衛星隱身技術研究進展及發展趨勢*

2021-06-07 08:33:18胡豪斌廖文和孔祥鯤

國防科技大學學報 2021年3期

胡豪斌，張翔，廖文和，孔祥鯤

(1. 南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094； 2. 南京航空航天大學電子信息工程學院，江蘇南京 210016)

隨著科學技術的發展，衛星技術迅猛發展，在軌衛星數量劇增，軍用、民用、商業衛星繁榮發展，對于軍事戰略而言，太空已成為新的戰場，與制海權、制空權一樣，制天權已成為目前發達國家軍事戰略中的重要組成部分。歐美等發達國家的太空發展計劃中，防御性對抗在整個攻防體系中發揮著重要作用，具有隱身功能的衛星已經成為防御性對抗的重要組成部分。隨著針對太空目標的探測識別和監視技術的不斷發展，衛星的安全和生存能力將面臨嚴峻的挑戰，為了降低在軌衛星的可探測性，增強對敵方探測和監視系統的抵御能力，迫切需要在衛星上應用隱身技術。

針對目標可探測特征的分類，隱身技術主要分為雷達隱身技術、可見光及紅外隱身技術、射頻隱身技術等。雷達隱身技術是發展最早也是最重要的隱身技術，降低雷達散射截面(Radar Cross Section, RCS)的措施主要有：外形修形技術，也稱為外形隱身；采用雷達吸波材料。可見光及紅外隱身技術的核心是通過冷卻、降溫、涂料、涂層、遮擋和降低發射率等手段來控制或縮減自身可見光及紅外特征信號，實現目標與背景融為一體，使得光學或紅外成像設備難以分辨。射頻隱身技術是采用主動控制輻射的技術措施，以降低被無源探測器截獲的概率[1]。

自蘇美軍備競賽以來，針對日益增多的人造衛星及愈發嚴峻的太空形勢，美國發展建立了系列太空探測系統，如太空跟蹤與監視系統(space tracking and surveillance system)、天基空間監視(space based space surveillance)系統、太空籬笆(the space fence)及林肯空間監視系統(lincoln space surveillance complex)等，已經形成在沒有預先提示或指派任務情況下實現對9 cm大小空間目標的隨機探測，在提示情況下能夠跟蹤探測1 cm大小空間目標的能力。另外，俄羅斯“天窗”(Okno space-monitoring complex)系統及光學跟蹤系統、法國的空間監視網雷達網等空間目標探測系統也已具備探測能力。目前，國際上空間目標探測系統的探測能力發展迅速，無論是雷達探測設備還是光學成像設備，地基探測系統或是天基探測系統都具備優越的探測識別及跟蹤能力，這對衛星的隱身能力提出了極高的性能要求。

衛星是一個系統工程，其本身技術復雜，包含了很多分系統，如測控、結構、熱控、電源、數據管理、姿態控制等，隱身作為一個分系統需要與各個分系統兼容。衛星在搭載于運載火箭發射升空、在運載火箭發射過程中，衛星需經歷極大的過載加速度、沖擊及噪聲環境，衛星受到體積、質量和功耗的嚴格限制。因此，衛星自身的功能及設計限制作為保證衛星任務成功的首要條件，對隱身方式及其力學性能提出了特殊要求。

衛星在軌飛行過程中，暴露在紫外線輻射、原子氧、微重力以及高真空度的極端環境下，對衛星表面材料具有一定的腐蝕降解作用，要求隱身材料具備較強的耐空間環境能力。太空平均溫度為-270.3 ℃，在太陽輻射、地球反照環境、衛星的自身功耗及熱控措施下，星內溫度一般控制在-15～+50 ℃的范圍內，星體表面及太陽能電池陣溫度范圍可達-90～+120 ℃，對隱身材料工作溫度提出了較為嚴苛的要求[2]。此外，由于任務需求，要求隱身衛星具備長時間在軌潛伏的能力，且衛星上隱身材料的修補或更換等工作極難展開，因而對衛星隱身材料提出了長壽命的需求。

本文首先概述了雷達隱身技術、紅外及可見光隱身技術，調研了外形隱身手段、各類雷達吸波材料、紅外及可見光吸收材料等，討論并總結了各類隱身技術的優缺點及在衛星上應用的可能性，最后展望了衛星隱身技術的發展趨勢。

1 雷達隱身技術

1.1 外形隱身技術

外形隱身作為比較有效的雷達隱身手段，其通過改變目標的特征外形，可在特定角度范圍內降低目標的RCS，使目標的主要散射能量規避雷達威脅區域，達到雷達隱身的效果。如圖1所示，美國的F-117A戰斗機、B-2轟炸機等就是外形隱身設計的代表作。

圖1 美國B-2隱形轟炸機Fig.1 US B-2 stealth bomber

外形隱身技術可利用多種途徑：①優化目標總體布局，減少強散射源；②通過修形消除或減弱鏡面散射；③避免構成角反射器的外形布局；④改變散射回波的方向，使散射能量在雷達威脅區域外；⑤對強散射部件進行遮擋等。

美國朦朧(Misty)衛星是已公開報道過的在軌隱身衛星，其隱身性能來源于充氣罩[3]，地面雷達探測電磁波通過錐形充氣罩的外壁折射至其他方向，大大降低了回波能量，屬于外形隱身技術的一種，朦朧衛星在軌期間隱身效果顯著，其構型如圖2所示。陳衛東等[4]公開了一種隱身衛星構型，如圖3(a)所示，衛星構型為六棱柱體、六棱錐與隱身天線罩的結合，該設計主要通過漫反射雷達探測電磁波實現衛星隱身。秦遠田等[5]公開了一種橄欖體形隱身衛星構型，如圖3(b)所示，其暴露于外表面的天線、噴管和太陽能帆板可通過窗口收進本體內，衛星切換為隱身狀態，針對全尺寸實物模裝分別進行隱身狀態和非隱身狀態下的RCS測試，兩組數據表明，在隱身狀態切換前后的RCS分別縮減至原來的1/719和1/350。

圖2 美國朦朧衛星示意Fig.2 US Misty satellite

(a) 隱身衛星(a) Stealth satellite

(b) 橄欖體形衛星構型(b) Olive-shaped satellite configuration圖3 典型隱身衛星構型Fig.3 Typical stealth satellite configuration

綜上所述，衛星采用外形隱身技術具有一定的可行性，且隱身效果較好，但上述隱身衛星構型仍存在一定的技術缺陷：①朦朧衛星可充氣圓錐結構體積龐大，圓錐角需長時間對地以指向地基雷達，影響載荷的搭載，且難以兼顧對天基探測設備、地基光學成像設備的隱身；②六棱柱與六棱錐結合隱身天線罩的構型同樣需要錐角對地，無展開式電池陣，對日電池片數量少，難以為大功率載荷供電；③橄欖形構型外形不規則，在有限的運載火箭搭載空間內，此衛星構型設備安裝空間會更小，空間利用率降低，不符合現代衛星小型化趨勢。

1.2 涂覆型雷達吸波材料

雷達吸波材料(Radar Absorbing Material，RAM)有多種分類，如按對電磁的損耗機理可分為電吸收吸波材料和磁吸收吸波材料，按吸收帶寬可分為窄帶型和寬帶型，按材料的使用方式可分為涂覆型和結構型吸波材料。目前涂覆型吸波材料有鐵氧體涂料[6-8]、多晶鐵纖維材料[9-11]、金屬微粉材料[12]、納米材料[13]、導電高聚物[14-15]、手性材料[16-19]、石墨烯復合材料[20-25]、碳纖維復合材料[26-30]、碳納米管復合材料[31-34]等。

Zhang等[7]研制的Fe3O4/ GNPs-NH-PANI復合材料與石蠟按照3 ∶7的質量比混合涂層，在2.6 mm的厚度時，反射損耗(Reflection Loss, RL)低于-10 dB的帶寬高達9.62 GHz(7.85～17.47 GHz)。Zheng等[16]采用納米鎳對微螺旋手性碳纖維改性，如圖4所示，測試結果表明涂層的反射率為-6～-8 dB的帶寬為12 GHz(6～18 GHz)。Chen等[21]在濕化學條件下，成功制備了新型還原氧化石墨烯/赤鐵礦納米復合材料，厚度為4 mm時，RL<-10 dB的頻帶為11.3～18 GHz。Pan等[22]通過在石墨烯上生長的六方鈷(α-Co)和立方鈷(β-Co)納米晶的相控合成提高鈷的電磁性能，如圖5所示，通過調節涂層厚度，有效吸收帶寬可在3～16 GHz(RL≤-10 dB)內變化。Qing等[25]研究了寬帶微波吸收的石墨烯納米片(Graphene NanoPlatelets, GNP)和BaTiO3顆粒填充的環氧涂層，采用雙層結構和頻率選擇表面(Frequency Selective Surface, FSS)設計改善此類涂層的微波吸收率后，RL<-8 dB的帶寬為13.9 GHz(4.1～18 GHz)。

(a) 納米Ni改性纖維顯微圖(a) Microscopic image of nano-Ni modified fiber

(b) 反射損耗曲線(b) Reflection loss curve of material圖4 納米Ni改性纖維Fig.4 Nano-Ni modified fiber

Kim等[26]研究了兩層復合層壓板(碳纖維-環氧樹脂復合板與炭黑浸漬橡膠板)的微波吸收特性，發現復介電常數可以通過橡膠復合板中炭黑的含量來控制，對于含10%炭黑的橡膠板，最大微波吸收為30 dB(10 GHz處)。Liu等[28]分別使用Ni和Ni / Al2O3催化乙炔分解，在碳纖維的表面上選擇性地生長形成雙碳納米線圈和單碳納米線圈，如圖6所示，測試結果表明單碳納米線圈復合材料RL小于等于-10 dB的帶寬達9.6 GHz。

(a) β-Co 100 nm顯微圖(a) Microscopic image of β-Co in 100 nm

(b) β-Co 2 nm顯微圖(b) Microscopic image of β-Co in 2 nm

Xu等[32]通過在兩輥混合器混合硅橡膠、多壁碳納米管(Multi-Walled Carbon NanoTube, MWCNT)和片狀羰基鐵顆粒(Carbonyl Iron Particle, CIP)來制備的智能吸收復合材料，厚度為1 mm或1.5 mm時，反射吸收帶(RL<-10 dB)為5.2～10.6 GHz或4.0～8.4 GHz。Huang等[33]通過球磨法制備的片狀FeSiAl合金/MWCNT復合材料，通過控制銑削時間及MWCNT含量，可調整復合材料電磁性能，如圖7所示，測試表明RL<-10 dB時，帶寬可達4.6 GHz。De Micheli等[35]在立方體衛星表面覆蓋了優化設計的用于吸波的多層MWCNT，在2～18 GHz頻帶內的大部分頻率范圍內電磁波反射低于-10 dB，可實現立方體衛星的隱身。

(a) 單碳納米線圈在碳纖維上生長的顯微圖像(a) Microscopic image of single-carbon nanocoils growth on carbon fiber

(b) 單碳納米線圈的高倍放大圖(b) High magnification of single-carbon nanocoils

(a) 0.2 μm高清電鏡圖像(a) HD image in 0.2 μm

(b) 1 μm高清電鏡圖像(b) HD image in 1 μm

(d) 不同MWCNT含量樣品的反射損耗曲線(d) RL of the sample of different MWCNT content圖7 FeSiAl / MWCNT復合材料Fig.7 FeSiAl / MWCNT composite material

然而目前廣泛研究和使用的涂覆型吸波材料，仍存在密度大、吸收頻帶窄(在2～18 GHz頻帶內，RL<-10 dB的帶寬一般低于10 GHz)、電磁波吸收率低等缺點。吸波材料多為碳系材料，輻射吸收率高、發射率高，紅外特征明顯，難以適應衛星應用環境或滿足隱身性能需求。此外，如碳納米管等納米級材料具備的非常復雜的制備工藝、高昂的制備成本會限制其應用。

1.3 結構型雷達吸波材料

結構型吸波材料，如吸波蜂窩板，通常有三種形式：①透波蒙皮，中間蜂窩夾芯中充填吸波材料(絮狀、泡沫狀、纖維狀)；②透波蒙皮，中間紙蜂窩夾芯在吸波劑中反復浸潤或者噴涂吸波劑，吸波劑附著在夾芯壁上[12,35-39]；③表面蒙皮及蜂窩夾芯透波，底層為多層復合吸波材料[40]。

He等[12]通過在蜂窩狀夾層結構中噴涂金屬磁性微粉涂層(Metal Magnetic microPowder, MMP)構成的微波吸收材料，如圖8所示，在2.6～18 GHz的頻率范圍內RL<-5 dB。郭雪松等[36]對異形蜂窩的電磁參數進行仿真，優化了15 mm 厚蜂窩，在增重41.25%、拉伸率為0.68時，RL<-10 dB的帶寬達到12 GHz(2～18 GHz內)。孫鵬程等[37]選取了兩種采用不同類型吸波劑浸漬的芳綸紙蜂窩結構型吸波材料FW10和FW20作為夾層，內外側蒙皮為鋁合金板件及石英纖維板，如圖9所示，結果表明，厚31 mm的最優方案RL<10 dB的帶寬為13.1 GHz(1.7～14.8 GHz)。禮嵩明等[38]建立了具有良好計算準確性的吸波蜂窩及其夾層吸波結構復合材料的電性能計算模型，并實現了蜂窩夾層結構吸波復合材料的寬頻電性能優化設計，如圖10所示， 30 mm厚的蜂窩夾層結構吸波復合材料優化后在1.5～18 GHz寬頻內實現RL<-10 dB。

(a) 蜂窩夾層(a) Honeycomb sandwich

(b) 涂有環氧樹脂復合材料的蜂窩夾層(b) Honeycomb sandwich coated with epoxy resin composite

(a) 仿真模型(a) Simulation model

(b) 采用最優方案時的反射損耗曲線(b) RL curve when using the optimal scheme圖9 雙層吸波蜂窩復合材料Fig.9 Double-layer absorbing honeycomb composite materials

(a) 30 mm 厚吸波蜂窩芯反射損耗(a) RL curve of a 30 mm thickness absorbing honeycomb core

(b) 不同電結構形式蜂窩夾層結構復合材料反射損耗(b) RL curve of a honeycomb sandwich structure with different electrical structures圖10 蜂窩夾層結構吸波復合材料Fig.10 Absorbing honeycomb sandwich structure

對比1.2小節可知，結構型吸波材料吸波頻帶普遍比涂覆型吸波材料寬，并且材料密度小，若能達到衛星承力要求，可以實現衛星結構隱身一體化。

1.4 電磁超材料

超材料(metamaterials)指的是一種特種復合材料或結構，通過對材料關鍵物理尺寸上進行有序結構設計，使其獲得常規材料所不具備的超常物理性質。超材料中的“左手材料”最早在1968年由蘇聯物理學家Veselago 在理論上提出，預測其介電常數和磁導率同時為負數的特性[41]。20世紀90年代，英國Pendry 教授提出周期性排布的金屬線陣列[42]和金屬開口諧振環結構[43]可以分別實現負介電常數和負磁導率。2001年，美國Smith 教授團隊將上述二者復合而首次制造出了左手材料，并用實驗驗證了其具有負折射現象[44]。Landy等[45]于2008年設計出了吸波超材料,數值模擬和實驗表明在11.48 GHz處吸收率可達99%。后續在國際上超材料吸波體的研究蓬勃發展，大量超材料相關論文相繼發表。目前可用于隱身技術的超材料設計繁多，如超材料微波吸波體[46-56]、超材料可見光吸波體[57-61]、超材料紅外吸波體[62-65]、超材料極化轉換器[66]、超材料極化旋轉反射面[29,67-68]、超材料天線罩[69-70]、可調諧超材料吸波體[71-73]、光子晶體等。另外，FSS[74]、頻率選擇反射器(Frequency Selective Reflector, FSR)[75-76]也可歸類于超材料。

Li等[47]提出了一種多層超材料吸波體，絲網印刷的碳基電阻膜夾在兩層硅橡膠與MWCNT復合材料之間，如圖11所示，90%吸收帶寬為13.5 GHz(7.1～20.6 GHz)。Tayde等[48]提出的寬帶超材料微波吸波體，由多層電阻表面構造，每層使用電阻石墨在FR-4基板上印刷不同的周期性圖案，90%吸收帶寬為16.5 GHz(2～18.5 GHz)，如圖12所示。

圖11 在彎曲試驗前后測量的反射率曲線及仿真曲線Fig.11 Simulated RL curve and RL curve measured before/after the bending test

(a) 單元結構示意圖(a) Unit cell model

(b) 使用HFSS和等效電路模型的仿真曲線(b) Simulated curves by HFSS and equivalent circuit model圖12 多層電阻表面超材料微波吸波體Fig.12 Metamaterial wave absorber based on resistance surface

Harsh等[49]提出的光學透明超材料由氧化銦錫(Indium Tin Oxide, ITO)電阻膜圖案及PET介質板制成，如圖13所示，90%吸收帶寬為 8.6 GHz(6.06～14.66 GHz)。Zhang等[51]提出采用ITO的光學透明雷達吸波體，通過適當地調整結構的共振，在8.3～17.4 GHz寬頻內實現90%吸收。Zhou等[56]提出了一種超寬帶周期性兩層階梯式雷達吸收結構(Periodic Stepped Radar Absorbing Structure, PSRAS)，通過使用αFe增強環氧樹脂復合材料構造的PSRAS，由于微觀和介觀尺度相結合的多尺度效應，如圖14所示，其在2.64～40.0 GHz超寬頻內實現RL<-10 dB。

(a) 單元結構模型(a) Unit cell model

(b) 仿真及實測的吸波率(b) Simulated and measured absorption圖13 透明電磁超材料吸波體Fig.13 Transparent metamaterial absorber

(a) 單元結構模型(a) Unit cell model

(b) αFe顯微圖(b) αFe micrograph

(c) TM波不同入射角下反射損耗曲線(c) RL curve of TM wave at different incident angles圖14 周期性兩層階梯式雷達吸收結構Fig.14 Periodic Stepped Radar Absorbing Structure

Pang等[29]提出在玻璃纖維復合材料表面加載少量的碳纖維絲，形成棋盤和隨機圖案進行了仿真及測試，其減少RCS機制為相位抵消而不是吸收，在厚2.7 mm時，RCS低于-10 dB頻段為8.7～19.2 GHz。Jia等[67]提出的由超寬帶極化旋轉反射面形成的棋盤表面，90%吸收帶寬為11.7 GHz(6.1～17.8 GHz)，如圖15所示。Jeong等[69]提出了一種單元結構由扇形圖案及電阻組成的超材料天線罩，如圖16所示，其表面采用FR-4材料進行保護，在厚度僅5.2 mm情況下吸收率大于90%的頻帶為4.6～12 GHz。Kumar等[70]通過使用尼龍纖維和輕木以及E-玻璃 / 環氧樹脂復合材料，在不影響機械性能的情況下，改善現有隱形天線罩的電磁波傳輸特性。

(a) 棋盤結構示意圖(a) Schematic diagram of the checkerboard structure

(b)棋盤結構的單站RCS與極化旋轉表面的反射率(b)Monostatic RCS of the checkerboard structure and the RL curve of the polarized rotating surface圖15 基于極化旋轉表面的棋盤結構Fig.15 Checkerboard structure based on the polarized rotating surface

岳守晶等[74]提出了一種基于頻率選擇表面的小型衛星隱身天線罩及其制備方法，如圖17所示，天線罩為蜂窩夾層結構，包括內外層FSS屏、內外蒙皮及中間層，各層間采用膠膜膠接，其力學性能滿足衛星應用。

(a) 單元結構示意圖(a) Unit cell model

(b) 實物圖(b) Fabricated sample

(a) 天線罩側視圖(a) Side view of radome

(b) 天線罩俯視圖(b) Top view of radome

Han等[72]提出的可通過3D打印實現的水基可調超材料吸波體，通過機械運動控制可實現吸收波段的改變，如圖18所示。Sun等[76]提出了一種基于FSR設計的低RCS平面反射陣列天線，測量結果表明，所提出的天線設計與常規反射陣列天線的增益相比僅減少了0.3 dB，而在4～12.5 GHz有-10 dB RCS縮減，如圖19所示。

(a) 單元結構示意圖(a) Unit cell model

(b)機械運動后可形成的三種圖案(b) Three patterns that can be formed after mechanical movement

(c)三種圖案對應實測反射損耗參數(c) Measured reflection parameters corresponding to three patterns圖18 可調超材料吸波體Fig.18 Tunable metamaterial absorber

超材料在改變介質基板材質后，可實現結構隱身一體化，如禮嵩明等[77]提出在透波蒙皮中引入超材料結構單元的新型蜂窩夾層結構吸波復合材料，相比于原吸波蜂窩，新型蜂窩夾層結構復合材料在1～2 GHz 頻率范圍內的吸波性能顯著提升，同時材料質量大幅降低。陳育秋等[78]采用芳綸紙蜂窩與FSS復合設計，得到兼具質量輕、強度高及吸波帶寬寬的蜂窩吸波復合材料，通過開槽等方法優化仿真，設計厚度為6 mm的蜂窩夾芯結構吸波材料，如圖20所示，其-10 dB吸收帶寬達14 GHz(4～18 GHz)。Shen等[79]將兩層電阻膜嵌入纖維柱陣列增強的泡沫夾層結構中，以實現微波寬帶吸收以及良好的機械性能，結果表明，所提出的夾層結構厚度為9.73 mm，在2.6～21 GHz寬頻內RL<-10 dB，增強的機械性能使其適合某些裝載應用。

(a) 單元結構示意圖(a) Unit cell model

(b) 實物圖(b) Fabricated sample

(c) 實測單站RCS對比(c) Comparison of measured monostatic RCS圖19 基于FSR設計的低RCS平面反射陣列天線Fig.19 Low-RCS reflect array antenna based on FSR

(a) 單元結構示意圖(a)Unit cell model

(b) 實物圖(b) Fabricated sample

隱身衣作為變換光學應用最具代表性的范例，其通過外層包覆的方式使其內部的物體對外部探測器隱身，采用具有特殊電磁響應的超材料實現[80]。2006年Schurig等[81]等首先實現了工作于8.5 GHz的二維隱身衣，成功隱藏其內部一根圓形銅線。其后，Li等[82]采用非均勻介質材料實現了地毯隱身，Liu等[83]實現了覆蓋13～16 GHz的寬帶地毯隱身。Yang等[84]提出了一種兩層超表面雙波段隱身地毯，可在6.1 GHz和10.2 GHz處實現隱身。Islam等[85]提出了一種基于雙裂方形超材料的電磁隱身衣。使用提出的超材料單元設計的單層方形隱身衣，如圖21所示，測試結果表明，在5.94～6.95 GHz的頻率范圍內，在隱身衣內放置一些大小和形狀不同的物體都具有隱身效果。Chu等[86]實現了一種混合型隱身衣，通過超表面和雙零介質構成的菱形雙層隱身殼，成功隱藏其內部的菱形金屬，如圖22所示。

電磁超材料以多種方式及途徑實現物體雷達隱身，具有很好的應用前景。對比1.2與1.3小節可知，超材料吸波體的可設計性更強，在2～18 GHz頻帶內有效吸波帶寬可實現更寬，厚度相對于涂層較厚，密度主要取決于介質板(可考慮輕輕質材料替換)。此外，電磁超材料相比于吸波納米材料，其加工工藝簡單、成本低(單元結構多為毫米級)，在介質板更換后有實現結構隱身一體化的可能性(如加載紙蜂窩等)。

(a) 方形隱身衣內放置圓柱形物體示意(a) Cylindrical object inside the Square-cloak

(b) 僅物體在隱身頻率(6.70 GHz)時xz平面的電場分布(b) Distribution of E-field in the xz-plane for uncloaked object at cloaked frequency (6.70 GHz)

(c)物體在隱身衣內，在不隱身的頻率時xz平面的電場分布(c) Distribution of E-field in the xz-plane for object inside the cloak shell at uncloaked frequency

(d)物體在隱身衣內，在隱身頻率(6.70 GHz)時xz平面的電場分布(d)Distribution of E-field in the xz-plane for object inside the cloak shell at cloaked frequency (6.70 GHz)圖21 方形隱身衣對圓柱形物體隱身Fig.21 Cylindrical object cloaked by the square-cloak

(a) 制作的菱形隱身殼，中心部分是金屬(a) Picture of the fabricated rhombic cloaking shell and the central part is a metallic rhombus as the hidden region

(b) 帶隱身外殼情況下的電場分布(b) Electric field distribution for the case with the cloaking shell

(c) 沒有隱身外殼的情況下的電場分布(c) Electric field distribution for the case without the cloaking shell圖22 混合隱身衣Fig.22 Hybrid invisibility cloak

2 紅外及可見光隱身手段

2.1 紅外隱身

衛星運行在-273.15 ℃的太空中，由于其自身設備的產熱以及在光照區及陰影區的周期性的熱量吸收與輻射，使得衛星紅外特征明顯，極易被探測到，需要施加紅外隱身手段用以降低衛星紅外特征，從而降低紅外被探測的概率。

常規紅外隱身技術大多針對導彈、飛機、軍艦、坦克、裝甲車等平臺，主要手段包括：①減少自身產熱，比如飛機發動機采用新型噴口，使燃油充分燃燒，從而降低紅外輻射；②結構隱身，比如把發動機噴口設計成狹長形，使得噴出的熱氣流很快與高空中的冷空氣融為一體，迅速降低了飛機的溫度；③選擇輻射系數(ε1)低的涂料，以減少導彈因氣動加熱而引起的熱輻射；④紅外吸收涂料，涂覆于機身表面以吸收紅外輻射能，可降低機體的熱輻射；⑤采取屏蔽措施降低輻射透過率，比如軍艦采用的煙火型紅外遮蔽煙幕和水幕；⑥使目標盡量融入背景，比如飛機腹部的涂層降低與天空背景對比度，背部涂層具有自然背景光譜特性[87-88]。

紅外隱身材料按作用機理一般可分為三類：一是吸收型，可使吸收的能量在涂層內部不斷被消耗而不引起明顯的溫升，從而減少物體的紅外輻射；二是轉換型，吸收紅外能量之后，涂料的紅外輻射向其他波段轉移，使之處于紅外探測系統的工作波段之外；三是反射型，材料具有低紅外發射率，對紅外波段電磁波具有高反射和低吸收的特性[89]。

Diao等[90]采用嵌段共聚物膠束光刻與金納米顆粒的化學生長相結合的方法制造的亞波長納米結構，牛角形的納米柱在可見光和近紅外光波段具有低反射率(<0.02%)和高透射率(>99.8%)。周亦康[91]用“摻雜—脫摻雜—再摻雜”的方法制備了樟腦磺酸摻雜的聚苯胺復合材料，結果表明，當摻雜濃度為2 ∶2時，RL<-10 dB的帶寬達到8.16 GHz(9.84～18 GHz)，紅外輻射大氣窗口(3～5 μm、8～14 μm)平均發射率僅為0.46和0.29。Peng等[92]提出了基于Ag/Ge多層膜的紅外隱身選擇性發射器，其在大氣窗口內具有低發射率(ε3-5 μm= 0.18，ε8-14μm=0.31)，而在大氣窗口之外具有高發射率(ε5-8μm= 0.82)以進行輻射冷卻。Moghimi等[93]在柔性基板上集成介電納米線和金屬納米粒子等，形成紅外隱身薄板，如圖23所示，在2.5～15.5 μm寬帶內反射率和透射率皆低于5%。

光子晶體(Photonic Crystal，PC)是由多種具有不同介電常數的介質材料在空間按一定的周期排列所形成的一種人造結構晶體，也屬于一種超材料，其光子禁帶對入射電磁波具有高反射率，能夠有效改變目標的輻射特性[94]。目前基于光子晶體的紅外隱身材料研究發展迅猛，Wang等[95]提出了紅外一維雙異質結構復合光子晶體(Composite Photonic Crystal, CPC)，仿真與測試結果表明其在3～5 μm和8～14 μm的波長范圍紅外發射率低至0.073和0.042。此外，由于其在雷達波段的高透射率，可用于構造紅外雷達隱身兼容材料。王航等[96]研究了可見光、遠紅外與多種激光兼容隱身PC薄膜，8～14 μm 波段平均發射率為0.14，10.6 μm 及0.93 μm、1.06 μm波長處的反射率在20%和10%以下，大幅降低了激光回波功率，且PC薄膜可為黃、綠或藍色，可用來模擬荒漠、林地或海洋背景。Hu等[97]以ZnSe和Te為介電材料設計的PC，在0.4～1.2 μm波段的反射曲線類似于綠色植物的反射光譜曲線，同時，在8～12 μm波段發射率為0.05。

(a) 隱形薄板示意圖(a) Schematics of a stealth sheet

(b) SiNW的掃描電子顯微圖(b) Photograph of SiNW from scanning electron microscope

Tian等[98]基于電阻頻率選擇表面(Resistance Frequency Selective Surface, RFSS)設計的紅外吸收體，如圖24所示，仿真結果表明，在3～5 μm和8～12 μm波長范圍內吸收體的吸收率均大于90%。Cao等[62]提出了一種基于石墨烯-銀的混合超材料結構，結果表明，其在特定紅外波長吸收率可達100%，且可以通過改變參數靈活地調節吸收峰中心波長。Zhong等[63]提出了一種僅7 mm厚的超表面，可以同時減少雷達波反射和紅外熱輻射，通過兩個專門設計的單元結構層(紅外吸收層(InfraRed Shielding Layer, IRSL)與雙方環)的微妙組合來實現，如圖25所示，測量結果表明，90%吸收頻帶為3～8 GHz，紅外發射率約為0.2。

(a) 仿真模型(a) Simulation model

(b) 仿真紅外吸收率(b) Simulated absorption of the absorber圖24 基于電阻FSS的紅外吸收體Fig.24 Infrared absorber based on resistance FSS

Xu等[99]提出的由金屬-電介質-多層截頭圓錐體組成的吸收體，在兩個大氣窗口3～5 μm和8～14 μm中具有0.9的高反射率，在5～8 μm的非大氣窗口中，吸收帶較寬。Zhang等[100]提出了一種采用ITO膜的柔性透明微波-紅外雙隱身結構，可以同時實現微波波段高吸收率、紅外波段低發射率及光學透明性，如圖26所示，90%吸收頻帶為7.7～18 GHz，紅外大氣窗口熱發射率約為0.23。

(a) 吸波體示意圖(a) Schematic diagram of the absorber

(b) 吸波體側視圖(b) Side view of the absorber

(d)實測紅外發射率(d) Measured infrared transmissivity圖25 雷達紅外兼容隱身結構Fig.25 Radar-infrared bi-stealth structure

(a) 單元結構(a) Unit cell model

(b) TE模式下，不同入射角的吸收率(b) Measured absorption spectrum of our structure under different incident angles at TE mode

(c)在溫度為60 ℃的加熱爐中對設計的結構、金屬和PET進行熱紅外成像(c) Thermal IR images of designed structure, metal, and PET at a heating furnace with temperature of 60 ℃圖26 微波-紅外雙隱身結構Fig.26 Microwave-IR bi-stealth structure

因此，應用在武器平臺的紅外隱身技術，衛星也可借鑒一些手段，如隱藏變軌發動機或推進器、采用紅外吸收材料。此外，紅外隱身性能優異的材料種類較多，其中超材料吸波體或光子晶體還具有雷達或可見光隱身性能，具有更好的應用前景。

2.2 可見光隱身

傳統衛星星體包裹多層隔熱組件，其表面層為金色或銀色二次反光鏡，可見光反光極強。因此，衛星總體的光學特性十分明顯，極易被光學望遠鏡探測。衛星熱控系統中不可或缺的多層隔熱組件，讓衛星的可見光隱身成為一個難以解決的問題。

與雷達隱身技術相比，可見光隱身也有相似的隱身手段：①構型隱身，減小光學橫截面積 (Optical Cross Section, OCS)，降低被探測的概率；②材料隱身，涂覆光學吸收涂料或安裝加載光學吸收材料。

朱冬駿等[101]提出了一種光學隱身衛星構型，如圖27所示，分別對衛星平臺構型、太陽能帆板、半球形遮光罩進行設計及整星OCS仿真分析，結果表明該衛星構型OCS峰值僅0.082 m2。

(a) 衛星整體結構圖(a) Satellite overall structure diagram

(b) 衛星布局示意(b) Schematic of satellite layout圖27 光學隱身衛星Fig.27 Optical stealth satellite

Wang等[102]采用氧化石墨烯(graphene oxide)對鋁顏料進行改性，可用于低輻射織物涂層，與未改性鋁顏料織物涂層相比，其亮度降低了49%，可見光反射率降低了23%，光澤度降低了58%，而紅外發射率在8～14 μm波段僅增加了0.12。Qi等[103]提出了一種頂層覆蓋聚四氟乙烯(Poly Tetra FluoroEthylene,PTFE)的多層復合結構PTFE / Hs /(Ge/ZnS)3，由于PTFE保護層的高粗糙度和界面反射，可使光澤度從200 Gs下降至74.2 Gs。此外，在8～14 μm平均發射率為0.196，在2～18 GHz微波范圍內具有96.45%的傳輸率。Ding等[104]提出了一種無須光刻的寬帶超薄可見光吸收體，由多層電介質和金屬膜組成，可見波長范圍吸收率均大于90%。Zhu等[105]通過間苯二酚和甲醛的水性縮合形成的有機氣凝膠進行熱解，制備了各種密度的碳氣凝膠，發現密度低于70 mg/cm3的碳氣凝膠在400～2 000 nm波長范圍內總反射率小于0.24%，如圖28所示。

(a) <70 mg/cm3 (b) >70 mg/cm3圖28 碳氣凝膠的抗反射機制Fig.28 Anti-reflection mechanism of carbon aerogel

Rana等[57]設計了采用鎢的可見光吸收超材料，其在400～800 nm波段具有近99%的吸收率。Wu等[106]提出的二維超材料超寬帶吸收體，在400～1500 nm波長范圍內平均吸收率達97.8%，此外，通過在單元結構中增加金屬-電介質對的數量并同時采用金和鐵，改進的吸收體在400～2 000 nm范圍內的平均吸收率達到96.4%。Ghobadi等[107]提出了一種基于金屬-絕緣體-金屬(Metal-Insulator-Metal, MIM)的超寬帶吸收體，如圖29所示，在300～1 000 nm范圍內平均吸收率達94%。

Ni等[108]通過實驗驗證了包裹在物體上的超薄隱身衣，由厚度為80 nm(約λ / 9)的具有分布相移的超表面構成，如圖30所示，其通過完全恢復730 nm波長的反射光的相位來隱藏包裹其內的任意形狀三維物體。Hsu等[109]提出在可見光波長從650 nm到800 nm范圍內用于線極化寬帶隱身地毯的新型超表面設計。

(a) 單元結構(a) Unit cell

(b) MIM設計的橫截面(b) Cross section of the MIM design

(d) D1為60 nm時吸收光譜(d) Absorption spectra when D1 is 60 nm圖29 基于金屬-絕緣體-金屬的光學吸收體Fig.29 Optical absorber based on MIM

(a) 單元結構示意圖(a) Schematic view of the unit cell

(b) 超表面隱身衣的插圖(b) Illustration of a metasurface skin cloak

(d) 披風關閉時的干涉圖像(d) Respective interference images when the cloak is off圖30 光學超表面隱身衣Fig.30 Optical metasurface skin cloak

綜上所述，已提出的光學隱身衛星構型仍有需突破的難點，如不能搭載多樣化載荷、對衛星其他分系統影響較大、通用性不足等。光學隱身材料中，碳氣凝膠及多頻譜兼容吸收超材料有較好的應用前景。

3 隱身衛星存在的問題及建議

3.1 隱身衛星存在的問題

根據雷達隱身技術、紅外及可見光隱身技術現狀分析，各類隱身技術在衛星上應用存在以下問題或要求：

1)現有隱身衛星外形設計與衛星其他分系統兼容性較差，或難兼顧多頻譜隱身。

2)當前隱身材料難以滿足應用于衛星上所具備的適應太空環境、壽命長、厚度薄、密度小、力學性能優異等條件。

3)涂覆型和結構型隱身材料與衛星其他分系統的兼容問題。衛星表面一般包裹有熱控多層隔熱組件，會直接反射電磁波，按熱控系統常規設置，多層隔熱組件安裝于承力結構外部，此時結構型吸波材料將失去吸波作用，因此，結構型吸波材料的實施方式及位置需與熱控系統協調，而涂覆型吸波材料可涂覆在熱控多層組件表面。此外，雷達隱身材料與衛星通信系統存在吸收電磁波與輻射電磁波的矛盾。

4)紅外或可見光隱身技術與其他隱身技術及衛星分系統的兼容問題。紅外隱身材料紅外發射率低，可見光隱身材料多為黑色且可見光吸收率高，都需與衛星熱控系統協調。衛星上太陽能電池片多為三結砷化鎵半導體材料，其吸光能力強，導致太陽能帆板溫度高，紅外特征明顯，且由于電池片表面加載的玻璃片，在特定角度存在可見光鏡面反射。因此，應綜合考慮紅外、可見光隱身性能與太陽能帆板的工作效率。

5)隱身衣或隱身地毯需將其結構或薄膜包裹于物體表面，對于衛星而言，通信天線、太陽能電池陣、展開機構及相機等載荷的存在，使得包裹措施難以實施，且無論是微波或是可見光波段，隱身頻段都較窄，因此，隱身衣的工程應用還需技術突破。

3.2 隱身衛星應用建議

結合各類隱身技術及衛星總體技術，對于隱身衛星提出以下建議：

1)對于衛星隱身技術總體，衛星構型采用隱身外形設計，衛星表面安裝或涂覆各類隱身材料，實現微波、紅外及可見光綜合隱身，隱身構型及各類隱身材料的采用都需兼顧衛星其他分系統。

2)對于外形隱身技術，在保證衛星總體技術要求的前提下，通過合理的構型布局與構型設計來實現隱身效果，采用多棱面和融合外形技術，避免出現較大平面與凸狀的彎曲面、尖點、邊緣、棱角、缺口和垂直交叉的接面。太陽電池片布局時減少片間縫隙。同時，在隱身構型設計過程中，需考慮運載火箭提到的衛星許用包絡約束以及外形設計對衛星實際功能的影響，如衛星內部的有效容積、表面太陽能電池片的有效利用面積、衛星熱控等因素。

3)對于吸波材料的應用，涂覆型吸波材料可直接涂覆于衛星表面包裹的多層隔熱組件上；結構型吸波材料可作為衛星承力結構或安裝于承力結構外，多層隔熱組件安裝于結構型吸波材料內表面。

4)對于電磁超材料的應用，電磁超材料可以多種方式實現隱身：①分別采用超材料微波吸收體、紅外吸收體、可見光吸收體實現衛星雷達、紅外、可見光隱身，電池陣表面采用專門設計的光學透明吸波體；②采用極化轉換器，將入射電磁波由一種極化狀態轉換為與其正交的極化狀態，可避免被雷達探測；③采用可調諧超材料吸波體，實現吸波特性在不同環境、條件下具備適應性及可調性，改變衛星RCS特性，擾亂敵方雷達探測；④采用FSS或FSR，應用于天線罩，天線工作頻段透波，其余波段吸波；⑤采用多頻譜兼容吸收體，實現微波、紅外或可見光多頻譜吸收。因此，可按需采用各類電磁超材料，集成于衛星隱身系統。

5)對于紅外隱身技術，衛星儀器設備安裝于星體內部，統一導熱至散熱面，星體采用熱控措施使得熱導通，避免局部熱量過高，通過衛星布局或采取姿態調整使得散熱面避免被探測；太陽能帆板吸收的熱量及時導出，避免溫度急劇上升；采用紅外隱身材料，降低衛星紅外輻射。

6)對于可見光隱身技術，通過衛星布局或采取姿態調整使得可見光強反射面避免被探測；采用可見光隱身材料，降低可見光散射截面。

4 衛星隱身技術展望

4.1 提高集成化水平

衛星總體必須不斷提高衛星隱身系統的集成化水平，以滿足隱身衛星的高隱身性能要求，特別是加強各頻譜隱身材料的集成技術研究。此外，隱身外形與衛星構型的一體化設計、雷達隱身材料與通信天線的電磁兼容設計、隱身材料與熱控系統的熱整合設計等，都是衛星總體應考慮到的分系統間需協調的問題。

4.2 加強關鍵技術研發攻關

關鍵技術突破是隱身技術進步的關鍵點，結合衛星隱身實際，需要從以下幾個方面加強研發投入。

1)隱身結構一體化。已有結構型隱身材料吸波性能大多較強，應用于衛星隱身，需力學性能滿足運載火箭要求，因此，在滿足吸波性能強的同時，結構型隱身材料需往厚度薄、密度小、力學性能強的設計發展。

2)材料適應空間環境。對于雷達吸波材料、紅外或可見光吸收材料，除了吸波性能強、密度小、厚度薄等傳統發展方向，還需具備太空環境適應性。

3)多頻譜兼容隱身。現有的隱身材料大多是雷達、紅外、可見光中單頻譜隱身，多頻譜兼容隱身材料是重要研究方向，如同時實現紅外和可見光吸收的材料，可節省空間、減少材料兼容性測試及涂覆步驟等。

4)衛星構型隱身。在衛星總體指導下，在目前衛星小型化、高功能密度等發展趨勢下，衛星構型往隱身外形設計發展。

4.3 落地工程應用

多數隱身衛星構型和隱身材料停留在理論階段或難以實現低成本批量生產。因此，隱身構型的設計應由衛星總體指導開展，盡快實現工程應用；隱身材料設計在追求性能指標的同時，需考慮加工成本及應用環境，盡快應用于衛星。

4.4 建立標準規范

標準規范是隱身技術的制高點，在隱身技術迅速發展之時，衛星隱身技術的相關標準規范應提前謀劃，比如各頻譜隱身性能指標、衛星隱身構型設計規范及標準、隱身材料的隱身、力學、熱學性能要求等需盡快提出。

5 結論

衛星是空間攻防系統的重要組成部分，具有隱身功能的衛星可增強對敵方探測和監視系統的抵御能力。目前國內外衛星隱身技術發展雖已開展多年，但發展不如隱身戰斗機等武器平臺，目前沒有公開報道正在軌運行的隱身衛星。在地面裝甲車輛、艦船、飛機等平臺上應用的先進雷達、紅外及可見光隱身技術，對于衛星隱身技術具有一定的借鑒意義。由于衛星所處的空間環境及其自身復雜的技術，衛星隱身技術將是極具特點的，涉及多學科交叉的前沿技術，在研究過程中應從衛星應用需求出發，將隱身材料技術、隱身外形技術與衛星總體技術相結合，加強總體方案論證，注重可實現性，突破關鍵技術，推進衛星隱身技術的發展。