雷達吸波材料及其在艦艇上的應用

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

美海軍海影號隱身試驗

艦艇的隱身技術包括任何可減少信號,增加艦艇自身對抗措施和傳感器功效,并阻止或延遲探測和識別的技術。典型的隱身艦艇設計為減少所有光、紅外、聲、磁信號、雷達特征信號,并自動消除信號。現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,雷達是探測目標最可靠的手段,其使用比例超過了60%,因此隱身技術的研究是以目標的雷達特征信號為重點。有四個基本技術可用于減少現(xiàn)代水面艦艇的雷達特征信號:艦艇外形、被動對消、主動對消以及雷達吸波材料。對于低頻雷達,艦艇外形無法提供隱身優(yōu)勢。如果雷達波長為目標尺寸的兩倍左右,由于半波諧振現(xiàn)象,仍能產(chǎn)生明顯的回波。被動對消指引入一個回波源,以消除特定頻率和角度的其他回波源。主動對消指引入一個傳感器和發(fā)射器發(fā)射電磁波對入射的雷達波進行干擾。但被動對消和主動對消在實際應用中難以實施。雷達吸波材料(RAM)又稱微波吸收材料,用于消散雷達波的能量,以防止反射信號被天線接收。消散過程通常是將無線電頻率能量轉化為極少量的熱能。當然,雷達吸波材料無法在任何頻率完全吸收雷達波,已知的復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吸波材料能吸收所有頻率的雷達波。

一.雷達吸波材料的類型

1 鐵球涂層

軍用中最廣為人知的雷達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。雷達波誘導涂料中的交互磁場產(chǎn)生分子振動,從而使得雷達能量轉化為熱能,隨后熱能傳遞至結構上并消散掉。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”偵察機和F-117“夜鷹”隱形戰(zhàn)斗機均采用鐵球涂層,其活性分子由5個一氧化碳分子圍繞1個鐵原子組成。

圖1 采用鐵球涂層的F-117“夜鷹”隱形飛機及其涂層分子結構

2 泡沫吸收體

很多種材料都可制成泡沫,如有機聚合體、金屬和陶瓷。由于可根據(jù)實際應用所需調(diào)整其標準特性,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,被切割成長錐體,錐體從基底到頂端的長度可根據(jù)期望頻率和吸收量進行選擇。對于低頻抑制,長度通常為24英寸,高頻的為3~4英寸。RAM板安裝時,頂端向內(nèi)。錐體形的雷達吸波材料通過兩種方式削弱信號:散射和吸收。當發(fā)生散射時,反射波是同相的,但方向遠離接收器,同時接收器接收到的波是雜亂的、異相的,從而產(chǎn)生信號強度降低的效果。這種雜亂散射也發(fā)生在泡沫結構內(nèi),懸浮的碳顆粒增強了干擾破壞的程度。內(nèi)部散射能衰減10 dB左右的能量。同時,錐形的切割角度也可使結構內(nèi)波的反彈量增強。隨著每次反彈,波會產(chǎn)生能量損失,從而降低信號強度。

有三家公司在泡沫吸收體的設計和制造上具有代表性:

(1)試金石研究實驗室有限公司

由于碳具有化學惰性、能用于超高溫、低熱膨脹系數(shù)以及電/熱傳導性等獨特的特性,碳和石墨泡沫已經(jīng)被給予了大量關注。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性和電傳導性,但機械強度相當?shù)?。非石墨碳泡沫的強度則較高,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樹脂等。最早的碳泡沫是簡單碳化的有機泡沫或海綿體,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。這種碳炮沫的應用目前已非常有限。

試金石研究實驗室有限公司已經(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特性。材料的導電性可以在0.01~106Ω間變化。這些特性使得它在雷達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,且高溫下機械性能不會下降。據(jù)稱,CFOAM碳泡沫雷達吸收體可用于315℃的高溫,其表面可用機器加工成復雜的幾何形狀從而改善微波吸收能力,還可應用不同的雷達透波涂層,能耐紫外線,不會腐蝕。

圖2 前體材料為煤的碳炮沫微結構

CFOAM可與其他材料結合制成復合材料,圖3中的復合材料包含碳/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的雷達天線,它可以定制電阻、介電常數(shù)和雷達反射系數(shù)。

圖3 CFOAM制成的復合材料

(2)Trelleborg信號管理公司

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

Trelleborg信號管理公司設計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合材料。其雷達散射和吸收材料能與偽裝、紅外和隔熱材料結合,為各類水面艦艇提供多譜信號減弱能力。另外還有用于潛艇的專業(yè)性強的消音材料,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和分類的范圍。為了降低被主動聲納探測到的概率,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技術公司

美國制造商ARC技術公司作為國防應用領域領先的微波吸收材料供應商,生產(chǎn)了用于水面戰(zhàn)艦和潛艇的電介質(zhì)材料、復合材料、雷達天線屏敝器以及雷達吸波結構(RAS)。通過改變厚度和泡沫板材的碳裝填等級,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層是一種雷達吸收裝置,1943年首次出現(xiàn),其包含兩個等間隔的反射平面和一個傳導接地面(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。

因為波能在兩種頻率共振,Janumnn層在一個波長的波段產(chǎn)生兩個吸收最大值(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。更復雜的Janumnn吸收體采用一系列電介質(zhì)平面,隔離導電層,導電層越接近接地面?zhèn)鲗栽礁摺?

二雷達吸波材料在艦艇上的應用

水面艦艇的雷達特征信號可被視為來自目標的反射信號與來自一個橫截面積為1 m2的非常光滑的球體的反射信號強度的比值。一艘艦船的雷達特征信號可簡單地視為三個因素的產(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回波將會有幾dB的差異。

低探測技術的發(fā)展使得“隱身對反隱身”的競爭持續(xù)進行,并將引入到瀕海水域。這直接導致越來越多的先進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)到對潛艇的遠距偵察?？傮w而言,由于制導武器的偵察、跟蹤能力越來越強,低探測性的目標參與到瀕海環(huán)境,以及其他反隱身技術或反低探測技術越來越多地用于出口,有觀點認為瀕海艦艇的隱身性將成為一個重要的要素。目前已有許多國家配置了或正在積極采購用于沿海水域的現(xiàn)代隱身艦艇。

1 挪威海軍“Skjold”級快速響應艇

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

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

1) 無90度夾角;

2) 甲板舾裝件遮蔽保護或可拆卸;

3) 采用嵌入式平面門和艙口蓋,窗戶也與艇表面齊平,并裝有雷達反射屏;

4) 燃料輪機和升力風扇進氣口覆蓋雷達吸波格柵/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。

圖4 挪威海軍“Skjold”級快速響應艇

2 瑞典海軍“Visby”級導彈輕型護衛(wèi)艦

該級艦的首制艦由瑞典Kockums造船公司設計,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%的雷達橫截面,水上和水下聲音信號、紅外信號、電磁信號以及壓力信號均被降至最低。

該艦艦體幾乎完全由碳纖維復合材料建造,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,很難被雷達和紅外探測器偵察到,同時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置在艦體外的裝置均被設置在艦體內(nèi)部,或由特別設計的保護罩保護,天線、傳感器和其他外部設備(如進氣口/排氣口和窗戶等)均為小型、可收縮式,進一步降低被探測的可能。采用柴-燃聯(lián)合動力及羅爾斯?羅伊斯噴水推進裝置,不僅增強了操縱性,還降低了聲音信號。該艦的燃氣輪機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。

圖5 瑞典海軍“Visby”級導彈輕型護衛(wèi)艦

3 德國海軍“Braunschweig”級輕型護衛(wèi)艦

K130型“Braunschweig”級艦是德國海軍新一代輕型護衛(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。為減少雷達特征信號,艦體和上層建筑均傾斜不同的角度,特別是在艦的兩舷,這樣整艦不會產(chǎn)生大面積的平面,以分散反射的雷達能量,另外還使用了雷達吸波材料。

K130艦采用聯(lián)合柴燃-噴水推進和精制螺旋槳(CODAG-WARP)推進方式。采用創(chuàng)新技術減少紅外信號,該技術也同樣被用于MEKO A護衛(wèi)艦和輕型護衛(wèi)艦。通過將海水注入柴油發(fā)動機及柴油發(fā)電機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。計算證實K130是一個沒有明顯熱點的平臺。

圖6 德國海軍“Braunschweig”級輕型護衛(wèi)艦

4 法國海軍“La Fayette”級護衛(wèi)艦

該級艦是法國海軍現(xiàn)役的最現(xiàn)代化的艦船,由法國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,舷側的設計成帶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,并采用特殊的雷達吸波材料(一種木材和玻璃纖維復合材料,硬度與鋼材相同,但輕質(zhì)、耐火)。樓梯和系泊設備設置于艦內(nèi),突出的結構物也均用整潔的表面覆蓋。該艦艦體和上層建筑的設計可減少60%的雷達信號,3000 t的該艦與1200 t艦的雷達特征信號相仿。

該艦還裝有干擾發(fā)射器和誘餌發(fā)射器,可產(chǎn)生偽裝的雷達圖象。采用聯(lián)合柴柴推進系統(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。通過將發(fā)動機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。還配備Prairie Masker主動聲偽裝系統(tǒng),可在水下艦體周圍產(chǎn)生氣泡屏障,從而阻擋機器噪聲,達到降低噪聲信號的效果。另外該艦還采用消磁帶來減少磁信號。

圖7 法國海軍“La Fayette”級護衛(wèi)艦

5 新加坡海軍“Trident”級護衛(wèi)艦

新一代的艦艇,如新加坡海軍的“Trident”級護衛(wèi)艦,通過采用多種不同的低探測性技術來有效的對抗導彈威脅。如改良船體和上層建筑的外形,還使用了全新的雷達吸波材料,能將艦船遭遇雷達制導反艦導彈的易損性降至最小。艦上搭載被動運作的HERAKLES相控陣天線,雷達反射率低。

圖8 新加坡海軍“Trident”級護衛(wèi)艦

三小結

隨著技術的發(fā)展,雷達吸波材料已從涂敷型向結構型轉變,即早期的吸波材料多為在機體表面涂敷一種能吸收雷達波的涂層,但現(xiàn)在多為將雷達吸波材料與其他材料一起制成具備吸波能力的復合材料,作為船體結構的一部分或全部。后者具備強度高、重量輕且兼具功能性的優(yōu)勢,更適合應用在隱形飛機和隱形艦艇上,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技術可能會有新的突破。

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