范文一:舰船隐身技术
总第192期
2010年第6期
舰船电子工程
ShipElectronicEngineeringVol.30No.6
6
舰船隐身技术
徐 杰
3
(海军装备部驻桂林地区军事代表室 桂林 541002)
摘 要 舰船隐身性是世界各国普遍关注的大问题。,论述了舰船隐身技术的发展方向,以及在新型舰船的设计中,。
关键词 舰船;隐身技术;特征信号中图分类号 E925.6
HidingTechnologyofVessel
XuJie
(MilitaryRepresentativeRoomofGuilinofNavy,Guilin 541002)
Abstract Thehidingtechnologyofvesselisthematterwhichworldwidelyconcern.Onthebasisofmainchallengeof
vesselhidingfaced,thispaperdiscussesthedevelopingdirectionofvesselhidingtechnology.Inthedesignationofnewves2sels,improvingthetargetcharacterofvesselandhidingdesignationwillbeconsidered.
KeyWords vessel,hidingtechnology,signatureofcharacterClassNumber E925.6
1 引言
在现代海战中,舰船暴露在开阔的海面上,极易受到空中、海上和水下多方面的攻击,一艘隐身性好的舰船能有效地降低被敌方雷达发现和被敌方武器击中的概率。近年来,随着科学技术的发展,各种探测技术有了长足的发展,水面舰船被发现和命中的概率不断提高,这就对舰船隐身技术提出了新的挑战。目前,世界各国对此都相当重视,许多国家投入大量人力、物力和财力研究隐身技术和舰船隐身技术。然而,舰船隐蔽性设计所涉及的范围较广、技术复杂、难度深、投资大,是一门综合性的科学。本文对舰艇隐身设计所涉及到的有关技术问题及发展方向进行探讨。
突防,尤其是纵深打击能力的有效手段,已经成为集陆、海、空、天、电、磁多维一体的立体化现代战争中最重要最有效的突防战术技术手段。
隐身技术是研究如何控制、缩减舰船的特征信号,降低声纳、雷达、磁探仪等探测系统的发现距离、减少以特征信号为引信的制导武器的命中概率,从而提高舰船的生存能力、突防能力及作战效能的技术。影响舰船隐身性能的特征信号,通常包括声信号、磁信号、红外信号、电场信号、尾迹信号、光信号等。
3 隐身方法
3.1 外形隐身
舰船外形隐身技术的实质是将舰船的强反射结构转换为弱反射结构,即通过改变舰船表面形状,在一定角域内显著减少其雷达散射截面,舰船外形设计合理,能大幅度减少雷达回波的强度,在舰船设计上可采用以下措施来降低雷达散射截面
2 隐身技术简介
舰船隐身技术是现代舰船系统发展中出现的一项高新技术,隐身技术作为提高舰船系统生存、
3
收稿日期:2010年1月13日,修回日期:2010年2月7日
作者简介:徐杰,男,硕士研究生,助理工程师,研究方向:电子环境与防护工程。
2010年第6期舰船电子工程 7
(RCS)。
舰船上层结构尽量设计成将回波集中指向背
离敌人的一个方向(预先确定多个方向);尽量减少在露天区域安装金属设施,除必要的通风口、通气口外,其它金属物体不在露天甲板设置,或对露天安装的设施采取加遮挡形体。
除了上面述及之外,整个舰艇的形体设计可趋于封闭型,整体呈流线型,减少凹凸面、垂直直角面,突出部位变成圆弧状等,这样可避免雷达波的多次反射腔体效应,有利的,3.2 材料隐身
动的有害影响。设计较好的弹性机座,可使某些频
率(主要是高频)的振动降低50dB。被动降噪的技术有限,它只对消除中高频噪声效果较好,不适于控制低频噪声,也许完全不能有效的隔离某些设备(如排气管道和高压管路)或某种情况下产生的噪声,而且被动降噪设备还很笨重
。
(RAM)有效地吸收入射雷达波,从而使舰船总的回波强度显著降低,能达到在所有方向同时减小RCS的隐身效果。
在不影响总体性能、结构、强度的前提下,尽量采用非金属材料,这就是所谓的结构材料隐身,虽造价昂贵或条件限制,但这是舰艇隐身发展方向。在局部可选用,例如导弹发射箱、炮盖或桅杆等。
雷达吸波材料已使用多年,实战使用始于马岛战争。早期研制的第一代RAM,大多是窄带、谐振、四分之一的波长,对付特定威胁的吸波材料,适合用来对付飞鱼导弹。其它RAM适合用来对付其它威胁,如捕鲸叉和两伊战争期间伊朗购买的蚕式导弹。后来研制的第二代和第三代RAM,牺牲一些最大衰减性能而使宽带性能得到改善。3.3 声隐身
3.4 磁隐身
图1 被动降噪方法
磁探仪可以通过探测舰船在水下运动时地磁场的变化探测舰船,磁场可引发磁性水雷爆炸。由于绝大多数舰船是用钢铁建造的,在地球磁场中被磁化,航行在海中的舰船,其周围空间产生磁场。这种磁场使得被磁化了的舰船在海中仿佛一个巨大的、浮动的磁体,一旦遇上磁性水雷,这将导致水雷引信动作,把舰艇炸毁。
在消磁站或消磁船等专用场地进行临时线圈消磁,即在被消磁的舰艇上临时绕上若干个线圈,通以强大的电流,由此消去舰艇的固定磁性。
在舰艇内部敷设若干组固定线圈,借助于消磁电流整流器,在固定线圈中产生会随航向和海区变化的消磁电流,进行固定绕组消磁,由此补偿掉舰艇的感应磁性。3.5 红外隐身
现代海战是一场综合性的战斗,不仅雷达可以发现目标,进行探测、跟踪、实施攻击;同样水声设备(声纳)也可以发现目标、探测跟踪目标、提供信息、攻击,而舰艇的自身噪声是被敌方声纳发现的一种有害源,因此在舰艇隐蔽性设计中,控制舰艇的自噪声也是至关重要的。
各种不同机械都发出特有频率的声音,这种声音有齿轮齿合发出的,有涡轮叶片发出的,还有电动机发出的。在低于诱发螺旋桨旋转真空的速度下,这些机械噪声的频率就成了研究降低噪声的主要课题。
最常见的被动降噪方法如图1所示,是把机器安装在动态性能和静态性能都能达到要求的弹性机座上。为使振动着的机器与外部隔绝,机座里面必须有一定的弹性,而且必须精心设计,以使机座上的机器和设备的性能不致受到航行所产生的运
红外探测器可以探测到舰船的红外辐射场、红外制导导弹可以跟踪、命中舰船。红外辐射主要有
μm中红外区、两个“大气窗口”,即3~5常成为红μm远红外区可形成热外制导导弹的“亮点”;8~12成像而暴露舰船。
海面大气吸收和散射使有些波长的红外光迅μm中红外区(MIR),6~速衰减掉,但对3~6
μm远红外区(FIR)的吸收和散射不是很重要。15
在750K温度范围内的“热源”,在MIR窗口辐射源最强。在室温附近温度范围内的“温源”其辐射温度主要在FIR窗口。舰船在其整个表面都辐射热能。舰身绝大部分的表面温度与周围大气温
8徐 杰:舰船隐身技术总第192期
度相差不大,因此属FIR窗口的辐射。船的上部与四周有一些热点,如烟囱和排出的含燃烧产物的燃气。这些部位温度较高,辐射在MIR。只占全舰面积2%的这部分,却可产生出99%的MIR特征,这些集中的MIR辐射源被反舰导弹导引头利用来跟踪目标。
需要加以控制的主要部位是发动机排气和发动机排气道邻近部位。消除吃水线以上发动机排气形成的信号特征的一种有效方法,是把内燃机和辅助设备的排气管路安装在吃水线以下能承受高压,上的排气管路。,进行冷却,的上部,。3.6 电场隐身
和光洁度不考虑对光的反射,那么极易被敌飞机发现,实施攻击。因此,舰艇设计时必须注意到舰船外表的颜色和光洁度,使用吸光性能强、反射性能差的颜色,如甲板油漆用深褐色、侧壁用深兰灰色等,表面光洁度不作特别要求,这样可收到一定效果。
3.9 三废处理
,对防止被,,,所以舰艇设。
4 结语
本文在分析了舰船隐身面临的主要挑战以及各种探测技术对舰船威胁的程度等级的基础上,论述了舰船隐身技术的发展方向及需求。其中,外形隐身,材料隐身已经广泛地应用于各国舰船,而且技术越来越成熟与进步,声纳隐身和磁场隐身是两个世界性难题,进展缓慢,亟待破解,光隐身与电场隐身是新兴的隐身方法,有待进一步发展。此外,等离子隐身技术的出现将是舰船隐身的一场革命。最后,本文对舰船的隐身设计进行了探讨,为提高我国舰船的隐身性具有一定的工程实用价值,可以预见的是,随着一些关键性技术的突破,舰船的隐身性能也必将取得长足的进步。
参考文献
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舰船的水下电场也是一种特征信号源,必须设法降低,使其达到不足以引爆水雷的程度。舰船电场分为静电场(SE)和交变电场(AE),静电场由于舰船各种金属化学电位不同,引起腐蚀电流在海水中流动以及采用有源阴极保护系统(ACP)产生的电流。交变电场由主轴转动时水中的电流被调制构成了AE的一部分,此外为旋转的螺旋桨所感应的交变电流。因此设计舰船时考虑安装电保护装置、屏蔽装置以及电场补偿系统装置。
在航渡和潜伏状态,一般电子设备应处于静默状态,而使用卫星导航设备完成船舶导航,采用雷达侦察告警设备,侦知敌情,或利用数据链实行资源共享的优点,获取敌情,为我方分析、利用,以便对目标实施攻击。
在航渡和潜伏过程中,当需要开启有关电子设备时,这些设备必须在技术上采取一定的措施,使被截获概率降低,战术上隐蔽使用。例如通信设备采用自适应跳频技术等,并结合形体设计减少电磁波的二次辐射。3.7 尾迹隐身
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构想[J].雷达与对抗,2001(1)
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舰艇的颜色及光洁度对光的反射强度差异是很大的,一艘舰船在汪洋大海中,如果其舰艇颜色
术分析[J].舰船电子对抗,2005(2)
范文二:激光隐身技术
激光隐身技术
1997年第2期
,7.引.口
J『一激光隐身技术
胡江华了号r
[摘要]本文从激光技术的军事应用出发,论述了战场激光探测,制导威胁的严
重性.以脉冲激光测距为倒,推导了其作用距离方程,分析了影响激光测距机性
能的因素,得出了_蕞光隐身的基本技术途径.在此基础上,定性地分析了激光隐
身的可行性,并提出了激光隐身的技术措施.一,
[关键词]激光探测激光利导激光测距机激光隐身隐身技术《予一
——’一一,I,]
0引言
激光的单色性好,方向性强,相干性及亮度高,在军事领域的应用相当广泛,主要包括
激光测距机,激光目标指示器,激光雷达和激光制导武器等.
世界上第一台运转的激光器于1960年在美国诞生;1961年美国休斯飞机公司研制
成功世界上第一台激光测距机;1969年激光测距机开始装备部队;1972年美国在越南战
场上首次公开使用激光制导炸弹.军事激光技术在战场上的广泛应用,对战场目标的生存
构成了严重威胁在1991年的海湾战争中,多国部队大量使用了激光测距机,激光目标指
示器,激光雷达和激光制导武器等激光武器装备,使武器系统的探测能力和命中精度大
大提高,为多国部队的速胜奠定了基础.表1为美国国防部给出的现有军用激光系统的性
能数据嗍.随着激光技术的发展,激光探测装备的探测能力和激光制导武器的制导精度不
断提高,对战场目标的生存构成的威胁将会越来越严重,必将给隐身技术提出许多新的问
题.本文通过分析影响军事激光装备器材性能的因素,得出了激光隐身的基本技7R途径,
并提出了激光隐身的技术措施.
表1现有军用激光系统的性能
激光测距机
?本文于1996年6月26日收到
赦光目标指示器
脉冲能量
波长
最大距离
角精度
100mJ
106
>10km
<2O0urad
2工兵装备研究
激光制导武器导引头
操测器
工作波长
工作方式
命中精度
四象限硅操测器
1.06um
半主动寻的制导或架柬制导
士1m
l影响军事激光装备器材性能的因素
目前,激光测距机,激光目标指示器,激光雷达,激光制导武罨筹激光
武器装备在军事
部门得到广泛应用.其中脉冲激光测距机应用最广泛,也最具有代表
性.本文以脉冲激光
测距机为例来分析影响军事激光装备器材性能的因素[.
激光测距机一般由激光发射机,激光接收机和
数据处理系统等组成.它是一种主动式探测设备,
其基本工作原理为:激光发射机按一定方向发射一
定波长和能量的激光,透过大气后照射目标;目标
表面反射的激光能量透过大气后被激光接收机接
收;数据处理系统进行数据处理,得到有关目标的
距离信息.
从激光测距机的作用原理可以看出,影响其性
能的因素,除测距机的自身参数(如激光器的输出
功率,工作方式,接收灵敏度等)外,主要有目标表围脉冲激光测距机工作原理示意围
面材料的特性,目标的大小和方位取向,大气的衰减等.
如图1所示,设激光器的发射功率为Pt,激光束发射立体角为,激光束照射在距离
为R的目标上的光斑面积为岛,则目标被激光照射的单位面积上的光功率,即辐射度
为:’
=(1)
ul
设目标为漫反射面,其反射系数为P,则目标的辐射出射度M为:
M一=P(2)
目标的辐亮度L为:
L::(3)
设目标的面积为s,激光的总透过率为T,照射方向与目标表面法线方向的夹角为p,
接收端光学系统的接收面积为,则它接收到的目标反射功率P为:
P一
导L鼢e=—,oP~TS,Sc—osO(4)
1997年第2期3
这就是脉冲激光测距方程.其中T--T?T,?T.…TT为发射光学系统和接收光学系统
的透过率,T为大气透过率.由于实际目标的表面积可能大于或小于照射到它上面的光
斑面积,现分两种情况进行讨论.
(1)目标表面积大于光斑面积,则8一,
P一(5)
(2)若目标小于光斑面积时,就有部分光落到目标以外的周围物体上,则s<,相应
的光束立体角为劬
一]Sjcos@(6)
故
一】Rtcosg(7)
将(7)式代入(4)式有
P._PP~TS
】
,8c
.
~szo
(8)
(5)干口(8)式就是I剐呻1霄况f-的脉冲撖光测距方程.
在(5)式和(8)式中,用最小可探测功率P,代替接收功率就可得到最大可测距离
R一.对于漫反射大目标
一一
(pPT,TS,ccsZO,1?
对于漫反射小目标
R一一
(~P,rTS,S棚cos28,1(10)
从方程(9),(10)可以看出,激光测距机的作用距离除与其反射功率,接收孔径,发射
光学系统和接收光学系统透过率,发射光束的发散角,接收机的灵敏度有关外,还与目标
表面的反射系数,大气的透明度和目标的有效面积(小目标)成正比.
以上我们考虑的是目标表面为漫反射的情况,如果是镜面反射,则目标的方位取向对
激光装备的性能有很大的影响.当发射激光与目标表面垂直时,激光装备的效果最好.否
则,将很难探测到目标.
2激光隐身的技术途径和措施
从激光测距机的最大作用距离方程可以看出,除了激光测距机本身的性能参数外,直
接影响激光测距栅靶的因素主要有目标表面的反射特性,大气的透明度,目标的方位取
工兵装备研究
向和目标的有效面积(小目标).这些参数都是可以人为改变的我们可以控制这些参数,
降低激光装备器材的性能,以满足激光隐身的要求这就是激光隐身的基本技术途径.
激光隐身涂料可以降低目标表面的反射系数,减小激光装备的回波功率,降低激光装
备的性能.激光隐身烟幕对激光传输的影响有两个方面,一方面由于大气中所包含的分子
和悬浮粒子的吸收和散射作用,使大气的透明度下降;另一方面,由于大气中所包含的分
子和悬浮粒子的后向散射作用将形成一定的气幕亮度,使目标的信噪比下降,降低激光装
备的性能.激光装备不能分辨同一波束内的真假目标,因此假目标可以起到保护真目标的
作用.因此,要达到激光隐身的目标是完全可髓的.
激光隐身涂料激光隐身涂料是对抗激光探测,制导的有效手段.它至少有三大优
点:应用广,使用方便,经济,可涂敷在静态目标或动态目标上;可以制成各种迷彩色,从而
达到隐身的目标;也可以涂在织物等上面,制成特殊的隐身服,隐身罩等等,是很有前途的
自身防护手段之一.激光隐身涂料最主要的要求是在激光工作波长范围内的低反射率,另
外,还要求有良好的物理化学性能,如耐一定范围的温度变化,耐风雨侵蚀,耐剧烈震动和
具有强的附着力等.目前国内已研制出使近红外激光回波功率衰减的激光隐身涂料H].世
界各国都在积极研制激光隐身涂料,并对此极其保密.
值得注意的是,根据平衡态辐射理论,激光隐身涂料所要求的低反射率必然导致高的
红外发射率,不利于红外隐身.因此有必要进行激光与红外复合隐身涂料的研究.
激光隐身烟幕施放激光烟幕既能使敌方难以捕获目标,又能散射和吸收激光能量,
从而降低对战场目标威胁的危险性.烟幕的效果取决于烟雾的类型,烟雾粒子的尺寸,激
光波长以及烟雾层厚度当烟雾粒子的尺寸接近激光波长时,被散射的激光能量比被吸收
的激光能量多散射对激光波长的依赖陛更大,并在蓝光波段最明显旅放烟幕通常用烟
雾发生器.值得注意的是,烟幕是一种辅助对抗措施,它的使用会影响多种光电装置的性
能,从而影响作战效果,同时它需要大量后勤保障,还受风,湿度等气候条件影响较大,而
且要做到适时施放烟幕达到预期的效果也有一定难度.烟幕对抗激光探测与激光制导的
效果如何,需要从理论和试验两方面来做工作.
激光隐身目标它分为有源及无源两类.有源激光假目标发射与敌方激光工作波长,
编码方式,能量等参数相同的激光,诱导敌方的激光装备.无源激光假目标是一种高反射
率的激光反射物体,其反射光束的能量取决于假目标的材料,目标表面的粗糙程度及外
形,还有假目标相对于激光束横截面的大小.
其它激光隐身措施激光隐身的其它方法还有激光隐身遮障的使用;利用地形地物
和植被隐蔽目标;改变目标的方位取向,尽量减小目标针对探测仪器的有效面积等.
在海湾战争中,伊拉克采用了大量的隐身伪装措旋(包括激光隐身措施),达到了推
迟战争进程,保护己方实力的目的.所采用的主要隐身,伪装措施有:利用大量制式器材和
就便器材制作的假目标部署在真目标可能设置的地方,利用制式器材和就便器材制作了
与实物相仿的假弹药库,假导弹基地等大型设施;点燃科威特的油井,向海湾排放并点燃
石油,在城市点燃废旧轮胎及可燃物,产生黑色浓烟干扰激光制导系统和多国部队飞行员
的视线;使用伪装网遮蔽目标,对技术装备实施与地物背景近似的迷彩,对机场跑道用迷
彩仿造弹坑,欺骗多国部队的飞行员,等等.
1997年第2期5
3结束语
军事激光技术在战场上的广泛应用,对战场目标的生存构成了严重威胁.随着激光技
术的发展,激光探测,制导器材的性能必定会越来越高这就给激光隐身技术提出了越来
越高的要求因此,我们必须时刻跟踪世界先进国家激光技术和激光隐身技术的最新成
果,加强激光隐身技术的研究.在重视激光隐身技术研究的同时,必须加强多波段隐身原
理和技术的研究,使战场目标能够对付多波段,多频谱的探测和制导威胁,提高战场目标
的生存能力.
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LASERSTEALTHTECHNIQUES
HaJiaughua
ABSTRACT
Inthispaperseriousnessoflascrreconnaissanceandguidancethreatinthebatt
lefieldis
expoundedinviewoftheincreasingmilitaryapplicationsoflasertechnology?
Theworking
distanceequationofpulselaserrangingequipmenttakenasanCXamplcisderivedwhilcbasic
technicalmethodsoflaserstealthtechniquesareputforwardandthefactorswhichaffectthe
performanceoflaserrangingequipmentanalyzed.Atlastthcfeasibilityofthetechniquesis
discussedandtechnicalmeasuresarcputforward?
Keywords:Laserdetection,Laserguidance,Laserrangingequipment,Laserstealth,Stealth
technique.
范文三:离子隐身技术
中国的四代重歼是这样隐身的——揭秘等离子隐身技术
网上流传的中国四代重歼设计图
当任何不带电的普通气体在受到外界的高能激励作用(如对气体加高能粒子轰击、激光照射、气体放电,热致电离等方法)后,部分原子中的电子脱离原子核束缚成为自由电子,原子因失去电子而成为带正电的离子,这样原来中性气体就因电离而转变成由大量自由电子、正电离子和部分中性原子组成的宏观仍呈电中性的电离气体,这类气体称为等离子体。等离子体被认为是继固态、液态和气态三种形态之外的第四态物质即等离子态,其运动主要受电磁力的支配。尽管等离子体在整体上呈电中性,却其有了很好的导电性,普通气体中如有0.1%的气体被电离,这种气体就具有很好的等离子体特性,如果电离气体增加到l%,这样的等离子体便成为导电率很大的理想导电体。
等离子体按其热容量大小。可分为高温等离子体、热等离子体和低温等离子体。
(1)高温等离子体
高温等离子体是完全电离的核聚变等离子体,温度高达l08K数量级,由核聚变反应产生。
(2)热等离子体
热等离子体为部分电离、温度约为104K数量级的等离子体,可以由稳态电源、射频、微波放电在1000Pa以上产生。热等离子体又分热平衡与非热平衡型,热平衡等离子体中的电子在电场中获得的能量充分传递给重粒子,电子温度与重粒子温度相等:非热平衡等离子体中的电子在电场中获得的能量不能充分传递给重粒子,电子温度高于重粒子温度。
(3)冷等离子体
冷等离子体是电子温度很高、重粒子温度很低、总体温度接近室温的非平衡等离子体,可以由稳态电源、射频、微波放电在1000PA以下产生。这种等离子体是常用机载隐身等离子体。
运用等离子体隐身的方法现在主要有两种: 一 种是利用等离子体发生器产生等离子体,即在低温下,通过高频和高压提供的高能量产生间隙放电,以便将气体介质激活电离形成所需厚度的等离子体以达到吸波和隐身的目的;另一种足在飞行器的特定部位如强雷达散射区涂一层放射性同位素,它的辐射剂量应确保
它的射线在电离空气时所产生的等离子体云具有足够的电离密度和厚度,以确保对雷达电磁波具有足够的吸收和散射能力。
等离子体隐身技术的原理是利用电磁波与等离子体互相作用的特性来实现的,其中等离子体频率起着重要的作用。等离子体频率指等离子体电子的集体振荡频率,频率的大小代表等离子体对电中性破坏反应的快慢,它是等离子体的重要特征。若等离子体频率大于入射电磁波频率,则电磁波不会进入等离子体。此时,等离子体反射电磁波,外来电磁波仅进入均匀等离子体约2mm,其能量的86%就被反射掉了。但是当等离子体频率大于入射电磁波频率时,电磁波不会被等离于体截止,能够进入等离子体并在其中传播,在传播过程中,部分能量传给等离子体中的带电粒子,被带电粒子吸收,而自身能量逐渐衰减。
等离子体之内电子密度越大。振荡频率越高,和离子、中性粒子碰撞的频率就高,对雷达波的吸收就越大。同时雷达波在等离子体中传播时,由于在等离子体中有大量的中性分子或原子,所以还存在着介电损耗。等离子体介质在雷达波交变电场的作用下产生极化现象,在极化过程中,电荷来回反复越过势垒,消耗电场的能量,表现为电导损耗,松弛极化损耗
和谐振损耗等。另外,由等离子体发生器喷射到飞机外围空间的等离子体是非均衡等离子体,处于非热动力平衡状态,经过一定时间离子间的碰撞才达到趋向密度均匀和温度均匀的热力学平衡状态。
等离子体隐身具有如下独特的优点:
(1)吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好、使用简便、使用时间长、价格极其便宜;
(2)由于等离子体是宏观呈电中性的优良导体,极易用电磁的办法加以控制。只要控制得当,还可以扰乱敌方雷达波的编码,使敌方雷达系统测出错误的飞行器位置和速度数据以实现隐身。
(3)无需改变飞机等装备气动外形设计,由于没有吸波材料和涂层,维护费用大大降低
(4)俄罗斯的实验证明,利用等离子体隐身技术不但不会影响飞行器的飞行性能,还可以减少30%以上的飞行阻力。
虽然等离子体隐身具有很大优越性,但也存在以下难点。
(1)等离子体对雷达波的吸收能力在不同条件下相差非常大,与多方面的因素有关,如等离子体的密度、碰撞频率、厚度等。入射电磁 波频率,电磁波入 射角和极化方向等,如何在应用中文实现最佳参数并随外界条件进行调节,有一定难度;
(2)飞行速度对等离子体的影响:
(3)等离子体是一项十分复杂 的系统工程,涉及到大气等离子体技术、电磁理论与工程、空气功力学、机械与电气工程等学科,具有很强的学科交叉性。 产生等离子体主要有热致电离、气体放电、放射性同位素、激光照射、高功率徽波激励等方法,而目前在机载条件下常用方法主要是气体放电法和涂抹放射性同位素两种方法(二者均产生非均衡冷等离子体),其中常用的气体放电法分为以下几种:
(1) 大气压下的介质阻挡放电和辉光放电:大气压下利用介质阻挡放电和辉光放电来产生等离子体,无真空装置,因此系统结构简单,已在许多技术领域广泛应用。利用介质阻挡放电产生等离子体,可以在局部获得1014/cm3左右的电了密度,但是由于介质阻挡放电实际上是丝状流光放电,在两电极间放电丝是随机分布的,这样等离子体是极不稳定的同时,在两电极间加的是高交变电压,在一个周期内的一个放电电流脉冲只维持几微秒的时间,其占空比很小。在电流脉冲过后,等离子体扩散报快,以致于在大部分时间内,雷达波并末被等离子体所吸收,所以,利用介质阻挡放电来产生用于隐身的等离子体受到极大的限制。国内测试了在梳状电极问施加受流高压所产生的介质阻挡放电等离子体对微波的衰减情况,采用不锈钢电极,并用薄玻璃管套封,电极问距离为1.5cm,当电压在 3~5kv,100~10kHz范围内变化时,利用网络分析仪在2~l8GHZ内扫描,几乎无法测出等离了体对微波的衰减。在一定条件下,流光放电可以转化,得到大气压辉光放电。近年来,国内外均对此等离子体的特性进行了大量研究。研究表明,虽然该等离子体均匀性较差、厚度较薄,但当放电电压和频率适当时,所产生的等离子体对微波具有一定的衰减作用。由于人气辉光等离子体可通过覆盖在目标上的梳状平行电极来产生,入射徽波可直接进入等离子体并与之发生作用。如果能改善其均匀性,提高其厚度,并能从理论上找到最佳电压和频率,将有助于加速其在隐身上的应用。
(2)电晕放电:
有时也称为单极放电,是指发生在电击穿之前的电气上受压状态的气体中的尖端、边缘和丝附近的高电场区的一种汤森暗放电现象。电晕根据所加电压,的不同可分为直流电晕和脉冲电晕。对于直流电晕,由于气体直流耐压的限制,电晕电流相当小,因而等离子体密度低,很难达到隐形的要求。当采用脉冲电晕时,可以大大提高放电电流,因而等离子体密度可以大幅度提高。当针电极布置得足
够密,范围足够大时,可以形成等离子体“帘”。但是,利用脉冲放电,除非脉冲重复频率足够高,否则会出现与利用介质阻挡放电时一样的占空比问题。
(2) 直流辉光放电:
直流辉光放电是一种研究得比较透彻,理论比较完善的技术,是指采用直流或脉冲直流高压,使气体发生正常或异常辉光放电,但通常利用其正常辉光区。需要指出的是,放电多是在封闭腔中产生的,必须有真空容器和抽真空的相应装置,真空腔应采用透微波的材料,如玻璃。利用直流辉光放电装置产生等离于体,其电子密度、温度等参数基本能满足要求,但是在通常的应用场合下,这些装置产生的等离子体体积均较小,如经典直流放电管的直径通常只有l~2cm左右。两电极间距离也只有几厘米,远远不能满足隐身要求。根据气体放电的相似性原理,如果增大电极的面积和间距,而放电电压不变,则会相应地降低等离子体的密度;同时,由于放电是在低压(通常≤100Pa)下发生的,其等离子体碰撞频率约为108Hz量级,远小于雷达波频率,因而碰撞衰减较小。如果在经典的辉光放电装置中引入外加磁场(通常采用磁镜结构),形成气体的潘宁放电,则一方面可以在增大其体积的同时增大电子密度和碰撞频率,同时还引入了电子和离子对微渡的同旋共振吸收,从而有利于增大等离子体对电磁波的吸收。但是,与高气压下等离子体的宽波段碰撞吸收不同,该吸收的带宽较窄,并受碰撞频率的影响。
(4)强电离气体放电:
近年来,国内有人提出将高气压强电离气体放电方式产生的非平衡等离子体用于隐身,并展开了相应的研究,认为利用强电离气体放电方法产生非平衡等离子体的实用型等离子体发生器,可望解决当前等离子体隐身技术普遍存在的一些主要问题。但这一研究还处于初步阶段,理论模型尚需要完善,工程实验也需要进一步深入下去。
在兵器特定部位(如强散射区)涂一层放射性核素是另一种产生等离子体的常用方法,其涂层辐射剂量应确保它的a射线电离空气所产生的等离子体包层具有足够的电子密度和厚度,以确保对雷达波有最强的吸收。与气体放电法相比,涂抹放射性同位素这种方法比较昂贵,而且维护困难。
另外,热致电离法也可产生热等离子体,这是产生等离子体的一种最简单的方法。任何物质加热到足够的温度后都能产生电离,当粒子所具有的动能,在粒子间的碰撞中足以引起相碰粒子中的一个粒子产生电离时,才能得到等离子体。如将铯放至密闭的容器中加热而得到等离子体。实验表明,只有在碱金属存在的条件下,热致电离才能产生一定密度的等离子体。
如用于磁流体发电的低温等离子体。而微波产生的冷等离子体比直流或射频等离子体有更高的电子温度,用微波产生等离子体的过程是气体击穿,击穿的条件是微波电场的均方根值大于击穿电场强度。当外磁场存在时,如果微波频率在电子回旋频率附近,击穿空气所需的电场强度大大降低,这可以降低机载条件下高功率微波等离子体的产生条件。
从20 世纪60年代开始,美国和前苏联等军事强国就着手研究等离子体吸收电磁波的性能。前苏联最早开始进行等离子体实验的重点是等离子体在高空超音速飞机上的潜在应用:90年代初,美国体斯顿实验室进行的一项为期两年、投资65万美元的实验表明,应用等离子本技术可使一个13cm长的微波反射器的雷达截面在 4~l4GHZ频率范围内平均降低20dB,即雷达获取回波的信号强度减少到原来的1% l997年,美海军委托田纳西大学等机构发展等离子体隐身天线,其机理是:将等离子体放电管作为无线元件,当放电管通电时就成为导体,能发射和接收无线电信号,当断电时便成为绝缘体,基本不反射雷达发出的探测
信号,初步的演示已显示了这种天线的发射接收功能和隐身特性。美国在其(1997年国防部基础研究计划)中也提到,“中性等离子体效应可以为军用飞机和卫星提供隐身条件”,可见美国对等离子体技术给予了足够的重视。
近年来,等离子体隐身技术在俄罗斯取得了较多进展,其研究成果 ?领先于美国。据报道,俄罗斯克尔德什研究中心已经开发出第一代和第二代等离子体发生器,通过在地面模拟设备、自然条件下以及飞机上进行实验充分证明了这种隐身技术的实用性。、第一代产品是等离子体发生片,其厚度为0.5~O.7mm,电压几千伏。工作电流仅为零点几毫安。将这种等离子体发生片贴在飞行器的电磁波强散射 、部位,即可电离空气产生等离子体。第二代产品是等离子体发生器。在等离子发生器中加入易电离的气体(还需携 、带专用气体),即可产生等离子体(但产生的等离子体厚度仍嫌过小)。第二 。代产品重量不到100kg,耗电不超过几十千瓦(对飞机所能承担的有效载苛与供电功率而言仍嫌过大)。经飞行试验,它除了具备第一代等离于体隐身系统的功能外,还能改变反射信号的频率,通过向敌人发出假信号,使敌人判断错误来实现隐身。据报道,这种技术不涉及飞机本身的空气动力系统,在不影响飞机技术性能的同时,采用该技术的飞行器被敌方一定频率的雷达发现的概率可降低90%以上。第一代和第二代等离于体隐身技术产品都已进行了成功实验。本世纪初,俄罗斯公开的可与美国F22相抗衡的第五代米格1.42战斗机据说就是试验了这项先进技术。目前,克尔德什研究中心正在研制更有效的第三代产品。据推测,第三代产品可能是利用飞行器周围的静电能量来减小飞行器的雷达反射截面。俄罗斯的最新试验表明,应用第三代等离子体隐身技术。在4~14GHZ频率范围内可以使米格飞机的RCS值减少到原来的1%。
除美、俄外,法国的研究人员正在研制一种新的有源隐身系统,据报道可能会采用等离子体屏蔽技术。对等离子的某些研究成果很可能用于作战飞机特别明显部位的屏蔽,如空气进口,排气口或机头。澳大利亚国立大学也已研制出了等离子体隐身天线。
鉴于隐身技术在军事上的重要作用,中国在等离子体隐身方面的研究也进行了约l0年时间。有不少科研机构和大专院校的有关院系都在进行等离子技术及其应用的研究,在对等离子雷达隐身方面已经取得了原理验证上和工程试验的成功,并有很多独到的创新,预计再经过大约10年左右的时间。我国飞行器即有望实现全面等离子隐身。
等离子体隐身也有它本身的不足之处,如等离子体发生器有较大的重量和体积,产生等离子体的功耗比较大等;飞机上安装等离子体发生器的部位本身无法雷达隐身和等离子体发光暴露目标的问题:等离子体的高温损坏机体材料以及等离子体对机体材料的腐蚀问题:采用放射性同位素的问题是同位素的剂量难以控制等。实现等离子隐身的关键在于如何对等离子体包层的电子密度进行控制。另一方面,从目前掌握的资料看。等离子体隐身的有效频率范围一般在20GHZ以内,还没有看到等离子体隐身技术适用毫米波波段的报道。等离子体发生器一般采用气体放电法产生非平衡冷等离子体,这类发生器很大的重量、体积和功耗构成了阻碍等离子体隐身技术实用化的主要问题。因等离子体隐身需要的电子密度和振荡频率较高,并需要大面积使用,所以,若要求覆盖KU波段以前的所有雷达电磁波。所需要的等离子体电子数密度为4.02×1012/cm3的量级,相应的电子与中性粒子的碰撞频率为50~200GHz——这比当前工业上使用发生器能力高出l~2个量级。而又因为等离子体发生器发出的等离子体要喷射到机体外部空间使用以形成变密度的等离子体云,导致与密封空间情况完全不同,等离子体复合速率大大增加。按飞机所需空间计算,等离子体云最小体积为25~30m3,使用压
力0~1个大气压,这是现有等离子体发生器难以达到的量级一要达到这个量级,等离子发生器重量和体积都会有几个数量级级别的增长,这是内部空间有限并且有效载荷有限的飞行器所不可接受的。而且,在实验室条件下,虽可利用目前的常规放电方法来产生这样电子密度量级的等离子体,但不足在飞机外围这么大的空间中使用。而要产生在飞机外围空问使用的体积为30m3的等离子体云,即使电离最易电离的氨气,所需功率也高达95000千瓦,这对机载电源来说,是很难达到的。何况,飞机上还不希望携带惰性气体。而若直接电离飞机周围的空气,因空气更难电离,所需功率比上述值还要大一个数量级。高温问题也是等离子体在航空隐身工程应用中遇到的重要问题之一。因为高温不仅毁坏机体,也会引起额外辐射。我们感兴趣的是冷等离子体,而实际在非均衡等离子体中电子温度还高于10000摄氏度。过去,人们将等离子体的这一能量集聚起来做成电子枪。用于等离子体切割,焊接、表面处理等工业部门之中。可以断言,航空隐身工程可应用的就是非均衡的冷等离子体。产生这种等离子体的可能是一种低气压气体放电装置:当气压为13. 3~133Pa时,电子温度高达10000℃,而等离子体温度只有300℃,不会烧坏机体。另外,若无法控制等离子体中的离子密度,会造成飞机表面材料的溅射腐蚀和表面发泡,形成三维缺陷(如针孔气泡等缺陷),导致材料强度、硬度和飞机气动性能的下降。
涂抹放射性同位素虽然可以实现飞机某些强散射部位(如进气道内腔等处)的隐身,但是其剂量难以控制,其生产、使用和雏护的代价极为高昂,后勤维护也非常围难,其放射性还会给周围人员带来伤害。而更重要的问题是,放射性同位素产生的等离子体层较薄,产生速率较低,造成电子密度不够高,无法满足飞机对宽频段、大面积以及全方位的隐身需求。
以上这些因素决定了在现阶段等离子体隐身技术依然处于试验阶段,所有相关研究成果报道也仅限于实验室的试验结果与数据,远非实用产品的实际使用报道,
等离子体隐身技术距离完全实用化还有一段距离。也就是说,等离子体隐身在现实中还不是实用技术,还只是我们的理想。
近年来,国内有关研究单位提出了将高气压强电离气体放电方式产生的非平衡冷等离子体用于隐身,并展开了相应的研究,认为利用强电离气体放电方法产生非平衡冷等离子体的实用型等离子体发生器,可望解决当前等离子体隐身技术普遍存在的一些主要问题。
2005 年,我国大连
海事大学环境工程研究所下属的高气压强电离放电辽宁省重点实验室,在高气压强电场电离放电理论及方法的研究取得了突破性进展,强电离放电间隙中大多数电子具有的能量足以把氨、氧等作为空气成分的气体分子电离成高浓度等离子体,其等离子体浓度也可能达到1015/cm3左右(而用于隐身技术的临界电子浓度在1012/cm3这个量级),远高于弱电离放电7个数量级。这就有可能使现有的弱电离放电非平衡冷等离子体源及其反应器的 体积、质量、能耗等主要参数也相应减少5个数量级左右,为其在军事装备和工业上应用铺平了道略。再加上强电离放电的电子平均能量达到气体分子的平均电离能,这就能解决过去科学技术无法解决的军事和军事上的一些重大的技术疑难问题。它在未来的军事、经济上的应用意义是难以估量的。
大连海事大学环境工程研究所下属的高气压强电离放电辽宁省重点实验室,还在2005年进行了外加非均匀强电场、空间电荷形成的本征电场对离子(正、负离子) 的作用力及其定向运动《漂移)规律的研究。基本上掌握了高浓度离子(>1014/cm3)在雪崩头空间积累电荷的物理演变过程及其物理量概算方法,并着重研究本征电离子的运动速度影响规律。这就为研制强电离放电非平衡冷等离子体源提供了理论基础。另外,他们采用通过气体把外加力作用到强电场中的离子上,
当外加怍用力大于电场束缚力时,就可使强电离放电非平衡冷等离子体源里的高浓度等离子体部分或全部被输送出去。己经做到一个有效放电体积技为 0.8cm3的高气压非平衡等离子体源,处理气量达到12m3 / h,输出的等离子体浓度达到了1012/cm3以上,还有提高2个数量级的余地。
大连海事大学环境工程研究所下属的高气压强电离放电辽宁省重点实验室,最近研制的等离子体产生器件是一种薄片式器件,外型尺寸为:厚0.15cm,宽 4cm,长K5cm,10cm2,0cm三种规格,根据要求选取,它可贴附在电磁波强散射部位或进气壁上。它具有如下特点:
(1)折合电场强度高,电子浓度高(在1015/cm3~10l6/cm3之间,而用于隐身技术的临界电子浓度在1012/cm3个量级);
(2)外型尺寸为0.15cm×4cm×20cm的器件放电消耗能量仅为100W,能产生10L等离子体,而其自身质量仅为0.1kg。在4GHZ~14GHz,频率范围可使飞机的RCS值衰减30dB,减少到原来的0.1%:
(3)强电离放电等离子体产生器件外表面自身也具有隐身性能。
采用强电离放电方法可使非平衡冷等离子体产生器件(或叫等离子体发生器)体积、质量以及放电能耗成几个数量级减少。用于隐身技术的临界电子浓度在 1012/cm3这个量级,强电离放电等离子体产生器件产生的大产成量的冷等离子体的电子浓度大于1015/cm3,再稀释1000倍后也足以满足飞行器等离子体隐身技术的要求。
综上所述,国内有关高气压强电离气体放电法产生的非平衡冷等离子体的理论研究与工程试验为今后等离子体隐身技术实用化打下了坚实可靠的基础。
虽然现阶段等离子隐身技术还不是成熟实用的技术。但是,我国在高气压强电离气体放电方式制备等离子体方面的开创性研究为等离子体隐身指明了一个崭新的可行的方向,也提供了诱人的等离子体隐身技术实用化前景。相信今后在我国科技人员的参与下,国际上对于等离子体隐身技术的研究必将迎采一个加速发展,快速突破的时代。
范文四:反隐身技术
反隐身技术
一
反隐身技术
张文春
vs-
本文简要介绍1飞行器隐身的措施以及对抗隐身飞行器的途径,重点阐述1无源反
隐身飞行器的基本技术.
一
,隐身的意义
以往飞行器的突防是靠地形,地物的掩护,从低空进入盲区或使目标信号被地物杂渡
蓬没实现的.最近,一种新的隐身技术可以使飞行器的雷达有效反射面积减小到原来的十
分之一.例如,B一52轰炸机,无隐身措施时,雷达有效反射面积大于100米,采取隐身技
术后,雷达有效反射面积仅为3—5米,预计在本世纪末达到O.1米.飞行器的雷达有效
反射面积减小,意味着雷达探测空中目标的概率降低,直至不被发现
因此,可以说,隐身
莛查墨翌鱼王盟堇缝生量塞羞盟堂堂:————
二,飞行器隐身的基本措施
飞行器隐身的实质就是减小雷达有效反射面积,目前,可供采用的方法有以下几种:
1外形技术
即寻求低反射率的外形,包括消除产生角反射器效应的外形组合i变后向散射为非后
向散射;用平板外形代替曲面外形以及对反射大的发动机进气口进行遮挡等.
2,涂敷材料
采用能吸收电磁渡的涂敷材料,包括薄膜状铁氧体涂层,放射性同位素涂层等.
3复数加载
用加复数负载控制目标的二次散射.负载一般是由缝隙或在目标表面粘上金属条梅
成,使复数加截的辐射场在远场与目标原辐射场相消.
综合以上几种方法,从实现的难易程度,造价和隐身效果等方面来考虑目前,隐身飞
行器使用最多的是外形技术.
三,反隐身飞行器的途径
隐身技术并不是无懈可击,随着隐身技术的不断发展,反隐身飞行器
技术也应运而
生,综合起来,主要有以下几个领域;
I,调整频率提高雷达有效反射面积
目标对电磁波的反射与它的电尺寸的关系可分为瑞利区,振荡区和光学区三个部分.
在一般情况下,目标位于光学散射区内,目标的几何尺寸比雷达披长大得多,因此,可以认
为,雷达有效反射面积与波长无关.但是,若飞行器采用外形稳身技术,情况就不一样了.
例如,鼻形外形的雷达有效反射面积在振荡区和光学区筢围内,与波长的平方成正比.实
20
扛
霄
Y及
际目标是许多外形的组合.其雷达有效反射面积可用下式表示:
A=K;t
式中,为雷达波长,n为外形系数,通常它在0一一2的范围内,k是比例常数.
图1为实测的F——16和小型战斗机的有效反射面积与雷达频率的关系曲线.
A,,
()8t,
l
,,
l,小型战斗机
/,一一’/
E一16
/-一,
,
0.10,20.3O.4-0.70912347910
圜1有效反射面积与雷达频率关_柰
图中可见,在米波阶段.雷达有效反射面积随频率降低而指数增加例如,对于F——
l6在频率为200MHZ对,雷达有效反射面积为3.2米.而在频率为100MHZ时,雷达有
效反射面积增大到u米.若飞行器采用外形隐身技术,其外形系数增加到2,雷达有效反
射面积随频率的变化更加显着.
另根据雷达作用距离方程可以得出:
最大作用距离R一一K
式中,为雷达波长,n为外形系数,k是比例常数
对于波长大于1来的探测雷选,其最大作用距离与外形系数呈指数
增大关系,若飞行
器采用外形隐身技术(n一2),雷达的最大作用距离会成倍地增加
同样,若飞行器采用吸收涂料和复数加载隐身技术,其雷达有效反射面积也与频率有
密切关系.一般地,波长越长,飞行器豫身效果越差.所以,应用波长比较长的雷达,如米
波,对反隐身有良好的效果.
米波雷达可以提高目标的探测概率,但是它的精度太低.利用波长很短的雷达,如毫
米波雷达.可以达到很高的精度,由于毫米渡的波长很短,飞行器的不平和缝隙都会造成
强散射,因此,它的雷达有效反射面积也很难做得很小.采用米波雷达与毫米波雷达相结
合的方法,可以有效地对付隐身技术.?
2,利用非后向散射探测目标
外形技术隐身的基本原则是消除尖顶反射和把反射大的部件(如发动机)避开飞行方
向,以减小飞行正前下方向的后向散射.可见,隐身飞行器减小了后向散射面积,但是并投
有减小非后向散射面积,例如,对某导弹散射面积在各母方向的数值统计若雷达对着导
弹的飞行方向,则导弹的雷达有效反射面积只有0.001米.,以飞行方
向为基准,当散射角
超过某个角度,散射面积就增加很快,除个别角度可以达到一平方米外.其余角度均可达
到0.75米,它等于飞行方向的750倍根据目标的这种散射特性,把雷达接收机放在与
21
发射机相距一段距离的位置,由于非后向散射面积较大,可以获得较撮豹目标回波,常称
这种信号收发体制为双基地雷达或多基地雷达.其收发系统的配置可以分别或同时在陆
地,空中和海上
3,采用超大功率雷达技术
采用非正弦信号雷达,如冲击雷达,可以获得较强的目标回波.冲击雷达采用极窄脉
}中(微微秒极),高峰值功率(几百兆瓦)的无载频冲击脉冲,有极宽的辐射频谱,高分辨力,
高精度等特点.但是,实现这种雷达体制在很多方面还有一定的难度.
4,提高雷达对弱信号的检测能力
由于豫身飞行嚣的雷达有效反射面积很小,因此,回披信号很弱.对单站雷达来说,要
检测到目标,就必须提高雷达对弱信号的检测能力.其中,增多相参脉
冲数是一个有效的
办法,它要求雷达有较宽的动态范围,高的峰值旁瓣功率比以及能消除大量的寄生目标所
造成的虚警,如昆虫,大气现象等.
5,剥用飞行器本身的电磁辐射
这是本文重点阐述的内容.即无源反隐身飞行器技术.
四,无源反隐身飞行器技术
在对抗与反对抗的电子战中,采用主动的有源探测,定位和跟踪系统,很容易被侦察,
被干忧和被摧毁.因此,利用飞行器本身的辐射源或飞行器对照射源的散射来对目标进行
定位和跟踪是很有意义的.
无源反隐身飞行器系统设计为一个多站被动债察系统.由一个主站和三个付站同时
对目标(辐射源)所发射的信号进行接收,求取辐射源脉i中到达四个站的时间差,实现对目
标的定位.四个站所接收的脉冲必须汇集到一处,才能找到脉冲到达时间差.因此,主站
必须包括四套接收系统,主接收机系统接收直接到达信号,辅助接收机系统接收由付站转
发的经射颓压缩的弥冲信号,四路信号全部进入计算机微处理设备,并进行显示和定位.
其系统组成如图2所示
目标目标
国2多站被动侦察系统组成框图
多站被动侦察系统的工作原理是要找出同一辐射源所发出的脉冲被四个侦察站接收
后所构成的脉津组,求取其到达的时间差,从而确定辐射源的位置.
22
.
啪
首先假定系统环境中只有一个辐射源情况T,测量得到辐射源T到达主站中的四
个接收机系统的脉冲时间序列,依次为,B,c(n=1.2.--m).某一时刻,T到达各
付站与主站的时间差相等,由于A,B,Dn是分别经过三个付站转发的,从实际考虑,它
们要比主站的脉冲到达的对间晚.
另外,辐射源Tt到达主,付站的最大时差由主,付站闻的距离决定,设距离为R,则
?t一一罟
?t一为T到达主,付站的最大时差
C为光速
假定R为20kin,则?t,=0.07ms
辐射源的脉冲重复频率PRF在100HZ到几十千赫,相应的重频在零点几毫秒至
10ms之间.可以认为辐射源到主,付站的脉冲时差不会超过PRF,因此,在时差计算中使
用A一C一&一c…D--C的形式,并且不会产生多解的问题
设辐射源T到达主站中的主,辅接收机系统的时差分别为At.,At,?t,有:
?t0一一C
At0一&一C
At—D—C(n=1.2…m)
实际上,对于特定时刻,?t-,?t,?【I对n(n—1.Z’--m)来说是定值,设为
AtAt.At..各付站对辐射源信号的转发延时依次为占1,,堍,到主站的距离依次
为R,R—R,酃么辐射源T.到达主站与各付站的时差依次为:
Atlc一?tc一占l—R1/c
?tZe=AtBc一--R/c
?t3c:?tDc一&一Rk,c
在空中,到达付站l与主站间的距离差(At.?c)为定值的点的轨迹是以付站l和主
站为焦点,定值为?cC的双曲面P,就是说,目标T.位于双曲面P上.
同样,到达付站2和主站的距离差?t:?C确定双曲面P,目标T位于双曲面P
上.
到达付蛄3和主站的距离差??C确定双曲面P,目标T位于双曲面P上
时差?tAtAt的符号代表目标T的大致方位:时差大于零,表示目标T位
于靠近主站的一叶曲面上;时差小于零,表示目标T.位于靠近付站的一叶曲面上.相应的
三叶曲面相交一点,即为该时刻目标T,的位置.
以上只是讨论了系统环境中只有一个辐射振T的情况.实际上,目标往往是很多个,
这就存在一个辐射源配对和脉冲配对的闻题.
多个辐射源信号经接收机系统同时进入数据形成设备,对弥宽,载频,到达时间等进
行测量,产生脉冲数据字,经缓冲设备进入脉冲参效相关予处理设备,并按参数子空间分
类.这样,虽然外界环境中的辐射源较多,但在每一个子集中,辐射源的个数是有限的,计
算机在信号处理时,只要分别处理落在小的子集内的只包含步量辐射源的脉冲列,以加快
处理过程
23
下面以两目标(T.,T:)的脉i中列作为系统的予处理子集为倒,简述配对过程:
第一步:分析脉列A,&,cD中究竟包含了多少个辐射源的子脉冲列.
根据系统的特殊性,特定时刻,同一辐射源发出的脉冲串,它们到四个站的时间差将
保持不变,利用这一点作为判别的依据.,
主,辅接收机系统辖出两个辐射源的脉冲序列,如图3所示
A
lLUiL_jl
LjL_j【}lL
Ill_jL_jIL
IIII.1IDD:辅助接收系统3DD
‘
图3接收机系统输出的交叠脉冲序列
为此.先需求出弥列c中每一脉冲与脉列A.,&,D中每个脉j申的到达时间差.
即求取A--C…B--C,--C.,得到方阵:
A一C:
Aj--C1A!--C1……A--Cl
A1--C!Az--C:……A--C2
A一C.A2一C……A一C
fB一C
&一c:
B~--C,
lB1一c
fDj—C1
c.; Dl—
D1--CI
lDl—c
Bz--C……魂-Cj
B!一C!……Bn—C2
B:一C……魂一C.
D—……D一C
D2--C2……D--C!
D:--C.……D|--C
实际中,代入具体的数据,僵得到三个数据阵.去除不符合规范值的时
差值(其规范值
由其主,付站的位置决定),经数据整理,将时差值相同的归到一起,建
立直方图,其横向坐
标为时差(单位为s),纵向坐标为具有某一特定时差值韵c_脉冲豹个
数并甜序号.依据
,
雷达信号分选理论,具有某一特定时差值的脉冲个数超出5个的为辐射源,其余为干忧,
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噪声等
第二步:脉冲配对
确定每个直方图内辐射源的数目,还要根据各时差的脉i中序号,来确定同一辐
射源到达主站与三个付站的时差组.举一实例说明
由A,c直方图,可得到两组子脉冲列,它们是:
时差为?t的脉组:
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凸?1A,A.,A,A.,A:,A?A
时差为?t的脉组:
fcl,c2,c.,c,c”c1:,C13,c1.,CmC17
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由&,c直方图,可得到两组子脉冲列,它们是:
时差为?te的脉组
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由Dc-直方图,可得到两组子脉冲列,它们是:
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在三个直方图的两个脉组中,如何配成成组关系,确认时差组.这可以
通过检查脉列
c所分出的两个子脉冲列的效组关系,采用效集相重的方法得到:
目标T】的时差组为(?t,?究,毕业论文
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范文五:隐身技术
神出鬼没话隐身
编者按 隐身飞机的首次亮相在1989年12月20日,主角是美国的F-ll7,突袭目标为巴拿马军营。如果说当时F-117给人留下的印象还只是奇怪的外形的话,那么到了1991年1月17日,F-117这种奇怪的飞机才真正向世人展示了它的威力。空袭的第一天F-ll7A便大显神威摧毁了伊拉克的通信中心、预警雷达站、防空系统指挥机构、国防部、情报部以及内务部等重要指挥机构,为美军后续机群的出击铺平了前进的道路。画面转到1999年3月27日,在南联盟贝尔格莱德市郊F-ll7残骸上,南联盟市民举起嘲讽的标语“对不起.我们不知道你是隐身的!”这是这种不可一世的飞机首次折戟沉沙。 2005年12月15日,美国新一代隐身飞机F- 2A宣布服役,与此同时,美空军透露可能让F-117提前退役。据称,前者集隐身、超音速巡航和攻击力于一身,威力要远高于后者。套用大话西游里的一句台词:这正是“去了一个狠的,来了一个更狠的。”隐身飞机正变得越来越凶狠。
近年来的数次战争与冲突大大提高了空军在诸兵种中的地位,空军的战机、无人机甚至空地导弹的发展也向更高层次迈进,其中隐身化是未来的发展方向。有消息称,俄罗斯有意重新启动第五代战机发展计划,欧洲启动自己的隐身无人机计划,他们都试图在隐身技术领域占据一席之地。
隐身技术又称目标特征控制技术或低可探测性技术,即一种很难被探测或被敌发现的距离很短的技术,这意味着在战场上自己可以先敌发现,先敌攻击,占据先机。隐身技术可分为无源隐身(又称被动/消极隐身)和有源隐身(又称主动/积极隐身)技术两大类。前者尽量减少目标本体的可探测信息特征,主要是通过降低飞行器自身的电磁、红外、可见光、声音等可探测特征,使敌方各种探测系统不能提前发现或发现概率很低,发现距离缩短,即使被发现,其防御系统也已来不及做出反应。而后者主要是采用有源或无源的电子干扰以及光电对抗等方法来欺骗、干扰、迷惑、阻断对方的探测系统,减少被敌雷达、红外、可见光等各种探测系统发现的可能。由于目前侦察探测系统有雷达、红外、可见光、电子、声波等探测系统,所以隐身技术也相应地包括反雷达、反红外、反可见光、反电子、反声波探测等隐身技术。其中反雷达占主要部分,其次是反红外,然后才是反可见光等。本专题将重点介绍飞行器的反雷达隐身技术,其次介绍飞行器的红外隐身技术和可见光隐身技术,反雷达隐身技术又分被动隐身技术和主动隐身技术两部分。
屏幕上的黑洞——被动反雷达隐身技术
雷达是靠稳定
的电磁波来工作的,发射机发射的电磁波在碰到目标时会发生反射,接收机可以接收这些反射回来的回波,显示在屏幕上便是一个个亮点,通过对这些亮点的解读可以判明目标的位置和其他有关信息。雷达是现代战场上尤其是海空战中的主要侦察手段,因此反雷达探侧是目前武器研究的主要课题。被动反雷达隐身技术是雷达隐身技术的一种,也是应用最多的一种,通过设法降低飞行器本身对雷达波的信息特征——雷达反射截面积,使敌方雷达探测系统不能发现或发现概率很低。主要包括外形隐身设计和采用隐身材料。
外形隐身设计
由于电磁波的反射强度与物体的几何形状密切相关,因此合理的外形布局是减少雷达反射截面积的重要措施,而外形雷达隐身技术的关键在于削弱雷达的回波或使雷达的回波闪烁不定。雷达回波分直接反射和雷达后向散射。直接反射即通常所说的入射角等于反射角的反射。当雷达波的入射角不是很大或目标距离雷达较远时,由于绝大部分雷达入射波都被反射到其他方向上,雷达将接收不到目标反射来的回波,所以目标一般不易为雷达所见。然而当反射面正对着雷达时,或入射波通过多次折射返回入射方向,这种直接反射到雷达接收天线的回波将成为最大的雷达可视信号。
与直接反射不同,雷达后向散射是各向性的、发散的。它涉及到入射场与整个反射结构的相互作用,对大多数雷达来说其波长大大小于目标的典型尺寸,电磁散射实际上是局部现象;但是当电磁波波长加长或反射面尺寸减小时,直接反射渐趋消失,散射增强,入射能量大部分通过漫反射散射出去。
下面,我们分别拿投影面积相同的一块方板和一个球体来说,假定雷达发射的电磁波长为板边长的十分之一(此亦防空导弹火控雷达的典型波长选取法),一块正对着雷达直立的方板与一个具有同样截面积的圆球相比前者的雷达回波要强一千倍;方板后倾30°时,两者相当完全放平时(如果厚度不计),则反而要小50倍。如果把垂直于水平面的方板沿水平面相对雷达波入射方向旋转45°,即一个角冲着雷达,则后倾8°时回波强度已经和圆球相当放;放到接近水平时,还可进一步降低一万倍。也就是说,它们的雷达截面积相差4个数量级。因此若要隐身,不光要减少与雷达入射方向成直角的平面,还要减少与雷达入射方向成直角的缝隙和边缘。因此为了隐身,飞行器在总体布局上应遵循以下设计理念:
第一,消除镜面成直角的反射。合理控制飞机的整个外形,避免表面采用较大的平面和凸状弯曲面,用小平板外形代替曲面外
形,用多方向的镜面反射和边缘衍射代替小角度的、能量集中的大镜面反射,以抑制镜面强反射。将飞机的机头做成多锥形,机身做成多面体并配以低置的下单平底薄翼,F-1l7采用的就是这个设计思想。这样可以使雷达波形成瞬时闪烁的微弱回波,但也会明显影响飞行器的气动性能。
第二,采用简洁的外形。通过实验发现,尽量保持飞行器气动布局简洁,采用翼身融合且机身、机翼、尾翼各端面对称平行,使其各端面在几个特定方向具有同向的反射性,这样做被敌发现的概率要比无规律气动布局低得多,且由于随着飞行器的飞行姿态和相对于探测雷达相位的不断改变,其行踪极难跟踪。B-2、F-22在总体气动外形布局上采用的就是这个设计思想。
第三,克服角反射器效应。角反射器效应是指目标上的两面体或角体结构产生的散射。当雷达的无线电波射入两个互相的垂直面中的任一个面时,由于无线电波的“镜面反射”效应,就会形成二次反射,最后以与入射波束相同的方向反射波束到雷达。而由3个互成90°的表面形成的角体,当雷达的无线电波射入这3个表面中的任一表面时,可能形成三次“反射”,从而在较宽的“视”角范围内返回很强的电磁波能量到雷达。因此消除角反射器效应应避免出现任何边缘、棱角、尖端、缺口等垂直相交的界面。基于上述原因,飞行器在外形上一般采用机翼、机身、尾翼和短舱连接处光滑过渡,机翼与机身高度融合的构型。飞行器通过采用组合的三维曲度和不断改变曲率半径的外形,避免长而恒定的曲线,还可以避免仰视和俯视雷达回波。对于机翼、机翼上的垂直安定面、水平尾翼、机翼下挂架、翼身连接处等会形成强烈的角反射器效应的部位,常采用内/外倾的双垂尾或无垂尾、翼端(或翼上)安定面、机身侧边等构型。
美国的AGM-129巡航导弹选择了光滑、大曲率半径的流线型弹体和外表光滑、尺寸较小的翼身融合体,弹体下部扁平,侧面为圆形。这种形状可避免直角反射体引起的强散射,可大幅度减小导弹的侧向散射强度,使弹体不会形成较集中的后向散射雷达信号。
在实际设计时,一般以上面所述的三条为设计准则,根据飞行器的任务性质和飞行特征来逐步细化飞行器的每个部位,减少其他强散射部位,来降低RCS。
例如对于飞行器头部,大多采用大后掠多面体的锥形设计。其雷达天线、空速管等都采用保形设计,尽量缩小机体尺寸。如果该飞行器的任务性质和飞行特性是中高空飞行,由于大部分敌方雷达探测系统是在其前下方,那么这种飞行器的头部设计应注重头锥
和头锥以下部分,如 F-117 、 B-2 、 F-22 、 F-35 等。而对于一些采用超低空突防的飞行器,由于探测雷达大部分是在其前方或前上方,所以其头部设计与前者相反。
对于飞行器本身装载的雷达,其隐身性能的研究很受重视。飞行器机载雷达的RCS要尽可能小,研究和试验表明,机械扫描天线由于要在空间大范围转动(方位和俯仰转动范围均可达到120°),因此较易形成周期性的与敌方雷达入射波正交的条件,即有较强的反射波为敌方所接收。另外,雷达天线的转动支架都是其有较大雷达截面积的反射体,若不加以限制,隐身效果将会受到很大削弱。但最近新研制的有源相控阵雷达由于不需要机械扫描,所以敌方雷达只能在有源相控阵面正前方很小的空间角内收到反射波,如F/A-22装备的 AN/APG-77雷达、 F/A-18E/F的AN/APG-79雷达是世界上最早的有源电扫描相控阵雷达,其雷达截面倾斜向上,可将前面入射的雷达波沿几乎垂直于本机的角度反射上去,使对方雷达很难接收到其雷达回波。
在对飞行器机体设计上,也是根据飞行任务性质和飞行特征而定,如果该飞行器的任务性质和飞行特性主要是中高空飞行,那么该飞行器的下表面应该尽量平滑。要求机体各个蒙皮表面光滑无铆钉,舱口盖尽可能少(把大部分舱口盖设在机背上),飞机上的各种矩形舱盖的前后缘也不应正对雷达入射方向,各种开口都是锯齿形的前后缘。接缝紧密且接缝处构形要与飞机布局相适应。减少机体突出物,尽可能去掉外挂物或设计成可收人机内的吊架,如美国B-2隐身飞机采用翼身融合的保形设计,无外挂设计,使机身形成平滑过渡的流线形体,以减少雷达信号。
在机翼平面设计上,为了降低RCS,飞行器翼面设计最好采用前缘后掠,后缘采用锯齿形设计;合理调整其后掠角、展弦比、根梢比等参数,以减少散射源;用边缘衍射代替镜面反射;采用飞翼或碟形翼气动布局,将机翼翼尖修圆,使弹翼前缘经圆角逐渐过渡到弹翼后缘,使边缘绕射的主散射源变为爬行波次散射源。另外,机翼最好采用无尾气动布局,并将机身和机翼尾部设计成锯齿状。对于常规气动布局来说,不宜采用前小翼,因为飞机隐身的重点就是机身前方,如果鸭翼在前,鸭翼的配平偏转等不能被机翼挡住,加上产生的各种角反射、绕射等会使飞机的前视RCS大很多。而平尾在机翼后面,利用前面的大面积机翼来屏蔽后面的尾翼,对降低前向 RCS 十分有利。
对于发动机进气道、尾喷管、排气口等,都可看作凹状结构,具有较强的雷达信号特征,因此,这类结构隐身一般采用遮蔽法,其要点
是利用机体的某一部分遮避发动机的进气道或尾喷口,以减小雷达探测的视角范围。例如,飞机发动机的风扇或压气机形成的反射正面最大,因此合理设计发动机进气系统,采用S形弯曲进气道,把发动机前端遮起来,可以有效地减低由此引起的直接反射。对于中空和高空突防飞机,最好将发动机的进气道安装在机翼内侧的机背上,因为采用背部进气和背部安装的尾喷管可以有效地遮挡地面雷达对发动机的视线,但对空中预警机则效果有限。
此外,背部进气道在大迎角机动时气流畸变严重,不利于发动机稳定工作,因此不适于在高机动性飞机上使用,如攻击机和轰炸机。而对于那些既要求有良好的隐身性又在经常采用大迎角机动的战斗机,则采用进气口斜切的双斜面外压式楔形进气道,如F-22或F/A-18E用战斗机上的CARET进气道,或者像F-35那样带有附面层分离鼓包的 DSI 进气道。而对于一些超低空突防的飞行器,由于探测雷达大部分是在它的前方或前上方,所以其进气道、尾喷管、排气口等设计与前者相反,如“战斧”超低空巡航导弹等。
雷达隐身材料
雷达隐身材料的应用对隐身技术来说也是很重要的,如果通过合理的外形设计将飞行器的RCS值减少75%以上,那么再使用隐身材料,就可进一步将该值提高到90%以上。雷达隐身材料主要分为雷达透波材料和雷达吸波材料(RAM)以及导电材料。
透波材料 透波材料是一种对电磁波很少发生作用或不发生作用而对其保持透明状态的非金属类复合材料。大家知道,雷达发射的电磁波碰到金属材料时,除一部分被反射外,容易在金属材料中感应生成相同频率的电磁流。电磁流的流动会建立起电磁场,向雷达二次辐射能量。而透波材料则不同,由于材料本身是由一些非金属材料和绝缘材料组成的,故其导电率要比金属材料低得多。因此,当雷达发射的电磁波碰到复合材料时,难以感应生成电磁流和建立起电磁场,所以向雷达二次辐射能量少,最普通的有石墨环氧树脂、凯夫拉等。但由于机体内有其他金属材料制造的发动机、导线和电子设备等,透波材料在减小雷达散射截面积方面作用并不大,不过作为易剥离吸波材料的保护外套或主动隐身技术(如等离子隐身技术)的屏蔽容器应用还是极其重要的。
吸波材料 吸波材料(RAM)是指能够通过自身吸收作用减少目标雷达散射截面的材料,按吸收机理不同,可分为吸收型、谐振型和衰减型三大类。但其基本原理都是使入射的雷达波能量在分子水平上产生震荡,并通过该运动的耗散作用而转化为热能或其它形式的能量,从而有
效地弱化某些关键部位的雷达回波强度。吸波材料又包括如下几种。
? 涂敷性吸波材料 涂敷胜吸波材料也就是涂敷在飞行器表面用来吸收雷达波的涂料。它分普通型、放射同位素型涂料和纳米隐身涂料等几种。
普通型涂料主要是各种铁氧体材料,即在氧化铁类陶瓷材料中加入少量的锂、镍等金属,如用于厘米波段隐身的锉(或镍)锡铁氧体等。F-117A隐身飞机的表面采用了铁氧体吸波涂层。目前研制出的普通型隐身涂料种类多、效果好。如1987年美国研制出一种非铁氧体基吸波材料,由多种视黄基席夫碱盐组成的含双键的聚合物,其吸波性能良好,重量仅为铁氧体的1/10,对雷达波的衰减可达80%以上,此外美国研制出的另一种新型“铁球状”吸波涂层,价格便宜,涂敷方便,可耐500℃高温,可喷涂在发动机风扇和压气机叶片上,显著地降低了发动机叶片在旋转时反射和衍射的回波,是飞机发动机隐身良好的涂料。
放射性同位素涂料又称有源吸波材料或主动等离子隐身材料,它以钋-210、锯-242、锶-90等放射性同位素为原料,其原理是通过放射性同位素衰变辐射的高能粒子,轰击周围空气分子,形成等离子屏,等离子可吸收高于自己频段的电磁波,对低于自己频段的电磁波则产生绕射、散射、反射,造成雷达的测量误差。其特点是吸收频带宽,反射衰减率高,使用寿命长。但是缺点也很明显:首先,等离子体本身产生的电磁波极易被敌无源被动探测系统发现;其次,等离子体屏蔽雷达探测信号的同时也屏蔽了飞行器自身的导航、通讯、火控等电磁系统,使飞行器和外界失去了联系,成了聋子和瞎子。最要命的是放射性涂料对其乘员和维护保障人员有很大的危害,因此很少被采用。
纳米隐身材料是将某些吸波材料加工成纳米级,利用纳米材料的特殊结构与入射雷达波相互间产生的量子尺寸效应及隧道效应等来达到很好的吸波效果。如普通的铁氧体材料加工成纳米级,其吸波能力将大增。美国空军在2002年试验的一种新型纳米级磁性雷达吸波材料(AHFM),其除了具有更好吸波性能外还可显著减小维修量。它是一种永久性覆层,隐身飞机上约90%的可卸蒙皮板用这种材料处理,固定这些板的固紧件也涂有这种材料。技师可简单地卸下固紧件和蒙皮板来检修轰炸机内部的系统,所用的方法基本上与检修非隐身军用机相同。如果这种材料满足预期的性能,则它将在今后7年用于 20架B-2轰炸机上。
? 结构型吸波材料 这种材料采用高强度宽波段吸波性的轻质耐热复合材料作为飞行器结构材料,由多层结构材料组成(至少
有三层:最外层是透波层.中间层是电磁波损耗层;最内层是基板),具有反射抵消雷达波的特性。由于结构型隐身材料是以非金属为基体填充吸波材料形成的,因此,既是一种承力部件,又是一种具有优良的电磁波吸收性能的复合材料。
目前,国外研制的大致有吸收剂散布型、层板型和夹心结构型三种。吸收剂散布型是由热塑性PFEK、RPS等树脂纺成单丝和复丝,分别和碳纤维、玻璃纤维等特殊纤维按一定比例交替混杂成纱束,再将其编织成织物与同类树脂制成复合材料。 F-1l7的V形垂尾、F-22的机身和机翼蒙皮均采用了此吸波材料。
层板型是将复合材料制成多层结构,最外层为透波材料,中间层为电磁损耗层,最内层则由具有反射雷达波性能的材料构成。
夹心结构型是用透波性良好且强度高的复合材料作面板,以蜂窝结构、波纹结构或锥形结构作芯子,再用石墨、磁粉、泡沫、铁氧体、碳墨等吸波材料填充而制成的复合材料。特点是重量轻,比刚度、比强度高,易做成复杂曲线结构,已得到广泛应用。例如B-1B、B-2、YF-23等飞机上均不同程度地采用了该种材料,其中B-1B飞机上运用的该种材料竟占整个结构材料的30%。
其它新型隐身材料 目前,国外还在不断研究新的吸波材料,具有蜂窝结构、黑体结构、螺旋结构、旋光性结构以及利用其旋光色散特性吸收电磁波能量的柔性聚合材料;具有轻质宽频带特性的导电高聚物材料;靠电磁涡流损耗和磁滞损耗来降低电磁波辐射的多晶铁纤维吸收材料电流/磁流变吸波材料;半导体隐身材料;可具有感知功能、信号处理功能、自我指令并对信号做出最佳响应的新型智能型隐身材料(例如美国研制的精灵蒙皮材料)等等。相信在不久的将来,新型吸波材料及其相关技术可能会有新的突破,使飞行器的隐身能力更强。
雷达外形隐身技术、材料技术与机载天线技术等被动反雷达隐身技术有机结合起来后,飞行器的隐身能力比仅仅在外形隐身上有了进一步的提高,其RCS值可减少99%。虽然被动反雷达隐身技术发展迅速、应用范围不断扩大,占据隐身技术的半壁江山,成为未来隐身设计的主流,但也存在许多弊端。如采用隐身外形设计加工制造难度大,在一定程度上对飞行器的气动性能和弹药的装载量都有不利影响;吸波材料和涂层等研制复杂、不便维护、成本高昂。而且该隐身技术对长波段雷达,如米波雷达,隐身性能不佳,不便在现有三代机上改进等。目前,只有美国完全掌握了这种技术。