装备隐身技术的智能化发展

王龙,许可俊，汪刘应,刘顾，阳能军，李平，葛超群

(中国人民解放军火箭军工程大学，陕西 西安 710025)

0 引言

随着当前世界面临的新军事变革，导弹、战机、坦克、舰艇等装备系统趋向于精准化和智能化方向发展。导弹武器系统智能化主要体现在控制、制导、引信与隐身等技术方面。隐身技术已经过近大半个世纪的发展，成效斐然。美国率先展开了隐身技术研究，在20世纪80年代就已将该技术实用化于U-2以及SR-71侦察机等军事装备[1]。至今，美国采用最新隐身技术的B-2轰炸机、F-22战斗机一直都倍受世界各国的密切关注。现代战场上的精确制导武器和侦察技术已经日益多样化，美军的 U-2 高空侦察机、RC-135电子侦察机和RQ-4A无人侦察机等多层次立体化先进侦查装备的服役，使得美军的搜索、探测、识别、跟踪及打击目标能力大幅提升。隐身是躲避摧毁与达成突袭的重要手段，可降低或减弱目标特性而提高装备战场生存、突防和打击能力，对夺取未来战争制胜起到至关重要作用[2]。

隐身技术按应对的探测手段可分为可见光隐身、雷达隐身、红外隐身、激光隐身、声隐身等[3-6],分别减弱或控制军事目标的光、电、声等探测特征信号而达到隐身目的。随着体系对抗条件下反隐身技术的不断发展，军事目标将同时面临着雷达探测、高光谱探测、红外探测、激光探测等全频谱的全天侯全天时战场威胁环境。因此，武器系统的隐身技术必将趋向于多频谱兼容和智能自适应2个新方向发展。

1 多频谱兼容隐身

为了规避雷达探测与制导，雷达隐身技术主要通过低雷达散射截面(radar cross section,RCS)外形设计与吸波材料作用,减小目标雷达散射截面，达到安全隐身的目的[7-8]。如图1所示，当前日本的SSM-1岸舰导弹、ASM-2空舰导弹以及瑞典的RBS-15反舰导弹等均采用铁氧体、碳纤维、石墨、SiC纤维、金属微粉等为吸波涂层。近些年，随着导电高分子材料、特殊结构材料、陶瓷、纤维、纳米及其复合材料等逐步在隐身技术上的应用，促使装备隐身材料走向宽频化、轻型化、复合化、纳米化和高温化。GAMMA公司采用新型多晶铁纤维吸收剂制成性能较好的吸波涂层，将其实用到法国导弹装备上，质量比传统金属微粉减轻40%以上[9]。美国F-22猛禽战斗机采用了复合材料和结构，将纳米吸波材料涂层进行优化配置,达到了最优隐身性能。混杂纤维增强复合材料可成为质轻高强的承载结构件，又可用于拓宽吸波频带。陶瓷基复合材料更有助于高温场合保持较好的吸波效果。法国Alcole公司将玻璃、芳酰胺和碳等纤维材料合成复合纤维，并与TiO2混杂制备成耐受1 200 ℃高温的隐身无人机壳体。美国将陶瓷基复合吸波结构材料安装在F-117隐身战机的尾喷管，可承受高温1 100 ℃，有效提升高温隐身性能。

图1 有微波吸收涂层的导弹

现有隐身技术无法覆盖整个电磁谱波段，大多隐身技术只能较好地应对单一波段探测，2种以上的联合探测手段下就无所遁形，不能完全满足实战需求。譬如美军F-117隐身战机，败于伊拉克战争中伊军的毫米波雷达而惨遭击毁。伴随着较为先进的红外、激光、米波雷达以及毫米波雷达等多波段侦察手段的不断发展，亟待发展多频谱兼容的新型隐身技术[10-11]。当前多频谱兼容隐身材料主要有高分子聚合物材料、纳米材料以及氧化物掺杂半导体等[12]，更多是采用多层特殊结构设计与制备工艺形成复合的涂层型、夹层型与多层膜等结构样式。被动红外探测和主动激光探测两者在所处的相同波段范围内存在难以协调的矛盾问题。然而，采用掺杂态Ge/ZnS，SiO2/ITO，Te/ZnS，TiO2/SiO2等膜系结构光子晶体的光子禁带与光子局域效应，形成红外光波段区域的阶跃型反射光谱与挖孔型反射光谱并存现象，较好实现红外高反射特性与1.06，10.6 μm激光陷光特性的兼容[13-16]。由于我国在这一方面的研究起步较晚，多频谱兼容隐身技术并没有得到很好的实装应用。然而，欧美国家的多种战机、舰艇以及导弹却可在一定程度上实现雷达、红外以及可见光等多频谱兼容隐身，提高了武器装备的隐身性能。法国将多种隐身技术应用于图2中的AMX-30DFC坦克以及“勒克莱尔”2015坦克上，有效抑制了红外以及雷达波的反射信号。瑞典的巴拉库达公司研制的BMX-ULCAS型超轻伪装网具有较好的中远红外、可见光以及雷达等多频谱隐身性能。

图2 多频谱兼容隐身坦克

2 智能隐身技术

在武器装备的转场机动运输过程中，存在差异的多域复杂背景变化，静态隐身方式逐渐不能满足战场伪装需求。智能隐身技术[17-19]，又称为自适应隐身技术，能主动感知与分析军事目标不同方位的光电特性变化，主动改变军事目标的可探测特征,使军事目标全天候、全过程、全时段与环境的各种特征信号相匹配，适应背景动态变化，从而显著降低目标被侦测、识别、锁定及攻击的可能性。智能隐身是集感知、决策、执行于一体的系统技术，具备战场环境智能感知功能、信息自主处理功能、目标特征信号智能调节功能。动态隐身过程需要实时处理多种繁冗的复杂背景环境信息，将来必然与人工智能相结合，通过深度学习等算法产生最优的隐身模式及隐身特征信号调控策略。世界各军事强国都在热衷于智能隐身技术研究，主要研究围绕着雷达波、红外、可见光智能隐身以及智能蒙皮等方面展开。

2.1 雷达智能隐身

雷达智能隐身技术能够对周围入射的电磁波进行感知，并实时调整和控制军事目标吸收、反射以及散射雷达波的特性，使得军事目标能够实时融合于复杂多变的电磁环境。目前主要实现途径有自适应伺服装置控制可变外形、主动频率选择表面、电磁参数可调控材料和有源主动隐身技术等[20-21]。美国在自适应伺服装置控制可变外形研究领域处于领先地位，美国航空航天局(national aeronautics and space administration，NASA)和国防高级研究计划局(defense advanced research projects agency，DARPA)早已开展了飞行器的智能变形技术研究且进展较为迅速，将来可望在航空航天、飞航导弹和无人机领域获得应用。主动频率选择表面是在无源频率选择表面中加入可控器件，通过调节等效电路中阻抗特性实现谐振频率的响应特性[22-24]。电磁参数可调控材料能通过施加电压改变其物相从而实现吸波峰值频率的可调谐。目前学者对聚吡咯、聚苯胺等导电聚合物进行掺杂改性，能对其电磁参数和电导率进行相应调节，这些使得在很宽频带内具有非常强的隐身能力。雷达有源主动隐身技术主要包括有源对消、等离子隐身技术等[25-26]。有源对消技术是利用反相电磁波去消除隐身目标表面所产生的反射波。图3中的B-2轰炸机搭载的有源对消系统“ZSR-63电子战系统”能够较好实现主动雷达隐身。由于隐身信号的多参量实时跟踪、控制技术研究依旧存在难以突破的瓶颈，有源对消技术发展仍然不够成熟。等离子隐身技术是通过电磁波与带电粒子的相互作用，使电磁波能量逐渐被吸收与衰减。近年来，俄罗斯的等离子体隐身技术已经超越了美国，取得了相应技术成果。等离子体隐身能够将隐身装备的可探测概率降低99%，促使传统的隐身技术观念发生根本性的变化。此外，通过将有源干扰技术与隐身技术结合使用，更能提高武器装备的生存能力。美国在F-15以及F/A-18等高端战斗机都装有干扰机，且在F-22战机(如图4)等装备加装有小型诱饵系统。有源干扰技术可主动感知敌方的探测手段与工作频率，并结合先进的电子干扰机与诱饵系统形成对抗干扰信号，能更好地规避敌方的侦测、跟踪与打击。

图3 B-2轰炸机

图4 F-22战斗机

2.2 智能光学隐身

传统的迷彩伪装、遮障伪装等静态伪装技术无法与背景环境的光谱细节特性达成一致，不能有效对抗高、超光谱成像侦察技术。智能可见光隐身原理与变色龙、章鱼等生物变色机制相似，通过感知自身所处的环境颜色，主动改变自身颜色。智能变色材料主要分为光致变色、热致变色、电致变色和压敏变色等[27-29]，为实现自适应可见光谱隐身系统提供了可能。法国在2014年巴黎国际防务展上展出的“多光谱活性皮肤”仿生伪装变色材料能够实现电致辐射、反射和发光等特殊功能，通过动态变色使目标类似于变色龙一样与背景融为一体，且对红外探测技术有一定隐身效果。俄罗斯于2018年研制出了隐形的头盔，能够针对周围环境变化而改变颜色，俄军可使用这种头盔在战场上发挥出惊人的隐身优势。美国养马人湖空军基地已经着手研究在计算机程序控制下实现掺杂导电聚合物电致变色器件的色彩与亮度调节，力图使飞机与背景环境达到类似图5所示的自适应可见光隐身功能。基于LED灯等方式的光谱亮度主动补偿旳自适应伪装技术[30]，也能使军事目标很好地融合背景环境。通过实时监测背景环境的光谱特征，并自主计算军事目标所需的相应补偿量，通过控制补偿发光系统实时补偿军事目标相对于背景环境所差的光谱亮度。超材料能使得物体表面的电磁波绕过其表面继续向前传播，导致侦察器材或人眼无法接收到物体表面的返回波而无法成像，达到了隐身的效果。加拿大研究人员通过使光波弯曲后绕过物体继续传播的方式，研制出图6所示的一款在可见光、红外探测及热成像侦察系统都具备隐身能力的神奇“量子隐形衣”。

图5 可见光自适应隐身飞行器

图6 量子隐形衣

传统红外隐身技术一般采用具有低发射率隐身涂料控制发射率，或者采用隔热、吸热材料控制目标温度，但这些静态伪装技术不可避免地可能导致目标与环境融合程度不同，导致隐身失败。自适应红外隐身技术能使被探测目标的红外辐射特性随环境的红外辐射特性自动发生相应协调变化,从而达到动态红外隐身目的。电致变色材料因其出色的发射率可调优势而受到各热控领域的广泛研究。美国Florida大学、California大学等在军方资助下对聚噻吩及其衍生的电致变发射率器件开展了大量红外自适应隐身研究[31]。然而，电致变温和变发射率材料的研究仍然不够成熟，存在温度控制精度不够高、随动控制灵敏度不够好等缺陷。

2.3 智能蒙皮

美国空军于20世纪80年代最先构想了智能蒙皮技术，拟计划将射频功能件、光纤传感器、微处理装置、微型电子元件、功能材料、天线阵列等嵌入到航天器、战机、军舰、潜艇等武器系统的外层或内部结构体中以实现监视、预警、隐身和通信等多项功能。智能蒙皮要求材料具备耐高温、高强度的同时质量轻，因此需采用满足条件的新型复合材料，将传感器阵列和光纤传输系统完美地嵌入蒙皮内部，这两项技术目前也是世界各国正在攻克的技术瓶颈。美国BMDO于1996年开始计划在弹道导弹预警卫星与导弹天基防御系统的复合材料蒙皮中植入射频天线、光纤传感器、激光传感器等器件，对非对称打击威胁进行实时监视和预警[32]。俄罗斯苏-35BM战斗机采用了第五代战机“未来前线战斗机(PAK-FA)”的电子战智能蒙皮系统设计。英国航宇系统公司与西门子联合正在研制具备雷达、通信、主动隐身等系统功能于一体的欧洲战斗样机智能蒙皮。另外，智能蒙皮一体化关键技术还包括共形天线、光纤智能隐身、智能隐身特性综合优化等技术层面。美国雷神公司于2012年采用主动频率选择表面研制出了人工可控电磁透波特性的复合蒙皮材料[33]。美国于2015年已将研制的超材料智能蒙皮技术应用至F/A-18“大黄蜂”的垂尾，实现机载通信天线和合成孔径雷达的共形设计，提高了装备系统的隐身性能。

3 结束语

装备隐身技术对现代体系作战的复杂战争环境中武器装备的生存、突防和打击能力具有非常重要意义。国内外隐身领域普遍热衷于利用多元纳米复合与人造特殊结构等技术，使得武器装备隐身涂层逐渐趋向于“厚度薄、质量轻、频带宽、耐热好”。然而，现有静态隐身技术依然存在频段兼容不够宽、宽波段性能不均、动态可调可控性差等局限性。当前雷达波、红外、可见光等自适应伪装技术逐步取得了重大突破，但离实装工程化应用尚有差距。由此，当前隐身技术不能有效支撑未来体系作战下多频谱平衡、多特征域综合、跨域复杂背景高度融合与匹配等伪装发展需求。

世界各国军事实力竞争日益激烈，研发多频谱兼容隐身技术与智能隐身技术已经成为未来发展的必然趋势。智能隐身装备壳体必选择将感知、处理与控制、执行集中于一体的智能蒙皮样式。在现状条件下，智能隐身材料是制约装备隐身技术突破的一项技术瓶颈，发展全新的隐身材料、隐身结构与隐身机理是突破智能隐身技术瓶颈的关键途径，对构建我国及火箭军自有的隐身体系具有十分深远的意义。随着传感器、人工智能、超材料、纳米材料、复合材料、智能材料等技术逐步成熟，相信智能隐身技术实装应用是指日可待。