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大学军事理论教程(第二版)
1.4.3.1 一、隐身技术

一、隐身技术

(一)隐身技术概述

1.什么是隐身技术

“隐身”一词源于英国作家威尔斯1879年的一部科幻小说《隐身人》,书中主人公服用一种药水后,就可以使别人看不见他的肉体。

隐身技术在军事上,又称隐形技术或低可探测技术。它是通过各种技术措施,降低武器装备等目标的信号特征,使其不易被敌方发现、识别,或遭到攻击。

2.隐身技术的产生和发展

隐身技术是第二次世界大战后出现的重大军事技术之一,它在现代战争中起着举足轻重的作用,是新一代突防兵器取胜的关键。

第二次世界大战期间,德国曾设计制造飞翼式喷气试验机,在潜艇上尝试使用吸波材料,这便是当今雷达隐身技术中的外形隐身和材料隐身的首次应用。

战后美国率先开始了对隐身技术的研究,但当时对这一技术的重要性尚缺乏全面和足够的认识,基础理论研究也未被重视,因此发展缓慢。期间美国仅在SR-71和U-2高空侦察飞机上进行雷达隐身和红外隐身的尝试。

进入20世纪60年代,以美、苏为代表的包括部分西方国家有计划地开始了隐身技术的研究和试验工作,特别是把基础理论研究放到了重要的位置。其中电磁散射机理、雷达散射截面计算、目标红外辐射特征和雷达吸波材料的研究都获得了重要进展。美国研究发现了铁氧体对雷达波的强力吸收,且对铁氧体材料的实用性研究取得重要突破。从20世纪70年代中期,美国提出的各种隐身飞行器的方案设计成功地应用了上述各项研究成果,并开始设计研制F-117A型隐身战斗机。

隐身技术基础研究的快速发展,有力地推动了应用研究。20世纪80年代初期开始,美国在各种新设计的武器系统中,如先进巡航导弹(ACM)计划,也将隐身技术列为武器系统战术技术要求的重要组成部分。美、法、英、瑞、以等国还开展了隐身舰艇的研制,特别是如何应用声频隐身技术。如美国研制了“海影”号隐身试验艇,瑞典研制了“司米奇”隐身试验艇,而法国制造的“费耶特”号隐身护卫舰和以色列制造的“埃拉特”护卫舰已开始服役,俄罗斯成功地在现役坦克上采用了毫米波和红外隐身涂料,美国还成功研制了举世瞩目、隐身能力极强的F-117A隐身战斗机和B-2隐身战略轰炸机等。20世纪80年代开始,隐身技术的发展进入了快车道。

(二)隐身技术的基本原理

由于现代战场上的侦察探测技术主要使用雷达、红外、电子、可见光和声波等作为工具,所以隐身技术也主要体现在反雷达、反红外、反电子、反可见光和反声波等五个方面,也可简称为雷达隐身技术、红外隐身技术、电子隐身技术、可见光隐身技术和声波隐身技术。

1.雷达隐身技术

要了解雷达隐身,必须首先了解雷达在侦察探测过程中是如何工作的。雷达要探测某一方位上的军事目标,必须对该目标发射一雷达波束实施照射,雷达波遇到目标后,由于军事目标(如舰艇、导弹、飞机等)形状各异,波束将向四面八方散射,其中与入射波方向一致的那一小部分反射波被雷达接收机接收,经放大处理后在显示器上显示出目标的有关数据或图像。目标要增强自身的隐身能力,就必须使与入射波方向一致的那部分反射波尽可能减弱,即减小目标的雷达散射截面积。

为了减少目标对雷达波的反射,世界各国主要通过改变外形与结构设计,使用各种吸波、透波材料等手段。

(1)外形隐身。

武器装备的外形直接决定着雷达截面积的大小。合理的外形设计不仅能减弱武器装备反射雷达波的强度,而且还能使某些方向上的雷达波相互抵消。隐身武器装备在外形设计上,通常会避免大平面、大凸状弯曲面,以抑制镜面反射(雷达波垂直入射到目标表面所产生的反射,它是雷达散射截面积的主要组成部分);采用多面体或多角体结构,避免出现两面体、角反射器的矩形槽等凹状反射结构;采用转折处尽可能圆滑过渡,取消外挂吊舱,设置嵌式机舱,尽可能减少外露武器装备和设备。因此,隐身武器装备,如美国的F-117A重型战斗机、B-2战略轰炸机,都有古怪奇特的外形,其目的就是依靠这种奇特的外形来削弱敌方雷达波的反射强度,使敌方雷达无法发现目标,从而达到雷达隐身的效果。

(2)材料隐身。

采用对雷达波具有吸收和透射能力的材料,是武器装备实施雷达隐身的一项重要技术。目前研制的雷达吸波材料和雷达透波材料,按其使用方法可分为涂料型和结构型。在减小雷达散射截面积方面,透波材料所起的作用并不大,主要是使用雷达吸波材料。

雷达吸波材料是将电能转换成其他形式的能量或使电磁波因干涉而消失的一种材料。当前被各国广泛采用的涂料型吸波材料是各种铁氧体材料,它被涂抹在武器系统的外表。结构型吸波材料是以非金属材料为基体,经装填吸波材料所形成一种既能减弱电磁波的散射,又能承受一定载荷的结构型复合材料。目前较多采用以环氧树脂和热塑材料为基体,装填铁氧体、石墨等结构型吸波材料。

雷达透波材料是一种透过电磁波,减少电磁波反射的材料,由于透波材料所起的作用较小,所以只有少量材料被采用。

(3)等离子体隐身。

等离子体是空气分子在外界作用下,部分或全部被电离成电子和离子,这些电子、离子和中性的分子、原子混合在一起便构成了等离子体。等离子体对电磁波的传播有很大影响。在某种条件下,等离子体能够反射电磁波;在另一条件下,等离子体又能吸收电磁波。当存在磁场时,在等离子体沿磁场方向传播的电磁波极化方向会产生旋转,从而使雷达接收的回波极化方向与反射时不一致,造成失真。

俄罗斯克尔德什研究中心研制出的新的飞机等离子体隐身技术,在不需改变飞机外形结构的情况下,可使飞机被雷达发现的概率极大降低。他们利用等离子体发生器、发生片或放射性同位素在飞机表面形成一层等离子体“云团”,好似给飞机穿上了“隐身衣”。当雷达波照射到等离子体“云团”上,就会与等离子体的带电粒子相互作用,把部分能量传递给带电粒子,而自身能量逐渐衰减,同时受一系列物理作用的影响,电磁波绕过等离子体,从而使反射回雷达接收机的能量大幅减少。

等离子体隐身吸波频带宽,吸收率高,隐身效果好,使用简便,价格便宜,特别是无须改变飞机的外形以牺牲飞机的飞行性能获得隐身效果。据报道,可与美国高性能战机F-22相抗衡的俄罗斯最新战斗机米格1.44(又称MF1)就采用了等离子体隐身技术。

(4)其他隐身。

国外正在研发的其他雷达隐身技术有:对消隐身技术、有源与无源电磁干扰隐身技术、微波传播指示隐身技术等。

2.红外隐身技术

我们知道,温度高于绝对零度(即-273℃)的任何物体都在不停地向外辐射红外线,通常情况下,物体的温度越高,辐射红外线的能力越强。飞机、坦克、舰艇、导弹等军事目标均属于强红外辐射目标。目前研究发展的红外探测技术,就是利用目标和背景辐射红外线的差异,即辐射的强度和频率不同,将目标和背景区分开来,从而达到侦察的目的。

与红外探测相对应的红外隐身技术,就是寻找对抗红外探测系统的技术措施。要使对方的红外探测系统难以发现目标,就要设法隐蔽目标的红外信息特征,核心是隐蔽目标的红外辐射强度和辐射波段。当前,尽管为此目的采用了诸多技术措施,但基本可以归纳为以下三个方面的技术。

(1)减弱目标的红外辐射强度。

减弱目标的红外辐射强度是红外隐身的主要技术措施。飞机、坦克、舰艇等兵器的红外辐射的主要部位是其自身的发动机,因此有的飞机采用散热量小的高函道比的涡轮风扇发动机,坦克采用陶瓷绝热发动机等。对发动机的进、排气管的形状、材料、安装方向进行整合改造,采用新型喷嘴,使燃油充分燃烧,减弱红外辐射;使用新型燃料以降低排气的红外辐射等。兵器的另一重要红外辐射部位是其表面。当兵器在高速运动时,其表面与空气摩擦产生较强的红外辐射。为此各隐身兵器在表面采用涂敷红外隐身涂料,在涂料中加入隔热和抗红外成分,以抑制兵器表面的红外辐射。

(2)改变目标的红外辐射波段。

改变目标的红外辐射波段,使处于红外探测器的响应波段范围之外,也就是说使其红外辐射波段避开三大大气窗口而在大气层中被吸收和散射掉,从而达到隐身的目的。当前较多采用的技术措施如:用可以改变红外辐射波长的异型喷管,改变推进剂的组合以改变红外辐射的波长等。

(3)采取红外干扰措施。

采取红外干扰措施,使对方红外探测系统无法获取目标的准确信号,也是红外隐身技术的一项重要措施。当前常用的有投放红外诱饵、发射红外干扰信号等。

3.电子隐身技术

各军用目标除了容易被对方的雷达和红外探测系统发现外,它们自身所携带的电子设备因不停地辐射电磁波也容易被对方的电子侦察系统发现。为了使目标不被性能越来越高的电子侦察系统发现,作为抑制目标本身所产生的电磁信号特征的反电子侦察隐身技术,也就成为一项重要的隐身技术。

武器装备自身的电磁辐射源主要为其构成中的各种电子设备,如雷达、通信设备、控制系统、电子对抗系统、电子探测系统等。通常采用抑制目标自身电磁辐射的主要技术措施有以下几个方面。

(1)尽量减少无线电设备。如用红外设备替代多普勒雷达;用激光高度表替代雷达高度表;用全球卫星定位系统替代无线电导航系统等。

(2)采用低截获概率技术改进电子设备。如采用发射功率自动管理技术。雷达一旦捕获到目标,其发射功率即刻自动降至跟踪目标所需功率的最小值,并随着逐渐接近目标继续自动降低发射功率;在时间、空间和频谱方面控制无线电设备的电磁波发射;采用频率捷变技术,以降低信号被探测和识别的概率;武器装备等目标多采用被动雷达等电子探测系统,使其处于无源状态等。

(3)减少电缆的电磁辐射。如尽量缩短各种电子设备间的距离,用光缆取代电缆连接各电子设备等。

(4)避免电子设备天线的被动反射。如将天线做成能嵌入目标体内的结构,不使用时将天线收回体内等。

(5)对电子设备实施屏蔽。如改进武器装备的结构,采用特殊材料或涂料,以减少向外辐射电磁波等。

4.可见光隐身技术

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、运动这三个视觉信号参数的对比特征,其中目标与背景之间的亮度比是最重要的因素。目标的结构体和表面的光反射,发动机喷口的喷焰、尾流和烟迹,灯光和照明光等均为目标的亮度源。当目标亮度与背景亮度对比非常大时,就容易被视觉探测发现;如果双方的亮度比相当,但色度比大也容易被视觉探测发现;当目标对背景呈现强烈的亮度、色度时,目标相对于背景的运动很容易被探测。可见光隐身技术,就是通过减少目标与背景间的亮度、色度和运动的对比特征,达到对目标视觉信号的控制,从而降低敌方可见光探测系统发现的概率。当前使用的可见光隐身技术主要有以下几点。

(1)改进目标外形的光反射特征。如飞机的座舱罩采用小平面的多面体代替曲面体外形,这种座舱罩能将太阳光向各个方向散射,从而减小目标被光学探测系统发现的概率。美国陆军的贝尔AH-IS“眼镜蛇”直升机的座舱由圆拱形透明罩改为7个平面组成的多面体,隐身性能大大提高。

(2)控制目标的亮度和色度。如在武器装备的表面涂敷迷彩涂料或挂伪装网,使目标与背景的亮度和色度匹配。在夏季,最常见的迷彩是绿色、暗褐色和砂土色。绿色具有植物树叶和青草的特色,暗褐色具有阴暗地段、潮湿土地的颜色,砂土色具有光亮土壤和干燥耕地的颜色。冬季则用白色和暗褐色。据悉,某些国家正在研制一种涂料能随环境亮度变化而改变自身的亮度与色度,以保证目标与背景随时处于一致的状态。

(3)降低目标发动机喷口的火焰和烟迹信号。实际使用中常采取以不对称喷口降低喷焰温度,从而降低喷焰光强;采用转向喷口或进行遮挡,使目标在探测方向上减小发光暴露区;改进燃烧室设计,在燃料中加入添加剂,使燃料充分燃烧并减少烟迹等。

(4)控制目标的照明和信标灯光。如对夜间照明和信标灯光多的军事目标实行灯火管制,对必要的灯光在一定的角度范围内进行遮挡。

(5)改变目标运动构件的闪光信号。试验表明,飞机二叶螺旋桨的闪烁信号要高于四叶或多叶螺旋桨,高于16赫兹的螺旋桨频率可以避免螺旋桨叶的明显闪光信号。这方面的研究正在深入进行中。

5.声波隐身技术

声波隐身技术也叫声频特征信号控制技术,就是控制目标的声波辐射特征,以降低敌方声波探测系统对目标的探测概率的技术。

许多武器装备(如飞机、坦克和潜艇等)都要向周围介质(如空气、大地和水等)辐射高能级噪声声波,易被敌方噪声传感器、声纳等声波探测系统发现。目标的噪声源主要是发动机等机械的工作噪声,目标及其部件(如螺旋桨)运动和排气对周围介质的扰动声,以及目标体与构件的振动噪声等。为了降低目标向周围介质传播的噪声,目前研究和采用的技术措施主要有以下几条。

(1)改进发动机和辅助机的设计、研制超低噪声的发动机和辅助机。

(2)使用吸声和阻尼声材料。如使用橡皮、塑料等非结构型雷达吸波装置,既可降低雷达散射截面积,又可作为噪声阻尼器衰减机械振动等。

(3)采用减振和隔声装置。采用双弹性支承基座、橡胶和软塑料座舱及履带等,可以起到减振作用;采用隔声罩、消声器、消声瓦等可以隔声。

(4)减小螺旋桨运动对介质的扰动噪声。如增加螺旋桨叶数并降低旋速,舰艇采用主动气幕降噪法等。

(5)合理进行目标整体设计,以避免发生共振现象。

采用上述技术措施虽能降低噪声,但不能完全消除噪声。因此,消除目标的噪声问题目前还未能从根本上解决。

(三)几种主要隐身兵器简介

当前,隐身技术已由基础理论研究阶段进入实用阶段,特别是20世纪80年代以来,由于各种隐身技术取得重大突破,加之战争对武器装备的隐身要求,使得隐身武器装备异军突起。各种隐身技术的综合运用,导致一系列新型隐身武器装备的问世。目前,美国和欧洲一些发达国家已先后研制出隐身轰炸机、隐身战斗机、隐身侦察机、隐身巡航导弹、隐身舰艇和隐身坦克等。

1.隐身飞机

很多国家对飞机隐身技术的研究,都投入了大量的人力、物力和财力,并取得了许多突破性进展。因此,飞机隐身技术代表了当前隐身技术应用于军事领域的最高水平。美国的飞机隐身技术的研究又领先于其他国家,它的F-117A、B-2、F-22等飞机代表了当今世界隐身兵器的先进水平。F-117A隐身攻击机和B-2战略隐身轰炸机已投入实战,在海湾战争、科索沃战争和伊拉克战争中均发挥了重要作用。

(1)F-117A隐身战斗轰炸机。

F-117A隐身战斗轰炸机(图5-42)是由美国洛克希德公司研制生产的,它的隐身技术措施主要有:一是它的奇特外形。它采用后掠翼和V型尾翼,V型尾翼间的夹角小于90°,使其不会成为向上的强反射体,同时也不会与其他表面构成两面体。机身为多角多面锥体菱形结构,外表几乎是由许多小平面拼合而成,以抑制和散射雷达波。二是机身机翼融为一体,飞机下部没有突出部和外挂物,导弹、炸弹等武器全部在机身或机翼内。三是发动机进气口和排气口都装有吸波挡板,进气口和排气口也都在机身上部,并装有降低雷达截面积和红外辐射特征的装置。四是大量使用复合材料。全机纯金属材料不超过结构重量的5%,有效地缩小了雷达反射截面积。五是采用各种吸波材料。有的还涂有红外隐形涂层,以降低机体与背景的对比度。六是取消了发射功率强大的微波雷达,整个飞机几乎不装任何有源传感器,以降低电磁辐射达到隐身效果。

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图5-42

F-117A由于采取了上述种种隐身技术措施,使其获得了极佳的隐身效果。它的雷达散射截面积仅为0.01—0.1米2,比常规飞机的雷达散射截面积缩小2—3个数量级,它的红外特征和噪声也显著减小。这使得该机成为一种名副其实的隐身战斗机。在1991年海湾战争中,美军出动了全部56架F-117A中的48架,在38天的空袭中,共出动1296架次,其击毁的战略目标占伊拉克被美军击毁的战略目标的40%,而其自身在这场战争中却无一损失。这充分证明了F-117A的出众的隐身效果。

(2)B-2隐身战略轰炸机。

B-2隐身战略轰炸机是由美国诺斯罗普公司研制生产的。该机于1989年首次试飞,于1999年在科索沃战争中首次使用。如果说F-117A主要是通过多面体外形设计达到隐身的目的,那么,B-2则是通过综合采用多种低可探测技术隐身的。这也正是B-2隐身战略轰炸机被称为先进轰炸机(ATB)的原因。其独特的外形如图5-43所示。

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图5-43

该机所采用的主要隐身技术措施有:一是独特的外形设计。B-2采用飞翼式气动布局和锯齿形后缘,机身外形似一只巨大的蝙蝠,前后缘主要由直线构成,上下两面主要呈圆滑的曲面状。两个笔直的中等后掠翼前缘在机头处相接,这可确保来自前方的雷达波偏离飞行方向散射。巨大的锯齿状后缘由10条直的边缘组成,这些边缘按两个固定方向分别与两机翼前缘平行,这样能把雷达波从后缘上沿两个方向反射出去,很好地偏离飞机的尾后区域。该机没有垂尾翼,进一步减小了雷达的散射截面积。二是隐身结构。B-2的发动机、油箱和武器挂架均安装在机身内。为避免地面雷达的探测,两个发动机舱设计在左右两翼的上部,进气口亦置于机翼上表面,进气道采用背负式S形。发动机排气口位于机翼后缘上方,采用敞开式鸭嘴二元喷口。该喷口不但对雷达和红外隐身效果较好,还能提供矢量推力。三是采用吸波材料。B-2是最大限度使用复合材料和吸波材料的飞机。它使用了蜂窝型雷达吸波材料和铁氧体磁性-耗能型吸波涂料制造机体构件和蒙皮。据称,新型隐身复合材料的使用量约占飞机材料总重量的40%。

B-2采取上述隐身技术措施后,其隐身性能远远超过以往的战略轰炸机。它的雷达散射截面积仅为0.3米2,相当于B-52战略轰炸机的1/1000、B-1B战略轰炸机的1/100。B-2自1999年参战以来,至今尚无被击落的记载。

2.隐身舰艇

作为海上特定环境中的目标,舰艇的可探测信息特征主要是雷达的散射回波、自身的红外辐射、噪声、舰载无线电台和雷达的电磁辐射、可见光散射等。所以,舰艇的隐身就是控制舰艇的上述可探测信息特征,以降低其可探测概率,提高生存力。目前较多采用的舰艇隐身技术措施主要有以下几种。

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图5-44

(1)减少舰艇的雷达散射截面积。首先是改进舰体及上层建筑形状。如美国“宙斯盾”驱逐舰的舰体和上层建筑尽可能采用了圆弧形的表面和棱角,避免镜面强反射。又如英国的“海上幽灵”隐身护卫舰,舰面上除了两座76毫米舰炮外,其余武器装备(如8联装反舰导弹、2座12管270毫米火箭炮、鱼雷、反潜设备和水雷战装备等)全部装入一个怪异的多面型舰体内。图5-44为瑞典“维斯比”级轻型护卫舰,该舰于2000年6月8日下水。其次采用吸波和透波材料。如英国的某些舰艇的上层建筑和舰艇武器装备因安装了吸波材料屏蔽板,有效地减小了雷达散射截面积。我国在潜艇外壳上试用吸波涂料也达到了隐身效果。

(2)降低舰艇的噪声辐射。舰艇的主要噪声源是发动机、电动机、各机械部件的振动噪声和螺旋桨的空泡噪声等,这些噪声向空中和水下传播,极易被声测系统探测。目前各国用以降低噪声辐射的主要技术措施有:第一采用低噪声发动机、辅助机和传动机械部件。第二采用隔声罩、双弹性基座和消声器等,以降低振动噪声。第三在舰艇表面使用消声瓦,如美、俄、英等国有不少核潜艇在壳体上安装了消声瓦。第四采用大型低速螺旋桨增加桨叶数目,以减少螺旋桨的空泡噪声。

(3)抑制舰艇的红外辐射。对于水面舰艇来说,红外辐射具有明显的可探测特征。其红外辐射源主要是烟囱、主机舱及其排出的废气和热水等。舰艇的红外隐身就是抑制红外辐射。红外隐身的主要措施有:一是冷却排气烟流和降低可见烟道表面温度。将主排气口设置在水线以下,在排气管四周加装冷却或回收热能装置,采用主机排气的红外抑制系统等。二是采用吸波和绝热材料或利用涂料改进表面辐射特性。三是在烟囱内加装隔热吸热装置和红外辐射挡板或加装冷却系统来降低烟囱温度。四是在舰体表面涂敷绝热层,减弱对太阳能的吸收和辐射,来降低舰体表面的温度。除了上述红外隐身技术外,英国“海上幽灵”级护卫舰还采用了一种新型的喷雾系统。需要时,能在几秒钟内在舰体周围产生一层薄雾,将舰体笼罩其中,把舰艇的光反射和红外辐射遮盖起来。

(4)控制舰艇自身的电磁特征。如采用低截获概率技术改进电子设备;减小电缆的电磁辐射;对电子设备进行屏蔽;用全球导航星定位系统代替无线电导航系统;采用非磁性或低磁性材料建造舰体和设备等。

3.隐身坦克

随着坦克在地面作战中“主将”地位的确立,各种高科技反坦克武器也获得了飞速发展。现代作战中,坦克一经被发现就很容易被击毁。因此,提高坦克的隐身性能,使其不易被发现是提高坦克生存力的首要因素。20世纪80年代中期以来,美、英等国都在秘密进行隐身坦克技术的研究,并取得了较大进展。图5-45是有可能成为替代法国现役“勒克莱尔”主战坦克的隐形坦克——AMX-30DFC。目前,尽管隐身坦克尚处于预研阶段,但相信不久的将来主战坦克都将尽可能采用隐身技术。这些技术主要包括以下几点。

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图5-45

(1)降低坦克的雷达波散射截面积。如采用矮小和平滑的外形设计,使用复合材料制造坦克的车体和炮塔外壳。

(2)降低坦克的红外辐射。如采用绝热式发动机;改进发动机燃烧室结构,减少排气中的红外辐射成分;在燃油中使用添加剂,使排气的红外频谱大部分处于大气窗口之外;改进通风和冷却系统,降低坦克温度等。

(3)涂敷迷彩和使用伪装网。根据背景条件正确选择单色或多色迷彩涂敷于坦克表面,或使用伪装网,不仅会获得很好的隐身效果,有的迷彩还兼有吸波作用,以减弱坦克的红外辐射。图5-46为日本74式坦克在雪地中使用白色迷彩的情景。

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图5-46

(4)配备烟幕施放装置。坦克为对付高性能的热成像探测仪,配备了防红外探测的红外烟幕弹,使用这种烟幕可遮蔽0.3—14微米的红外光。

隐身技术除了用于上述各种武器装备之外,还用于其他技术装备。如隐身导弹、隐身无人侦察机、隐身机器人、隐身作战服等等。预计在今后若干年内将会有更多的隐身技术装备问世。