舰面设备隐身防护罩的设计与仿真*

黄　龙　赵亚鹏

(海军驻郑州某军事代表室　郑州　450015)



舰面设备隐身防护罩的设计与仿真*

黄龙赵亚鹏

(海军驻郑州某军事代表室郑州450015)

摘要论文回顾了舰船隐身技术发展的历程，介绍了雷达散射截面理论计算方法以及雷达散射截面减缩的基本方法和注意事项。基于隐身外形技术，设计了三种隐身防护罩，通过开展RCS仿真与分析优选设计方案。在所选方案基础上，开展了雷达吸波材料涂覆前后的RCS分析。

关键词舰面设备; 隐身防护罩; RCS; 仿真

Class NumberTN219

1引言

隐身技术是一项跨学科的综合技术，它涉及到电磁原理、材料、能量转化、信息处理及大量高难度动态测试等方面的问题，主要研究如何控制和降低武器系统的目标特征信号，使其难以被探测系统发现和跟踪，包括雷达隐身技术、红外隐身技术、声隐身技术和可见光隐身技术等[1～4]。

舰船隐身性是当今各海军大国普遍关注的重点问题。对于一艘在海上执行任务的舰艇来说，暴露于开阔的海面，就会面对着来自空中、海上、水下多方面的威胁。水面舰艇被发现和命中的概率不断地增大，使其在海上作战中更易遭受到攻击。因此，近年来各国海军对舰艇的雷达隐身提出了迫切的要求，并作为舰艇的一项重要的战术、技术指标[5～7]。

英国在23型护卫舰设计中首次采用了雷达隐身技术，主要通过在舰艇上层建筑采用侧壁倾斜7°、减少角反射的影响等措施以减小舰的雷达散射截面积。瑞典海军于1991年开始用隐身试验艇“斯米杰”号(Smyge)进行各种试验。法国海军成功地研制了排水量为3600吨“拉斐特”号(La Fayatte)隐身护卫舰。德国布朗沃斯公司推出的MEKO系列新一代隐身舰中的4000吨级的MEKO A-200型，其雷达散射截面积只相当于一艘常规高速攻击艇。美国早在80年代中期就开发了以小水线面双体船型为基础的隐身试验艇“海影”号(Sea Shadow)，而近几年服役的DDG1000驱逐舰不但具有出众的攻击和防护能力，隐身性能也特别突出，其天线采用了考究的隐蔽式设计，在敌方的雷达上，该驱逐舰仅相当于一条普通渔船。

雷达隐身设计主要是通过各种措施来降低舰艇的雷达信号特征值——雷达散射截面(RCS)，以达到“隐蔽”的目的。舰艇甲板面上众多的武器设备及天线对雷达隐身有着重要的影响，各国海军在这方面也作了不懈的努力，本文通过研究舰面设备隐身防护罩，以减小舰面设备的雷达散射截面，增强其隐身性能。

2雷达散射截面(RCS)

雷达方程是雷达最大作用距离和雷达系统各参数之间的关系，在自由空间的脉冲雷达方程的基本形式为[8]

(1)

式中，Rmax是雷达最大作用距离;Pt是雷达发射机输出的脉冲功率;G是雷达天线增益;λ是雷达工作波长;σ是目标有效散射面积(雷达散射截面);Pr是雷达接收的回波功率。

雷达散射截面积(Radar Cross Section，RCS)即目标有效散射截面积是在给定方向上返回的散射功率的一种量度。通常用符号σ来表示，其理论定义式为[9]

(2)

式中，ES，HS分别为散射电场和磁场，Ei，Hi分别为入射电场和磁场。

RCS的单位通常用平方米(m2)表示。但由于RCS值的动态范围很大，在实际应用中通常采用分贝值(dBsm)表示，即：

σ(dBsm)=10lg(σ)

(3)

式中，右边σ的单位是m2。

3雷达散射截面减缩

雷达隐身设计主要是通过RCS减缩来实现的。RCS减缩优先考虑的问题是使RCS减缩既可行又实用，也就是说RCS减缩在某些方向比其他方向更重要，在某些频率上比其他频率更关键。

RCS减缩的基本方法有两种[10]：

1) 改变被侦测设备的外形和结构，采用隐身外形技术;

2) 在被侦测设备上采用吸收雷达波的涂覆材料和结构材料。

3.1隐身外形技术

采用隐身外形技术时，需要注意以下事项：

1) 考虑面对的是单站雷达还是双站雷达;

2) 避免偶然形成的角反射器结构;

3) 避免大的平板结构;

4) 避免两平板正交;

5) 避免暴露腔体结构。

3.2雷达吸波材料应用技术

雷达吸波材料按发挥作用方式可分为两种[11]：

1) 电磁波能量转化成热能，近似I2R损耗;

2) 不吸收电磁波能量，只改变入射波传播方向。

使用吸波材料可以有效地降低飞行器的RCS，但是吸波材料的应用必须考虑到力学性能、环境性能、费用、结构空间等方面的约束。如1)应用吸波材料会增加设计、安装、维护费用;2)应满足力学性能要求;3)应满足环境特性需要，如耐湿性、耐雨性等。

4舰面设备隐身防护罩

舰船上有大量的且是必需的舾装设备，这些设备本身可能几何尺寸并不大，但是如果没有妥善处理，会形成比较大的雷达散射截面。电子设备和武器设备更是现在战舰不可或缺的主要装备，这些设备多数安装在甲板面以上，如果不采取隐身措施处理，其可能会形成一个很强的雷达反射亮点。一些舰面设备的外形具有特定的使用功能，难以进行较大的隐身外形改进，因此，加装隐身防护罩是一项重要的隐身处理措施。

隐身外形技术适应的频段较宽，效果好，又不需要维护保养，在舰船雷达隐身设计中作为首要手段。舰面设备首先根据最大外形轮廓确定基本型防护罩(如图1(a)所示)。为将雷达波反射到偏离入射波的方向，对防护罩各侧面作一定的倾角处理，考虑到舰船环境，特选用5°、7°和10°倾角方案(如图1 (b)～(d)所示)进行分析。

图1　防护罩外形图

FEKO 是南非EMSS 公司研发的一款基于积分方程方法求解麦克斯韦方程组的任意结构通用三维电磁场仿真软件。FEKO 的超强电大求解能力，令其在各种目标的RCS 分析领域发挥了非常出色的作用。同时，FEKO提供的考虑涂覆材料的功能，在隐身特性分析中尤其重要。其中物理光学法(PO)为高频近似法，对计算机硬件要求低，对大的凸多面体计算结果准确。

4.1外形隐身型防护罩RCS分析

针对图1中各型防护罩多面体的结构特点，本文采用物理光学法对防护罩进行RCS仿真分析。由于首先采用的是隐身外形技术处理，未涂覆吸波材料，因此，仿真中将防护罩外表面进行全金属化处理。重点分析10GHz和15GHz频率下，周向RCS分布情况，仿真结果如图2和图3所示。

图2　10GHz RCS周向分布曲线

图3　15GHz RCS周向分布曲线

对比图2和图3中各方案周向RCS分布曲线可知，将基本型护罩各侧面设计成一定的倾角，周向各角度RCS值均有较大程度的降低，且趋势一致，特征值出现位置(0°、90°、180°及270°)未发生变化。倾角越大，周向RCS值降低越多，但随着角度增加，RCS值降低的幅度变小。

对隐身防护罩圆周向各角度RCS值取平均值，得到隐身防护罩周向RCS均值，各方案周向RCS均值如表1所示。

表1　4种护罩方案周向RCS均值表

由表1中数据可知，5°方案在10GHz频率下，RCS均值比基本型降低30.85dBsm，在15GHz频率下，RCS均值比基本型降低33.05dBsm;7°方案在10GHz频率下，RCS均值比基本型降低33.27dBsm，在15GHz频率下，RCS均值比基本型降低35.31dBsm;10°方案在10GHz频率下，RCS均值比基本型降低35.10dBsm，在15GHz频率下，RCS均值比基本型降低38.14dBsm。

综上分析，隐身防护罩各侧面倾角从5°增加到7°和10°，周向RCS值略有降低，但降低幅度较小，而倾角增大，隐身防护罩体积加大，占用了更多的舰面空间。隐身防护罩倾角的设计既要保证一定的隐身效果，又要最大限度地减少占用的舰面空间。因此，5°倾角方案是较优的选择。

4.2吸波材料涂覆型防护罩RCS分析

雷达吸波材料是指能够吸收衰减入射的电磁波，并将其电磁能转换成热能而耗散掉或使电磁波因干涉而消失的一类材料。雷达吸波材料主要是依靠材料吸收电磁波，降低目标的回波强度，达到减小目标RCS的隐身效果。对于具有特殊功能的外形而不便进行外形隐身改进或仅依靠外形隐身不能满足隐身指标要求的情况，就应考虑采用雷达吸波材料进行隐身处理。舰面设备空间有限，隐身防护罩可增加涂覆雷达吸波材料，进一步增强隐身效果。选取5°方案隐身防护罩进行雷达吸波材料涂覆前后RCS仿真分析，仿真结果如图4和图5所示。

图4　10GHz RCS对比曲

图5　15GHz RCS对比曲

由图4和图5所示，隐身防护罩涂覆雷达吸波材料后，RCS特征值(0°、90°、180°及270°)有较大程度减小，其他位置RCS值也有一定程度的减小。

同样计算周向RCS均值，如表2所示。对比可知，在10GHz频率下，涂覆雷达吸波材料后，RCS均值比未涂覆降低9.06 dBsm;在15GHz频率下，涂覆雷达吸波材料后，RCS均值比未涂覆降低10.36 dBsm。

综上，涂覆雷达吸波材料可显著降低RCS特征值及周向RCS均值，其降低程度取决于雷达吸波材料的吸波性能。理想的雷达吸波材料应该具有厚度薄、重量轻、频带宽，坚固耐用和价格便宜等特点。舰面设备隐身防护罩是否采用雷达吸波材料，应综合衡量设备的RCS指标要求，吸波材料在舰面环境的适用性以及成本价格因素。

表2　5°方案涂覆前后周向RCS均值表

5结语

雷达散射截面减缩有两种基本方法：隐身外形技术和雷达吸波材料应用技术。文中介绍了这两种方法的实施措施和注意事项。以舰面设备防护罩为对象，设计了5°、7°和10°倾角三种隐身外形改进方案。由仿真结果可知，隐身防护罩侧面倾角选取5°方案，既保证了RCS值比原方案有较大程度减小(平均降低30 dBsm以上)，极大地提高了隐身性，又兼顾了占用尽可能少的舰面空间。对比5°方案隐身防护罩雷达吸波材料涂覆前后的RCS仿真结果可知，涂覆雷达吸波材料可显著降低RCS特征值及周向RCS均值，其降低程度取决于雷达吸波材料的吸波性能。

参 考 文 献

[1] 戴全辉.大力发展隐身技术,提高武器作战效能[J].巡航导弹系列译文集,第八分册:隐身技术.056831:1-3.

[2] 阮颖铮.雷达散射截面与隐身技术[M].北京：国防工业出版社，1998：1-8.

[3] 孙宝国.隐身桅杆的外形与结构设计研究[D].上海：上海交通大学学位论文,2013：1-25.

[4]黄培康,殷红成,许小剑.雷达目标特性[M].北京:电子工业出版社,2005：3-18.

[5] 李清亮,葛德彪.海上舰船地波散射雷达截面的计算和分析[J].西安电子科技大学学报,1998,8(4):25-32.

[6] 常少游,杨德庆.考虑雷达隐身性能要求的舰艇外形截面设计[J].舰船科学技术,2005,27(6):14-19.

[7] 朱英富,张国良.舰船隐身技术[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2003:1-35.

[8] Crispin and Siesel. Methods of Radar Cross Section Analysis [J]. Pittsburgh:Academic Press,1968：299.

[9] George T. Ruck Editor. Radar Cross Section Handbook. Volume 2[M]. New York:Ruck Plenum Press，1970:1-43.

[10] J.琼斯著,洪旗,魏海滨编译.隐身技术—黑色魔力的艺术[M].北京:航空工业出版社,1991:1-35.

[11] 胡传炘.隐身涂层技术[M].北京:化学工业出版社,2004:1-52.

收稿日期：2016年1月20日,修回日期：2016年3月10日

作者简介：黄龙，男，助理工程师，研究方向：导弹发射装置质量监督。赵亚鹏，男，博士，工程师，研究方向：某导弹发射装置研制和生产。

中图分类号TN219

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.040

Design and Simulation of Ship Equipment Stealth Shield

HUANG longZHAO Yapeng

(Navy Representative Office in Zhengzhou, Zhengzhou450015)

AbstractThis article reviewed the history of ship stealth technology and introduced the theoretical calculation method of RCS and the basic method of RCS reduction. Three kinds of stealth shield were designed based on stealth shape technology and the RCS simulation and analysis of stealth shield were carried out to choose the best design. Further, the RCS of stealth shield coated radar absorbing materials or not was analyzed.

Key Wordsship equipment, stealth shield, RCS, simulation