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(报告出品方/作者:中信建投证券,黎韬扬)
一、隐身技术:侦测手段愈发丰富,隐身需求迫在眉睫1.1基本概念:技术原理尖端,覆盖多类学科
隐身技术是现代武器装备发展中出现的一项高新技术,是当今世界三大军事尖端技术之一,是一门跨学科的综合技术,涉及空气动力学、材料科学、光学、电子学等多种学科。世界军事强国已把隐身技术提升到与电子信息战术同等地位来发展。隐身技术又称为“低可探测技术”,是指通过弱化呈现目标存在的雷达、红外、声波和光学等信号特征,最大限度地降低探测系统发现和识别目标能力的技术。
1.2侦察手段愈发丰富,精确打击威胁巨大
现有的侦察手段越发丰富,从应用场景可以分为天基侦察、空基侦察、海基侦察和陆基侦察。
以常见的陆基侦察为例,其手段不仅有传统的各式雷达,还有将热成像、传感器、监视器等组成应用的各式侦察手段。
综合全面的侦察手段让军队重要的武器装备、军事设施和高级人员无处遁形,从而对战场的局势形成了巨大的威胁。如此次俄乌战争中,虽然俄军拥有绝对的军事优势,但乌方却凭借美国援助的军事侦察手段多次对俄方高级将领完成了“斩首行动”,对俄军士气和战略战术布局造成了严重打击。除了侦察外,具有探测定位能力的精确打击技术构成的威胁也对重要的军事设施和武器装备构成了巨大的威胁,具体可分为两类,一类是精确制导导弹,另一类是末敏弹。精确制导反坦克导弹均具有红外探测的能力,而美国的“陶氏”系列导弹甚至除了红外还配备毫米雷达波探测的能力,威胁程度大大增加。
末敏弹全称为末端敏感弹药,是一种能够在弹道末端探测出目标的存在,并且让其战斗部指向目标,在接触后引爆,这种弹药虽然装药量不大,可打击的恰恰是装甲车辆最为脆弱的顶部,所以很容易就会被击穿,末敏弹既可以用火炮发射,也能够作为火箭弹的战斗部,甚至由飞机来播撒,打击的范围非常广,因此,这种弹药被称为装甲集群的噩梦,且非常难以防御。
精确打击技术可以准确地打击敌方重要目标,而防空系统的全面覆盖和完全拦截几乎是不可能的,对战局的左右起到了巨大的影响。此次俄乌战争刚打响时,俄罗斯导弹部队短时间内瘫痪了乌空军力量。通过摧毁防空火力、精准摧毁机场等军事设施,较短时间中,乌克兰便丧失了以空军编队对俄军进行高空打击的足够能力。面对现有的侦察手段和精确打击技术,全世界尤其是军事强国对隐身技术越发重视,从而希望在潜在的战争中获得压倒性的优势。
1.3具体应用:F-22采用多项隐身技术,多种材料并举
年,世界第一架进入服役的五代战斗机F-22进行了首飞,吸引了全世界的目光。一般来说,第五代战斗机应具备以下能力:超隐身能力、超机动能力、超音速巡航能力和超信息优势。在现代空战中超视距作战成为常态,而雷达与红外讯号探测是侦测飞机位置的最可靠方法。那么减弱我方战机的雷达与红外信号强度便成为了飞机设计中提高隐形能力的最关键和最重要的因素。
二、外形隐身技术:隐身首选手段,隐身效果最优2.1分类:先于常规隐身类型,整机隐身的基础
外形设计的目的是降低目标的信号的特征,主要包括雷达特征信号、红外特征信号及可见光特征信号。外形隐身往往是武器装备最先考虑的因素,它贡献了最大的隐身性能,也因此旧式武器装备往往不会采用隐身涂层来增加隐身性能,因为没有经过隐身设计的外形,仅通过隐身材料的效果很差。
2.2雷达外形隐身设计:逐渐取代气动设计,重要性凸显
2.2.1定义
在降低目标雷达特征信号中,使用外形隐身是最有效的。在新式武器系统的研究过程中,首先是利用外形隐身技术,然后才是依靠雷达吸波材料技术。外形隐身具有应用范围广、效果显著及对高频雷达适用性更强的优点,但也会对其他性能如飞行器的气动性能、结构受力以及其他方向的雷达散热产生不利影响。因此需要综合考虑。
2.2.2发展
当武器系统的隐身技术自年产生时,当时主要以雷达吸波材料和电子对抗系统为主,直到20世纪60年年代,美国洛克希德公司研制出SR-71“黑鸟”战略侦察机,才开始考虑从外形设计结合雷达吸波材料的综合隐身技术。20世纪70年代初期,美国开始有计划地进行外形隐身设计的研究,如罗克韦尔公司研制的B-1型战略轰炸机。而到了20世纪80年代,随着隐身需求的大大增加,电子工程师已逐渐取代航空工程师对飞行器外形进行设计,其中最著名的便是洛克希德公司设计的F-A隐身战斗机。
2.2.3常用技术
采用雷达外形隐身设计一般遵循以下几个原则:(1)避免出现任何与边缘、棱角、尖端、缺口等垂直相交的接面,以消除产生角反射器效应。(2)避免出现较大平面,用边缘衍射代替镜面反射,以消除镜面反射光面。(3)缩小飞行储存,以减小雷达波的反射截面。(4)合理设计发动机进、排气系统,采用平齐进口。(5)消除外露突出部分,使机身形成平滑过渡的曲线形体。
2.3红外外形隐身设计:隐藏高温源,重点针对尾部
2.3.1定义
红外外形隐身设计是指通过目标的外形设计来遮蔽红外辐射或改变红外辐射的传输过程。
2.3.2常用技术
(1)通过改进机身的外形以减少机体与空气的摩擦,可降低机壳的温度从而减弱机体的红外辐射。(2)对飞行器的尾部进行合理设计,用机身、尾翼或其他挡板遮挡尾喷管,可使尾喷管的红外辐射方向改变,从而使红外探测器难以探测到飞行器。(3)在尾喷口安装鱼鳞门与旁路散热器,在尾喷口的扩散段安装空气冷却导流板。(4)低空的飞机还可在发动机上部的上表面设盖板,以防止更高高度的红外传感器探测到这些红外辐射特征。
2.3.3应用
飞行器方面,F-15和F-22战斗机便采用了尾翼遮挡喷管,而F-A和B-2隐形轰炸机则采用机身遮挡喷管,YF-23战斗机则同时采用机身和尾翼遮挡尾喷等。RAH-66直升机将两台发动机置在机身两侧,进气道则采用埋入式放置在机身侧上方,并且使用了菱形的进气道口。AGM-巡航导弹则将进气道口装在弹体中部、弹翼后下方,尾喷口位于扁平尖楔尾部组件内部。
船舰方面,瑞典“维斯比”轻型护卫舰和德国“梅科”A-轻型护卫舰甲板和上部构造采用封闭结构,去掉烟囱,采用横向输送管系统来代替烟囱用于排放热废气,将废气从舰尾排出至水线上冷却。
车辆方面,装甲车辆温度不高,但面积较大,因此主要采用减小车体外形尺寸,降低车高和炮塔尺寸来减小暴露给敌人的目标面积,缩小被敌人红外探测器发现的距离。
三、雷达隐身:军民适用性最广,技术最成熟3.1概念:降低雷达反射,民用市场广阔
雷达吸波隐身材料是指能够通过自身的吸收作用,来减少目标雷达散射截面,使其难回收到雷达探测满意的回波,从而起到隐身作用的材料。雷达吸波材料用于军事隐身只占其中较小的比例,其民用市场更加广阔,可用于改善电磁兼容、RFID天线抗金属隔离、安全保护等诸多方面,涉及通信、纺织、电力设备等多个行业。当前雷达系统一般是在1~18GHz频率范围工作,但新的雷达系统在继续发展,吸收体有效工作的带宽还将扩大。吸波材料要吸收电磁波必须满足两个基本条件:1.电磁波入射到材料表面时电磁波能最大限度地进入材料内部(匹配特性)。2.进入材料内部的电磁波能迅速地几乎全部衰减掉(衰减特性)。雷达作为应用最广泛、技术最成熟的探测手段,是对重要军事目标最大的侦测威胁。同时由于其技术原理,正常目标只要有形体,均会反射雷达信号,因此雷达隐身是最重要也是最基础的隐身需求,相关技术丰富且相对成熟,应用广泛。
3.2分类:吸波剂+基体,涂层+结构
目前雷达吸波材料主要由吸波剂与高分子材料(如树脂与橡胶及其改性材料)组成。其中决定吸波性能优劣的关键则是所选取的吸波剂的类型及含量。根据吸波剂的吸收原理不同,通常可分为电损耗型和磁损耗型两大类。按照吸波剂结构形态,可分为涂层型和结构型两类。吸波材料可通过三种方式对雷达波进行吸收,1电导损耗、高频介电损耗、磁滞损耗或者将其转变成热能,使电磁能量衰减。2将电磁波能量由一个方向分散到各个方向,从而使其强度锐减。3作用在材料表面的第一电磁反射波会与进入材料体内的第二电磁反射波发生叠加作用,致使其相互干扰,相互抵消。基于上述三种吸波原理,可以将吸波材料分为三类,即吸波型、衰减型和谐振型。
3.2.1涂层吸波材料
吸波涂料是把具有特定介电参数的粉末(吸收剂)分散在基体(粘结剂)中形成的。一般来说,基体起粘结、强度和抗环境的作用,吸收剂起电磁损耗作用。雷达材料一般选择导电高分子材料作为基体,主要由于导电高分子材料可对80%电磁波进行反射,20%的电磁波进行吸收,而导电的金属材料则对电磁波进行全部的反射作用,但由于高分子材料一般无法承受高温,故高温下有时会选择耐高温的无机物。吸收剂选择范围较为广泛,从最早的铁氧体开始发展出了众多适用于不同场景的吸波剂。一般来讲常温领域下常用材料为铁氧体、羰基铁等材料,而中高温领域则使用碳材料和陶瓷材料较多。此外还有部分性能优秀的材料可适用于一些特殊场合。
3.2.2结构吸波材料
结构吸波材料是一种多功能增强塑料,既能承载作为结构件,又具有复合材料质轻的优点,同时也能吸收或透过电磁波,从第二次世界大战时期就受到广泛的研究和
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