雷达吸波材料及其在舰艇上的应用

2016-10-10 by:CAE仿真在线来源:互联网

美海军海影号隐身试验

舰艇的隐身技术包括任何可减少信号,增加舰艇自身对抗措施和传感器功效,并阻止或延迟探测和识别的技术。典型的隐身舰艇设计为减少所有光、红外、声、磁信号、雷达特征信号,并自动消除信号。现代战争中,雷达是探测目标最可靠的手段,其使用比例超过了60%,因此隐身技术的研究是以目标的雷达特征信号为重点。有四个基本技术可用于减少现代水面舰艇的雷达特征信号:舰艇外形、被动对消、主动对消以及雷达吸波材料。对于低频雷达,舰艇外形无法提供隐身优势。如果雷达波长为目标尺寸的两倍左右,由于半波谐振现象,仍能产生明显的回波。被动对消指引入一个回波源,以消除特定频率和角度的其他回波源。主动对消指引入一个传感器和发射器发射电磁波对入射的雷达波进行干扰。但被动对消和主动对消在实际应用中难以实施。雷达吸波材料(RAM)又称微波吸收材料,用于消散雷达波的能量,以防止反射信号被天线接收。消散过程通常是将无线电频率能量转化为极少量的热能。当然,雷达吸波材料无法在任何频率完全吸收雷达波,已知的复合材料都是在某些频率的吸收能力大于其他频率,目前还没有一种雷达吸波材料能吸收所有频率的雷达波。

一.雷达吸波材料的类型

1 铁球涂层

军用中最广为人知的雷达吸波材料是铁球涂层。这种涂层含有覆盖羰基铁或铁酸盐的微小球体。雷达波诱导涂料中的交互磁场产生分子振动,从而使得雷达能量转化为热能,随后热能传递至结构上并消散掉。涂料中的铁微粒通过分解五羰基铁获得,还可能含有一定量的碳、氧和氮。著名的SR-71“黑鸟”侦察机和F-117“夜鹰”隐形战斗机均采用铁球涂层,其活性分子由5个一氧化碳分子围绕1个铁原子组成。

图1 采用铁球涂层的F-117“夜鹰”隐形飞机及其涂层分子结构

2 泡沫吸收体

很多种材料都可制成泡沫,如有机聚合体、金属和陶瓷。由于可根据实际应用所需调整其标准特性,如密度、绝缘值、选择性吸收特性等,这些泡沫比其他的材料形式具有更广泛的应用。

很典型的一种泡沫吸收体材料为装填炭黑的防火聚氨酯泡沫,被切割成长锥体,锥体从基底到顶端的长度可根据期望频率和吸收量进行选择。对于低频抑制,长度通常为24英寸,高频的为3~4英寸。RAM板安装时,顶端向内。锥体形的雷达吸波材料通过两种方式削弱信号:散射和吸收。当发生散射时,反射波是同相的,但方向远离接收器,同时接收器接收到的波是杂乱的、异相的,从而产生信号强度降低的效果。这种杂乱散射也发生在泡沫结构内,悬浮的碳颗粒增强了干扰破坏的程度。内部散射能衰减10 dB左右的能量。同时,锥形的切割角度也可使结构内波的反弹量增强。随着每次反弹,波会产生能量损失,从而降低信号强度。

有三家公司在泡沫吸收体的设计和制造上具有代表性:

(1)试金石研究实验室有限公司

由于碳具有化学惰性、能用于超高温、低热膨胀系数以及电/热传导性等独特的特性,碳和石墨泡沫已经被给予了大量关注。碳泡沫总的来说分为两类:石墨碳和非石墨碳。石墨碳泡沫具备较高的热传导性和电传导性,但机械强度相当低。非石墨碳泡沫的强度则较高,可作为热绝缘性,制造成本低。碳泡沫的前体材料有煤、石油或煤焦油沥青/树脂,精炼合成树脂或有机树脂等。最早的碳泡沫是简单碳化的有机泡沫或海绵体,现在常用于陶瓷或金属泡沫的底层。材料被堆积在网状或“玻璃状”的碳材料骨架之上,随后在氧化的环境下通过热处理将碳移除。这种碳炮沫的应用目前已非常有限。

试金石研究实验室有限公司已经开发出了前体材料为煤的碳炮沫,称为CFOAM,这种材料具备轻质、防火、吸收碰撞的特性,且可以具备热绝缘或热传导特性。材料的导电性可以在0.01~106Ω间变化。这些特性使得它在雷达波吸收和电磁屏敝方面是一种理想的宽波段频率和宽入射角导电体。这种泡沫很容易粘合在金属和其他相异的材料上,且高温下机械性能不会下降。据称,CFOAM碳泡沫雷达吸收体可用于315℃的高温,其表面可用机器加工成复杂的几何形状从而改善微波吸收能力,还可应用不同的雷达透波涂层,能耐紫外线,不会腐蚀。

图2 前体材料为煤的碳炮沫微结构

CFOAM可与其他材料结合制成复合材料,图3中的复合材料包含碳/环氧、CFOAM、轻质木材、CFOAM、碳纤维/环氧、CFOAM以及玻璃纤维等分层。由于其物理和电子特性的良好可塑性,CFOAM碳泡沫也适合用来制造先进的雷达天线,它可以定制电阻、介电常数和雷达反射系数。

图3 CFOAM制成的复合材料

(2)Trelleborg信号管理公司

Trelleborg信号管理公司从上世纪90年代早期开始生产雷达吸波材料,已有近20年历史。前身是Woodville聚合体工程和Dowty信号管理公司,目前是Trelleborg集团的一员。该公司目前为英国国防部及其合同商的供应商,并在世界范围内提供防务产品。

Trelleborg信号管理公司设计和制造了多种窄波段、宽波段和多层吸收体。这些吸收体有不同的形式,从人造橡胶和泡沫到复合材料。其雷达散射和吸收材料能与伪装、红外和隔热材料结合,为各类水面舰艇提供多谱信号减弱能力。另外还有用于潜艇的专业性强的消音材料,可明显降低辐射噪声和自身噪声,这将减小潜艇声纳被探测和分类的范围。为了降低被主动声纳探测到的概率,可通过在潜艇船体上施用特殊涂层来吸收或散射声纳能量。

(3)ARC技术公司

美国制造商ARC技术公司作为国防应用领域领先的微波吸收材料供应商,生产了用于水面战舰和潜艇的电介质材料、复合材料、雷达天线屏敝器以及雷达吸波结构(RAS)。通过改变厚度和泡沫板材的碳装填等级,泡沫吸收体能变成可调频率的。

3 Janumnn吸收体

Janumnn吸收体或Janumnn层是一种雷达吸收装置,1943年首次出现,其包含两个等间隔的反射平面和一个传导接地面(conductive ground plane)。Janumnn吸收体与综合多层Salisbury屏的原理相似,都是采用波干扰的方式消除反射波,是一种共振吸收体。

因为波能在两种频率共振,Janumnn层在一个波长的波段产生两个吸收最大值(如果采用两层的配置)。这种吸收体的所有层必须相互平行,且平行于接地面。更复杂的Janumnn吸收体采用一系列电介质平面,隔离导电层,导电层越接近接地面传导性越高。

二雷达吸波材料在舰艇上的应用

水面舰艇的雷达特征信号可被视为来自目标的反射信号与来自一个横截面积为1 m2的非常光滑的球体的反射信号强度的比值。一艘舰船的雷达特征信号可简单地视为三个因素的产物:投射横截面、反射率和方向。在正常的3~18 GHz雷达范围内,由于频率和偏振的不同,在给定方向上水面舰艇的雷达回波将会有几dB的差异。

低探测技术的发展使得“隐身对反隐身”的竞争持续进行,并将引入到濒海水域。这直接导致越来越多的先进隐身舰艇将用于沿海和濒海水域,这些舰艇的操作范围可以从持久智能、监视和侦察(ISR)到对潜艇的远距侦察。总体而言,由于制导武器的侦察、跟踪能力越来越强,低探测性的目标参与到濒海环境,以及其他反隐身技术或反低探测技术越来越多地用于出口,有观点认为濒海舰艇的隐身性将成为一个重要的要素。目前已有许多国家配置了或正在积极采购用于沿海水域的现代隐身舰艇。

1 挪威海军“Skjold”级快速响应艇

由挪威Umoe-Mandal船厂建造的“Skjold”级艇是一艘拥有隐身型设计的快速响应艇。该艇为气垫双体船,采用玻璃纤维/碳复合材料建造,可显著降低其被探测的可能性。“Skjold”级艇上所用的材料能吸收艇上或空中发射的辐射能量,并将其转化为热能,而不是将其反射回去。

该艇与被替代的“Hauk”级FPB相比,雷达横截面减少了90~99%,在所有战术波宽上具备优秀的隐身性,在北约演习中证实了其低探测性的性能,在其他所有FPB被探测到的情况下,“Skjolds”级未被探测到、未被攻击。艇上大面积的承重结构采用雷达吸波结构,这与在船体外表面覆盖雷达吸波材料的传统作法相比,明显减轻了船体重量。该艇在雷达反射和雷达吸波材料设计方面具有如下特点:

1) 无90度夹角;

2) 甲板舾装件遮蔽保护或可拆卸;

3) 采用嵌入式平面门和舱口盖,窗户也与艇表面齐平,并装有雷达反射屏;

4) 燃料轮机和升力风扇进气口覆盖雷达吸波格栅/网格;

另外该艇采用的特殊涂层具备很高的红外吸收特性,其外表的颜色图样可减少舰艇的可视信号。

图4 挪威海军“Skjold”级快速响应艇

2 瑞典海军“Visby”级导弹轻型护卫舰

该级舰的首制舰由瑞典Kockums造船公司设计,由该公司的Karlskrona船厂建造,1996年开工,2000年下水,2005年1月服役。该舰所采用的隐身措施共可减少99%的雷达横截面,水上和水下声音信号、红外信号、电磁信号以及压力信号均被降至最低。

该舰舰体几乎完全由碳纤维复合材料建造,重量非常轻,仅为常规钢制船体的一半左右,且具备优秀的非磁特性,很难被雷达和红外探测器侦察到,同时也很难被敌方水雷发现。该舰在外形上尽量避免直角,舰上任何不是必需设置在舰体外的装置均被设置在舰体内部,或由特别设计的保护罩保护,天线、传感器和其他外部设备(如进气口/排气口和窗户等)均为小型、可收缩式,进一步降低被探测的可能。采用柴-燃联合动力及罗尔斯•罗伊斯喷水推进装置,不仅增强了操纵性,还降低了声音信号。该舰的燃气轮机废气出口被隐藏在舰尾靠近水面处,因此大大降低了其红外信号。

图5 瑞典海军“Visby”级导弹轻型护卫舰

3 德国海军“Braunschweig”级轻型护卫舰

K130型“Braunschweig”级舰是德国海军新一代轻型护卫舰,2008年3月,首制舰正式服役,用来取代年迈的非隐身导弹快速攻击艇。K130型舰由ARGE K130联盟(最初包括B+V、Nordseewerke GmbH Emden(NSWE)和Fr. Lurssen Werft)建造。为减少雷达特征信号,舰体和上层建筑均倾斜不同的角度,特别是在舰的两舷,这样整舰不会产生大面积的平面,以分散反射的雷达能量,另外还使用了雷达吸波材料。

K130舰采用联合柴燃-喷水推进和精制螺旋桨(CODAG-WARP)推进方式。采用创新技术减少红外信号,该技术也同样被用于MEKO A护卫舰和轻型护卫舰。通过将海水注入柴油发动机及柴油发电机的排气管道来降低废气温度,相比空气冷却,海水冷却的方式能将废气温度降到更低的程度。排气管水平布置于舰的两舷,排气口位于水线以上,临近水线。这样无需布置用于排放热废气的烟囱,并且由于没有烟囱,武备、传感器和舱室能更好地布置。计算证实K130是一个没有明显热点的平台。

图6 德国海军“Braunschweig”级轻型护卫舰

4 法国海军“La Fayette”级护卫舰

该级舰是法国海军现役的最现代化的舰船,由法国DCN公司建造,首舰于1996年服役。该舰采用整洁的一体化上层建筑,舷侧的设计成带10度斜角,尽量减少垂直边,低矮的首楼直接整合到上层建筑中,并采用特殊的雷达吸波材料(一种木材和玻璃纤维复合材料,硬度与钢材相同,但轻质、耐火)。楼梯和系泊设备设置于舰内,突出的结构物也均用整洁的表面覆盖。该舰舰体和上层建筑的设计可减少60%的雷达信号,3000 t的该舰与1200 t舰的雷达特征信号相仿。

该舰还装有干扰发射器和诱饵发射器,可产生伪装的雷达图象。采用联合柴柴推进系统和特别的散热系统以及用位于桅杆后方的一套小型管系代替烟囱,冷却排放的废气等方式减少热信号。通过将发动机安装在弹性底座及螺旋桨外覆橡胶等方法来减少噪声信号。还配备Prairie Masker主动声伪装系统,可在水下舰体周围产生气泡屏障,从而阻挡机器噪声,达到降低噪声信号的效果。另外该舰还采用消磁带来减少磁信号。

图7 法国海军“La Fayette”级护卫舰

5 新加坡海军“Trident”级护卫舰

新一代的舰艇,如新加坡海军的“Trident”级护卫舰,通过采用多种不同的低探测性技术来有效的对抗导弹威胁。如改良船体和上层建筑的外形,还使用了全新的雷达吸波材料,能将舰船遭遇雷达制导反舰导弹的易损性降至最小。舰上搭载被动运作的HERAKLES相控阵天线,雷达反射率低。

图8 新加坡海军“Trident”级护卫舰

三小结

随着技术的发展,雷达吸波材料已从涂敷型向结构型转变,即早期的吸波材料多为在机体表面涂敷一种能吸收雷达波的涂层,但现在多为将雷达吸波材料与其他材料一起制成具备吸波能力的复合材料,作为船体结构的一部分或全部。后者具备强度高、重量轻且兼具功能性的优势,更适合应用在隐形飞机和隐形舰艇上,上文列举的隐身舰艇也多采用这种材料。另外,还有其他新型的隐身材料也在不断地研究中,如纳米隐身材料、导电高聚物吸波材料、多晶铁纤维吸波材料等。在不久的将来,新型吸波材料及其相关技术可能会有新的突破。

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