艦船隱身技術新方法＊

(東北電子技術研究所 錦州 121000)

1 引言

隨著現代探測設備和武器裝備(導彈、魚雷、水雷)向高精度、遠距離發展,艦船的暴露和被命中概率大幅提高,海上艦船生存力受到嚴重威脅。艦船隱身技術的出現和應用,是海上信息戰領域中的一大突破。因此發展和應用隱身技術,成為提高海上艦船生存力的重要手段。本文就艦船面臨的威脅、艦船隱身技術的新方法等,作進一步的研究和探討[1]。

2 艦船面臨的威脅

空面制導武器在現代戰爭中發揮著重要的作用,它可以有效、精確地打擊敵方的各種目標,盡量減少己方的傷亡,快速達到戰爭的目的。空面制導武器是戰略轟炸機、戰斗轟炸機、攻擊機以及武裝直升機、反潛飛機和無人攻擊機的主要進攻武器。空面制導武器包括空面導彈和制導炸彈。而空面導彈包括戰略空地導彈、戰術空地導彈、反輻射導彈、空射巡航導彈、空艦導彈和反坦克導彈。戰略空地導彈攜帶核戰斗部,裝備各種轟炸機,執行二次核打擊任務。這類導彈具有以下的特點：射程更遠、精度更高、具有隱身及更強的突防能力。戰術空地導彈是指裝備各種飛機、攻擊各種地面目標、完成各種戰術使命的導彈。一般的戰術空地導彈執行戰場壓制、遮斷,攻擊敵方縱深地域有價值的目標。反輻射導彈專用于攻擊地面與機載、艦載的雷達系統,它已經成為電子對抗的重要手段。反輻射導彈發展了3代,目前正在使用和發展的是第2代和第3代。這類導彈采用了許多先進技術,保證了導彈的高性能,可全天候使用。近年來,美國還積極發展裝備被動雷達/紅外復合導引頭或者主動毫米波雷達/紅外復合導引頭的空射飽和系統(ALSS)等反輻射導彈。在役和正在發展的空射巡航導彈有以下一些特點：一彈多用、通用性強,命中精度高、抗干擾能力強、摧毀威力大。可以大幅度降低研制及采購費用,是一種戰略和戰術通用的武器。它采用先進地形匹配輔助慣導+GPS+激光雷達導航系統+數據鏈+紅外成像導引頭,提高了制導精度;超低空突防能力強,不易被發現,能實施有效打擊,另外,具有良好的隱身能力,其射程較遠,可以達到1500km左右。反艦導彈是攻擊水面艦只的導彈,至今已發展了4代,空艦導彈是機載空中發射的一類反艦導彈[2]。

由于西方國家在不斷研制各自更強大的防御系統,同時,防御目標也進行了多種隱身設計,艦船目標的防空能力得到了進一步的增強。面對艦隊防空能力的不斷提高,空面導彈的突防能力也進一步增強了,以便能夠對艦船目標進行有效的打擊。因此,空面導彈朝著飛行速度更快,飛行路徑更有效,抗干擾能力更強,并使之具有隱身能力等方面發展。例如,俄羅斯的白蛉反艦導彈采用了整體式火箭沖壓發動機,飛行速度達到Ma=2.3。美國研制的采用沖壓發動機的先進戰略空射導彈(ASALM),飛行速度達Ma=3.5～4.5。美國空軍的高超聲速巡航導彈的速度將達到Ma=7～8。美國的常規先進巡航導彈AGM-129B具有良好的隱身能力,它采用先進的地形匹配輔助慣導+激光雷達+GPS+數據鏈傳輸系統+新的紅外成像導引頭進行制導,具有很好的抗干擾能力。美國海軍2003年開始研制先進反輻射導彈(AARGM)AGM-88E,除了采用INS/GPS制導裝置和沖壓發動機外,AGM-88E還采用了毫米波/被動式雷達雙模導引頭以及通訊鏈路。這些最新型導彈采用的沖壓發動機、隱身設計和具有很好抗干擾能力的導航系統使導彈具有很強的突防能力。然而隨著防空能力的提高,對進攻飛機造成的威脅越來越大,從防區外發射精確制導武器能使進攻飛機免受防空武器的威脅,提高發射載機的安全性,也是未來面空導彈發展方向。目前,洛馬公司正在開發3種改進型JASSM,增程型JASSM-ER射程將達到925km,超增程型射程將會達到1850km,緊湊型將顯著減小尺寸,但設計射程在400km左右。金牛座KEPD 350最大射程為350km,英、法兩國正在考慮將風暴前夕K/通用斯卡耳普巡航導彈的射程增至600km,甚至1000km。另外,未來的作戰環境,既有傳統意義上的飛機對地攻擊作戰,也有以網絡中心為基礎的網絡中心戰意義上的飛機對地攻擊作戰,這就要求未來的精確制導武器必須滿足多種作戰環境的要求。據稱,AGM-84H增程型SLAM-ER將成為美國海軍第一個具有網絡中心戰能力的空地武器,能借助于先進的數據鏈選擇打擊最高優先級別的目標。除常規武器外,目前,西方各國還在大力研制各種新概念武器,它包括激光武器、高功率微波武器和粒子束武器。據報道,2009年6月美國雷聲公司獲得價值逾億美元的合同,為美國海軍研發100kW實驗型自由電子激光器。該自由電子激光器采用超導電子加速器產生高能激光束,將用于遠距離快速作戰,以提高美國海軍對敵作戰能力和海上作戰能力。

3 艦船隱身技術的新方法

由于軍事信息技術、精確制導技術的迅猛發展以及遠程攻擊武器的出現,各種作戰平臺對海上艦船的探測、跟蹤、攻擊能力越來越強,海上艦船的生存環境日益惡劣。從隱型飛機的誕生和戰斗中所發揮作用而受到啟迪,艦船隱身開始受到重視,并且世界上相繼出現隱身艦、安靜型潛艇等[3]。

根據雷達探測距離與目標有效反射面積的4次根成正比,如果反射面積縮小至原來的1/2,則探測距離將縮短為原來的84%;如果反射面積縮小至原來的1/100,則探測距離將縮短為原來的32%的特性。傳統雷達隱身,就是通過對自身進行特定設計,減小艦艇的雷達反射面積,吸收敵方發射的部分雷達波或改變其方向,減少敵方雷達接收回波,從而達到縮短敵方雷達的探測距離。目前,艦艇雷達隱身主要包括3種樣式,即外形隱身、采用雷達吸波材料和實施電子對抗。其中,外形隱身是指通過對艦艇外形進行設計,減小雷達反射截面積,這是雷達隱身的主要措施;采用雷達吸波材料是指通過在艦艇外部某些大面積反射雷達波的部位上,采用雷達吸波材料來吸收雷達波,減少雷達波的反射;實施電子對抗是指通過采用無源電子干擾和有源電子干擾兩種方式來改變艦艇雷達特征,從而達到欺騙敵方探測系統和武器制導系統的目的。

利用等離子體對電磁波具有繞射和吸收能力的特性,可以回避對方雷達探測。根據等離子體隱身技術在飛行器上的應用及發展,艦船有飛行器無法比擬的大功率供給,通過深入等離子體隱身技術應用研究,等離子體隱身應用于艦船或將成為艦船隱身好用的新方法。等離子體對電磁波傳播具有的特性是：當物體周圍有等離子流包圍時,形成了電磁屏蔽層,物體被屏蔽在其中,使得雷達探測不到,在不改變外形設計的基礎上,達到外形隱身目的。等離子體是如何進行隱身呢?研究發現：對于某種等離子體,當入射電磁波頻率大于這種等離子體截止頻率時,它可以進入等離子體中傳播,但能量被等離子體吸收而不斷衰減;當入射電磁波頻率小于等離子體截止頻率,電磁波將無法進入等離子層,在其表面發生全反射,同時等離子體以電磁波反射體的形式對電磁波產生干擾作用。根據這一特性,在艦船上某些部位放上等離子體發生器,使得艦船包裹在等離子體層中,當敵方雷達頻率高于截止頻率時,雷達波進出等離子體層后能量嚴重衰減,使得自身信號大大減弱;而當敵方雷達頻率低于截止頻率時,等離子體層使得雷達波傳播途徑發生彎曲,敵方雷達或接收不到反射波、或只呈現艦船位置虛像。由于外形隱身設計的原理,全方位艦船雷達隱身將不可能實現;而等離子體隱身技術,是將艦船包裹在等離子體層中實現隱身目的,可實現全方位雷達隱身。同時它還可以完成吸波涂料的作用,并且它具有吸收頻帶寬、吸收效果好、使用簡單等優點。通過對截止頻率的設計,可實現紅外隱身目的。

據稱是一場即將到來的隱身技術革命-負折射率材料在軍事上的應用。2008年8月26日,英國《防務系統日刊》披露了美國陸軍采用負折射率材料進行隱身研究的情況。美國陸軍研究局認為,采用負折射率材料進行的隱身研究正在使科學幻想變成一種現實,并將對未來作戰產生重要影響。

負折射率材料具有異常的電磁特性,如具有負的介電常數和負的磁導率(傳統材料為正值),電磁波在負折射率材料中傳播,電場矢量、磁場矢量和波矢方向之間關系符合“左手法則”(傳統材料符合“右手法則”)。與傳統材料相比,負折射率材料的主要特點是可以改變光的傳播方向,即當入射光線穿過兩種介質界面時,對光線產生負折射作用。

負折射率材料用于軍事隱身的基本原理與現有隱身技術的區別是：現有隱身技術通過減小作戰平臺對入射電磁波或聲波的散射截面進行隱身,而負折射率材料則是通過使入射電磁波、可見光或聲波繞過作戰平臺實現隱身,這在技術上實現了真正意義上的隱身。人之所以能看到物體,是因為該物體阻擋了光線,并將其反射至人眼。理論上,負折射率材料能使被物體阻擋的光線彎曲或“繞”著走,從而實現隱身。比如,由負折射率材料制作的隱身斗篷,可使入射光線完全彎曲,像河水繞過石頭流淌一樣,沿著隱身斗篷向后傳播,不在其表面產生反射,從而使人看不到隱身斗篷及其內的物體。從近年來負折射率材料在軍事領域的應用研究進展情況看,未來負折射率材料在電磁隱身、可見光隱身和聲隱身方面將具有廣泛的應用前景,并有可能替代現有的各種隱身技術,導致一場軍事隱身技術領域的革命,使目前的各種軍用探測設備失去作用,在未來戰場上給技術落后的一方帶來災難性后果。

目前,美國、俄羅斯、歐盟、日本、加拿大、波蘭、新加坡以及其他多個國家已經開展了負折射率材料研究,研究領域涉及負折射率材料基本原理和特性、實驗驗證、設計和加工制造,并提出了多種負折射率材料理論設計方案。美國賓夕法尼亞大學和杜克大學、英國圣安德魯斯大學和英國帝國學院已經通過獨立研究或合作研究的方式取得了多項研究成果。主要包括,利用負折射率材料涂層進行隱身的研究、利用負折射率材料實現大尺寸物體隱身研究、微波頻段電磁隱身研究等。美國普度大學提出了將扁長的橢圓銀質納米導線嵌入到二氧化硅管中的可見光隱身結構設計方案,實現了在波長為632.8μ m情況下物體的隱身。美國能源部艾姆斯實驗室和德國卡爾斯魯厄大學聯合組建的研究小組在2007年提出了一種用于可見光隱身的負折射率材料設計方案。美國北卡羅萊納州立大學、英國帝國學院和SensorMetrix公司合作在2007年完成了三維聲學隱身衣散射理論研究等。

4 發展動向

1)“維斯比”級隱身輕護艦進入瑞典皇家海軍編隊。法國航宇防務網2010年1月18日報道：兩艘“維斯比”級隱身輕護艦：“赫爾辛堡”號(HMS Helsingborg)和“海訥桑德”號(HMS H?rn?sand)現已進入瑞典皇家海軍第3作戰編隊,駐扎在卡爾斯克魯納。“維斯比”級輕護艦由瑞典考庫姆公司建造,它們的服役顯著增強了瑞典海軍的實力。瑞典皇家海軍檢查長安德斯?格倫斯塔德少將表示,目前“維斯比”級輕護艦已引起許多國家的興趣和關注,在未來幾年內將形成瑞典海軍的核心[4]。

“維斯比”級是為瑞典快速反應部隊,其設計主要用來在波羅的海作業,也可在近海區域執行國際性任務。“維斯比”級采用碳纖維材料,具備全隱身性能,很難被雷達或其它先進探測技術所捕獲,從而提供了多種戰術優勢。在執行需要一些特殊國際性任務時,也可退出隱身模式,暫時主動被雷達探測。

2)阿聯酋海軍訂購兩艘隱身巡邏艦。法國航宇防務網2010年1月22日報道：意大利造船金融集團獲得阿聯酋海軍一份新訂單,要建造兩艘隱身“Falaj 2”巡邏/近海戰斗艦艇。合同選擇項包括為阿聯酋海軍建造另外兩艘姊妹艦以及從意大利船廠向阿聯酋船廠的技術轉移。此項合同中的兩艘艦艇(共4艘)將在意大利船廠建造,預計2012年下半年交付[5]。

該型巡邏艦長55m,寬8.6m,容納28名艦員,速度可超過20節,具備隱身特性,可減少被探測到的幾率。隱身巡邏艦機動靈活且多功能化,適于執行許多任務：從巡邏偵察到應對空中或水面威脅的自防御,并可對海上與陸上目標進行攻擊,同時也具備高標準的人員居住環境和安全措施。

此次訂單繼2009年8月“阿布扎比”級輕護艦的建造合同之后,對于意大利工業具有相當重要的意義;“阿布扎比”級輕護艦的作戰系統將由意大利造船金融集團旗下塞萊斯系統集成公司提供。

3)臺灣計劃建造900噸隱身艦艇。美國《防務新聞》網站2010年4月17日報道：臺灣計劃建造900噸的隱身艦艇僅僅是新一代隱身水面艦艇計劃的開端,這些艦艇將用于在臺灣海峽作戰[6]。

臺灣“國防部”官員4月12日確認,臺灣確實有一項開發隱身雙體艦的計劃,該艦艇被稱為臺灣海岸巡邏艦。臺灣海軍官方希望基本設計能形成規模,“能開發出一系列各種排水量的雙體或三體多功能水面艦艇。”

臺灣“國防部”消息稱,“臺灣海軍希望建造900噸的輕護艦,替換逐漸老化的快速導彈艇和8艘即將退役的‘濟陽'級護衛艦。”根據快速水面艦艇計劃,該艦將由位于高雄的海軍造船中心開發。目前,項目還處于研究與設計階段,沒有分配任何資金用于樣機設計。也有多方關注艦艇的雙體船設計,“國防部”消息表示,“我們沒有建造該型艦的任何經驗,它將是一項技術挑戰。”

“國防部”展覽的概念圖顯示,該艦將裝備8枚“雄風”Ⅲ反艦導彈、“密集陣”近防武器和76毫米艦艏炮。艦長近40m,艦員45名,航速高達30節。圖片顯示該艦尾部設計了直升機甲板,表明該艦可參與反潛作戰,能夠停泊海軍3個反潛中隊的S-70C與500MD直升機。

4)潛艇可將新型納米管技術應用于聲吶和隱身。船舶綜合院2010年8月6日綜合報道：美國化學學會(ACS)《Nano Letters》雜志近期刊登了一篇文章,文章圍繞“納米管揚聲器”展開討論。文章指出,利用比頭發絲還細的碳納米管薄片制造出的揚聲器能夠發出聲音,同時也可以消除噪聲,這種屬性對于潛艇來講無疑是最為理想的,利用這種特性,潛艇聲吶能夠探測海洋的深度,同時也能夠令己方潛艇對敵方隱身[7]。

文章的作者阿里?阿利耶夫(Ali Aliev)及其科研團隊成員對揚聲器原理進行了解釋,納米管薄片通過熱聲效應來發出聲波,每次當電脈沖通過碳納米管的微層結構時,微層之間的空氣便被加熱,進而產生聲波。中國科學家于2008年最先發現了熱聲效應,并利用該技術制造柔性揚聲器。中國納米科學家曾測試過納米管揚聲器在空氣中發聲,但是并未在水下環境中驗證納米管揚聲器的這種能力。

阿利耶夫科研團隊成功邁出了這一步,試驗表明納米管薄片能夠發出類似低頻的聲波,這種聲波能夠讓聲吶探測到水下物體的具體位置、深度以及運動速度。科研人員還證明能夠將該揚聲器調制到特定的頻率來消除噪聲,潛艇在一定深度運動時的噪聲就可以通過這種辦法消除。

5)印度國防部批準自行建造4艘隱身驅逐艦。《印度時報》2010年8月6日報道：印度國防部已批準一項價值3000億盧比(合64億美元)的海軍項目,將自行建造4艘隱身驅逐艦。該項目代號為“15B計劃”,已提交內閣安全委員會等待最后批準[8]。

目前,印度孟買馬扎岡船塢有限公司正在建造“加爾各答”級隱身驅逐艦,完成該項目之后,馬扎岡船廠將開始進行“15B計劃”隱身驅逐艦項目的建造工作。

正在馬扎岡船廠建造的“加爾各答”級隱身驅逐艦(排水量6700噸)預計將于2012～2014年交付印度海軍。

印度國防部最近也已批準5000億盧比(合107億美元),為印度海軍建造6艘新一代潛艇。

6)意大利造船金融集團為阿聯酋海軍建造“法拉加-2”級隱身巡邏艦。法國《航宇防務》網站2010年11月4日報道：11月3日,意大利造船金融集團位于拉斯佩齊亞的瑪其亞諾(Muggiano)船廠為阿聯酋海軍定購的兩艘“法拉加-2”(Falaj 2)級隱身巡邏艦舉行了傳統的鋼板切割儀式,正式展開了首批兩艘艦艇的建造工作[9]。

這項合同是在2010年初簽訂的,合同包括阿聯酋海軍訂購另外兩艘該級艦艇的期權項,此外還包括意大利造船金融集團向阿聯酋本國船廠的技術轉移。

“法拉加-2”級隱身巡邏艦長55m,寬8.60m,最高航速超過20節,可容納28名艦員,主要特點是其特殊的隱形結構,使它們難以被跟蹤。首批兩艘“法拉加-2”級隱身巡邏艦,預計將于2012年下半年交付。

“法拉加-2”級隱身巡邏艦也非常靈活,在國家或國際行動中具備執行多方面的任務能力,從巡邏與控制行動到(無論來自空中或地面威脅的)自防御,同時也為艦員提供非常高的住宿和安全標準。

5 結語

隨著空面制導武器在現代戰爭中發揮著重要的作用,水面艦艇的生存環境日益惡劣,光電對抗技術和裝備在現代戰爭中發揮著越來越重要的作用,尤其是隱身技術的應用發揮了不可言表的威力,因為只有生存著,才能發展,才能言勝利。在未來現代化戰爭或局部戰爭中,隱身技術應用,必將對戰爭的勝負起到非常關鍵的作用。

[1]徐杰.艦船隱身技術[J].艦船電子工程,2010,30(6)：6～8

[2]張維俊.艦船隱身面臨的挑戰及技術發展展望[J].中國艦船研究,2007(6)：46～49

[3]林惠祖.艦船隱身技術及艦船等離子體隱身技術淺談[J].船艇,2006(8)：22～25

[4]“維斯比”級隱身輕護艦進入瑞典皇家海軍編隊[N].每日防務快訊,2010-01-28

[5]阿聯酋海軍訂購兩艘隱身巡邏艦[N].每日防務快訊,2010-01-28

[6]臺灣計劃建造900噸隱身艦艇[N].每日防務快訊,2010-04-26

[7]潛艇可將新型納米管技術應用于聲吶和隱身[N].每日防務快訊,2010-08-10

[8]印度國防部批準自行建造4艘隱身驅逐艦[N].每日防務快訊,2010-08-12

[9]意大利造船金融集團為阿聯酋海軍建造“法拉加-2”級隱身巡邏艦[N].每日防務快訊,2010-11-12