现代舰船隐身技术的若干方法研究*

朱 炜 郭 航

(海军驻上海沪东中华造船(集团)有限公司军事代表室 上海 200129)

现代舰船隐身技术的若干方法研究*

朱 炜 郭 航

(海军驻上海沪东中华造船(集团)有限公司军事代表室 上海 200129)

随着舰船隐身技术在信息化战争中发挥着越来越重要的作用,设计和建造隐身性能好的舰船已经成为当前海军追求的一个发展方向。文中主要分析了诸如电场隐身、等离子体隐身等舰船隐身技术的特点,总结了国外舰船隐身技术的最新研究成果和发展趋势,并分别从雷达、红外、声、电场隐身等几个方面,探讨了舰船总体设计时实现“隐身”的一些具体实现途径和方法。

舰船隐身; 信息化战争; 电场隐身; 等离子体隐身; 舰船总体设计

Class Number U674

1 引言

信息技术的发展加速了舰船装备的现代化进程,使得争夺制信息权成为现代信息化战争中的焦点,各种探测技术、隐身手段以及精确制导武器将在战争中起主导作用,如何提高舰船隐身性能就显得极为重要了,这也是现代舰船设计建造中必须重视的问题。研究舰船隐身技术的目的是控制、减小舰船的特征信号,降低声纳、雷达、电场传感器、磁探仪等探测系统的发现距离、减少以特征信号为引信的制导武器的命中概率,从而提高舰船的生命力和战斗力[1]。

新型舰船的设计建造,应适应现代信息化战争的需要[6],在设计时就着手考虑改善舰船的目标特性,提高隐身性能,但是舰船隐身技术是一门交叉性学科,涉及到材料学、声学、光学、电磁学等多学科领域,本文重点对雷达隐身、声隐身、电场隐身等技术的研究内容、特点进行了分析,并结合我国舰船的设计建造对舰艇隐身所涉及到的有关具体措施和方法进行了探讨。

2 舰船隐身技术及特点[3～4,7,11～12]

在现代信息化战争中,舰船都以编队的形式作战,舰船可能同时面对太空、空中、海面以及水下等多方面威胁,因此舰船隐身目的就是降低或减小舰船向外界辐射的诸多物理场(电磁场、声场、电场、磁场、红外场等)的信号特征值[6]。

2.1 雷达隐身

雷达隐身技术就是通过各种措施降低舰船的雷达信号特征值—雷达散射截面积(RCS)以达到“隐身”目的。目前,舰艇雷达隐身的手段主要可归纳为三种,即外形隐身、材料隐身、阻抗加载(有源和无源)隐身,这几种技术往往被综合利用。

1) 外形隐身

舰船外形隐身是指通过对舰艇外形进行设计,减小RCS,这是雷达隐身的主要措施。该技术适用的频带宽,效果好,又不需要维护保养,因此在目前的舰船雷达隐身技术中作为首要手段。但其结构设计受舱容、动力特性和舰船姿态控制等方面的限制,而且仅适用于较大平面和水平方向,但某个角度的RCS减缩必然伴随着另外某些角域内的RCS增加,所以舰船外形隐身技术存在一定的威胁区域。而敌方的探测器是从不同的角度探测舰船的,所以这种隐身是不完全的。

2) 材料隐身

舰船材料隐身就是通过在舰船适当位置涂装吸波材料或采用结构隐身材料来达到雷达隐身目的。理想的吸波材料应该具有“薄、轻、宽”等特点,即厚度薄、重量轻、频带宽,但薄的吸波材料不能使雷达波产生足够的损耗和吸收掉这些雷达波能量,也难于得到令人满意的宽带雷达波吸收性能,而高吸收材料通常具有与自由空间阻抗相差非常大的本征阻抗,因而将产生强反射,影响隐身效果,所以材料隐身对吸波材料性能有很高要求。另外,在不影响总体性能、结构、强度的前提下,尽量采用非金属材料,这就是所谓的结构材料隐身,虽造价昂贵或条件限制,但这是舰艇隐身发展的一个方向。

3) 阻抗加载隐身

阻抗加载隐身技术就是根据电磁波干涉原理,产生一附加波来抵消入射波,从而减小RCS实现隐身的目的。最常见的一种方法是在舰船外形设计上适当的“开口子”,人为地产生一些“谐振腔”,它们会在入射波的激励下自动产生一抵消入射波的附加波;另一种做法是通过舰船内部的特殊装置来产生附加波,该附加波的空间分布与舰船周围散射(反射)电磁波的分布相同,幅值相等,但相位相反。相比于无源(被动)阻抗加载技术,通过有源(主动)阻抗加载技术能适应被保护目标的多样性,不要求被保护目标改变外形或敷罩吸波材料,原则上将能适应任何形状的需要保护的目标,目前受到广泛关注的等离子体隐身技术就属于这一类。

等离子体隐身技术是指利用磁化或非磁化冷等离子体来规避雷达探测的一种新技术,其基本原理是利用等离子体层对雷达波特殊的吸收和折射特性,使其反射回雷达接收机的能量尽量少,从而使敌方的探测系统难以侦察和发现,达到隐身效果。由于外界扰动,在等离子体内部形成电子和离子的振荡,形成振荡频率,等离子体频率是等离子隐身技术的重要参数,它决定着等离子体对电磁波的作用方式。当入射电磁波频率低于等离子体频率时,等离子体对电磁波完全反射。当入射电磁波频率大于等离子体频率时,等离子体通过碰撞吸收大部分入射波的能量,等离子体层对电磁波有反射、吸收和折射作用,从而形成不同的隐身机理。

舰船等离子隐身的方法主要有两种:一种是用等离子体把舰船整个包裹起来的全等离子舰船隐身技术;另一种是把等离子隐身技术与外形隐身技术、材料隐身技术结合应用的局部等离子体隐身技术。就目前而言,产生等离子体的方法还不成熟,对一艘舰船实施全等离子体隐身的费用是不可承受的,但随着等离子体产生方法的不断发展,全等离子体隐身技术以其独特的优越性必将成为未来隐身舰船的关键技术和主力军。局部等离子体隐身是把等离子体隐身与外形隐身或材料隐身相结合的一种舰船隐身技术,它能充分发挥各种舰船隐身技术的优势,各种方法综合运用,互相弥补不足之处,可兼顾舰船的总体性能、舱体容积和各种机动要求,使舰船各项性能优化,且经济高效,是目前可大量采用的舰船隐身方法。

2.2 红外隐身

红外隐身技术就是抑制和减弱舰船的红外辐射能力,使敌方红外探测器和红外制导武器的跟踪和攻击失去方向和目标。因为舰船对外界有着较强的红外辐射,它的红外源可分为内部和外部两种,内部红外源包括发动机和其它设备的发热、通风系统中的废气以及受内部空间的热损;外部红外源由舰船表面吸收或反射周围环境的辐射(如来自太阳、大气和海水的辐射)构成。红外隐身的关键技术是降低目标的红外辐射强度,可以通过隐身结构设计、隐身材料的使用以及红外抑制系统的研究来实现。

由于红外隐身技术的实现与材料的选择和涂装工艺密不可分,因而其发展水平也会受到隐身材料技术研究水平的影响。目前,国内外红外隐身系统材料也正朝着能够兼容米波、厘米波、毫米波、红外、激光等多波段电磁波隐身的方向发展。现已广泛开发了多种新型隐身材料,能达到多种波段隐身的目的。如纳米超细金属颗粒材料,由于材料的纳米级超细粉末在细化过程中,处于表面的原子数越来越多,使材料具有强烈的表面效应,可用于雷达波—可见光—红外光隐身。

2.3 声隐身

声隐身主要通过降低舰船的水下辐射噪声,提高水面舰艇声隐身性能。实现声隐身的手段主要有两个方面: 1) 降低噪声源的噪声强度; 2) 控制噪声的传递过程。目前国内外主要采用现代减振降噪措施,如机械装置浮筏技术、管路系统减振降噪技术等方法,今后其发展趋势是综合性整体降噪设计、新型多功能材料的研究等方向。

2.4 磁隐身

目前舰船磁隐身通常采用两种方法,一种是利用消磁站或消磁船消除舰船固定磁场,另一种是通过舰船消磁系统补偿其感应磁场。未来舰船磁隐身技术的发展趋势主要是采用新型低磁性或无磁性舰船结构材料;探索舰船用大型电气设备的磁场防护技术;构建闭环动态消磁系统等方面。

2.5 电场隐身

舰船电场是除声场、磁场外最重要的水中目标特性之一。舰船电场包括从直流到上千赫兹的极其丰富的频率成分,但其能量集中在以下几个频段:静电场主要来源于舰船不同金属材料之间的电化学腐蚀以及为船体防腐而施加的阴极保护系统(舰船运动时形成频率极低的准静态电场)和舰船运动产生的感应电场,其能量集中在DC～1Hz频段,是连续谱。极低频电场主要有防腐电流经螺旋桨调制产生轴频及其倍频、防腐系统引起的电磁辐射和舰船内部电磁泄漏产生的电场以及消磁系统、电力推进系统等大电流设备因供电整流不佳引起的电流脉动产生的基频为50Hz/60Hz工频及其倍频,这些都是线谱。极低频电场的强度虽然较小,但是其在海水中的衰减较慢,传播距离较远。

舰船电场的抑制主要依靠两个途径来实现: 1) 通过合理的舰船防腐系统的设计,使舰船的总电场降至最低; 2) 采用电磁保护工艺和研制电场防护系统,来尽量消除已形成的舰船电场。

2.6 其他隐身技术

除了前述隐身技术外,还有一些隐身技术的研究也值得继续深入下去,如舰船的水压场隐身、尾流场隐身、光隐身等等。

3 国外舰船隐身技术发展动向[2,5,8～10]

随着高新科技的发展以及世界军事形势和作战需求的变化,舰船隐身技术的内涵和外延已经大为扩大,西方发达国家在探索新型隐身技术、隐身材料,开展一体化隐身技术研究等方面,不断地加大人、财、物力的投入,推陈出新,取得了许多令人瞩目的成绩。

1) 美国

美国海军的“阿利伯克”级导弹驱逐舰是世界上第一艘装备“宙斯盾”系统的驱逐舰,除了强大的作战能力之外,也是美国海军按隐身性要求进行设计的第一艘驱逐舰,与以往舰船相比,该舰外观明显简洁,具有典型的雷达隐身效果。“阿利伯克”级驱逐舰为了追求雷达隐身效果,它明显地压低了上层建筑的高度,降低了外舷上端至水线的高度,使舰船的外形变低,与“斯普鲁恩斯”、“基德”和“提康德罗加”级舰相比,上层建筑的总长度也有所减小。其舷侧设计为倾斜式,避免与水面相互垂直,使反射波向其它方向反射,减少回波;舰体和上层建筑避免形成垂直面,上层建筑的侧壁都倾斜一定的角度,使来自对方的雷达波形成散射,上层建筑四周相邻连接处采用圆弧过渡,防止产生回波的尖角绕射,并对外露设施涂覆吸波材料,同时尽量在上层建筑和水上部分舰体喷涂专用的雷达波吸收材料。

另外,洛克希德公司建造了“海影”号隐身试验舰,该舰为小水线面双体船型。“海影”号的外形结构都是由平面构成,舷侧为倾斜角度较大的平面。从纵向剖面图上看,上部为狭窄的梯形,舰首、尾部由两个“V”字形平面构成,从正面看,该舰的整体形状正好是等腰三角形,舷侧倾斜角度正好是45°,而且,舷侧角度一直延伸到水下的舰体。从“海影”号的外形看,只有雷达波垂直照射到舷侧时,才会强列地反射回发射源,其他角度入射的电波被反射到其它方向。在吸收利用了“海影”号的技术成果后,DDG1000型驱逐舰将军舰的隐身能力提升到前所未有的高度。

2) 瑞典

2010年,瑞典两艘“维斯比”级隐身轻护舰“赫尔辛堡”号(HMSHelsingborg)和“海讷桑德”号(HMS Härnösand)入列。“维斯比”级轻护舰采用碳纤维材料,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。在需要执行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。

3) 俄罗斯

2013年,俄罗斯第四艘20380型轻护舰“斯托伊克”号入列,该型轻护舰可摧毁水面、水下、岸上和空中目标,并保护舰队进行抢滩登陆,舰船的隐形技术可降低舰体的雷达、声、红外、磁以及光信号。俄罗斯计划共建造30艘该级隐身轻护舰,每艘排水量为2000t,最大航速为27节,人员编制为100人,该级舰装备的武器包括Kh-35或SS-N-25反舰巡航导弹口径舰炮,各种防空与反潜系统以及一架卡-27反潜直升机。

4) 英国

2012年,英国国防部对外展示了26型隐身护卫舰的最新设计,该型舰排水量在5400t左右,舰长148m,具有以下主要特征:可发射多种类型武器的垂直导弹发射井;中口径舰炮;可容纳一架(灰背隼)或(野猫)直升机的机库,为无人机、水面无人艇、无人潜航器以及小艇预留了灵活的任务空间;最先进的舰载传感器。

5) 印尼

2012年,PT Lindun公司(North Sea Boats)为印尼海军建造的新型隐身快速导弹巡逻艇下水,该新型隐身快速导弹巡逻艇艇长63m,采用先进的三体船身设计以改进适航性和稳定性,并且完全由碳纤维复合材料制成,采用了真空导入工艺和乙烯酯树脂,用这些材料构建船身结构增强了该舰的隐身性。舰载武器包括导弹和舰炮以及一艘11m长的高速硬壳充气快艇,该艇被融合安放在上层建筑内,该艇较宽的舰体还使其可供直升机起降,这极大地扩展了该艇的巡逻范围和能力。

总的说来,舰船隐身技术的发展趋势可以归纳为以下几个方面:

1) 隐身机理推陈出新,在传统的外形、材料、结构隐身等技术研究的基础上,探索新的隐身机理,主要包括集成上层建筑技术、仿生学隐身技术、等离子体隐身技术、微波传播指示技术等。

2) 新的材料层出不穷,将朝着纳米化、复合化和智能化的方向发展,对材料的固有特性也提出了“薄、宽、轻、强”的要求,单波段吸波材料在未来将不再具有实战意义,未来吸波材料则应满足多频谱隐身、环境自适应、耐高温、抗核辐射等更高要求。

3) 隐身方法不断融合,朝着综合化、一体化隐身技术发展。单一的隐身技术已经无法达到理想的隐身效果,不仅要综合运用雷达、红外、声、电场等隐身技术,而且每项技术还要采取多种措施来实现,因此在设计舰船隐身性能时,要从舰船总体的角度去设计和考虑,并且权衡隐身性能和其他性能之间的协调性。

4 舰船隐身的措施和方法[1,8]

我国对舰船隐身及相关技术的研究起步较晚,但是也已经取得一定的成果,如舰船的外形隐身设计、红外抑制系统的研发以及舰船的磁性处理等等。

4.1 雷达隐身

1) 加大研究集成上层建筑设计技术的力度,使隐身设计与上层建筑设计得到有机统一。如尽量减小上层建筑的体积和高度;水上部分尽量减少角反射体,两垂直结合面采用圆角形式;上层建筑两侧围壁内倾与甲板垂直面倾斜成一定角度,而首部壁与主甲板也倾斜成一定角度,使与两侧壁形成半球面形等。

2) 在不影响总体性能、结构、强度的前提下,尽量采用非金属材料。

3) 尽量减少在露天区域安装金属设施,除必要的通风口、通气口外,其它金属物体不在露天甲板设置,或对露天安装的设施采取加遮挡形体。

4) 在不影响总体性能及结构强度的前提下,上层建筑的围壁可采用波浪形的金属板,这样有利于改变雷达波反射方向。

5) 采用新型雷达吸波材料,如纳米材料、多晶铁纤维、导电高聚物、手征性及多频谱隐身和智能隐身等材料。

4.2 声隐身

1) 设计优良的舰型,以降低舰首的拍击噪声,舰尾采取适当阻尼措施,抑制舰尾振动产生的声辐射。

2) 在舰体及其内部涂覆减震降噪的材料,在机舱及四周舱壁顶板上粘贴吸声材料,在机舱和舵机舱等机器场所、导流罩、机舱和螺旋桨附近的结构,必要的舱壁和地板涂敷非金属尼龙材料、阻尼材料等,在声呐基阵平台周围粘贴吸声橡胶尖劈,在舷外的吸入和排出孔的区域处可使用吸声材料或复合材料,在艉轴架、导流罩上涂敷特殊涂料以消除空化气泡现象来降低噪声,也可在导流罩或船体外板上敷设橡胶或防污油漆涂料使水动力噪声减到最小,在管路管壁周围包覆阻尼也可在管路支柱、构架等中空结构内使用颗粒型阻尼填料,在透声窗表面涂敷透声阻尼涂料或采用透声高阻尼的材料以吸收和减弱这些部位产生的混响声和结构噪声,在舰船上住舱、集控室、作战指挥中心声呐室、导航室、会议室等舱室的地板、围舱壁的轻型内衬、综合内衬,可选具有一定阻尼减振性能的非金属材料,也可选用多层复合材料。

3) 研究采用低噪音的设备,低噪声设备主要包括舵的降噪设计,因为提高舵效,减少舵面积,增大舵与螺旋桨之间距离,减少附体阻力,改善伴流,可使螺旋桨噪声降低,以及舰船机械设备减振降噪,可设计具有减振降噪功能的基座,如减振浮筏设计或在设备基座的面板和腹板上采用约束阻尼结构等。

4) 对舰船主要噪声源的机械设备采取减振降噪设计,如采用双层隔振装置、减震浮筏、隔声罩等。

4.3 红外隐身

1) 在船体表面涂敷降低红外辐射的绝热涂料,减弱对太阳能的吸收和辐射,降低船体表面的温度。

2) 通过隔热层降低舰船在某一方向的红外辐射强度。如在机舱、舵机舱处的舱内结构的发热部位(舱壁、天花板和地板)、烟囱内壁吸排气管道外表面粘贴由泡沫塑料或镀金属塑料膜等隔热材料组成的绝缘隔热层;还可以在隔热层的表面涂覆不同的涂料,以同时达到其他波段的隐身效果。

3) 采用吸波和绝热材料或利用涂料降低船体涂层的红外发射率,可减少舰船表面对外辐射和反射。但目前只有低发射率的热红外隐身涂料,涂装技术水平已达到实用阶段,且收到了较好的隐身效果。因而,一般常在机舱等机器处所的船体板上涂敷红外隐身涂料,减少红外辐射。

4) 在船体上广泛选取复合材料,其隐身功能由红外低发射率、高漫反射率、低比重的铝粉作填料及低发射率的钛酸丁酯为粘接剂的复合涂层提供。

5) 对厨房烟囱以及主机排气烟囱可采用喷淋降低排气口的温度,或采用红外滤波等方法来控制其红外辐射量。

4.4 电场隐身

1) 对于因采用防腐系统而产生的舰船电场,主要是通过设计最佳的舰船防腐系统,在保证舰船防腐能力最强的前提下,使得舰船的总电场降至最低。对于舰船防腐系统的设计,主要可利用边界元和有限元方法来编制软件,通过计算机进行辅助设计,从而对舰船的电场及其防腐能力作出预测和评估。

2) 对于轴频电场,需用电场防护系统来对其进行抑制。可采用主、被动轴接地系统来减小舰船的极低频电场。

3) 研究舰船电场补偿系统,通过人为产生一个反向电场来补偿抵消螺旋桨与船体之间的电解偶产生的电场,并对螺旋桨和船体的水下部分进行防腐保护。

4) 对于船体内的电力系统要尽量保证其接地良好并加以屏蔽,减小因其产生的电场,同时采用高性能的滤波器消除外加电流阴极保护系统(ICCP)中电源滤波不良产生的极低频电场。

5) 根据舰船电场和极低频电磁场的产生机理,采用电保护和电磁保护工艺,切断舰上不同种类金属之间的内部和外部的电连接,使得电场形成所需的闭合回路不能形成,从而达到减小电场的目的。主要的结构工艺有:切断螺旋桨和艉轴衬套同艉轴以及艉轴同中间轴的电连接;在螺旋桨和艉轴架之间使用有电介质制成的屏蔽和护罩;让船底—舷侧附件和海水系统管路的法兰接头同船壳板实现电绝缘等。

5 结语

信息化战争条件下,舰船的隐身性能显得越来越重要,设计和建造隐身舰船已经成为一种发展方向。本文结合现代舰船隐身技术的研究现状,论述了主流隐身技术的性能、特点及实现方法,分析了舰船隐身技术的特点和发展趋势,并从舰船总体设计的角度对多种隐身技术的具体实现进行了探讨,为我国发展舰船隐身技术的研究提出了一些参考性建议。

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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

朱炜,男,博士,工程师,研究方向:机电一体化。郭航,男,硕士,助理工程师,研究方向:机电一体化。

U674

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.006