裝備隱身技術的智能化發展

王龍,許可俊，汪劉應,劉顧，陽能軍，李平，葛超群

(中國人民解放軍火箭軍工程大學，陜西 西安 710025)

0 引言

隨著當前世界面臨的新軍事變革，導彈、戰機、坦克、艦艇等裝備系統趨向于精準化和智能化方向發展。導彈武器系統智能化主要體現在控制、制導、引信與隱身等技術方面。隱身技術已經過近大半個世紀的發展，成效斐然。美國率先展開了隱身技術研究，在20世紀80年代就已將該技術實用化于U-2以及SR-71偵察機等軍事裝備[1]。至今，美國采用最新隱身技術的B-2轟炸機、F-22戰斗機一直都倍受世界各國的密切關注。現代戰場上的精確制導武器和偵察技術已經日益多樣化，美軍的 U-2 高空偵察機、RC-135電子偵察機和RQ-4A無人偵察機等多層次立體化先進偵查裝備的服役，使得美軍的搜索、探測、識別、跟蹤及打擊目標能力大幅提升。隱身是躲避摧毀與達成突襲的重要手段，可降低或減弱目標特性而提高裝備戰場生存、突防和打擊能力，對奪取未來戰爭制勝起到至關重要作用[2]。

隱身技術按應對的探測手段可分為可見光隱身、雷達隱身、紅外隱身、激光隱身、聲隱身等[3-6],分別減弱或控制軍事目標的光、電、聲等探測特征信號而達到隱身目的。隨著體系對抗條件下反隱身技術的不斷發展，軍事目標將同時面臨著雷達探測、高光譜探測、紅外探測、激光探測等全頻譜的全天侯全天時戰場威脅環境。因此，武器系統的隱身技術必將趨向于多頻譜兼容和智能自適應2個新方向發展。

1 多頻譜兼容隱身

為了規避雷達探測與制導，雷達隱身技術主要通過低雷達散射截面(radar cross section,RCS)外形設計與吸波材料作用,減小目標雷達散射截面，達到安全隱身的目的[7-8]。如圖1所示，當前日本的SSM-1岸艦導彈、ASM-2空艦導彈以及瑞典的RBS-15反艦導彈等均采用鐵氧體、碳纖維、石墨、SiC纖維、金屬微粉等為吸波涂層。近些年，隨著導電高分子材料、特殊結構材料、陶瓷、纖維、納米及其復合材料等逐步在隱身技術上的應用，促使裝備隱身材料走向寬頻化、輕型化、復合化、納米化和高溫化。GAMMA公司采用新型多晶鐵纖維吸收劑制成性能較好的吸波涂層，將其實用到法國導彈裝備上，質量比傳統金屬微粉減輕40%以上[9]。美國F-22猛禽戰斗機采用了復合材料和結構，將納米吸波材料涂層進行優化配置,達到了最優隱身性能。混雜纖維增強復合材料可成為質輕高強的承載結構件，又可用于拓寬吸波頻帶。陶瓷基復合材料更有助于高溫場合保持較好的吸波效果。法國Alcole公司將玻璃、芳酰胺和碳等纖維材料合成復合纖維，并與TiO2混雜制備成耐受1 200 ℃高溫的隱身無人機殼體。美國將陶瓷基復合吸波結構材料安裝在F-117隱身戰機的尾噴管，可承受高溫1 100 ℃，有效提升高溫隱身性能。

圖1 有微波吸收涂層的導彈

現有隱身技術無法覆蓋整個電磁譜波段，大多隱身技術只能較好地應對單一波段探測，2種以上的聯合探測手段下就無所遁形，不能完全滿足實戰需求。譬如美軍F-117隱身戰機，敗于伊拉克戰爭中伊軍的毫米波雷達而慘遭擊毀。伴隨著較為先進的紅外、激光、米波雷達以及毫米波雷達等多波段偵察手段的不斷發展，亟待發展多頻譜兼容的新型隱身技術[10-11]。當前多頻譜兼容隱身材料主要有高分子聚合物材料、納米材料以及氧化物摻雜半導體等[12]，更多是采用多層特殊結構設計與制備工藝形成復合的涂層型、夾層型與多層膜等結構樣式。被動紅外探測和主動激光探測兩者在所處的相同波段范圍內存在難以協調的矛盾問題。然而，采用摻雜態Ge/ZnS，SiO2/ITO，Te/ZnS，TiO2/SiO2等膜系結構光子晶體的光子禁帶與光子局域效應，形成紅外光波段區域的階躍型反射光譜與挖孔型反射光譜并存現象，較好實現紅外高反射特性與1.06，10.6 μm激光陷光特性的兼容[13-16]。由于我國在這一方面的研究起步較晚，多頻譜兼容隱身技術并沒有得到很好的實裝應用。然而，歐美國家的多種戰機、艦艇以及導彈卻可在一定程度上實現雷達、紅外以及可見光等多頻譜兼容隱身，提高了武器裝備的隱身性能。法國將多種隱身技術應用于圖2中的AMX-30DFC坦克以及“勒克萊爾”2015坦克上，有效抑制了紅外以及雷達波的反射信號。瑞典的巴拉庫達公司研制的BMX-ULCAS型超輕偽裝網具有較好的中遠紅外、可見光以及雷達等多頻譜隱身性能。

圖2 多頻譜兼容隱身坦克

2 智能隱身技術

在武器裝備的轉場機動運輸過程中，存在差異的多域復雜背景變化，靜態隱身方式逐漸不能滿足戰場偽裝需求。智能隱身技術[17-19]，又稱為自適應隱身技術，能主動感知與分析軍事目標不同方位的光電特性變化，主動改變軍事目標的可探測特征,使軍事目標全天候、全過程、全時段與環境的各種特征信號相匹配，適應背景動態變化，從而顯著降低目標被偵測、識別、鎖定及攻擊的可能性。智能隱身是集感知、決策、執行于一體的系統技術，具備戰場環境智能感知功能、信息自主處理功能、目標特征信號智能調節功能。動態隱身過程需要實時處理多種繁冗的復雜背景環境信息，將來必然與人工智能相結合，通過深度學習等算法產生最優的隱身模式及隱身特征信號調控策略。世界各軍事強國都在熱衷于智能隱身技術研究，主要研究圍繞著雷達波、紅外、可見光智能隱身以及智能蒙皮等方面展開。

2.1 雷達智能隱身

雷達智能隱身技術能夠對周圍入射的電磁波進行感知，并實時調整和控制軍事目標吸收、反射以及散射雷達波的特性，使得軍事目標能夠實時融合于復雜多變的電磁環境。目前主要實現途徑有自適應伺服裝置控制可變外形、主動頻率選擇表面、電磁參數可調控材料和有源主動隱身技術等[20-21]。美國在自適應伺服裝置控制可變外形研究領域處于領先地位，美國航空航天局(national aeronautics and space administration，NASA)和國防高級研究計劃局(defense advanced research projects agency，DARPA)早已開展了飛行器的智能變形技術研究且進展較為迅速，將來可望在航空航天、飛航導彈和無人機領域獲得應用。主動頻率選擇表面是在無源頻率選擇表面中加入可控器件，通過調節等效電路中阻抗特性實現諧振頻率的響應特性[22-24]。電磁參數可調控材料能通過施加電壓改變其物相從而實現吸波峰值頻率的可調諧。目前學者對聚吡咯、聚苯胺等導電聚合物進行摻雜改性，能對其電磁參數和電導率進行相應調節，這些使得在很寬頻帶內具有非常強的隱身能力。雷達有源主動隱身技術主要包括有源對消、等離子隱身技術等[25-26]。有源對消技術是利用反相電磁波去消除隱身目標表面所產生的反射波。圖3中的B-2轟炸機搭載的有源對消系統“ZSR-63電子戰系統”能夠較好實現主動雷達隱身。由于隱身信號的多參量實時跟蹤、控制技術研究依舊存在難以突破的瓶頸，有源對消技術發展仍然不夠成熟。等離子隱身技術是通過電磁波與帶電粒子的相互作用，使電磁波能量逐漸被吸收與衰減。近年來，俄羅斯的等離子體隱身技術已經超越了美國，取得了相應技術成果。等離子體隱身能夠將隱身裝備的可探測概率降低99%，促使傳統的隱身技術觀念發生根本性的變化。此外，通過將有源干擾技術與隱身技術結合使用，更能提高武器裝備的生存能力。美國在F-15以及F/A-18等高端戰斗機都裝有干擾機，且在F-22戰機(如圖4)等裝備加裝有小型誘餌系統。有源干擾技術可主動感知敵方的探測手段與工作頻率，并結合先進的電子干擾機與誘餌系統形成對抗干擾信號，能更好地規避敵方的偵測、跟蹤與打擊。

圖3 B-2轟炸機

圖4 F-22戰斗機

2.2 智能光學隱身

傳統的迷彩偽裝、遮障偽裝等靜態偽裝技術無法與背景環境的光譜細節特性達成一致，不能有效對抗高、超光譜成像偵察技術。智能可見光隱身原理與變色龍、章魚等生物變色機制相似，通過感知自身所處的環境顏色，主動改變自身顏色。智能變色材料主要分為光致變色、熱致變色、電致變色和壓敏變色等[27-29]，為實現自適應可見光譜隱身系統提供了可能。法國在2014年巴黎國際防務展上展出的“多光譜活性皮膚”仿生偽裝變色材料能夠實現電致輻射、反射和發光等特殊功能，通過動態變色使目標類似于變色龍一樣與背景融為一體，且對紅外探測技術有一定隱身效果。俄羅斯于2018年研制出了隱形的頭盔，能夠針對周圍環境變化而改變顏色，俄軍可使用這種頭盔在戰場上發揮出驚人的隱身優勢。美國養馬人湖空軍基地已經著手研究在計算機程序控制下實現摻雜導電聚合物電致變色器件的色彩與亮度調節，力圖使飛機與背景環境達到類似圖5所示的自適應可見光隱身功能。基于LED燈等方式的光譜亮度主動補償旳自適應偽裝技術[30]，也能使軍事目標很好地融合背景環境。通過實時監測背景環境的光譜特征，并自主計算軍事目標所需的相應補償量，通過控制補償發光系統實時補償軍事目標相對于背景環境所差的光譜亮度。超材料能使得物體表面的電磁波繞過其表面繼續向前傳播，導致偵察器材或人眼無法接收到物體表面的返回波而無法成像，達到了隱身的效果。加拿大研究人員通過使光波彎曲后繞過物體繼續傳播的方式，研制出圖6所示的一款在可見光、紅外探測及熱成像偵察系統都具備隱身能力的神奇“量子隱形衣”。

圖5 可見光自適應隱身飛行器

圖6 量子隱形衣

傳統紅外隱身技術一般采用具有低發射率隱身涂料控制發射率，或者采用隔熱、吸熱材料控制目標溫度，但這些靜態偽裝技術不可避免地可能導致目標與環境融合程度不同，導致隱身失敗。自適應紅外隱身技術能使被探測目標的紅外輻射特性隨環境的紅外輻射特性自動發生相應協調變化,從而達到動態紅外隱身目的。電致變色材料因其出色的發射率可調優勢而受到各熱控領域的廣泛研究。美國Florida大學、California大學等在軍方資助下對聚噻吩及其衍生的電致變發射率器件開展了大量紅外自適應隱身研究[31]。然而，電致變溫和變發射率材料的研究仍然不夠成熟，存在溫度控制精度不夠高、隨動控制靈敏度不夠好等缺陷。

2.3 智能蒙皮

美國空軍于20世紀80年代最先構想了智能蒙皮技術，擬計劃將射頻功能件、光纖傳感器、微處理裝置、微型電子元件、功能材料、天線陣列等嵌入到航天器、戰機、軍艦、潛艇等武器系統的外層或內部結構體中以實現監視、預警、隱身和通信等多項功能。智能蒙皮要求材料具備耐高溫、高強度的同時質量輕，因此需采用滿足條件的新型復合材料，將傳感器陣列和光纖傳輸系統完美地嵌入蒙皮內部，這兩項技術目前也是世界各國正在攻克的技術瓶頸。美國BMDO于1996年開始計劃在彈道導彈預警衛星與導彈天基防御系統的復合材料蒙皮中植入射頻天線、光纖傳感器、激光傳感器等器件，對非對稱打擊威脅進行實時監視和預警[32]。俄羅斯蘇-35BM戰斗機采用了第五代戰機“未來前線戰斗機(PAK-FA)”的電子戰智能蒙皮系統設計。英國航宇系統公司與西門子聯合正在研制具備雷達、通信、主動隱身等系統功能于一體的歐洲戰斗樣機智能蒙皮。另外，智能蒙皮一體化關鍵技術還包括共形天線、光纖智能隱身、智能隱身特性綜合優化等技術層面。美國雷神公司于2012年采用主動頻率選擇表面研制出了人工可控電磁透波特性的復合蒙皮材料[33]。美國于2015年已將研制的超材料智能蒙皮技術應用至F/A-18“大黃蜂”的垂尾，實現機載通信天線和合成孔徑雷達的共形設計，提高了裝備系統的隱身性能。

3 結束語

裝備隱身技術對現代體系作戰的復雜戰爭環境中武器裝備的生存、突防和打擊能力具有非常重要意義。國內外隱身領域普遍熱衷于利用多元納米復合與人造特殊結構等技術，使得武器裝備隱身涂層逐漸趨向于“厚度薄、質量輕、頻帶寬、耐熱好”。然而，現有靜態隱身技術依然存在頻段兼容不夠寬、寬波段性能不均、動態可調可控性差等局限性。當前雷達波、紅外、可見光等自適應偽裝技術逐步取得了重大突破，但離實裝工程化應用尚有差距。由此，當前隱身技術不能有效支撐未來體系作戰下多頻譜平衡、多特征域綜合、跨域復雜背景高度融合與匹配等偽裝發展需求。

世界各國軍事實力競爭日益激烈，研發多頻譜兼容隱身技術與智能隱身技術已經成為未來發展的必然趨勢。智能隱身裝備殼體必選擇將感知、處理與控制、執行集中于一體的智能蒙皮樣式。在現狀條件下，智能隱身材料是制約裝備隱身技術突破的一項技術瓶頸，發展全新的隱身材料、隱身結構與隱身機理是突破智能隱身技術瓶頸的關鍵途徑，對構建我國及火箭軍自有的隱身體系具有十分深遠的意義。隨著傳感器、人工智能、超材料、納米材料、復合材料、智能材料等技術逐步成熟，相信智能隱身技術實裝應用是指日可待。