RCS缩减技术简介

RCS缩减技术简介
随着各种高新技术的不断发展，在现代战争中，雷达起着不可估量的作用。

现在的雷达不仅能够发现目标，还能更进一步测定其距离、方为、俯仰、高度、速度，还可利用成像技术进一步确定目标的类型、数量规模和目标对自己的威胁程度。

因此，一切军事目标都面临着“发现即被摧毁”的严重威胁。

但是如果军事目标具有一定的反雷达隐身性能，就能够提高各种军事目标在战场上存活的概率，从而提高战场的生存能力。

RCS缩减的目的是通过各种有效的技术措施降低军事目标的雷达散射截面积。

一般军事目标的雷达散射截面积取决于它的外形、材料、姿态和周围的电磁环境, 所以雷达散射截面积缩减技术主要包括：外形技术、吸波材料技术和阻抗加载技术（有源和无源）。

通常认为, 外形技术和吸波材料技术是比较有效的两种减缩技术。

但是在军事装备设计定型之后, 外形很难改动, 常常应用吸波材料来降低雷达散射截面积。

在飞行器初步设计阶段应当综合应用外形和吸波材料技术。

为了使得一种新武器具备良好的隐身效能，在其研发阶段中, 外形设计非常重要。

隐身外形技术是通过改变飞行器的外形参数来降低雷达散射截面积的一种技术措施。

在实施雷达散射截面积缩减之前, 应当对典型飞行器的强散射中心分布及其雷达散射截面积数学规划有比较明晰的认识以便得到最佳的减缩效果。

到目前为止，隐身技术已经发展了若干个阶段，但是有效的外形设计任然是减小雷达散射截面积的主要方式。

一般说来，优良的外形设计能够在很大程度上缩减军事目标的雷达散射截面积。

一般可达20dB以上。

而涂覆吸波材料也能够达到缩减雷达散射截面积的目地，但是其效果没有改变外形明显。

故在军事装备在设计之初就应充分考虑起外形。

在成形以后，为了进一步减小雷达散射截面积，还需要在装备表层涂上一层吸波材料。

其作用机理就是利用吸波材料对电磁波的吸收作用，从而减小回波，达到减小雷达散色截面积的目的。

一、外形设计对ＲＣＳ作用相关介绍
对于外形方面的设计，其主要是高频散射机理。

其要求就是在满足飞机性能的要求下，设计出低雷达散射截面的几何外形。

美国的ＳＲ－７１和Ｆ－１９就采用翼身融合体、双垂直尾翼并向内倾斜，截面近似棱形的机身。

从外观看上去就给人以一种整体性。

当电磁波照射到该飞机上时，从反射与入射定理可以知道电磁波被发散到其余的方向，导致回波方向的能量大大减小。

机身外形设计对隐形性能的潜力很大，使得雷达散射截面比一般飞机降低１０～２０分贝不是问题。

常规飞机（散射截面，米）隐身飞机（散射截面，米）
机型米格１５Ｂ－５２Ｂ－１ＢＡＴＢＦ－２５ＡＴＦ
散射截面２～３＞１００３～５０．３～
０．５０．５０．０５～
１
十几年前隐身飞机雷达散射截面的水平是，在飞机迎头方向±45 方位内平均后向散射截面要比同类常规飞机小１５～２０分贝，接近于降低两个数量级。

估计现在差不多降低三个数量级，即小到３０分贝。

Ｆ－１９能在设有坚强防空体系的空域进行战略或战术侦察，能够压制敌方的防空火力，特别是防空导弹火力网。

由于能完成上述任务，故此实际上是一种战斗侦察机。

其机身采用复合材料制造，机体的横截面极小，机体采用机翼和机身合为一整体的结构设计。

机体结构采用新复合材料，雷达截面及红外痕迹减至最低限度，除目视追踪外难以用其他仪器捕获，并使用能吸收雷达波得油漆材料。

Ｂ－２隐身轰炸机：它是诺斯洛普公司研发制造，其设计比较奇特，实际的平面形状是由１２段直线组成的一个飞翼，从中翼展处到中心线的弦长很大，前缘后掠角约为35︒
，外翼为切梢式翼尖，外翼的前后缘平行，机翼后缘在内侧半翼展处向后弯折，两排气口上部中线的两侧有槽口，具有飞翼展向载荷的优点。

该机主要由复合材料制造，大量采用蜂窝式雷达吸收结构，其结构设计先进、阻力小、重量轻，全机为飞翼式布局。

据说它的探测特征约为百万分之一平方米，在雷达荧光屏上映像只相当于一个飞行着的蜂鸟。

上面外形设计主要是基于两个思想，一个是多平面设计思想和融合式外形设计思想。

多平面设计思想比较成功的应用时Ｆ－１１７隐身战机。

其优势在于设计思路清晰，目标几何形状简单明了，易于生产，在设计中进行ＲＣＳ预估时可以得到快速准确的结果。

但是也存在以下不足：一是在目标表面曲率半径较小的区域需要通过很多平面板元的拟合才能使计算结果的精度得到保证，导致计算量过大；二是在拟合过程中相邻板元之间形成人工棱边，有面元噪声产生。

融合式设计思想是与平面设计思想相对的一种设计理念，而运用这一思想较成功的就是上面提到过的美国的Ｂ－２隐身轰炸机。

与平面设计思想最大的区别在于它全部以曲线和曲面来描述外形，讲求平滑光顺。

有以下优点：一是用较少的几何信息即可定义具有任意形状的曲线和曲面，并可以方便的对其进行修改；二是拟合精度提高；三是不存在人为的棱边。

合理的外形设计能够有效地减少雷达散射截面积，达到缩小被发现的概率。

增加战场的生存能力。

二、材料对ＲＣＳ作用相关介绍
现在在飞机上采用能吸收雷达波得吸波材料和雷达波反射率很低的透波材料。

飞机隐身用的吸波材料种类很多，还可细分为：涂材—磁损式材料，放射性元素材料，电损式材料；贴片—橡胶片、陶瓷片、塑料片；结构型材料以及其他形式的材料，如薄膜、吸收型箔条等。

各种材料都有着苛刻的综合要求。

为了对现有探测雷达取得显著的隐身效果，要吸波材料必须在复杂的实战条件下具有７～８分贝以上的反射衰减量，要求其有效频率宽度至少能覆盖２．６～２６．５ＧＨｚ的主要雷达频段，而且其吸收性能不应对入射角和极化方式很敏感，吸收材料的比重必须低，据说只有比重大约１．５的吸收材料才有可能大规模的用于飞机等，其次，对吸波材料的覆盖厚度、物理机械性能等都有严格的限制。

吸收涂层必须的厚度取决于雷达载频。

为了使反射信号的功率降低到入射功率的１％，其厚度ｄ可按下式计算：
1.15/0.279/d f βε==
式中，ε为吸收介质的介电常数；f 为载频，β为衰减常数。

在高频范围内，
当94f =千兆赫时，为达到１％的反射功率，吸收的涂层的厚度ｄ应是３毫米，当35f =千兆赫时，ｄ＝１厘米。

因而，吸收材料的高频范围应用是有效地。

对低频来说，10d 1d=30f f ==千兆赫时，=3厘米；千兆赫时，厘米，这样是不现实的。

据资料报导， 2.5厚度为毫米的吸收涂层，当λ＝２．３～３．６厘米是，能确保吸收雷达信号１０分贝。

早期采用的寄生型吸波层能达到１０ 分贝衰减, 但其最大缺点是频带窄, 如在波长６０ 厘米时衰减１０分贝, 可是在扩展列１０厘米波长时衰减仅为３分贝。

现在由于涂层材料频带的增宽, 强散射中心点的消除, 以及阻抗加载的特殊设计, 一般能达到１至 ２０千兆赫的宽频段。

目前, 研制吸收材料的单位很多, 如美国康达克屈朗公司研制了一系列铁氧体吸波材料,在厘米到分米波段,可使微波反射衰减１７～２０分贝。

日本东京电气化学工业株式会社研制的铁氧体等吸波材料, 在涂层厚度为１．７～２．５毫米时, 对５～１０千兆赫的微波, 反射衰减达３０分贝。

三、阻抗加载
对机体采取自适应阻抗加载, 控制散射场, 则可以在不影响飞机气动外形的情况下降低其雷达散射截面。

在飞机表面开多条槽缝,并填上绝缘材料, 它不影响气动外形, 但能改变蒙皮表面的电流分布, 槽缝上还接上分布或集中参数的电阻电容元件, 以实现在特定方向的远区低电磁场辐射。

由于红外雷达和红外制导的导弹在不断发展, 红外隐身也很重要。

中红外探测器都是直接利用目标（飞机）白身的红外辐射进行探测的。

飞机的主要红外辐射源是发动机及其尾喷流, 此外, 对高速飞机机体的气动加热也需要考虑。

关键是要设法降低它们的红外辐射强度。

降低温度是降低红外辐射的有效方法, 发功机的核心温度不能降低, 否则会影响其性能, 但可以通过冷却来降低其周围机体的壁温。

设法降低尾喷燃气流的红外辐射强度是红外隐身的关键。

据说, Ｆ－１９Ａ的发动机舱和喷管附近装有档板和鱼鳞片, 以减少红外辐射。

也大量采用了碳纤复合材料, 它的雷达电磁波反射少,吸热性能好, 不易为雷达和红外装置探测到,所以在发动机周围, 机翼前缘、垂尾、鸭式前翼和机身蒙皮等部位都广泛应用。

Ｂ－２隐身轰炸机为了减少金属结构的发动机被雷达探测到的敏感性, 进气道喉道用碳质隔板制造, 并采用蛇形剖面, 用以把压气机进气口藏起来, 可以捕获辐射能量并使其消散, 发动机所处部位附近的复合材料里有一厚层碳粒,可用来吸收进入燃烧室的电磁性, 并协助散发发动机中部的热能, 同时特别厚的碳粒还能适当延缓、吸收、冷却和减少发动机的红外特征。

四、现在几种比较前沿技术
（一）隐身结构材料 新型热塑性树脂和热固性树脂及一些陶瓷基体材料都具有较
好的介电性能, 玻璃纤维、芳纶纤维、石英纤维等有较高的电磁透射率, 经过表面处理的碳纤维、异型截面碳纤维、碳化硅纤维、多晶羰基铁纤维、手性纤维形成的复合材料对电磁波有较好的透射性和吸收性。

另外, 一些雷达吸收剂和红外吸收剂(如纳米粉屑, 手性物质等)及颜色可变的物质能掺入复合材料的基体中, 或用于特殊设计的结构中。

这些为结构隐身材料的研究提供了保障。

现在正在研究发展的结构型隐身材料主要有: 雷达吸波层结构和吸波夹层结构, 以及兼有雷达和红外隐身功能的耐高温隐身复合材料等。

（二）纳米材料纳米材料是指材料组分的特征尺寸处于纳米量级( 1~ 100 nm) 的材料, 独特的结构使其具有量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、小尺寸和界面效应, 从而呈现出奇特的电磁、光热以及化学等特性, 已受到美、德、日等国的高度重视。

目前被称作/超黑色0纳米材料的雷达吸波率高达99%。

法国最近研制成一种宽频微波吸涂层, 其厚度约为8 nm, 磁导率的实部与虚部在11~ 18GH z频率范围内均大于6H z, 与粘接剂复合而成的RAM的电阻率大于0. 058 # m, 在50MH z~ 50 GHz频率范围内吸波性能较好。

对微波吸收效果较好的纳米材料有金属、合金、氧化物、石墨、绝缘介质膜、氮化物等。

（三）手征材料手征( ch irality) 是指物体与其镜像不存在几何对称性, 而且不能使用任何方法使物体与镜像相重合。

目前的研究表明, 手征材料能够减少入射电磁波的反射并能吸收电磁波。

手征材料具有两个优势: 一是调整手征参数比调节介电常数和磁导率更容易, 绝大多数RAM 的介电常数和磁导率很难满足宽频带的低反射要求; 二是手征材料的频率敏感性比介电参数和磁导率小, 易于拓宽频带。

手征材料在实际应用中主要可分为本征手征材料和结构手征材料, 前者自身的几何形状(如螺旋线等) 就使其成为手征物体, 后者是通过其各向异性的不同部分与其它部分形成一定角度关系而产生手征行为使其成为手征材料。

手征材料的研究尚处于初始阶段。

（四）智能材料智能材料结构是将驱动件和传感件紧密融合在结构中, 同时也将控制电路、逻辑电路、信号处理器、功率放大器等集成在结构中。

通过机械、热、光、化学、电、磁等激励和控制, 使智能材料不仅具有承受载荷的能力, 还具有识别、分析、处理及控制等多种功能, 并能进行数据的传输和多种参数的检测, 而且还能动作, 具有改变结构的应力分布、形状、电磁场、光学性能、化学性能等多种功能, 从而使结构材料本身具有自诊断、自适应、自学习、自修复、自增
值、自衰减等能力。

智能材料能够根据外界环境变化调节自身的结构和性能, 并对环境作出最佳响应, 也为RAM的设计提供了一种全新的思路, 目前已开始应用于飞行器设计, 它将使/智能0隐身目标的实现成为可能。

（五）导电高聚物材料导电高聚物是指某些共轭的高聚物经过化学或电化学掺杂, 使其导电率由绝缘体转变为导体的一类高聚物的统称。

其不仅具有高聚物的高分子设计和合成、结构多样化、比重轻和易复合加工的特点, 还具有半导体和金属的特性。

国外如美、法、德、日、印等国已相继开展了导电高聚物雷达吸波材料的研究, 并已经取得了一定的进展。

导电高聚物的吸收机制在于其掺杂后都
形成极化子, 所形成的极化子可以看作是在导电高聚物中的固有偶极子。

它在微波电场的作用下的取向极化必将对导电高聚物在微波范围内的介电损耗有贡献。

导电高聚物雷达吸收材料属于电损耗型。

导电高聚物雷达吸波材料是一种很有发展前途的新型高聚物电损耗型雷达吸波材料。

但是, 由于其属于电损耗型, 因此面临着降低涂层厚度和展宽频带的挑战。

因此改善和赋予导电高聚物的磁损耗是导电高聚物吸收剂材料实用化的关键。

目前改善的方法有使导电高聚物纳米化, 形貌管状化, 制备导电性高聚物以及使导电高聚物智能化等方法, 这些方法为导电高聚物的实用化提供了很好的发展机遇。

（六）席夫碱类吸收剂含共轭双键以及碳氮键盐的微波吸收性能在国内外均有报道, 其明显的特点是质轻。

据文献报道, 在一定的波段内, 其吸收率可达10 dB。

当其与金属离子形成络合物后, 其正、负电荷通过双键的重组能够很容易地沿着分子的共轭连移动, 具有强极化特性, 从而使材料的复介电常数以及负磁导率发生改变, 进而影响到材料的吸波特性[ 8]。

另外, 具有芳香族的基团优于脂肪族的基团, 因为芳香族的基团参与共轭, 在其吸收频带内, 对电磁波的衰减既有电损耗, 又有磁损耗。

现在战场的技术已向多样化得方向发展，为了能够在复杂的雷达侦察条件下站立脚跟，做好隐身工作是必要的工作之一。

做到传统和现代技术的有效结合是隐身的关键。

加紧研究各种隐身技术是保证战争生存关键因素。