水面作戰艦艇關鍵能力之——藏：隱身蔽體的偽裝

武為

保存自己是戰爭制勝的永恒法則。在時空界限漸趨模糊的現代戰爭中，隱藏自己是有效遂行作戰任務的基本前提。藏，就是通過將自身信號特征融合于環境背景中，降低可辨識度，以最大限度地減小被敵方發現的概率。在電子探測設備性能越來越好的今天，體型越來越大的水面艦艇暴露的風險在急劇上升，“不露臉、弱感受、動靜小”成為了水面艦艇設計建造的基本標準。

不露臉

如今對水面艦艇的監測早已越過了目視的階段，機載對海警戒雷達數百千米的探測距離讓水面艦艇無所遁形，如何躲避雷達的監測成為了水面艦艇隱身的首要問題。“不露臉”就是通過優化外形設計、采用新材料新技術，有效縮短對方雷達對自身的探測距離，或者使對方無法通過雷達正確識別自己，從而達成進攻的突然性或防御的有效性。

雷達反射面積我們知道，雷達探測的原理是通過電磁波在物體表面反射產生的回波成像進行判別。那么，如何對成像情況進行判別呢？這就涉及到雷達反射面積（Radar Cross-Section，簡稱RCS）這個概念。

RCS是度量目標在雷達波照射下所產生回波強度的一種物理量，它是目標的假想等效面積，度量單位是平方米，一般用符號σ表示。RCS越大，在相同距離上雷達接收天線截獲的目標回波功率就越大，被雷達發現的可能性就越大。因此，減小RCS值對水面艦艇在雷達上隱身具有十分重要的意義。

從影響RCS值的因素上看，大致可以分為內外因兩類。一是內因，與目標的形狀、尺寸、結構及材料有關，其中最為重要的是目標形狀。例如，蜜蜂的體積雖小于麻雀，但其RCS卻比麻雀大16倍。二是外因，與入射電磁波的角度等因素有關。某一物體的RCS并非一個固定的單值，對于每個視角、不同的雷達頻率等都對應不同的RCS。例如F-16戰斗機在某一波段的RCS值，正前方為4平方米，側向則大于100平方米。那么，降低水面艦艇的RCS值就要從上述兩個方面入手。

改變水面艦艇外形設計。這種方法的目的是使艦艇盡可能少的反射電磁波。從雷達實際接收的目標回波來看，影響RCS值散射源的基本類型主要包括鏡面反射、邊緣繞射、尖角繞射、爬行波繞射、行波繞射和非細長體因電磁突變引起的繞射。對于一般水面艦艇而言，它的散射場包括反射和繞射場，而其中尤以由光滑表面產生的鏡面反射和由目標邊緣及過渡處產生的邊緣、尖角繞射起主要作用。那么，要達到對雷達隱身的效果，就要采取多種措施，使鏡面反射和邊緣、尖角繞射基本消失。在水面艦艇的隱身設計上，一般采取改變艦體設計和上層建筑形狀的方式來降低RCS值，例如對舷側采用傾斜設計，避免與水面相互垂直，使照射面進行異向反射，以減小回波的反射能量；上層建筑四周及相鄰連接處避免直角，盡量采用圓弧過渡，防止產生尖角繞射，外露面積盡量減小等。目前在隱身上最為激進的設計是美國海軍“朱姆沃爾特”級驅逐艦。該艦采用艦體內傾和一體式上層建筑設計，在雷達上顯示的目標大小僅相當于一艘小漁船，隱蔽性極強。

壓縮電磁波入射角度。這種方法的目的是最大程度減小主要迎戰方向的RCS值。上面提到，同一物體在不同角度的RCS值千差萬別，從設計難度和成本上講，要全方位降低RCS值是不切實際的，因此，水面艦艇在設計建造過程中，往往會采用犧牲某些角度（如兩舷側，因為現代艦載武器已能夠實現自主全方位打擊，不再需要通過艦艇的機動來改變射擊角度）的RCS值，而在其它角度最大限度地進行RCS縮減。這樣既有利于總體設計，也便于隱身技術的實施。以此原則設計的水面艦艇只是在某些主散射方向上存在較大的RCS值，因此使敵難于探測、跟蹤。

采用雷達吸波材料（涂料）。采用雷達吸波材料和涂料是減少水面艦艇雷達反射面積最簡單的措施，但要實現徹底隱身技術難度較大，經濟性較差。目前來看，世界各國都以外形改變為主、材料改變為輔的隱身設計原則，只有在外形隱身難以實施或需要加強隱身效果時，才采用涂覆吸波材料的方法。

雷達波段雷達波段指雷達發射電磁波的頻率范圍。不同作戰功能的雷達工作在不同波段，根據雷達接收天線截獲功率計算公式，在相同距離和角度的情況下，照射在同一物體的入射波波長關系到雷達接收天線截獲功率的大小。因此，不同波段的雷達，對隱身目標的發現能力也不相同，要實現對雷達的隱身，必須要搞清楚各個雷達波段的特點。

雷達波段由低到高可分為：高頻（HF）、甚高頻（VHF）、特高頻（UHF）、L波段、S波段、C波段、X波段、Ku波段、K波段和Ka波段。頻率越高，波長越短。非相控陣單雷達條件下，高頻波段定位更準確，但作用距離短；低頻波段定位相對模糊，但作用距離遠，發現目標距離大。以目前的技術水平來看，還無法做到某一裝備實現“全頻譜隱身”，一般而言，都是根據該型裝備需要承擔的作戰任務來設計針對某一波段的雷達隱身性能。例如，某型戰機需要執行縱深突防任務，將面對敵方多種防空系統的聯合，那么它就要設計成“寬頻譜隱身”；如果某型戰機要執行淺近縱深突防任務或者面對分散的野戰防空系統，那么它只需要針對對方的火控和跟蹤雷達實現“窄頻譜隱身”即可。與戰機不同，水面艦艇不存在縱深突防的任務要求，而且艦載武器的遠程化也使得水面艦艇不必抵近敵方海岸進行攻擊，因此，水面艦艇的隱身設計一般都是針對中距對海警戒雷達和火控雷達等中短波雷達，也就是厘米波雷達，其中大多數工作在S和X波段。

由于水面艦艇一般只對中短波雷達隱身，因此通過長波（主要是米波）或超短波雷達（主要是毫米波）對隱身目標進行跟蹤監視就成為了破除隱身的重要手段，同時也是隱身設計中面臨的新難題。

一方面，電磁波照射在與自身波長相近尺寸的目標上會產生諧振效應，盡管此時沒有直接的鏡面反射，但也會造成強烈的信號特征。例如，目前廣泛采用的陸基對海警戒雷達多是工作在米波級，當這類電磁波射到與自身波長可比擬的目標部位上后，會在反射波與爬行波之間產生諧振現象，使目標的反射信號增強。而在波長很短（毫米波）的雷達照射下，則從雷達視角觀察的水面艦艇的不平滑部位將顯著增多，從而導致RCS值增大。

另一方面，大多數雷達吸波材料或涂層都含有“活性成分”，經雷達波照射后其分子結構內部產生電子重新排列，分子振蕩的慣性會吸收一部分入射能量。但是，入射波的波長越長，分子振蕩越慢而吸波效果越不明顯，使得吸收的入射波能量變少，在“此消彼長”下增強反射波強度。

有鑒于此，近年來，一些國家開始重新重視研制早已邊緣化的長波雷達。目前發展很快的長波雷達是超地平線雷達（OTH），其工作波長達10～60米（頻率為5～28MHz），處于主流雷達的工作波段范圍之外。這種雷達主要靠諧振效應探測隱身目標，而且幾乎不受現有雷達吸波材料的影響。另外，毫米波雷達的實用化也開始加速，目前已有可供特定條件下使用的量產裝備。

不過，長波雷達和超短波雷達也存在自身的弱點和技術難題。例如，盡管長波雷達能較早發現隱身目標，但較差的精確性決定了其還無法引導火力進行精確打擊，而火控雷達又無法捕捉到隱身戰艦，這就造成了“看得見打不到”的尷尬局面。對此，俄羅斯軍工專家正在思考努力提高其VHF波段雷達的探測精度，使其能引導防空導彈和戰斗機飛到距離隱身戰艦足夠近的距離上，以便導彈或飛機上裝載的X/Ku波段雷達能直接捕捉隱身戰艦。而對于毫米波雷達來說，其較高的頻率決定了傳播損耗過大，探測距離受到嚴重限制，而且極易受到外界信號干擾。美國空軍曾在1990年有關反隱身對抗的總結報告中稱，甚高頻（VHF）雷達（頻率160～180MHz、波長1.65～1.90米）在探測低飛目標或對付人工干擾時存在嚴重問題；OTH雷達提供的跟蹤和定位數據不夠精確；毫米波雷達（頻率約為94GHz）的探測概率不高。

弱感受

自上世紀七十年代紅外探測器的工作頻段擴展到中遠紅外區以來，紅外探測技術日趨成熟，已成為僅次于雷達的中遠程探測、制導手段。由于海上背景環境相對較冷且一致性好，動力設施、電子設備等熱源不斷增強增多的水面艦艇變得格外“刺眼”。在現代海戰中，各種水面艦艇的熱輻射很容易被對方的紅外探測系統發現，也容易遭到紅外尋的導彈的攻擊，在紅外波段的世界里隱藏身形成為了一個持之以恒的設計要素。以當前水面艦艇的總體狀態來看，有兩個易暴露的熱源：一是面積小，但溫度高的部分，紅外特征非常明顯，主要集中在3～ 5μm中紅外波段；二是溫度不高，但面積較大，在環境背景中體現得較為明顯的部分，主要集中在8～14μm遠紅外波段。要實現紅外隱身，必須首先解決這兩個方面的紅外輻射問題。

高溫孔口高溫孔口指散發高熱量的孔壁和排氣口，水面艦艇的高溫孔口包括煙囪出口、排氣煙羽等。對于水面艦艇來說，主機、電站輔機的排出廢氣溫度一般為350～650℃，處于3～ 5μm中紅外波段。這一波段的紅外輻射特征主要是與背景的強烈輻射亮度差，這種亮度差體現在紅外輻射熱像圖中就是許多亮度極高的點。由于自身溫度極高，因此這種輻射特征幾乎不受陽光、環境溫度和氣候條件的影響，是點紅外制導導彈捕捉和攻擊的極佳目標。而針對這一波段的隱身任務，就是要想辦法消除這些“亮點”。因為紅外探測器對目標的探測距離與目標紅外輻射強度的平方根值成正比。而根據玻爾茲曼定律，目標的熱輻射強度又與溫度的四次方成正比，如果目標的溫度降低，則探測器的作用距離將下降68%，效果明顯。

盡管高溫孔口的可見金屬面積只占全艦總面積的1%～2%左右，但由于其溫度高、所處位置高，因此是水面艦艇最強的紅外輻射源。研究表明，在3～ 5μm中紅外波段，排煙管和煙羽的輻射強度占總輻射源的99%以上，成為艦艇3～5μm中紅外波段的最主要目標源。因此，紅外隱身技術研究大都是從高溫孔口開始。

對于采用舷側排氣的中小型艦艇來說，由于空間狹小和動力機械設備布置過于緊湊，主要采用在排煙管內進行噴水降溫的紅外抑制措施。從目前的技術水平來看，中小型艦艇上采用的噴水降溫技術可以將主機產生的500℃左右的高溫廢氣降低到約60℃左右，盡管比周圍環境溫度仍然要高，但由于面積小，已經能夠較好的融入背景中，從而實現紅外波段的“點隱身”。

對于采用煙囪排氣方式的大型艦艇來說，管內噴水的降溫方式就不太可取，因為這樣極易造成煙囪后部的雷達、通信等天線設備出現腐蝕。例如，美國海軍雖然在大型艦艇上進行了噴水降溫試驗并取得了良好的紅外抑制效果，但終因腐蝕問題難以解決而最終放棄。因此，大型艦艇普遍主要采用在排煙管末端加裝紅外抑制器的方式。從技術發展歷程來看，這一方式經歷了三代：第一代是采用單噴管引射冷空氣的方式進行主機紅外抑制，降溫幅度在50%左右，雖然效果一般，但成本低廉、結構簡單，目前仍有國家在使用。第二代是在前一代基礎上增加了噴管數量，提高了引射效率，降溫幅度在80%左右。這種方式對主機功率會產生一定影響，并且由于尺寸過大，會降低艦體對雷達的隱身效果。第三代對第二代進行了小型化改進，不僅能夠與艦身融為一體，而且解決了阻礙主機功率的弊端，典型代表是加拿大海軍使用的“得勒斯球”紅外抑制裝置。

艦體表面發射率除3～5μm波段的高溫點紅外輻射外，水面艦艇還有一類較為明顯的紅外輻射是面紅外輻射。由于艦體表面大面積部位的溫度高于環境溫度，從而會產生明顯的紅外輻射特征，這類紅外輻射處于8～14μm波段。與3～5μm波段輻射源于自身發熱不同，8～14μm波段的紅外輻射源于艦艇表面對外部環境輻射的吸收和反射，比如太陽、天空、海面、大氣等。由于高溫孔口的紅外輻射在降溫后會轉換為8～14μm波段的紅外輻射（兩者之間轉換的臨界溫度大約在160℃），因此后者所產生的紅外輻射在艦體總紅外輻射強度中占有相當的比例，是水面艦艇的主要輻射源。

從熱成像圖上看，8～14μm與3～5μm波段的紅外輻射呈現完全不同的特征，后者只是一些亮點，而前者由于面積大，其熱圖像基本能夠清晰顯示出包括艦體、甲板和上層建筑等體現艦艇輪廓的部位，危害極大，因為在這種情況下敵方甚至可以有選擇性的攻擊艦艇的要害部位。現在反艦導彈的紅外成像導引頭多工作在8～14μm波段，研究抑制在這一波段的紅外輻射具有十分重要的現實意義。那么，如何有效實現如此大面積的紅外隱身，首先需要搞清楚發射率的概念。

發射率指物體的輻射能力與相同溫度下黑體的輻射能力之比（熱輻射投射到物體上會產生吸收、反射和透射現象，能全部吸收輻射能的物體稱為“黑體”）。水面艦艇輻射紅外能量不僅取決于表面溫度，還決定于自身的表面發射率。溫度相同的物體，由于表面發射率不同，在紅外探測器上會顯示出不同的紅外圖像。物體的發射率與其表面狀態（包括物體表面溫度、表面粗糙度以及表面氧化層、表面雜質或涂層的存在）有關。因此，目前解決8～14μm波段紅外隱身問題的方法主要采用兩種方式：一是降低表面溫度；二是采用紅外隱身材料（或涂料）。

降低表面溫度主要通過對全艦噴淋海水實現，從而實現對艦艇熱成像圖形的人為破壞，使敵方無法找到準確的攻擊目標，目前的技術水平能夠實現在10分鐘左右就將艦體表面溫度降到與周圍環境溫度相仿的狀態。而采用紅外隱身材料（或涂料）是“治本”的方法。但由于海戰環境下對材料（或涂料）的要求較高，例如不僅要求較低的發射率和控溫能力，而且還要具有較低的太陽能吸收能力，并能夠與雷達隱身的要求兼容，因此雖然許多國家在此領域已經研究了數十年，但一直進展不大，有些能夠實現很好的紅外隱身，但在白天的環境中反而會更加凸顯艦艇的特征。

動靜小

如果說雷達隱身和紅外隱身都是為了應對水面以上的“魔眼”，那么，聲磁隱身則是為了應對水面以下的暗箭。事實上，潛艇和魚水雷已經成為水面艦艇的最大威脅來源。其中，以捕捉噪聲為代表的聲吶和以捕捉磁場為代表的磁感應器最為突出。因為聲磁場是任何水面艦艇都不可能徹底消除的物理特性，因此，如何最大程度的降低噪聲和磁場就成為了聲隱身的核心目標。

噪聲臨界頻率水面艦艇的輻射噪聲源主要有三類：一是機械噪聲，由發動機、減速器和各類設備振動產生；二是螺旋槳噪聲，由螺旋槳葉片轉動和空化現象產生；三是水動力噪聲，由水流輻射以及空腔和附件共振產生。其中，前兩者貢獻了約90%以上的輻射噪聲，是水面艦艇被聲吶發現的“罪魁禍首”。實驗證明，當水面艦艇輻射噪聲降低6dB（分貝）時，可使對方被動聲吶作用距離減少50%；當水面艦艇聲反射強度降低10dB時，可使對方主動聲吶作用距離減少70%，同時可將本艦聲吶作用距離提升100%。因此，降低噪聲可大幅提升艦艇的隱身能力。

不過，水面艦艇的輻射噪聲源頭多變、頻譜復雜，有效控制各類噪聲的難度比較大，需要搞清楚噪聲譜型和頻率，然后有針對性的采取降噪措施。水面艦艇的輻射噪聲譜型分為線譜和連續譜兩類，前者是由頻率離散的成分組成的譜，主要是機械噪聲；后者指由頻率在一定范圍內是連續成分組成的譜。一般來說，水面艦艇的總輻射噪聲是由強線譜和弱連續譜疊加而成，但與航行狀態和設備工作狀態密切相關，處于時刻變化之中。而這種變化主要表現為譜峰向不同頻段位移。通常水面艦艇的噪聲頻率為1～100Hz聲譜的主要成分是機械噪聲的線譜，位于100～1 000Hz頻率聲譜的主要成分則是螺旋槳空化的連續譜。對于水面艦艇來說，這種變化取決于航速，高航速時，主要為低頻線譜；低航速時，則為高頻連續譜。

艦體表面發射率除3～5μm波段的高溫點紅外輻射外，水面艦艇還有一類較為明顯的紅外輻射是面紅外輻射。由于艦體表面大面積部位的溫度高于環境溫度，從而會產生明顯的紅外輻射特征，這類紅外輻射處于8～14μm波段。與3～5μm波段輻射源于自身發熱不同，8～14μm波段的紅外輻射源于艦艇表面對外部環境輻射的吸收和反射，比如太陽、天空、海面、大氣等。由于高溫孔口的紅外輻射在降溫后會轉換為8～14μm波段的紅外輻射（兩者之間轉換的臨界溫度大約在160℃），因此后者所產生的紅外輻射在艦體總紅外輻射強度中占有相當的比例，是水面艦艇的主要輻射源。

從熱成像圖上看，8～14μm與3～5μm波段的紅外輻射呈現完全不同的特征，后者只是一些亮點，而前者由于面積大，其熱圖像基本能夠清晰顯示出包括艦體、甲板和上層建筑等體現艦艇輪廓的部位，危害極大，因為在這種情況下敵方甚至可以有選擇性的攻擊艦艇的要害部位。現在反艦導彈的紅外成像導引頭多工作在8～14μm波段，研究抑制在這一波段的紅外輻射具有十分重要的現實意義。那么，如何有效實現如此大面積的紅外隱身，首先需要搞清楚發射率的概念。

發射率指物體的輻射能力與相同溫度下黑體的輻射能力之比（熱輻射投射到物體上會產生吸收、反射和透射現象，能全部吸收輻射能的物體稱為“黑體”）。水面艦艇輻射紅外能量不僅取決于表面溫度，還決定于自身的表面發射率。溫度相同的物體，由于表面發射率不同，在紅外探測器上會顯示出不同的紅外圖像。物體的發射率與其表面狀態（包括物體表面溫度、表面粗糙度以及表面氧化層、表面雜質或涂層的存在）有關。因此，目前解決8～14μm波段紅外隱身問題的方法主要采用兩種方式：一是降低表面溫度；二是采用紅外隱身材料（或涂料）。

降低表面溫度主要通過對全艦噴淋海水實現，從而實現對艦艇熱成像圖形的人為破壞，使敵方無法找到準確的攻擊目標，目前的技術水平能夠實現在10分鐘左右就將艦體表面溫度降到與周圍環境溫度相仿的狀態。而采用紅外隱身材料（或涂料）是“治本”的方法。但由于海戰環境下對材料（或涂料）的要求較高，例如不僅要求較低的發射率和控溫能力，而且還要具有較低的太陽能吸收能力，并能夠與雷達隱身的要求兼容，因此雖然許多國家在此領域已經研究了數十年，但一直進展不大，有些能夠實現很好的紅外隱身，但在白天的環境中反而會更加凸顯艦艇的特征。

動靜小

如果說雷達隱身和紅外隱身都是為了應對水面以上的“魔眼”，那么，聲磁隱身則是為了應對水面以下的暗箭。事實上，潛艇和魚水雷已經成為水面艦艇的最大威脅來源。其中，以捕捉噪聲為代表的聲吶和以捕捉磁場為代表的磁感應器最為突出。因為聲磁場是任何水面艦艇都不可能徹底消除的物理特性，因此，如何最大程度的降低噪聲和磁場就成為了聲隱身的核心目標。

噪聲臨界頻率水面艦艇的輻射噪聲源主要有三類：一是機械噪聲，由發動機、減速器和各類設備振動產生；二是螺旋槳噪聲，由螺旋槳葉片轉動和空化現象產生；三是水動力噪聲，由水流輻射以及空腔和附件共振產生。其中，前兩者貢獻了約90%以上的輻射噪聲，是水面艦艇被聲吶發現的“罪魁禍首”。實驗證明，當水面艦艇輻射噪聲降低6dB（分貝）時，可使對方被動聲吶作用距離減少50%；當水面艦艇聲反射強度降低10dB時，可使對方主動聲吶作用距離減少70%，同時可將本艦聲吶作用距離提升100%。因此，降低噪聲可大幅提升艦艇的隱身能力。

不過，水面艦艇的輻射噪聲源頭多變、頻譜復雜，有效控制各類噪聲的難度比較大，需要搞清楚噪聲譜型和頻率，然后有針對性的采取降噪措施。水面艦艇的輻射噪聲譜型分為線譜和連續譜兩類，前者是由頻率離散的成分組成的譜，主要是機械噪聲；后者指由頻率在一定范圍內是連續成分組成的譜。一般來說，水面艦艇的總輻射噪聲是由強線譜和弱連續譜疊加而成，但與航行狀態和設備工作狀態密切相關，處于時刻變化之中。而這種變化主要表現為譜峰向不同頻段位移。通常水面艦艇的噪聲頻率為1～100Hz聲譜的主要成分是機械噪聲的線譜，位于100～1 000Hz頻率聲譜的主要成分則是螺旋槳空化的連續譜。對于水面艦艇來說，這種變化取決于航速，高航速時，主要為低頻線譜；低航速時，則為高頻連續譜。