舰船隐身技术新方法＊

2011-01-15

舰船电子工程 2011年6期

(东北电子技术研究所锦州 121000)

1 引言

随着现代探测设备和武器装备(导弹、鱼雷、水雷)向高精度、远距离发展,舰船的暴露和被命中概率大幅提高,海上舰船生存力受到严重威胁。舰船隐身技术的出现和应用,是海上信息战领域中的一大突破。因此发展和应用隐身技术,成为提高海上舰船生存力的重要手段。本文就舰船面临的威胁、舰船隐身技术的新方法等,作进一步的研究和探讨[1]。

2 舰船面临的威胁

空面制导武器在现代战争中发挥着重要的作用,它可以有效、精确地打击敌方的各种目标,尽量减少己方的伤亡,快速达到战争的目的。空面制导武器是战略轰炸机、战斗轰炸机、攻击机以及武装直升机、反潜飞机和无人攻击机的主要进攻武器。空面制导武器包括空面导弹和制导炸弹。而空面导弹包括战略空地导弹、战术空地导弹、反辐射导弹、空射巡航导弹、空舰导弹和反坦克导弹。战略空地导弹携带核战斗部,装备各种轰炸机,执行二次核打击任务。这类导弹具有以下的特点：射程更远、精度更高、具有隐身及更强的突防能力。战术空地导弹是指装备各种飞机、攻击各种地面目标、完成各种战术使命的导弹。一般的战术空地导弹执行战场压制、遮断,攻击敌方纵深地域有价值的目标。反辐射导弹专用于攻击地面与机载、舰载的雷达系统,它已经成为电子对抗的重要手段。反辐射导弹发展了3代,目前正在使用和发展的是第2代和第3代。这类导弹采用了许多先进技术,保证了导弹的高性能,可全天候使用。近年来,美国还积极发展装备被动雷达/红外复合导引头或者主动毫米波雷达/红外复合导引头的空射饱和系统(ALSS)等反辐射导弹。在役和正在发展的空射巡航导弹有以下一些特点：一弹多用、通用性强,命中精度高、抗干扰能力强、摧毁威力大。可以大幅度降低研制及采购费用,是一种战略和战术通用的武器。它采用先进地形匹配辅助惯导+GPS+激光雷达导航系统+数据链+红外成像导引头,提高了制导精度;超低空突防能力强,不易被发现,能实施有效打击,另外,具有良好的隐身能力,其射程较远,可以达到1500km左右。反舰导弹是攻击水面舰只的导弹,至今已发展了4代,空舰导弹是机载空中发射的一类反舰导弹[2]。

由于西方国家在不断研制各自更强大的防御系统,同时,防御目标也进行了多种隐身设计,舰船目标的防空能力得到了进一步的增强。面对舰队防空能力的不断提高,空面导弹的突防能力也进一步增强了,以便能够对舰船目标进行有效的打击。因此,空面导弹朝着飞行速度更快,飞行路径更有效,抗干扰能力更强,并使之具有隐身能力等方面发展。例如,俄罗斯的白蛉反舰导弹采用了整体式火箭冲压发动机,飞行速度达到Ma=2.3。美国研制的采用冲压发动机的先进战略空射导弹(ASALM),飞行速度达Ma=3.5～4.5。美国空军的高超声速巡航导弹的速度将达到Ma=7～8。美国的常规先进巡航导弹AGM-129B具有良好的隐身能力,它采用先进的地形匹配辅助惯导+激光雷达+GPS+数据链传输系统+新的红外成像导引头进行制导,具有很好的抗干扰能力。美国海军2003年开始研制先进反辐射导弹(AARGM)AGM-88E,除了采用INS/GPS制导装置和冲压发动机外,AGM-88E还采用了毫米波/被动式雷达双模导引头以及通讯链路。这些最新型导弹采用的冲压发动机、隐身设计和具有很好抗干扰能力的导航系统使导弹具有很强的突防能力。然而随着防空能力的提高,对进攻飞机造成的威胁越来越大,从防区外发射精确制导武器能使进攻飞机免受防空武器的威胁,提高发射载机的安全性,也是未来面空导弹发展方向。目前,洛马公司正在开发3种改进型JASSM,增程型JASSM-ER射程将达到925km,超增程型射程将会达到1850km,紧凑型将显著减小尺寸,但设计射程在400km左右。金牛座KEPD 350最大射程为350km,英、法两国正在考虑将风暴前夕K/通用斯卡耳普巡航导弹的射程增至600km,甚至1000km。另外,未来的作战环境,既有传统意义上的飞机对地攻击作战,也有以网络中心为基础的网络中心战意义上的飞机对地攻击作战,这就要求未来的精确制导武器必须满足多种作战环境的要求。据称,AGM-84H增程型SLAM-ER将成为美国海军第一个具有网络中心战能力的空地武器,能借助于先进的数据链选择打击最高优先级别的目标。除常规武器外,目前,西方各国还在大力研制各种新概念武器,它包括激光武器、高功率微波武器和粒子束武器。据报道,2009年6月美国雷声公司获得价值逾亿美元的合同,为美国海军研发100kW实验型自由电子激光器。该自由电子激光器采用超导电子加速器产生高能激光束,将用于远距离快速作战,以提高美国海军对敌作战能力和海上作战能力。

3 舰船隐身技术的新方法

由于军事信息技术、精确制导技术的迅猛发展以及远程攻击武器的出现,各种作战平台对海上舰船的探测、跟踪、攻击能力越来越强,海上舰船的生存环境日益恶劣。从隐型飞机的诞生和战斗中所发挥作用而受到启迪,舰船隐身开始受到重视,并且世界上相继出现隐身舰、安静型潜艇等[3]。

根据雷达探测距离与目标有效反射面积的4次根成正比,如果反射面积缩小至原来的1/2,则探测距离将缩短为原来的84%;如果反射面积缩小至原来的1/100,则探测距离将缩短为原来的32%的特性。传统雷达隐身,就是通过对自身进行特定设计,减小舰艇的雷达反射面积,吸收敌方发射的部分雷达波或改变其方向,减少敌方雷达接收回波,从而达到缩短敌方雷达的探测距离。目前,舰艇雷达隐身主要包括3种样式,即外形隐身、采用雷达吸波材料和实施电子对抗。其中,外形隐身是指通过对舰艇外形进行设计,减小雷达反射截面积,这是雷达隐身的主要措施;采用雷达吸波材料是指通过在舰艇外部某些大面积反射雷达波的部位上,采用雷达吸波材料来吸收雷达波,减少雷达波的反射;实施电子对抗是指通过采用无源电子干扰和有源电子干扰两种方式来改变舰艇雷达特征,从而达到欺骗敌方探测系统和武器制导系统的目的。

利用等离子体对电磁波具有绕射和吸收能力的特性,可以回避对方雷达探测。根据等离子体隐身技术在飞行器上的应用及发展,舰船有飞行器无法比拟的大功率供给,通过深入等离子体隐身技术应用研究,等离子体隐身应用于舰船或将成为舰船隐身好用的新方法。等离子体对电磁波传播具有的特性是：当物体周围有等离子流包围时,形成了电磁屏蔽层,物体被屏蔽在其中,使得雷达探测不到,在不改变外形设计的基础上,达到外形隐身目的。等离子体是如何进行隐身呢?研究发现：对于某种等离子体,当入射电磁波频率大于这种等离子体截止频率时,它可以进入等离子体中传播,但能量被等离子体吸收而不断衰减;当入射电磁波频率小于等离子体截止频率,电磁波将无法进入等离子层,在其表面发生全反射,同时等离子体以电磁波反射体的形式对电磁波产生干扰作用。根据这一特性,在舰船上某些部位放上等离子体发生器,使得舰船包裹在等离子体层中,当敌方雷达频率高于截止频率时,雷达波进出等离子体层后能量严重衰减,使得自身信号大大减弱;而当敌方雷达频率低于截止频率时,等离子体层使得雷达波传播途径发生弯曲,敌方雷达或接收不到反射波、或只呈现舰船位置虚像。由于外形隐身设计的原理,全方位舰船雷达隐身将不可能实现;而等离子体隐身技术,是将舰船包裹在等离子体层中实现隐身目的,可实现全方位雷达隐身。同时它还可以完成吸波涂料的作用,并且它具有吸收频带宽、吸收效果好、使用简单等优点。通过对截止频率的设计,可实现红外隐身目的。

据称是一场即将到来的隐身技术革命-负折射率材料在军事上的应用。2008年8月26日,英国《防务系统日刊》披露了美国陆军采用负折射率材料进行隐身研究的情况。美国陆军研究局认为,采用负折射率材料进行的隐身研究正在使科学幻想变成一种现实,并将对未来作战产生重要影响。

负折射率材料具有异常的电磁特性,如具有负的介电常数和负的磁导率(传统材料为正值),电磁波在负折射率材料中传播,电场矢量、磁场矢量和波矢方向之间关系符合“左手法则”(传统材料符合“右手法则”)。与传统材料相比,负折射率材料的主要特点是可以改变光的传播方向,即当入射光线穿过两种介质界面时,对光线产生负折射作用。

负折射率材料用于军事隐身的基本原理与现有隐身技术的区别是：现有隐身技术通过减小作战平台对入射电磁波或声波的散射截面进行隐身,而负折射率材料则是通过使入射电磁波、可见光或声波绕过作战平台实现隐身,这在技术上实现了真正意义上的隐身。人之所以能看到物体,是因为该物体阻挡了光线,并将其反射至人眼。理论上,负折射率材料能使被物体阻挡的光线弯曲或“绕”着走,从而实现隐身。比如,由负折射率材料制作的隐身斗篷,可使入射光线完全弯曲,像河水绕过石头流淌一样,沿着隐身斗篷向后传播,不在其表面产生反射,从而使人看不到隐身斗篷及其内的物体。从近年来负折射率材料在军事领域的应用研究进展情况看,未来负折射率材料在电磁隐身、可见光隐身和声隐身方面将具有广泛的应用前景,并有可能替代现有的各种隐身技术,导致一场军事隐身技术领域的革命,使目前的各种军用探测设备失去作用,在未来战场上给技术落后的一方带来灾难性后果。

目前,美国、俄罗斯、欧盟、日本、加拿大、波兰、新加坡以及其他多个国家已经开展了负折射率材料研究,研究领域涉及负折射率材料基本原理和特性、实验验证、设计和加工制造,并提出了多种负折射率材料理论设计方案。美国宾夕法尼亚大学和杜克大学、英国圣安德鲁斯大学和英国帝国学院已经通过独立研究或合作研究的方式取得了多项研究成果。主要包括,利用负折射率材料涂层进行隐身的研究、利用负折射率材料实现大尺寸物体隐身研究、微波频段电磁隐身研究等。美国普度大学提出了将扁长的椭圆银质纳米导线嵌入到二氧化硅管中的可见光隐身结构设计方案,实现了在波长为632.8μ m情况下物体的隐身。美国能源部艾姆斯实验室和德国卡尔斯鲁厄大学联合组建的研究小组在2007年提出了一种用于可见光隐身的负折射率材料设计方案。美国北卡罗莱纳州立大学、英国帝国学院和SensorMetrix公司合作在2007年完成了三维声学隐身衣散射理论研究等。

4 发展动向

1)“维斯比”级隐身轻护舰进入瑞典皇家海军编队。法国航宇防务网2010年1月18日报道：两艘“维斯比”级隐身轻护舰：“赫尔辛堡”号(HMS Helsingborg)和“海讷桑德”号(HMS Härnösand)现已进入瑞典皇家海军第3作战编队,驻扎在卡尔斯克鲁纳。“维斯比”级轻护舰由瑞典考库姆公司建造,它们的服役显著增强了瑞典海军的实力。瑞典皇家海军检查长安德斯◦格伦斯塔德少将表示,目前“维斯比”级轻护舰已引起许多国家的兴趣和关注,在未来几年内将形成瑞典海军的核心[4]。

“维斯比”级是为瑞典快速反应部队,其设计主要用来在波罗的海作业,也可在近海区域执行国际性任务。“维斯比”级采用碳纤维材料,具备全隐身性能,很难被雷达或其它先进探测技术所捕获,从而提供了多种战术优势。在执行需要一些特殊国际性任务时,也可退出隐身模式,暂时主动被雷达探测。

2)阿联酋海军订购两艘隐身巡逻舰。法国航宇防务网2010年1月22日报道：意大利造船金融集团获得阿联酋海军一份新订单,要建造两艘隐身“Falaj 2”巡逻/近海战斗舰艇。合同选择项包括为阿联酋海军建造另外两艘姊妹舰以及从意大利船厂向阿联酋船厂的技术转移。此项合同中的两艘舰艇(共4艘)将在意大利船厂建造,预计2012年下半年交付[5]。

该型巡逻舰长55m,宽8.6m,容纳28名舰员,速度可超过20节,具备隐身特性,可减少被探测到的几率。隐身巡逻舰机动灵活且多功能化,适于执行许多任务：从巡逻侦察到应对空中或水面威胁的自防御,并可对海上与陆上目标进行攻击,同时也具备高标准的人员居住环境和安全措施。

此次订单继2009年8月“阿布扎比”级轻护舰的建造合同之后,对于意大利工业具有相当重要的意义;“阿布扎比”级轻护舰的作战系统将由意大利造船金融集团旗下塞莱斯系统集成公司提供。

3)台湾计划建造900吨隐身舰艇。美国《防务新闻》网站2010年4月17日报道：台湾计划建造900吨的隐身舰艇仅仅是新一代隐身水面舰艇计划的开端,这些舰艇将用于在台湾海峡作战[6]。

台湾“国防部”官员4月12日确认,台湾确实有一项开发隐身双体舰的计划,该舰艇被称为台湾海岸巡逻舰。台湾海军官方希望基本设计能形成规模,“能开发出一系列各种排水量的双体或三体多功能水面舰艇。”

台湾“国防部”消息称,“台湾海军希望建造900吨的轻护舰,替换逐渐老化的快速导弹艇和8艘即将退役的‘济阳'级护卫舰。”根据快速水面舰艇计划,该舰将由位于高雄的海军造船中心开发。目前,项目还处于研究与设计阶段,没有分配任何资金用于样机设计。也有多方关注舰艇的双体船设计,“国防部”消息表示,“我们没有建造该型舰的任何经验,它将是一项技术挑战。”

“国防部”展览的概念图显示,该舰将装备8枚“雄风”Ⅲ反舰导弹、“密集阵”近防武器和76毫米舰艏炮。舰长近40m,舰员45名,航速高达30节。图片显示该舰尾部设计了直升机甲板,表明该舰可参与反潜作战,能够停泊海军3个反潜中队的S-70C与500MD直升机。

4)潜艇可将新型纳米管技术应用于声呐和隐身。船舶综合院2010年8月6日综合报道：美国化学学会(ACS)《Nano Letters》杂志近期刊登了一篇文章,文章围绕“纳米管扬声器”展开讨论。文章指出,利用比头发丝还细的碳纳米管薄片制造出的扬声器能够发出声音,同时也可以消除噪声,这种属性对于潜艇来讲无疑是最为理想的,利用这种特性,潜艇声呐能够探测海洋的深度,同时也能够令己方潜艇对敌方隐身[7]。

文章的作者阿里◦阿利耶夫(Ali Aliev)及其科研团队成员对扬声器原理进行了解释,纳米管薄片通过热声效应来发出声波,每次当电脉冲通过碳纳米管的微层结构时,微层之间的空气便被加热,进而产生声波。中国科学家于2008年最先发现了热声效应,并利用该技术制造柔性扬声器。中国纳米科学家曾测试过纳米管扬声器在空气中发声,但是并未在水下环境中验证纳米管扬声器的这种能力。

阿利耶夫科研团队成功迈出了这一步,试验表明纳米管薄片能够发出类似低频的声波,这种声波能够让声呐探测到水下物体的具体位置、深度以及运动速度。科研人员还证明能够将该扬声器调制到特定的频率来消除噪声,潜艇在一定深度运动时的噪声就可以通过这种办法消除。

5)印度国防部批准自行建造4艘隐身驱逐舰。《印度时报》2010年8月6日报道：印度国防部已批准一项价值3000亿卢比(合64亿美元)的海军项目,将自行建造4艘隐身驱逐舰。该项目代号为“15B计划”,已提交内阁安全委员会等待最后批准[8]。

目前,印度孟买马扎冈船坞有限公司正在建造“加尔各答”级隐身驱逐舰,完成该项目之后,马扎冈船厂将开始进行“15B计划”隐身驱逐舰项目的建造工作。

正在马扎冈船厂建造的“加尔各答”级隐身驱逐舰(排水量6700吨)预计将于2012～2014年交付印度海军。

印度国防部最近也已批准5000亿卢比(合107亿美元),为印度海军建造6艘新一代潜艇。

6)意大利造船金融集团为阿联酋海军建造“法拉加-2”级隐身巡逻舰。法国《航宇防务》网站2010年11月4日报道：11月3日,意大利造船金融集团位于拉斯佩齐亚的玛其亚诺(Muggiano)船厂为阿联酋海军定购的两艘“法拉加-2”(Falaj 2)级隐身巡逻舰举行了传统的钢板切割仪式,正式展开了首批两艘舰艇的建造工作[9]。

这项合同是在2010年初签订的,合同包括阿联酋海军订购另外两艘该级舰艇的期权项,此外还包括意大利造船金融集团向阿联酋本国船厂的技术转移。

“法拉加-2”级隐身巡逻舰长55m,宽8.60m,最高航速超过20节,可容纳28名舰员,主要特点是其特殊的隐形结构,使它们难以被跟踪。首批两艘“法拉加-2”级隐身巡逻舰,预计将于2012年下半年交付。

“法拉加-2”级隐身巡逻舰也非常灵活,在国家或国际行动中具备执行多方面的任务能力,从巡逻与控制行动到(无论来自空中或地面威胁的)自防御,同时也为舰员提供非常高的住宿和安全标准。