雷達(dá)吸波材料及其在艦艇上的應(yīng)用

2016-10-10 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

美海軍海影號(hào)隱身試驗(yàn)

艦艇的隱身技術(shù)包括任何可減少信號(hào),增加艦艇自身對(duì)抗措施和傳感器功效,并阻止或延遲探測(cè)和識(shí)別的技術(shù)。典型的隱身艦艇設(shè)計(jì)為減少所有光、紅外、聲、磁信號(hào)、雷達(dá)特征信號(hào),并自動(dòng)消除信號(hào)?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,雷達(dá)是探測(cè)目標(biāo)最可靠的手段,其使用比例超過了60%,因此隱身技術(shù)的研究是以目標(biāo)的雷達(dá)特征信號(hào)為重點(diǎn)。有四個(gè)基本技術(shù)可用于減少現(xiàn)代水面艦艇的雷達(dá)特征信號(hào):艦艇外形、被動(dòng)對(duì)消、主動(dòng)對(duì)消以及雷達(dá)吸波材料。對(duì)于低頻雷達(dá),艦艇外形無法提供隱身優(yōu)勢(shì)。如果雷達(dá)波長(zhǎng)為目標(biāo)尺寸的兩倍左右,由于半波諧振現(xiàn)象,仍能產(chǎn)生明顯的回波。被動(dòng)對(duì)消指引入一個(gè)回波源,以消除特定頻率和角度的其他回波源。主動(dòng)對(duì)消指引入一個(gè)傳感器和發(fā)射器發(fā)射電磁波對(duì)入射的雷達(dá)波進(jìn)行干擾。但被動(dòng)對(duì)消和主動(dòng)對(duì)消在實(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)施。雷達(dá)吸波材料(RAM)又稱微波吸收材料,用于消散雷達(dá)波的能量,以防止反射信號(hào)被天線接收。消散過程通常是將無線電頻率能量轉(zhuǎn)化為極少量的熱能。當(dāng)然,雷達(dá)吸波材料無法在任何頻率完全吸收雷達(dá)波,已知的復(fù)合材料都是在某些頻率的吸收能力大于其他頻率,目前還沒有一種雷達(dá)吸波材料能吸收所有頻率的雷達(dá)波。

一.雷達(dá)吸波材料的類型

1 鐵球涂層

軍用中最廣為人知的雷達(dá)吸波材料是鐵球涂層。這種涂層含有覆蓋羰基鐵或鐵酸鹽的微小球體。雷達(dá)波誘導(dǎo)涂料中的交互磁場(chǎng)產(chǎn)生分子振動(dòng),從而使得雷達(dá)能量轉(zhuǎn)化為熱能,隨后熱能傳遞至結(jié)構(gòu)上并消散掉。涂料中的鐵微粒通過分解五羰基鐵獲得,還可能含有一定量的碳、氧和氮。著名的SR-71“黑鳥”偵察機(jī)和F-117“夜鷹”隱形戰(zhàn)斗機(jī)均采用鐵球涂層,其活性分子由5個(gè)一氧化碳分子圍繞1個(gè)鐵原子組成。

圖1 采用鐵球涂層的F-117“夜鷹”隱形飛機(jī)及其涂層分子結(jié)構(gòu)

2 泡沫吸收體

很多種材料都可制成泡沫,如有機(jī)聚合體、金屬和陶瓷。由于可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用所需調(diào)整其標(biāo)準(zhǔn)特性,如密度、絕緣值、選擇性吸收特性等,這些泡沫比其他的材料形式具有更廣泛的應(yīng)用。

很典型的一種泡沫吸收體材料為裝填炭黑的防火聚氨酯泡沫,被切割成長(zhǎng)錐體,錐體從基底到頂端的長(zhǎng)度可根據(jù)期望頻率和吸收量進(jìn)行選擇。對(duì)于低頻抑制,長(zhǎng)度通常為24英寸,高頻的為3~4英寸。RAM板安裝時(shí),頂端向內(nèi)。錐體形的雷達(dá)吸波材料通過兩種方式削弱信號(hào):散射和吸收。當(dāng)發(fā)生散射時(shí),反射波是同相的,但方向遠(yuǎn)離接收器,同時(shí)接收器接收到的波是雜亂的、異相的,從而產(chǎn)生信號(hào)強(qiáng)度降低的效果。這種雜亂散射也發(fā)生在泡沫結(jié)構(gòu)內(nèi),懸浮的碳顆粒增強(qiáng)了干擾破壞的程度。內(nèi)部散射能衰減10 dB左右的能量。同時(shí),錐形的切割角度也可使結(jié)構(gòu)內(nèi)波的反彈量增強(qiáng)。隨著每次反彈,波會(huì)產(chǎn)生能量損失,從而降低信號(hào)強(qiáng)度。

有三家公司在泡沫吸收體的設(shè)計(jì)和制造上具有代表性:

(1)試金石研究實(shí)驗(yàn)室有限公司

由于碳具有化學(xué)惰性、能用于超高溫、低熱膨脹系數(shù)以及電/熱傳導(dǎo)性等獨(dú)特的特性,碳和石墨泡沫已經(jīng)被給予了大量關(guān)注。碳泡沫總的來說分為兩類:石墨碳和非石墨碳。石墨碳泡沫具備較高的熱傳導(dǎo)性和電傳導(dǎo)性,但機(jī)械強(qiáng)度相當(dāng)?shù)汀７鞘寂菽膹?qiáng)度則較高,可作為熱絕緣性,制造成本低。碳泡沫的前體材料有煤、石油或煤焦油瀝青/樹脂,精煉合成樹脂或有機(jī)樹脂等。最早的碳泡沫是簡(jiǎn)單碳化的有機(jī)泡沫或海綿體,現(xiàn)在常用于陶瓷或金屬泡沫的底層。材料被堆積在網(wǎng)狀或“玻璃狀”的碳材料骨架之上,隨后在氧化的環(huán)境下通過熱處理將碳移除。這種碳炮沫的應(yīng)用目前已非常有限。

試金石研究實(shí)驗(yàn)室有限公司已經(jīng)開發(fā)出了前體材料為煤的碳炮沫,稱為CFOAM,這種材料具備輕質(zhì)、防火、吸收碰撞的特性,且可以具備熱絕緣或熱傳導(dǎo)特性。材料的導(dǎo)電性可以在0.01~106Ω間變化。這些特性使得它在雷達(dá)波吸收和電磁屏敝方面是一種理想的寬波段頻率和寬入射角導(dǎo)電體。這種泡沫很容易粘合在金屬和其他相異的材料上,且高溫下機(jī)械性能不會(huì)下降。據(jù)稱,CFOAM碳泡沫雷達(dá)吸收體可用于315℃的高溫,其表面可用機(jī)器加工成復(fù)雜的幾何形狀從而改善微波吸收能力,還可應(yīng)用不同的雷達(dá)透波涂層,能耐紫外線,不會(huì)腐蝕。

圖2 前體材料為煤的碳炮沫微結(jié)構(gòu)

CFOAM可與其他材料結(jié)合制成復(fù)合材料,圖3中的復(fù)合材料包含碳/環(huán)氧、CFOAM、輕質(zhì)木材、CFOAM、碳纖維/環(huán)氧、CFOAM以及玻璃纖維等分層。由于其物理和電子特性的良好可塑性,CFOAM碳泡沫也適合用來制造先進(jìn)的雷達(dá)天線,它可以定制電阻、介電常數(shù)和雷達(dá)反射系數(shù)。

圖3 CFOAM制成的復(fù)合材料

(2)Trelleborg信號(hào)管理公司

Trelleborg信號(hào)管理公司從上世紀(jì)90年代早期開始生產(chǎn)雷達(dá)吸波材料,已有近20年歷史。前身是Woodville聚合體工程和Dowty信號(hào)管理公司,目前是Trelleborg集團(tuán)的一員。該公司目前為英國(guó)國(guó)防部及其合同商的供應(yīng)商,并在世界范圍內(nèi)提供防務(wù)產(chǎn)品。

Trelleborg信號(hào)管理公司設(shè)計(jì)和制造了多種窄波段、寬波段和多層吸收體。這些吸收體有不同的形式,從人造橡膠和泡沫到復(fù)合材料。其雷達(dá)散射和吸收材料能與偽裝、紅外和隔熱材料結(jié)合,為各類水面艦艇提供多譜信號(hào)減弱能力。另外還有用于潛艇的專業(yè)性強(qiáng)的消音材料,可明顯降低輻射噪聲和自身噪聲,這將減小潛艇聲納被探測(cè)和分類的范圍。為了降低被主動(dòng)聲納探測(cè)到的概率,可通過在潛艇船體上施用特殊涂層來吸收或散射聲納能量。

(3)ARC技術(shù)公司

美國(guó)制造商ARC技術(shù)公司作為國(guó)防應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)先的微波吸收材料供應(yīng)商,生產(chǎn)了用于水面戰(zhàn)艦和潛艇的電介質(zhì)材料、復(fù)合材料、雷達(dá)天線屏敝器以及雷達(dá)吸波結(jié)構(gòu)(RAS)。通過改變厚度和泡沫板材的碳裝填等級(jí),泡沫吸收體能變成可調(diào)頻率的。

3 Janumnn吸收體

Janumnn吸收體或Janumnn層是一種雷達(dá)吸收裝置,1943年首次出現(xiàn),其包含兩個(gè)等間隔的反射平面和一個(gè)傳導(dǎo)接地面(conductive ground plane)。Janumnn吸收體與綜合多層Salisbury屏的原理相似,都是采用波干擾的方式消除反射波,是一種共振吸收體。

因?yàn)椴茉趦煞N頻率共振,Janumnn層在一個(gè)波長(zhǎng)的波段產(chǎn)生兩個(gè)吸收最大值(如果采用兩層的配置)。這種吸收體的所有層必須相互平行,且平行于接地面。更復(fù)雜的Janumnn吸收體采用一系列電介質(zhì)平面,隔離導(dǎo)電層,導(dǎo)電層越接近接地面?zhèn)鲗?dǎo)性越高。

二雷達(dá)吸波材料在艦艇上的應(yīng)用

水面艦艇的雷達(dá)特征信號(hào)可被視為來自目標(biāo)的反射信號(hào)與來自一個(gè)橫截面積為1 m2的非常光滑的球體的反射信號(hào)強(qiáng)度的比值。一艘艦船的雷達(dá)特征信號(hào)可簡(jiǎn)單地視為三個(gè)因素的產(chǎn)物:投射橫截面、反射率和方向。在正常的3~18 GHz雷達(dá)范圍內(nèi),由于頻率和偏振的不同,在給定方向上水面艦艇的雷達(dá)回波將會(huì)有幾dB的差異。

低探測(cè)技術(shù)的發(fā)展使得“隱身對(duì)反隱身”的競(jìng)爭(zhēng)持續(xù)進(jìn)行,并將引入到瀕海水域。這直接導(dǎo)致越來越多的先進(jìn)隱身艦艇將用于沿海和瀕海水域,這些艦艇的操作范圍可以從持久智能、監(jiān)視和偵察(ISR)到對(duì)潛艇的遠(yuǎn)距偵察。總體而言,由于制導(dǎo)武器的偵察、跟蹤能力越來越強(qiáng),低探測(cè)性的目標(biāo)參與到瀕海環(huán)境,以及其他反隱身技術(shù)或反低探測(cè)技術(shù)越來越多地用于出口,有觀點(diǎn)認(rèn)為瀕海艦艇的隱身性將成為一個(gè)重要的要素。目前已有許多國(guó)家配置了或正在積極采購(gòu)用于沿海水域的現(xiàn)代隱身艦艇。

1 挪威海軍“Skjold”級(jí)快速響應(yīng)艇

由挪威Umoe-Mandal船廠建造的“Skjold”級(jí)艇是一艘擁有隱身型設(shè)計(jì)的快速響應(yīng)艇。該艇為氣墊雙體船,采用玻璃纖維/碳復(fù)合材料建造,可顯著降低其被探測(cè)的可能性?！癝kjold”級(jí)艇上所用的材料能吸收艇上或空中發(fā)射的輻射能量,并將其轉(zhuǎn)化為熱能,而不是將其反射回去。

該艇與被替代的“Hauk”級(jí)FPB相比,雷達(dá)橫截面減少了90~99%,在所有戰(zhàn)術(shù)波寬上具備優(yōu)秀的隱身性,在北約演習(xí)中證實(shí)了其低探測(cè)性的性能,在其他所有FPB被探測(cè)到的情況下,“Skjolds”級(jí)未被探測(cè)到、未被攻擊。艇上大面積的承重結(jié)構(gòu)采用雷達(dá)吸波結(jié)構(gòu),這與在船體外表面覆蓋雷達(dá)吸波材料的傳統(tǒng)作法相比,明顯減輕了船體重量。該艇在雷達(dá)反射和雷達(dá)吸波材料設(shè)計(jì)方面具有如下特點(diǎn):

1) 無90度夾角;

2) 甲板舾裝件遮蔽保護(hù)或可拆卸;

3) 采用嵌入式平面門和艙口蓋,窗戶也與艇表面齊平,并裝有雷達(dá)反射屏;

4) 燃料輪機(jī)和升力風(fēng)扇進(jìn)氣口覆蓋雷達(dá)吸波格柵/網(wǎng)格;

另外該艇采用的特殊涂層具備很高的紅外吸收特性,其外表的顏色圖樣可減少艦艇的可視信號(hào)。

圖4 挪威海軍“Skjold”級(jí)快速響應(yīng)艇

2 瑞典海軍“Visby”級(jí)導(dǎo)彈輕型護(hù)衛(wèi)艦

該級(jí)艦的首制艦由瑞典Kockums造船公司設(shè)計(jì),由該公司的Karlskrona船廠建造,1996年開工,2000年下水,2005年1月服役。該艦所采用的隱身措施共可減少99%的雷達(dá)橫截面,水上和水下聲音信號(hào)、紅外信號(hào)、電磁信號(hào)以及壓力信號(hào)均被降至最低。

該艦艦體幾乎完全由碳纖維復(fù)合材料建造,重量非常輕,僅為常規(guī)鋼制船體的一半左右,且具備優(yōu)秀的非磁特性,很難被雷達(dá)和紅外探測(cè)器偵察到,同時(shí)也很難被敵方水雷發(fā)現(xiàn)。該艦在外形上盡量避免直角,艦上任何不是必需設(shè)置在艦體外的裝置均被設(shè)置在艦體內(nèi)部,或由特別設(shè)計(jì)的保護(hù)罩保護(hù),天線、傳感器和其他外部設(shè)備(如進(jìn)氣口/排氣口和窗戶等)均為小型、可收縮式,進(jìn)一步降低被探測(cè)的可能。采用柴-燃聯(lián)合動(dòng)力及羅爾斯?羅伊斯噴水推進(jìn)裝置,不僅增強(qiáng)了操縱性,還降低了聲音信號(hào)。該艦的燃?xì)廨啓C(jī)廢氣出口被隱藏在艦尾靠近水面處,因此大大降低了其紅外信號(hào)。

圖5 瑞典海軍“Visby”級(jí)導(dǎo)彈輕型護(hù)衛(wèi)艦

3 德國(guó)海軍“Braunschweig”級(jí)輕型護(hù)衛(wèi)艦

K130型“Braunschweig”級(jí)艦是德國(guó)海軍新一代輕型護(hù)衛(wèi)艦,2008年3月,首制艦正式服役,用來取代年邁的非隱身導(dǎo)彈快速攻擊艇。K130型艦由ARGE K130聯(lián)盟(最初包括B+V、Nordseewerke GmbH Emden(NSWE)和Fr. Lurssen Werft)建造。為減少雷達(dá)特征信號(hào),艦體和上層建筑均傾斜不同的角度,特別是在艦的兩舷,這樣整艦不會(huì)產(chǎn)生大面積的平面,以分散反射的雷達(dá)能量,另外還使用了雷達(dá)吸波材料。

K130艦采用聯(lián)合柴燃-噴水推進(jìn)和精制螺旋槳(CODAG-WARP)推進(jìn)方式。采用創(chuàng)新技術(shù)減少紅外信號(hào),該技術(shù)也同樣被用于MEKO A護(hù)衛(wèi)艦和輕型護(hù)衛(wèi)艦。通過將海水注入柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及柴油發(fā)電機(jī)的排氣管道來降低廢氣溫度,相比空氣冷卻,海水冷卻的方式能將廢氣溫度降到更低的程度。排氣管水平布置于艦的兩舷,排氣口位于水線以上,臨近水線。這樣無需布置用于排放熱廢氣的煙囪,并且由于沒有煙囪,武備、傳感器和艙室能更好地布置。計(jì)算證實(shí)K130是一個(gè)沒有明顯熱點(diǎn)的平臺(tái)。

圖6 德國(guó)海軍“Braunschweig”級(jí)輕型護(hù)衛(wèi)艦

4 法國(guó)海軍“La Fayette”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦

該級(jí)艦是法國(guó)海軍現(xiàn)役的最現(xiàn)代化的艦船,由法國(guó)DCN公司建造,首艦于1996年服役。該艦采用整潔的一體化上層建筑,舷側(cè)的設(shè)計(jì)成帶10度斜角,盡量減少垂直邊,低矮的首樓直接整合到上層建筑中,并采用特殊的雷達(dá)吸波材料(一種木材和玻璃纖維復(fù)合材料,硬度與鋼材相同,但輕質(zhì)、耐火)。樓梯和系泊設(shè)備設(shè)置于艦內(nèi),突出的結(jié)構(gòu)物也均用整潔的表面覆蓋。該艦艦體和上層建筑的設(shè)計(jì)可減少60%的雷達(dá)信號(hào),3000 t的該艦與1200 t艦的雷達(dá)特征信號(hào)相仿。

該艦還裝有干擾發(fā)射器和誘餌發(fā)射器,可產(chǎn)生偽裝的雷達(dá)圖象。采用聯(lián)合柴柴推進(jìn)系統(tǒng)和特別的散熱系統(tǒng)以及用位于桅桿后方的一套小型管系代替煙囪,冷卻排放的廢氣等方式減少熱信號(hào)。通過將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在彈性底座及螺旋槳外覆橡膠等方法來減少噪聲信號(hào)。還配備Prairie Masker主動(dòng)聲偽裝系統(tǒng),可在水下艦體周圍產(chǎn)生氣泡屏障,從而阻擋機(jī)器噪聲,達(dá)到降低噪聲信號(hào)的效果。另外該艦還采用消磁帶來減少磁信號(hào)。

圖7 法國(guó)海軍“La Fayette”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦

5 新加坡海軍“Trident”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦

新一代的艦艇,如新加坡海軍的“Trident”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦,通過采用多種不同的低探測(cè)性技術(shù)來有效的對(duì)抗導(dǎo)彈威脅。如改良船體和上層建筑的外形,還使用了全新的雷達(dá)吸波材料,能將艦船遭遇雷達(dá)制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈的易損性降至最小。艦上搭載被動(dòng)運(yùn)作的HERAKLES相控陣天線,雷達(dá)反射率低。

圖8 新加坡海軍“Trident”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦

三小結(jié)

隨著技術(shù)的發(fā)展,雷達(dá)吸波材料已從涂敷型向結(jié)構(gòu)型轉(zhuǎn)變,即早期的吸波材料多為在機(jī)體表面涂敷一種能吸收雷達(dá)波的涂層,但現(xiàn)在多為將雷達(dá)吸波材料與其他材料一起制成具備吸波能力的復(fù)合材料,作為船體結(jié)構(gòu)的一部分或全部。后者具備強(qiáng)度高、重量輕且兼具功能性的優(yōu)勢(shì),更適合應(yīng)用在隱形飛機(jī)和隱形艦艇上,上文列舉的隱身艦艇也多采用這種材料。另外,還有其他新型的隱身材料也在不斷地研究中,如納米隱身材料、導(dǎo)電高聚物吸波材料、多晶鐵纖維吸波材料等。在不久的將來,新型吸波材料及其相關(guān)技術(shù)可能會(huì)有新的突破。

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