相位相反。相比于無源(被動)阻抗加載技術,通過有源(主動)阻抗加載技術能適應被保護目標的多樣性,不要求被保護目標改變外形或敷罩吸波材料,原則上將能適應任何形狀的需要保護的目標,目前受到廣泛關注的等離子體隱身技術就屬于這一類。

等離子體隱身技術是指利用磁化或非磁化冷等離子體來規避雷達探測的一種新技術,其基本原理是利用等離子體層對雷達波特殊的吸收和折射特性,使其反射回雷達接收機的能量盡量少,從而使敵方的探測系統難以偵察和發現,達到隱身效果。由于外界擾動,在等離子體內部形成電子和離子的振蕩,形成振蕩頻率,等離子體頻率是等離子隱身技術的重要參數,它決定著等離子體對電磁波的作用方式。當入射電磁波頻率低于等離子體頻率時,等離子體對電磁波完全反射。當入射電磁波頻率大于等離子體頻率時,等離子體通過碰撞吸收大部分入射波的能量,等離子體層對電磁波有反射、吸收和折射作用,從而形成不同的隱身機理。

艦船等離子隱身的方法主要有兩種:一種是用等離子體把艦船整個包裹起來的全等離子艦船隱身技術;另一種是把等離子隱身技術與外形隱身技術、材料隱身技術結合應用的局部等離子體隱身技術。就目前而言,產生等離子體的方法還不成熟,對一艘艦船實施全等離子體隱身的費用是不可承受的,但隨著等離子體產生方法的不斷發展,全等離子體隱身技術以其獨特的優越性必將成為未來隱身艦船的關鍵技術和主力軍。局部等離子體隱身是把等離子體隱身與外形隱身或材料隱身相結合的一種艦船隱身技術,它能充分發揮各種艦船隱身技術的優勢,各種方法綜合運用,互相彌補不足之處,可兼顧艦船的總體性能、艙體容積和各種機動要求,使艦船各項性能優化,且經濟高效,是目前可大量采用的艦船隱身方法。

2.2 紅外隱身

紅外隱身技術就是抑制和減弱艦船的紅外輻射能力,使敵方紅外探測器和紅外制導武器的跟蹤和攻擊失去方向和目標。因為艦船對外界有著較強的紅外輻射,它的紅外源可分為內部和外部兩種,內部紅外源包括發動機和其它設備的發熱、通風系統中的廢氣以及受內部空間的熱損;外部紅外源由艦船表面吸收或反射周圍環境的輻射(如來自太陽、大氣和海水的輻射)構成。紅外隱身的關鍵技術是降低目標的紅外輻射強度,可以通過隱身結構設計、隱身材料的使用以及紅外抑制系統的研究來實現。

由于紅外隱身技術的實現與材料的選擇和涂裝工藝密不可分,因而其發展水平也會受到隱身材料技術研究水平的影響。目前,國內外紅外隱身系統材料也正朝著能夠兼容米波、厘米波、毫米波、紅外、激光等多波段電磁波隱身的方向發展。現已廣泛開發了多種新型隱身材料,能達到多種波段隱身的目的。如納米超細金屬顆粒材料,由于材料的納米級超細粉末在細化過程中,處于表面的原子數越來越多,使材料具有強烈的表面效應,可用于雷達波—可見光—紅外光隱身。

2.3 聲隱身

聲隱身主要通過降低艦船的水下輻射噪聲,提高水面艦艇聲隱身性能。實現聲隱身的手段主要有兩個方面: 1) 降低噪聲源的噪聲強度; 2) 控制噪聲的傳遞過程。目前國內外主要采用現代減振降噪措施,如機械裝置浮筏技術、管路系統減振降噪技術等方法,今后其發展趨勢是綜合性整體降噪設計、新型多功能材料的研究等方向。

2.4 磁隱身

目前艦船磁隱身通常采用兩種方法,一種是利用消磁站或消磁船消除艦船固定磁場,另一種是通過艦船消磁系統補償其感應磁場。未來艦船磁隱身技術的發展趨勢主要是采用新型低磁性或無磁性艦船結構材料;探索艦船用大型電氣設備的磁場防護技術;構建閉環動態消磁系統等方面。

2.5 電場隱身

艦船電場是除聲場、磁場外最重要的水中目標特性之一。艦船電場包括從直流到上千赫茲的極其豐富的頻率成分,但其能量集中在以下幾個頻段:靜電場主要來源于艦船不同金屬材料之間的電化學腐蝕以及為船體防腐而施加的陰極保護系統(艦船運動時形成頻率極低的準靜態電場)和艦船運動產生的感應電場,其能量集中在DC～1Hz頻段,是連續譜。極低頻電場主要有防腐電流經螺旋槳調制產生軸頻及其倍頻、防腐系統引起的電磁輻射和艦船內部電磁泄漏產生的電場以及消磁系統、電力推進系統等大電流設備因供電整流不佳引起的電流脈動產生的基頻為50Hz/60Hz工頻及其倍頻,這些都是線譜。極低頻電場的強度雖然較小,但是其在海水中的衰減較慢,傳播距離較遠。

艦船電場的抑制主要依靠兩個途徑來實現: 1) 通過合理的艦船防腐系統的設計,使艦船的總電場降至最低; 2) 采用電磁保護工藝和研制電場防護系統,來盡量消除已形成的艦船電場。

2.6 其他隱身技術

除了前述隱身技術外,還有一些隱身技術的研究也值得繼續深入下去,如艦船的水壓場隱身、尾流場隱身、光隱身等等。

3 國外艦船隱身技術發展動向[2,5,8～10]

隨著高新科技的發展以及世界軍事形勢和作戰需求的變化,艦船隱身技術的內涵和外延已經大為擴大,西方發達國家在探索新型隱身技術、隱身材料,開展一體化隱身技術研究等方面,不斷地加大人、財、物力的投入,推陳出新,取得了許多令人矚目的成績。

1) 美國

美國海軍的“阿利伯克”級導彈驅逐艦是世界上第一艘裝備“宙斯盾”系統的驅逐艦,除了強大的作戰能力之外,也是美國海軍按隱身性要求進行設計的第一艘驅逐艦,與以往艦船相比,該艦外觀明顯簡潔,具有典型的雷達隱身效果。“阿利伯克”級驅逐艦為了追求雷達隱身效果,它明顯地壓低了上層建筑的高度,降低了外舷上端至水線的高度,使艦船的外形變低,與“斯普魯恩斯”、“基德”和“提康德羅加”級艦相比,上層建筑的總長度也有所減小。其舷側設計為傾斜式,避免與水面相互垂直,使反射波向其它方向反射,減少回波;艦體和上層建筑避免形成垂直面,上層建筑的側壁都傾斜一定的角度,使來自對方的雷達波形成散射,上層建筑四周相鄰連接處采用圓弧過渡,防止產生回波的尖角繞射,并對外露設施涂覆吸波材料,同時盡量在上層建筑和水上部分艦體噴涂專用的雷達波吸收材料。

另外,洛克希德公司建造了“海影”號隱身試驗艦,該艦為小水線面雙體船型。“海影”號的外形結構都是由平面構成,舷側為傾斜角度較大的平面。從縱向剖面圖上看,上部為狹窄的梯形,艦首、尾部由兩個“V”字形平面構成,從正面看,該艦的整體形狀正好是等腰三角形,舷側傾斜角度正好是45°,而且,舷側角度一直延伸到水下的艦體。從“海影”號的外形看,只有雷達波垂直照射到舷側時,才會強列地反射回發射源,其他角度入射的電波被反射到其它方向。在吸收利用了“海影”號的技術成果后,DDG1000型驅逐艦將軍艦的隱身能力提升到前所未有的高度。

2) 瑞典

2010年,瑞典兩艘“維斯比”級隱身輕護艦“赫爾辛堡”號(HMSHelsingborg)和“海訥桑德”號(HMS H?rn?sand)入列。“維斯比”級輕護艦采用碳纖維材料,具備全隱身性能,很難被雷達或其它先進探測技術所捕獲,從而提供了多種戰術優勢。在需要執行一些特殊國際性任務時,也可退出隱身模式,暫時主動被雷達探測。

3) 俄羅斯

2013年,俄羅斯第四艘20380型輕護艦“斯托伊克”號入列,該型輕護艦可摧毀水面、水下、岸上和空中目標,并保護艦隊進行搶灘登陸,艦船的隱形技術可降低艦體的雷達、聲、紅外、磁以及光信號。俄羅斯計劃共建造30艘該級隱身輕護艦,每艘排水量為2000t,最大航速為27節,人員編制為100人,該級艦裝備的武器包括Kh-35或SS-N-25反艦巡航導彈口徑艦炮,各種防空與反潛系統以及一架卡-27反潛直升機。

4) 英國

2012年,英國國防部對外展示了26型隱身護衛艦的最新設計,該型艦排水量在5400t左右,艦長148m,具有以下主要特征:可發射多種類型武器的垂直導彈發射井;中口徑艦炮;可容納一架(灰背隼)或(野貓)直升機的機庫,為無人機、水面無人艇、無人潛航器以及小艇預留了靈活的任務空間;最先進的艦載傳感器。

5) 印尼

2012年,PT Lindun公司(North Sea Boats)為印尼海軍建造的新型隱身快速導彈巡邏艇下水,該新型隱身快速導彈巡邏艇艇長63m,采用先進的三體船身設計以改進適航性和穩定性,并且完全由碳纖維復合材料制成,采用了真空導入工藝和乙烯酯樹脂,用這些材料構建船身結構增強了該艦的隱身性。艦載武器包括導彈和艦炮以及一艘11m長的高速硬殼充氣快艇,該艇被融合安放在上層建筑內,該艇較寬的艦體還使其可供直升機起降,這極大地擴展了該艇的巡邏范圍和能力。

總的說來,艦船隱身技術的發展趨勢可以歸納為以下幾個方面:

1) 隱身機理推陳出新,在傳統的外形、材料、結構隱身等技術研究的基礎上,探索新的隱身機理,主要包括集成上層建筑技術、仿生學隱身技術、等離子體隱身技術、微波傳播指示技術等。

2) 新的材料層出不窮,將朝著納米化、復合化和智能化的方向發展,對材料的固有特性也提出了“薄、寬、輕、強”的要求,單波段吸波材料在未來將不再具有實戰意義,未來吸波材料則應滿足多頻譜隱身、環境自適應、耐高溫、抗核輻射等更高要求。

3) 隱身方法不斷融合,朝著綜合化、一體化隱身技術發展。單一的隱身技術已經無法達到理想的隱身效果,不僅要綜合運用雷達、紅外、聲、電場等隱身技術,而且每項技術還要采取多種措施來實現,因此在設計艦船隱身性能時,要從艦船總體的角度去設計和考慮,并且權衡隱身性能和其他性能之間的協調性。

4 艦船隱身的措施和方法[1,8]

我國對艦船隱身及相關技術的研究起步較晚,但是也已經取得一定的成果,如艦船的外形隱身設計、紅外抑制系統的研發以及艦船的磁性處理等等。

4.1 雷達隱身

1) 加大研究集成上層建筑設計技術的力度,使隱身設計與上層建筑設計得到有機統一。如盡量減小上層建筑的體積和高度;水上部分盡量減少角反射體,兩垂直結合面采用圓角形式;上層建筑兩側圍壁內傾與甲板垂直面傾斜成一定角度,而首部壁與主甲板也傾斜成一定角度,使與兩側壁形成半球面形等。

2) 在不影響總體性能、結構、強度的前提下,盡量采用非金屬材料。

3) 盡量減少在露天區域安裝金屬設施,除必要的通風口、通氣口外,其它金屬物體不在露天甲板設置,或對露天安裝的設施采取加遮擋形體。

4) 在不影響總體性能及結構強度的前提下,上層建筑的圍壁可采用波浪形的金屬板,這樣有利于改變雷達波反射方向。

5) 采用新型雷達吸波材料,如納米材料、多晶鐵纖維、導電高聚物、手征性及多頻譜隱身和智能隱身等材料。

4.2 聲隱身

1) 設計優良的艦型,以降低艦首的拍擊噪聲,艦尾采取適當阻尼措施,抑制艦尾振動產生的聲輻射。

2) 在艦體及其內部涂覆減震降噪的材料,在機艙及四周艙壁頂板上粘貼吸聲材料,在機艙和舵機艙等機器場所、導流罩、機艙和螺旋槳附近的結構,必要的艙壁和地板涂敷非金屬尼龍材料、阻尼材料等,在聲吶基陣平臺周圍粘貼吸聲橡膠尖劈,在舷外的吸入和排出孔的區域處可使用吸聲材料或復合材料,在艉軸架、導流罩上涂敷特殊涂料以消除空化氣泡現象來降低噪聲,也可在導流罩或船體外板上敷設橡膠或防污油漆涂料使水動力噪聲減到最小,在管路管壁周圍包覆阻尼也可在管路支柱、構架等中空結構內使用顆粒型阻尼填料,在透聲窗表面涂敷透聲阻尼涂料或采用透聲高阻尼的材料以吸收和減弱這些部位產生的混響聲和結構噪聲,在艦船上住艙、集控室、作戰指揮中心聲吶室、導航室、會議室等艙室的地板、圍艙壁的輕型內襯、綜合內襯,可選具有一定阻尼減振性能的非金屬材料,也可選用多層復合材料。

3) 研究采用低噪音的設備,低噪聲設備主要包括舵的降噪設計,因為提高舵效,減少舵面積,增大舵與螺旋槳之間距離,減少附體阻力,改善伴流,可使螺旋槳噪聲降低,以及艦船機械設備減振降噪,可設計具有減振降噪功能的基座,如減振浮筏設計或在設備基座的面板和腹板上采用約束阻尼結構等。

4) 對艦船主要噪聲源的機械設備采取減振降噪設計,如采用雙層隔振裝置、減震浮筏、隔聲罩等。

4.3 紅外隱身

1) 在船體表面涂敷降低紅外輻射的絕熱涂料,減弱對太陽能的吸收和輻射,降低船體表面的溫度。

2) 通過隔熱層降低艦船在某一方向的紅外輻射強度。如在機艙、舵機艙處的艙內結構的發熱部位(艙壁、天花板和地板)、煙囪內壁吸排氣管道外表面粘貼由泡沫塑料或鍍金屬塑料膜等隔熱材料組成的絕緣隔熱層;還可以在隔熱層的表面涂覆不同的涂料,以同時達到其他波段的隱身效果。

3) 采用吸波和絕熱材料或利用涂料降低船體涂層的紅外發射率,可減少艦船表面對外輻射和反射。但目前只有低發射率的熱紅外隱身涂料,涂裝技術水平已達到實用階段,且收到了較好的隱身效果。因而,一般常在機艙等機器處所的船體板上涂敷紅外隱身涂料,減少紅外輻射。

4) 在船體上廣泛選取復合材料,其隱身功能由紅外低發射率、高漫反射率、低比重的鋁粉作填料及低發射率的鈦酸丁酯為粘接劑的復合涂層提供。

5) 對廚房煙囪以及主機排氣煙囪可采用噴淋降低排氣口的溫度,或采用紅外濾波等方法來控制其紅外輻射量。

4.4 電場隱身

1) 對于因采用防腐系統而產生的艦船電場,主要是通過設計最佳的艦船防腐系統,在保證艦船防腐能力最強的前提下,使得艦船的總電場降至最低。對于艦船防腐系統的設計,主要可利用邊界元和有限元方法來編制軟件,通過計算機進行輔助設計,從而對艦船的電場及其防腐能力作出預測和評估。

2) 對于軸頻電場,需用電場防護系統來對其進行抑制。可采用主、被動軸接地系統來減小艦船的極低頻電場。

3) 研究艦船電場補償系統,通過人為產生一個反向電場來補償抵消螺旋槳與船體之間的電解偶產生的電場,并對螺旋槳和船體的水下部分進行防腐保護。

4) 對于船體內的電力系統要盡量保證其接地良好并加以屏蔽,減小因其產生的電場,同時采用高性能的濾波器消除外加電流陰極保護系統(ICCP)中電源濾波不良產生的極低頻電場。

5) 根據艦船電場和極低頻電磁場的產生機理,采用電保護和電磁保護工藝,切斷艦上不同種類金屬之間的內部和外部的電連接,使得電場形成所需的閉合回路不能形成,從而達到減小電場的目的。主要的結構工藝有:切斷螺旋槳和艉軸襯套同艉軸以及艉軸同中間軸的電連接;在螺旋槳和艉軸架之間使用有電介質制成的屏蔽和護罩;讓船底—舷側附件和海水系統管路的法蘭接頭同船殼板實現電絕緣等。

5 結語

信息化戰爭條件下,艦船的隱身性能顯得越來越重要,設計和建造隱身艦船已經成為一種發展方向。本文結合現代艦船隱身技術的研究現狀,論述了主流隱身技術的性能、特點及實現方法,分析了艦船隱身技術的特點和發展趨勢,并從艦船總體設計的角度對多種隱身技術的具體實現進行了探討,為我國發展艦船隱身技術的研究提出了一些參考性建議。

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Research on the Methods of Warship Stealthy Technology

ZHU Wei GUO Hang

(Navy Representatives Office in HuDong-ZhongHua Shipbuilding Co. Ltd, Shanghai 200129)

With the warship stealth technology playing more and more important roles in information warfare, designing and building warships with strong stealth capability is becoming the main developing direction for the navy. This paper mainly analyzes the technique properties of several warship stealth technologies such as electric field stealth and plasma stealth firstly, then summarizes the latest research achievements and development trends of foreign warship stealth technology. Finally, this paper investigates some approaches and methods of achieving “invisibility” of radar stealth, infrared stealth, acoustic stealth and electric field stealth and so on.

warship stealth, information warfare, electric field stealth, plasma stealth, overall design of warship

2014年6月6日,

2014年7月25日

朱煒,男,博士,工程師,研究方向:機電一體化。郭航,男,碩士,助理工程師,研究方向:機電一體化。

U674

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.006