隐身技术及其简要原理
隐身技术又称隐形技术,是降低目标原有信号特征的一种“低可探测和跟踪技术”,它实际上就是消除、降低或改变了兵器在动态时所特有的雷达波、红外辐射、声响及可见光等物理信息特征,使现行侦察设备探测不到或探测距离大大缩短,制导系统无法跟踪或跟踪困难的一种技术。因此,隐身技术的实质就是反侦察和反跟踪技术。目前采用较多的隐身技术有反雷达技术、反红外技术、反可见光技术及反声测技术,也称为雷达隐身技术、红外隐身技术、可见光隐身技术和声波隐身技术。
(一)雷达隐身技术
要想提高目标的反雷达探测能力,就必须要减小目标的雷达散射截面积(RCS)。目标的雷达散射截面积可以这样来理解:假定在目标所处的位置上,有一个与入射雷达波束垂直的金属物体,投射在此物上的电磁波能量均匀地向各个方向散射。当雷达接收到的由该金属物体反射回的电磁波强度,与某个目标反射的电磁波能量强度恰好相等时,这时就可理解为目标的雷达波散射截面积与物体的面积等效,这时,我们就可把等效物体的面积当作是目标对雷达波的有效散射截面积(RCS)。科学家们发现,雷达能探测到某个目标的最大距离,在不考虑雷达的技术参数时,与目标的雷达散射截面积的四次方根成正比关系。简言之,当散射截面积增大10 000倍时,探测距离扩大10倍,当散射截面积缩小10 000倍时,探测距离就会降低10倍。可见,要想缩短兵器被雷达探测到的距离,就应千方百计地减小目标的雷达散射截面积(RCS)。具体的措施有:
1.改进外形和结构设计
可采取以下几个技术措施:第一是尽量缩小兵器的体积,减小兵器的表面积;第二是合理控制兵器的整个外形,避免表面采用较大的平面和凸状弯曲面,以抑制镜面强反射;第三是尽量减少兵器外形结构上的垂直相交表面,合理设计腔体,避免出现两面体、角反射的矩形槽等凹状强反射结构,以消除角反射等形成的高强反射;第四是合理设计机翼和尾翼,以使雷达反射波偏离探测(入射)方向,如改平尾翼为后掠翼、三角翼等;第五是去掉兵器外挂等装置,以减少其中存在许多角反射、镜面反射结构;第六是外表各部分尽可能地做到圆滑过渡,避免引起雷达散射突变,减小目标特征。
2.使用雷达吸波和透波材料
隐身材料主要分为雷达吸波材料和雷达透波材料两种。雷达吸波材料是一种能将入射到兵器表面的电磁波转化为热能等其他形式的能量,或使电磁波因干涉而消失,达到吸收雷达波能量的一种材料。雷达透波材料是对雷达波保持透明状态的非金属复合材料,当雷达波辐射到这类材料上时,就如同光线照射到玻璃上时能穿透玻璃一样,能使雷达波穿过它继续向空中辐射,从而有效地降低雷达波沿入射方向反射回传的信号强度,达到隐身目的。雷达透波材料中最普通的有石墨-环氧树脂、凯夫拉等。
3.抑制兵器自身的电磁辐射
兵器在动态时都不同程度地存在着电磁辐射,必须采取有效的措施加以抑制。如尽可能地减少无线电设备、减小电缆的电磁辐射、用低截获概率技术改进电子设备等。
4.应用多重反射技术
任何形式的电磁波在辐射到介质表面时,都不可能将入射能量100%的反射回去,也就是说,电磁波经过反射后,能量都会有所损耗。雷达波在碰到兵器的表面后,反射波的能量约相当于入射波能量的60%~70%,即损耗率为30%~40%。当雷达波照射到兵器表面后,若能在表面形成多次的重复反射,就能使回波信号强度大大下降。如可在兵器的表面开一些较小角度的“V”型槽,这样雷达波在照射到兵器表面后就会在其中反射多次。以每反射一次消耗30%的能量计算,经10次反射后,回波强度就会下降到入射波能量的2.7%,雷达探测到的距离就会大大缩短。
以上措施的综合采用,使隐身兵器对雷达波的有效散射截面得到大幅度下降,如美军的B-1B、B-2A 隐身轰炸机与B-52轰炸机的体积大体相当,但其雷达散射截面却降到了B-52的百分之一到千分之一,被敌雷达探测到的距离下降到B-52的三分之一到十分之一,大大改善了攻击时的隐蔽性,提高了攻击效果。
(二)红外隐身技术
通常情况下,兵器的热辐射源主要有以下三类:一是发动机工作时产生的热源,如发动机的热辐射、喷气束的辐射等;二是各种火器射击时产生的热量,如导弹尾翼的火焰、火炮的炮口(管)等;三是运动体与介质之间的摩擦生热及兵器表面反射的太阳热辐射等。
一般来说,目标与背景之间的热辐射存在着差距,如飞机、导弹、火炮等目标比背景的温度要高出数百至上千度,其辐射能量强度要高出1~3个数量级。正因为如此,使用红外探测设备能将目标从背景中区分出来。红外隐身技术就是从这一点出发,通过降低或改变目标的红外辐射特征,使敌红外侦察系统侦察不到或出现致盲,从而有效降低红外探测概率,提高红外隐身能力。目前所采取的措施有降低红外辐射强度、改变红外辐射特征、调节红外辐射的传输过程、实施红外对抗和干扰等。
(三)可见光隐身技术
实践表明,可见光探测系统的探测效果取决于目标与背景之间的亮度、色度、运动等因素的对比特征(即反差),其中目标与背景之间的反差是最重要的因素。可见光隐身技术就是通过减少目标与背景之间的这种亮度、色度和运动反差特征,控制目标的视觉信号,以降低被可见光探测系统发现的概率,提高目标的生存能力。主要技术措施有:
1.改进目标外形的光反射特征。如飞机和直升机的座舱设计成多面体,用小平面的多向散射取代大曲面的镜面反射,从而将太阳光向四周散射开去,减少光学探测系统发现目标的概率及瞄准、跟踪的时间。
2.控制目标的亮度和色度。
3.控制目标发动机喷口的火焰和烟迹信号。如采用不对称喷口、转向喷口或进行遮挡,改进燃烧室设计让燃料充分燃烧,或在燃油中加入添加剂,以减少烟迹等。
4.控制目标照明和信标灯光。
5.控制目标运动构件的闪光信号。试验表明,使用多叶旋桨和高于16赫兹的旋桨频率,都可有效避免桨叶的闪光信号。
(四)声波隐身技术
声波隐身技术就是控制目标的声波辐射特征,降低声波探测系统探测概率的一种技术。目前所采用和正在研究的声波隐身技术措施有:一是改进发动机和辅助机的设计,降低发动机噪声;二是应用吸声和声阻尼材料,如采用橡皮、塑料等材料,可有效地吸收、遮挡噪声的辐射;三是采用减振和隔声装置;四是增加螺旋桨叶数,以减小对周围介质的扰动噪音。如潜艇螺旋桨由4叶改为7~9叶时,空泡噪声可降低30分贝;美军的F-117A 飞机由于采用了上述多种声波隐身技术,具有极佳的声波隐身效果,使该机有了“耳语喷气机”的美称。