水面作战舰艇关键能力之——藏：隐身蔽体的伪装
2017-01-09武为
武为
保存自己是战争制胜的永恒法则。在时空界限渐趋模糊的现代战争中，隐藏自己是有效遂行作战任务的基本前提。藏，就是通过将自身信号特征融合于环境背景中，降低可辨识度，以最大限度地减小被敌方发现的概率。在电子探测设备性能越来越好的今天，体型越来越大的水面舰艇暴露的风险在急剧上升，“不露脸、弱感受、动静小”成为了水面舰艇设计建造的基本标准。
不露脸
如今对水面舰艇的监测早已越过了目视的阶段，机载对海警戒雷达数百千米的探测距离让水面舰艇无所遁形，如何躲避雷达的监测成为了水面舰艇隐身的首要问题。“不露脸”就是通过优化外形设计、采用新材料新技术，有效缩短对方雷达对自身的探测距离，或者使对方无法通过雷达正确识别自己，从而达成进攻的突然性或防御的有效性。
雷达反射面积我们知道，雷达探测的原理是通过电磁波在物体表面反射产生的回波成像进行判别。那么，如何对成像情况进行判别呢？这就涉及到雷达反射面积（Radar Cross-Section，简称RCS）这个概念。
RCS是度量目标在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量，它是目标的假想等效面积，度量单位是平方米，一般用符号σ表示。RCS越大，在相同距离上雷达接收天线截获的目标回波功率就越大，被雷达发现的可能性就越大。因此，减小RCS值对水面舰艇在雷达上隐身具有十分重要的意义。
从影响RCS值的因素上看，大致可以分为内外因两类。一是内因，与目标的形状、尺寸、结构及材料有关，其中最为重要的是目标形状。例如，蜜蜂的体积虽小于麻雀，但其RCS却比麻雀大16倍。二是外因，与入射电磁波的角度等因素有关。某一物体的RCS并非一个固定的单值，对于每个视角、不同的雷达频率等都对应不同的RCS。例如F-16战斗机在某一波段的RCS值，正前方为4平方米，侧向则大于100平方米。那么，降低水面舰艇的RCS值就要从上述两个方面入手。
改变水面舰艇外形设计。这种方法的目的是使舰艇尽可能少的反射电磁波。从雷达实际接收的目标回波来看，影响RCS值散射源的基本类型主要包括镜面反射、边缘绕射、尖角绕射、爬行波绕射、行波绕射和非细长体因电磁突变引起的绕射。对于一般水面舰艇而言，它的散射场包括反射和绕射场，而其中尤以由光滑表面产生的镜面反射和由目标边缘及过渡处产生的边缘、尖角绕射起主要作用。那么，要达到对雷达隐身的效果，就要采取多种措施，使镜面反射和边缘、尖角绕射基本消失。在水面舰艇的隐身设计上，一般采取改变舰体设计和上层建筑形状的方式来降低RCS值，例如对舷侧采用倾斜设计，避免与水面相互垂直，使照射面进行异向反射，以减小回波的反射能量；上层建筑四周及相邻连接处避免直角，尽量采用圆弧过渡，防止产生尖角绕射，外露面积尽量减小等。目前在隐身上最为激进的设计是美国海军“朱姆沃尔特”级驱逐舰。该舰采用舰体内倾和一体式上层建筑设计，在雷达上显示的目标大小仅相当于一艘小渔船，隐蔽性极强。
压缩电磁波入射角度。这种方法的目的是最大程度减小主要迎战方向的RCS值。上面提到，同一物体在不同角度的RCS值千差万别，从设计难度和成本上讲，要全方位降低RCS值是不切实际的，因此，水面舰艇在设计建造过程中，往往会采用牺牲某些角度（如两舷侧，因为现代舰载武器已能够实现自主全方位打击，不再需要通过舰艇的机动来改变射击角度）的RCS值，而在其它角度最大限度地进行RCS缩减。这样既有利于总体设计，也便于隐身技术的实施。以此原则设计的水面舰艇只是在某些主散射方向上存在较大的RCS值，因此使敌难于探测、跟踪。
采用雷达吸波材料（涂料）。采用雷达吸波材料和涂料是减少水面舰艇雷达反射面积最简单的措施，但要实现彻底隐身技术难度较大，经济性较差。目前来看，世界各国都以外形改变为主、材料改变为辅的隐身设计原则，只有在外形隐身难以实施或需要加强隐身效果时，才采用涂覆吸波材料的方法。
雷达波段雷达波段指雷达发射电磁波的频率范围。不同作战功能的雷达工作在不同波段，根据雷达接收天线截获功率计算公式，在相同距离和角度的情况下，照射在同一物体的入射波波长关系到雷达接收天线截获功率的大小。因此，不同波段的雷达，对隐身目标的发现能力也不相同，要实现对雷达的隐身，必须要搞清楚各个雷达波段的特点。
雷达波段由低到高可分为：高频（HF）、甚高频（VHF）、特高频（UHF）、L波段、S波段、C波段、X波段、Ku波段、K波段和Ka波段。频率越高，波长越短。非相控阵单雷达条件下，高频波段定位更准确，但作用距离短；低频波段定位相对模糊，但作用距离远，发现目标距离大。以目前的技术水平来看，还无法做到某一装备实现“全频谱隐身”，一般而言，都是根据该型装备需要承担的作战任务来设计针对某一波段的雷达隐身性能。例如，某型战机需要执行纵深突防任务，将面对敌方多种防空系统的联合，那么它就要设计成“宽频谱隐身”；如果某型战机要执行浅近纵深突防任务或者面对分散的野战防空系统，那么它只需要针对对方的火控和跟踪雷达实现“窄频谱隐身”即可。与战机不同，水面舰艇不存在纵深突防的任务要求，而且舰载武器的远程化也使得水面舰艇不必抵近敌方海岸进行攻击，因此，水面舰艇的隐身设计一般都是针对中距对海警戒雷达和火控雷达等中短波雷达，也就是厘米波雷达，其中大多数工作在S和X波段。
由于水面舰艇一般只对中短波雷达隐身，因此通过长波（主要是米波）或超短波雷达（主要是毫米波）对隐身目标进行跟踪监视就成为了破除隐身的重要手段，同时也是隐身设计中面临的新难题。
一方面，电磁波照射在与自身波长相近尺寸的目标上会产生谐振效应，尽管此时没有直接的镜面反射，但也会造成强烈的信号特征。例如，目前广泛采用的陆基对海警戒雷达多是工作在米波级，当这类电磁波射到与自身波长可比拟的目标部位上后，会在反射波与爬行波之间产生谐振现象，使目标的反射信号增强。而在波长很短（毫米波）的雷达照射下，则从雷达视角观察的水面舰艇的不平滑部位将显著增多，从而导致RCS值增大。
另一方面，大多数雷达吸波材料或涂层都含有“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，入射波的波长越长，分子振荡越慢而吸波效果越不明显，使得吸收的入射波能量变少，在“此消彼长”下增强反射波强度。
有鉴于此，近年来，一些国家开始重新重视研制早已边缘化的长波雷达。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10～60米（频率为5～28MHz），处于主流雷达的工作波段范围之外。这种雷达主要靠谐振效应探测隐身目标，而且几乎不受现有雷达吸波材料的影响。另外，毫米波雷达的实用化也开始加速，目前已有可供特定条件下使用的量产装备。
不过，长波雷达和超短波雷达也存在自身的弱点和技术难题。例如，尽管长波雷达能较早发现隐身目标，但较差的精确性决定了其还无法引导火力进行精确打击，而火控雷达又无法捕捉到隐身战舰，这就造成了“看得见打不到”的尴尬局面。对此，俄罗斯军工专家正在思考努力提高其VHF波段雷达的探测精度，使其能引导防空导弹和战斗机飞到距离隐身战舰足够近的距离上，以便导弹或飞机上装载的X/Ku波段雷达能直接捕捉隐身战舰。而对于毫米波雷达来说，其较高的频率决定了传播损耗过大，探测距离受到严重限制，而且极易受到外界信号干扰。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1.65～1.90米）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）的探测概率不高。
弱感受
自上世纪七十年代红外探测器的工作频段扩展到中远红外区以来，红外探测技术日趋成熟，已成为仅次于雷达的中远程探测、制导手段。由于海上背景环境相对较冷且一致性好，动力设施、电子设备等热源不断增强增多的水面舰艇变得格外“刺眼”。在现代海战中，各种水面舰艇的热辐射很容易被对方的红外探测系统发现，也容易遭到红外寻的导弹的攻击，在红外波段的世界里隐藏身形成为了一个持之以恒的设计要素。以当前水面舰艇的总体状态来看，有两个易暴露的热源：一是面积小，但温度高的部分，红外特征非常明显，主要集中在3～ 5μm中红外波段；二是温度不高，但面积较大，在环境背景中体现得较为明显的部分，主要集中在8～14μm远红外波段。要实现红外隐身，必须首先解决这两个方面的红外辐射问题。
高温孔口高温孔口指散发高热量的孔壁和排气口，水面舰艇的高温孔口包括烟囱出口、排气烟羽等。对于水面舰艇来说，主机、电站辅机的排出废气温度一般为350～650℃，处于3～ 5μm中红外波段。这一波段的红外辐射特征主要是与背景的强烈辐射亮度差，这种亮度差体现在红外辐射热像图中就是许多亮度极高的点。由于自身温度极高，因此这种辐射特征几乎不受阳光、环境温度和气候条件的影响，是点红外制导导弹捕捉和攻击的极佳目标。而针对这一波段的隐身任务，就是要想办法消除这些“亮点”。因为红外探测器对目标的探测距离与目标红外辐射强度的平方根值成正比。而根据玻尔兹曼定律，目标的热辐射强度又与温度的四次方成正比，如果目标的温度降低，则探测器的作用距离将下降68%，效果明显。
尽管高温孔口的可见金属面积只占全舰总面积的1%～2%左右，但由于其温度高、所处位置高，因此是水面舰艇最强的红外辐射源。研究表明，在3～ 5μm中红外波段，排烟管和烟羽的辐射强度占总辐射源的99%以上，成为舰艇3～5μm中红外波段的最主要目标源。因此，红外隐身技术研究大都是从高温孔口开始。
对于采用舷侧排气的中小型舰艇来说，由于空间狭小和动力机械设备布置过于紧凑，主要采用在排烟管内进行喷水降温的红外抑制措施。从目前的技术水平来看，中小型舰艇上采用的喷水降温技术可以将主机产生的500℃左右的高温废气降低到约60℃左右，尽管比周围环境温度仍然要高，但由于面积小，已经能够较好的融入背景中，从而实现红外波段的“点隐身”。
对于采用烟囱排气方式的大型舰艇来说，管内喷水的降温方式就不太可取，因为这样极易造成烟囱后部的雷达、通信等天线设备出现腐蚀。例如，美国海军虽然在大型舰艇上进行了喷水降温试验并取得了良好的红外抑制效果，但终因腐蚀问题难以解决而最终放弃。因此，大型舰艇普遍主要采用在排烟管末端加装红外抑制器的方式。从技术发展历程来看，这一方式经历了三代：第一代是采用单喷管引射冷空气的方式进行主机红外抑制，降温幅度在50%左右，虽然效果一般，但成本低廉、结构简单，目前仍有国家在使用。第二代是在前一代基础上增加了喷管数量，提高了引射效率，降温幅度在80%左右。这种方式对主机功率会产生一定影响，并且由于尺寸过大，会降低舰体对雷达的隐身效果。第三代对第二代进行了小型化改进，不仅能够与舰身融为一体，而且解决了阻碍主机功率的弊端，典型代表是加拿大海军使用的“得勒斯球”红外抑制装置。
舰体表面发射率除3～5μm波段的高温点红外辐射外，水面舰艇还有一类较为明显的红外辐射是面红外辐射。由于舰体表面大面积部位的温度高于环境温度，从而会产生明显的红外辐射特征，这类红外辐射处于8～14μm波段。与3～5μm波段辐射源于自身发热不同，8～14μm波段的红外辐射源于舰艇表面对外部环境辐射的吸收和反射，比如太阳、天空、海面、大气等。由于高温孔口的红外辐射在降温后会转换为8～14μm波段的红外辐射（两者之间转换的临界温度大约在160℃），因此后者所产生的红外辐射在舰体总红外辐射强度中占有相当的比例，是水面舰艇的主要辐射源。
从热成像图上看，8～14μm与3～5μm波段的红外辐射呈现完全不同的特征，后者只是一些亮点，而前者由于面积大，其热图像基本能够清晰显示出包括舰体、甲板和上层建筑等体现舰艇轮廓的部位，危害极大，因为在这种情况下敌方甚至可以有选择性的攻击舰艇的要害部位。现在反舰导弹的红外成像导引头多工作在8～14μm波段，研究抑制在这一波段的红外辐射具有十分重要的现实意义。那么，如何有效实现如此大面积的红外隐身，首先需要搞清楚发射率的概念。
发射率指物体的辐射能力与相同温度下黑体的辐射能力之比（热辐射投射到物体上会产生吸收、反射和透射现象，能全部吸收辐射能的物体称为“黑体”）。水面舰艇辐射红外能量不仅取决于表面温度，还决定于自身的表面发射率。温度相同的物体，由于表面发射率不同，在红外探测器上会显示出不同的红外图像。物体的发射率与其表面状态（包括物体表面温度、表面粗糙度以及表面氧化层、表面杂质或涂层的存在）有关。因此，目前解决8～14μm波段红外隐身问题的方法主要采用两种方式：一是降低表面温度；二是采用红外隐身材料（或涂料）。
降低表面温度主要通过对全舰喷淋海水实现，从而实现对舰艇热成像图形的人为破坏，使敌方无法找到准确的攻击目标，目前的技术水平能够实现在10分钟左右就将舰体表面温度降到与周围环境温度相仿的状态。而采用红外隐身材料（或涂料）是“治本”的方法。但由于海战环境下对材料（或涂料）的要求较高，例如不仅要求较低的发射率和控温能力，而且还要具有较低的太阳能吸收能力，并能够与雷达隐身的要求兼容，因此虽然许多国家在此领域已经研究了数十年，但一直进展不大，有些能够实现很好的红外隐身，但在白天的环境中反而会更加凸显舰艇的特征。
动静小
如果说雷达隐身和红外隐身都是为了应对水面以上的“魔眼”，那么，声磁隐身则是为了应对水面以下的暗箭。事实上，潜艇和鱼水雷已经成为水面舰艇的最大威胁来源。其中，以捕捉噪声为代表的声呐和以捕捉磁场为代表的磁感应器最为突出。因为声磁场是任何水面舰艇都不可能彻底消除的物理特性，因此，如何最大程度的降低噪声和磁场就成为了声隐身的核心目标。
噪声临界频率水面舰艇的辐射噪声源主要有三类：一是机械噪声，由发动机、减速器和各类设备振动产生；二是螺旋桨噪声，由螺旋桨叶片转动和空化现象产生；三是水动力噪声，由水流辐射以及空腔和附件共振产生。其中，前两者贡献了约90%以上的辐射噪声，是水面舰艇被声呐发现的“罪魁祸首”。实验证明，当水面舰艇辐射噪声降低6dB（分贝）时，可使对方被动声呐作用距离减少50%；当水面舰艇声反射强度降低10dB时，可使对方主动声呐作用距离减少70%，同时可将本舰声呐作用距离提升100%。因此，降低噪声可大幅提升舰艇的隐身能力。
不过，水面舰艇的辐射噪声源头多变、频谱复杂，有效控制各类噪声的难度比较大，需要搞清楚噪声谱型和频率，然后有针对性的采取降噪措施。水面舰艇的辐射噪声谱型分为线谱和连续谱两类，前者是由频率离散的成分组成的谱，主要是机械噪声；后者指由频率在一定范围内是连续成分组成的谱。一般来说，水面舰艇的总辐射噪声是由强线谱和弱连续谱叠加而成，但与航行状态和设备工作状态密切相关，处于时刻变化之中。而这种变化主要表现为谱峰向不同频段位移。通常水面舰艇的噪声频率为1～100Hz声谱的主要成分是机械噪声的线谱，位于100～1 000Hz频率声谱的主要成分则是螺旋桨空化的连续谱。对于水面舰艇来说，这种变化取决于航速，高航速时，主要为低频线谱；低航速时，则为高频连续谱。
舰体表面发射率除3～5μm波段的高温点红外辐射外，水面舰艇还有一类较为明显的红外辐射是面红外辐射。由于舰体表面大面积部位的温度高于环境温度，从而会产生明显的红外辐射特征，这类红外辐射处于8～14μm波段。与3～5μm波段辐射源于自身发热不同，8～14μm波段的红外辐射源于舰艇表面对外部环境辐射的吸收和反射，比如太阳、天空、海面、大气等。由于高温孔口的红外辐射在降温后会转换为8～14μm波段的红外辐射（两者之间转换的临界温度大约在160℃），因此后者所产生的红外辐射在舰体总红外辐射强度中占有相当的比例，是水面舰艇的主要辐射源。
从热成像图上看，8～14μm与3～5μm波段的红外辐射呈现完全不同的特征，后者只是一些亮点，而前者由于面积大，其热图像基本能够清晰显示出包括舰体、甲板和上层建筑等体现舰艇轮廓的部位，危害极大，因为在这种情况下敌方甚至可以有选择性的攻击舰艇的要害部位。现在反舰导弹的红外成像导引头多工作在8～14μm波段，研究抑制在这一波段的红外辐射具有十分重要的现实意义。那么，如何有效实现如此大面积的红外隐身，首先需要搞清楚发射率的概念。
发射率指物体的辐射能力与相同温度下黑体的辐射能力之比（热辐射投射到物体上会产生吸收、反射和透射现象，能全部吸收辐射能的物体称为“黑体”）。水面舰艇辐射红外能量不仅取决于表面温度，还决定于自身的表面发射率。温度相同的物体，由于表面发射率不同，在红外探测器上会显示出不同的红外图像。物体的发射率与其表面状态（包括物体表面温度、表面粗糙度以及表面氧化层、表面杂质或涂层的存在）有关。因此，目前解决8～14μm波段红外隐身问题的方法主要采用两种方式：一是降低表面温度；二是采用红外隐身材料（或涂料）。
降低表面温度主要通过对全舰喷淋海水实现，从而实现对舰艇热成像图形的人为破坏，使敌方无法找到准确的攻击目标，目前的技术水平能够实现在10分钟左右就将舰体表面温度降到与周围环境温度相仿的状态。而采用红外隐身材料（或涂料）是“治本”的方法。但由于海战环境下对材料（或涂料）的要求较高，例如不仅要求较低的发射率和控温能力，而且还要具有较低的太阳能吸收能力，并能够与雷达隐身的要求兼容，因此虽然许多国家在此领域已经研究了数十年，但一直进展不大，有些能够实现很好的红外隐身，但在白天的环境中反而会更加凸显舰艇的特征。
动静小
如果说雷达隐身和红外隐身都是为了应对水面以上的“魔眼”，那么，声磁隐身则是为了应对水面以下的暗箭。事实上，潜艇和鱼水雷已经成为水面舰艇的最大威胁来源。其中，以捕捉噪声为代表的声呐和以捕捉磁场为代表的磁感应器最为突出。因为声磁场是任何水面舰艇都不可能彻底消除的物理特性，因此，如何最大程度的降低噪声和磁场就成为了声隐身的核心目标。
噪声临界频率水面舰艇的辐射噪声源主要有三类：一是机械噪声，由发动机、减速器和各类设备振动产生；二是螺旋桨噪声，由螺旋桨叶片转动和空化现象产生；三是水动力噪声，由水流辐射以及空腔和附件共振产生。其中，前两者贡献了约90%以上的辐射噪声，是水面舰艇被声呐发现的“罪魁祸首”。实验证明，当水面舰艇辐射噪声降低6dB（分贝）时，可使对方被动声呐作用距离减少50%；当水面舰艇声反射强度降低10dB时，可使对方主动声呐作用距离减少70%，同时可将本舰声呐作用距离提升100%。因此，降低噪声可大幅提升舰艇的隐身能力。
不过，水面舰艇的辐射噪声源头多变、频谱复杂，有效控制各类噪声的难度比较大，需要搞清楚噪声谱型和频率，然后有针对性的采取降噪措施。水面舰艇的辐射噪声谱型分为线谱和连续谱两类，前者是由频率离散的成分组成的谱，主要是机械噪声；后者指由频率在一定范围内是连续成分组成的谱。一般来说，水面舰艇的总辐射噪声是由强线谱和弱连续谱叠加而成，但与航行状态和设备工作状态密切相关，处于时刻变化之中。而这种变化主要表现为谱峰向不同频段位移。通常水面舰艇的噪声频率为1～100Hz声谱的主要成分是机械噪声的线谱，位于100～1 000Hz频率声谱的主要成分则是螺旋桨空化的连续谱。对于水面舰艇来说，这种变化取决于航速，高航速时，主要为低频线谱；低航速时，则为高频连续谱。
