衛(wèi)星隱身技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)

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衛(wèi)星隱身技術(shù)在空間攻防系統(tǒng)中占有獨(dú)特的地位,與在地面裝甲車(chē)輛、艦船、飛機(jī)上應(yīng)用的隱身技術(shù)有一定的相似之處,但由于衛(wèi)星研制條件以及所處的太空環(huán)境不同,衛(wèi)星隱身技術(shù)的研究及應(yīng)用更具有挑戰(zhàn)性。基于衛(wèi)星工程應(yīng)用,歸納了衛(wèi)星隱身需求、應(yīng)用環(huán)境等,重點(diǎn)介紹了國(guó)際前沿隱身技術(shù),包括雷達(dá)隱身手段、紅外及可見(jiàn)光隱身手段,同時(shí)探討衛(wèi)星隱身的技術(shù)瓶頸及未來(lái)展望,促進(jìn)隱身技術(shù)在衛(wèi)星上的應(yīng)用。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,衛(wèi)星技術(shù)迅猛發(fā)展,在軌衛(wèi)星數(shù)量劇增,軍用、民用、商業(yè)衛(wèi)星繁榮發(fā)展,對(duì)于軍事戰(zhàn)略而言,太空已成為新的戰(zhàn)場(chǎng),與制海權(quán)、制空權(quán)一樣,制天權(quán)已成為目前發(fā)達(dá)國(guó)家軍事戰(zhàn)略中的重要組成部分。
歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的太空發(fā)展計(jì)劃中,防御性對(duì)抗在整個(gè)攻防體系中發(fā)揮著重要作用,具有隱身功能的衛(wèi)星已經(jīng)成為防御性對(duì)抗的重要組成部分。隨著針對(duì)太空目標(biāo)的探測(cè)識(shí)別和監(jiān)視技術(shù)的不斷發(fā)展,衛(wèi)星的安全和生存能力將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),為了降低在軌衛(wèi)星的可探測(cè)性,增強(qiáng)對(duì)敵方探測(cè)和監(jiān)視系統(tǒng)的抵御能力,迫切需要在衛(wèi)星上應(yīng)用隱身技術(shù)。
針對(duì)目標(biāo)可探測(cè)特征的分類(lèi),隱身技術(shù)主要分為雷達(dá)隱身技術(shù)、可見(jiàn)光及紅外隱身技術(shù)、射頻隱身技術(shù)等。雷達(dá)隱身技術(shù)是發(fā)展最早也是最重要的隱身技術(shù),降低雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section,RCS)的措施主要有:外形修形技術(shù),也稱(chēng)為外形隱身;采用雷達(dá)吸波材料。可見(jiàn)光及紅外隱身技術(shù)的核心是通過(guò)冷卻、降溫、涂料、涂層、遮擋和降低發(fā)射率等手段來(lái)控制或縮減自身可見(jiàn)光及紅外特征信號(hào),實(shí)現(xiàn)目標(biāo)與背景融為一體,使得光學(xué)或紅外成像設(shè)備難以分辨。射頻隱身技術(shù)是采用主動(dòng)控制輻射的技術(shù)措施,以降低被無(wú)源探測(cè)器截獲的概率[1]。
自蘇美軍備競(jìng)賽以來(lái),針對(duì)日益增多的人造衛(wèi)星及愈發(fā)嚴(yán)峻的太空形勢(shì),美國(guó)發(fā)展建立了系列太空探測(cè)系統(tǒng),如太空跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)(space tracking and surveillance system)、天基空間監(jiān)視(space based space surveillance)系統(tǒng)、太空籬笆(the space fence)及林肯空間監(jiān)視系統(tǒng)(lincoln space surveillance complex)等,已經(jīng)形成在沒(méi)有預(yù)先提示或指派任務(wù)情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)9cm大小空間目標(biāo)的隨機(jī)探測(cè),在提示情況下能夠跟蹤探測(cè)1cm 大小空間目標(biāo)的能力。另外,俄羅斯“天窗”(Okno space-monitoring complex)系統(tǒng)及光學(xué)跟蹤系統(tǒng)、法國(guó)的空間監(jiān)視網(wǎng)雷達(dá)網(wǎng)等空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)也已具備探測(cè)能力。目前,國(guó)際上空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)能力發(fā)展迅速,無(wú)論是雷達(dá)探測(cè)設(shè)備還是光學(xué)成像設(shè)備,地基探測(cè)系統(tǒng)或是天基探測(cè)系統(tǒng)都具備優(yōu)越的探測(cè)識(shí)別及跟蹤能力,這對(duì)衛(wèi)星的隱身能力提出了極高的性能要求。
衛(wèi)星是一個(gè)系統(tǒng)工程,其本身技術(shù)復(fù)雜,包含了很多分系統(tǒng),如測(cè)控、結(jié)構(gòu)、熱控、電源、數(shù)據(jù)管理、姿態(tài)控制等,隱身作為一個(gè)分系統(tǒng)需要與各個(gè)分系統(tǒng)兼容。衛(wèi)星在搭載于運(yùn)載火箭發(fā)射升空、在運(yùn)載火箭發(fā)射過(guò)程中,衛(wèi)星需經(jīng)歷極大的過(guò)載加速度、沖擊及噪聲環(huán)境,衛(wèi)星受到體積、質(zhì)量和功耗的嚴(yán)格限制。因此,衛(wèi)星自身的功能及設(shè)計(jì)限制作為保證衛(wèi)星任務(wù)成功的首要條件,對(duì)隱身方式及其力學(xué)性能提出了特殊要求。
衛(wèi)星在軌飛行過(guò)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(huán)境下,對(duì)衛(wèi)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(qiáng)的耐空間環(huán)境能力。太空平均溫度為-270.3℃,在太陽(yáng)輻射、地球反照環(huán)境、衛(wèi)星的自身功耗及熱控措施下,星內(nèi)溫度一般控制在-15~+50℃的范圍內(nèi),星體表面及太陽(yáng)能電池陣溫度范圍可達(dá)-90~+120℃,對(duì)隱身材料工作溫度提出了較為嚴(yán)苛的要求[2]。此外,由于任務(wù)需求,要求隱身衛(wèi)星具備長(zhǎng)時(shí)間在軌潛伏的能力,且衛(wèi)星上隱身材料的修補(bǔ)或更換等工作極難展開(kāi),因而對(duì)衛(wèi)星隱身材料提出了長(zhǎng)壽命的需求。
本文首先概述了雷達(dá)隱身技術(shù)、紅外及可見(jiàn)光隱身技術(shù),調(diào)研了外形隱身手段、各類(lèi)雷達(dá)吸波材料、紅外及可見(jiàn)光吸收材料等,討論并總結(jié)了各類(lèi)隱身技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及在衛(wèi)星上應(yīng)用的可能性,最后展望了衛(wèi)星隱身技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
外形隱身作為比較有效的雷達(dá)隱身手段,其通過(guò)改變目標(biāo)的特征外形,可在特定角度范圍內(nèi)降低目標(biāo)的RCS,使目標(biāo)的主要散射能量規(guī)避雷達(dá)威脅區(qū)域,達(dá)到雷達(dá)隱身的效果。如圖1所示,美國(guó)的F-117A戰(zhàn)斗機(jī)、B-2轟炸機(jī)等就是外形隱身設(shè)計(jì)的代表作。

圖 1 美國(guó) B - 2 隱形轟炸機(jī)
外形隱身技術(shù)可利用多種途徑:①優(yōu)化目標(biāo)總體布局,減少?gòu)?qiáng)散射源;②通過(guò)修形消除或減弱鏡面散射;③避免構(gòu)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(dá)威脅區(qū)域外;⑤對(duì)強(qiáng)散射部件進(jìn)行遮擋等。
美國(guó)朦朧(Misty)衛(wèi)星是已公開(kāi)報(bào)道過(guò)的在軌隱身衛(wèi)星,其隱身性能來(lái)源于充氣罩[3],地面雷達(dá)探測(cè)電磁波通過(guò)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(shù)的一種,朦朧衛(wèi)星在軌期間隱身效果顯著,其構(gòu)型如圖2所示。陳衛(wèi)東等[4]公開(kāi)了一種隱身衛(wèi)星構(gòu)型,如圖3(a)所示,衛(wèi)星構(gòu)型為六棱柱體、六棱錐與隱身天線罩的結(jié)合,該設(shè)計(jì)主要通過(guò)漫反射雷達(dá)探測(cè)電磁波實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星隱身。秦遠(yuǎn)田等[5]公開(kāi)了一種橄欖體形隱身衛(wèi)星構(gòu)型,如圖3(b)所示,其暴露于外表面的天線、噴管和太陽(yáng)能帆板可通過(guò)窗口收進(jìn)本體內(nèi),衛(wèi)星切換為隱身狀態(tài),針對(duì)全尺寸實(shí)物模裝分別進(jìn)行隱身狀態(tài)和非隱身狀態(tài)下的RCS測(cè)試,兩組數(shù)據(jù)表明,在隱身狀態(tài)切換前后的RCS分別縮減至原來(lái)的1/719和1/350。

圖 2 美國(guó)朦朧衛(wèi)星示意

圖 3 典型隱身衛(wèi)星構(gòu)型
綜上所述,衛(wèi)星采用外形隱身技術(shù)具有一定的可行性,且隱身效果較好,但上述隱身衛(wèi)星構(gòu)型仍存在一定的技術(shù)缺陷:①朦朧衛(wèi)星可充氣圓錐結(jié)構(gòu)體積龐大,圓錐角需長(zhǎng)時(shí)間對(duì)地以指向地基雷達(dá),影響載荷的搭載,且難以兼顧對(duì)天基探測(cè)設(shè)備、地基光學(xué)成像設(shè)備的隱身;②六棱柱與六棱錐結(jié)合隱身天線罩的構(gòu)型同樣需要錐角對(duì)地,無(wú)展開(kāi)式電池陣,對(duì)日電池片數(shù)量少,難以為大功率載荷供電;③橄欖形構(gòu)型外形不規(guī)則,在有限的運(yùn)載火箭搭載空間內(nèi),此衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)備安裝空間會(huì)更小,空間利用率降低,不符合現(xiàn)代衛(wèi)星小型化趨勢(shì)。
雷達(dá)吸波材料(Radar Absorbing Material,RAM)有多種分類(lèi),如按對(duì)電磁的損耗機(jī)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(jié)構(gòu)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(dǎo)電高聚物[14-15]、手性材料[16-19]、石墨烯復(fù)合材料[20-25]、碳纖維復(fù)合材料[26-30]、碳納米管復(fù)合材料[31-34]等。
Zhang等[7]研制的Fe3O4/GNPs-NH-PANI復(fù)合材料與石蠟按照3∶7的質(zhì)量比混合涂層,在2.6mm的厚度時(shí),反射損耗(Reflection Loss,RL)低于-10dB的帶寬高達(dá)9.62GHz(7.85~17.47GHz)。Zheng等[16]采用納米鎳對(duì)微螺旋手性碳纖維改性,如圖4所示,測(cè)試結(jié)果表明涂層的反射率為-6~-8dB的帶寬為12GHz(6~18GHz)。Chen等[21]在濕化學(xué)條件下,成功制備了新型還原氧化石墨烯/赤鐵礦納米復(fù)合材料,厚度為4mm時(shí),RL<-10dB的頻帶為11.3~18GHz。Pan等[22]通過(guò)在石墨烯上生長(zhǎng)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(guò)調(diào)節(jié)涂層厚度,有效吸收帶寬可在3~16GHz(RL≤-10dB)內(nèi)變化。Qing等[25]研究了寬帶微波吸收的石墨烯納米片(Graphene Nano Platelets,GNP)和BaTiO3顆粒填充的環(huán)氧涂層,采用雙層結(jié)構(gòu)和頻率選擇表面(Frequency Selective Surface,F(xiàn)SS)設(shè)計(jì)改善此類(lèi)涂層的微波吸收率后,RL<-8dB的帶寬為13.9GHz(4.1~18GHz)。

圖 4 納米 Ni 改性纖維

圖 5 石墨烯上生長(zhǎng)立方鈷納米晶
Kim等[26]研究了兩層復(fù)合層壓板(碳纖維-環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合板與炭黑浸漬橡膠板)的微波吸收特性,發(fā)現(xiàn)復(fù)介電常數(shù)可以通過(guò)橡膠復(fù)合板中炭黑的含量來(lái)控制,對(duì)于含10%炭黑的橡膠板,最大微波吸收為30dB(10GHz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(zhǎng)形成雙碳納米線圈和單碳納米線圈,如圖6所示,測(cè)試結(jié)果表明單碳納米線圈復(fù)合材料RL小于等于-10dB的帶寬達(dá)9.6GHz。

圖 6 單碳納米線圈復(fù)合材料
Xu等[32]通過(guò)在兩輥混合器混合硅橡膠、多壁碳納米管(Multi-Walled Carbon Nano Tube,MWCNT)和片狀羰基鐵顆粒(Carbony lIron Particle,CIP)來(lái)制備的智能吸收復(fù)合材料,厚度為1mm或1.5mm時(shí),反射吸收帶(RL<-10dB)為5.2~10.6GHz或4.0~8.4GHz。Huang等[33]通過(guò)球磨法制備的片狀FeSiAl合金/MWCNT復(fù)合材料,通過(guò)控制銑削時(shí)間及MWCNT含量,可調(diào)整復(fù)合材料電磁性能,如圖7所示,測(cè)試表明RL<-10dB時(shí),帶寬可達(dá)4.6GHz。DeMicheli等[35]在立方體衛(wèi)星表面覆蓋了優(yōu)化設(shè)計(jì)的用于吸波的多層MWCNT,在2~18GHz頻帶內(nèi)的大部分頻率范圍內(nèi)電磁波反射低于-10dB,可實(shí)現(xiàn)立方體衛(wèi)星的隱身。


圖 7 FeSiAl / MWCNT 復(fù)合材料
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2~18GHz頻帶內(nèi),RL<-10dB的帶寬一般低于10GHz)、電磁波吸收率低等缺點(diǎn)。吸波材料多為碳系材料,輻射吸收率高、發(fā)射率高,紅外特征明顯,難以適應(yīng)衛(wèi)星應(yīng)用環(huán)境或滿足隱身性能需求。此外,如碳納米管等納米級(jí)材料具備的非常復(fù)雜的制備工藝、高昂的制備成本會(huì)限制其應(yīng)用。
結(jié)構(gòu)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(fù)浸潤(rùn)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(fù)合吸波材料[40]。
He等[12]通過(guò)在蜂窩狀?yuàn)A層結(jié)構(gòu)中噴涂金屬磁性微粉涂層(Metal Magneticmicro Powder,MMP)構(gòu)成的微波吸收材料,如圖8所示,在2.6~18GHz的頻率范圍內(nèi)RL<-5dB。郭雪松等[36]對(duì)異形蜂窩的電磁參數(shù)進(jìn)行仿真,優(yōu)化了15mm厚蜂窩,在增重41.25%、拉伸率為0.68時(shí),RL<-10dB的帶寬達(dá)到12GHz(2~18GHz內(nèi))。孫鵬程等[37]選取了兩種采用不同類(lèi)型吸波劑浸漬的芳綸紙蜂窩結(jié)構(gòu)型吸波材料FW10和FW20作為夾層,內(nèi)外側(cè)蒙皮為鋁合金板件及石英纖維板,如圖9所示,結(jié)果表明,厚31mm的最優(yōu)方案RL<10dB的帶寬為13.1GHz(1.7~14.8GHz)。禮嵩明等[38]建立了具有良好計(jì)算準(zhǔn)確性的吸波蜂窩及其夾層吸波結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的電性能計(jì)算模型,并實(shí)現(xiàn)了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料的寬頻電性能優(yōu)化設(shè)計(jì),如圖10所示,30mm厚的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料優(yōu)化后在1.5~18GHz寬頻內(nèi)實(shí)現(xiàn)RL<-10dB。

圖 8 蜂窩夾層板

圖 9 雙層吸波蜂窩復(fù)合材料


圖 10 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料
對(duì)比1.2小節(jié)可知,結(jié)構(gòu)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(dá)到衛(wèi)星承力要求,可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)隱身一體化。
超材料(metamaterials)指的是一種特種復(fù)合材料或結(jié)構(gòu),通過(guò)對(duì)材料關(guān)鍵物理尺寸上進(jìn)行有序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使其獲得常規(guī)材料所不具備的超常物理性質(zhì)。超材料中的“左手材料”最早在1968年由蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago在理論上提出,預(yù)測(cè)其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)數(shù)的特性[41]。20世紀(jì)90年代,英國(guó)Pendry教授提出周期性排布的金屬線陣列[42]和金屬開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)[43]可以分別實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率。2001年,美國(guó)Smith教授團(tuán)隊(duì)將上述二者復(fù)合而首次制造出了左手材料,并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其具有負(fù)折射現(xiàn)象[44]。Landy等[45]于2008年設(shè)計(jì)出了吸波超材料,數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)表明在11.48GHz處吸收率可達(dá)99%。后續(xù)在國(guó)際上超材料吸波體的研究蓬勃發(fā)展,大量超材料相關(guān)論文相繼發(fā)表。目前可用于隱身技術(shù)的超材料設(shè)計(jì)繁多,如超材料微波吸波體[46-56]、超材料可見(jiàn)光吸波體[57-61]、超材料紅外吸波體[62-65]、超材料極化轉(zhuǎn)換器[66]、超材料極化旋轉(zhuǎn)反射面[29,67-68]、超材料天線罩[69-70]、可調(diào)諧超材料吸波體[71-73]、光子晶體等。另外,F(xiàn)SS[74]、頻率選擇反射器(FrequencySelectiveReflector,F(xiàn)SR)[75-76]也可歸類(lèi)于超材料。
Li等[47]提出了一種多層超材料吸波體,絲網(wǎng)印刷的碳基電阻膜夾在兩層硅橡膠與MWCNT復(fù)合材料之間,如圖11所示,90%吸收帶寬為13.5GHz(7.1~20.6GHz)。Tayde等[48]提出的寬帶超材料微波吸波體,由多層電阻表面構(gòu)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16.5GHz(2~18.5GHz),如圖12所示。

圖 11 在彎曲試驗(yàn)前后測(cè)量的反射率曲線及仿真曲線

圖 12 多層電阻表面超材料微波吸波體
Harsh等[49]提出的光學(xué)透明超材料由氧化銦錫(IndiumTinOxide,ITO)電阻膜圖案及PET介質(zhì)板制成,如圖13所示,90%吸收帶寬為8.6GHz(6.06~14.66GHz)。Zhang等[51]提出采用ITO的光學(xué)透明雷達(dá)吸波體,通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整結(jié)構(gòu)的共振,在8.3~17.4GHz寬頻內(nèi)實(shí)現(xiàn)90%吸收。Zhou等[56]提出了一種超寬帶周期性兩層階梯式雷達(dá)吸收結(jié)構(gòu)(PeriodicSteppedRadarAbsorbingStructure,PSRAS),通過(guò)使用αFe增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料構(gòu)造的PSRAS,由于微觀和介觀尺度相結(jié)合的多尺度效應(yīng),如圖14所示,其在2.64~40.0GHz超寬頻內(nèi)實(shí)現(xiàn)RL<-10dB。

圖 13 透明電磁超材料吸波體


圖 14 周期性兩層階梯式雷達(dá)吸收結(jié)構(gòu)
Pang等[29]提出在玻璃纖維復(fù)合材料表面加載少量的碳纖維絲,形成棋盤(pán)和隨機(jī)圖案進(jìn)行了仿真及測(cè)試,其減少RCS機(jī)制為相位抵消而不是吸收,在厚2.7mm時(shí),RCS低于-10dB頻段為8.7~19.2GHz。Jia等[67]提出的由超寬帶極化旋轉(zhuǎn)反射面形成的棋盤(pán)表面,90%吸收帶寬為11.7GHz(6.1~17.8GHz),如圖15所示。Jeong等[69]提出了一種單元結(jié)構(gòu)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(jìn)行保護(hù),在厚度僅5.2mm情況下吸收率大于90%的頻帶為4.6~12GHz。Kumar等[70]通過(guò)使用尼龍纖維和輕木以及E-玻璃/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料,在不影響機(jī)械性能的情況下,改善現(xiàn)有隱形天線罩的電磁波傳輸特性。


圖 15 基于極化旋轉(zhuǎn)表面的棋盤(pán)結(jié)構(gòu)

圖 16 超材料天線罩
岳守晶等[74]提出了一種基于頻率選擇表面的小型衛(wèi)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(jié)構(gòu),包括內(nèi)外層FSS屏、內(nèi)外蒙皮及中間層,各層間采用膠膜膠接,其力學(xué)性能滿足衛(wèi)星應(yīng)用。

圖 17 夾層結(jié)構(gòu)天線罩
Han等[72]提出的可通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)的水基可調(diào)超材料吸波體,通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制可實(shí)現(xiàn)吸收波段的改變,如圖18所示。Sun等[76]提出了一種基于FSR設(shè)計(jì)的低RCS平面反射陣列天線,測(cè)量結(jié)果表明,所提出的天線設(shè)計(jì)與常規(guī)反射陣列天線的增益相比僅減少了0.3dB,而在4~12.5GHz有-10dBRCS縮減,如圖19所示。


圖 18 可調(diào)超材料吸波體

圖 19 基于 FSR 設(shè)計(jì)的低 RCS 平面反射陣列天線
超材料在改變介質(zhì)基板材質(zhì)后,可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)單元的新型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料,相比于原吸波蜂窩,新型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在1~2GHz頻率范圍內(nèi)的吸波性能顯著提升,同時(shí)材料質(zhì)量大幅降低。陳育秋等[78]采用芳綸紙蜂窩與FSS復(fù)合設(shè)計(jì),得到兼具質(zhì)量輕、強(qiáng)度高及吸波帶寬寬的蜂窩吸波復(fù)合材料,通過(guò)開(kāi)槽等方法優(yōu)化仿真,設(shè)計(jì)厚度為6mm的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)吸波材料,如圖20所示,其-10dB吸收帶寬達(dá)14GHz(4~18GHz)。Shen等[79]將兩層電阻膜嵌入纖維柱陣列增強(qiáng)的泡沫夾層結(jié)構(gòu)中,以實(shí)現(xiàn)微波寬帶吸收以及良好的機(jī)械性能,結(jié)果表明,所提出的夾層結(jié)構(gòu)厚度為9.73mm,在2.6~21GHz寬頻內(nèi)RL<-10dB,增強(qiáng)的機(jī)械性能使其適合某些裝載應(yīng)用。

圖 20 吸波蜂窩復(fù)合材料
隱身衣作為變換光學(xué)應(yīng)用最具代表性的范例,其通過(guò)外層包覆的方式使其內(nèi)部的物體對(duì)外部探測(cè)器隱身,采用具有特殊電磁響應(yīng)的超材料實(shí)現(xiàn)[80]。2006年Schurig等[81]等首先實(shí)現(xiàn)了工作于8.5GHz的二維隱身衣,成功隱藏其內(nèi)部一根圓形銅線。其后,Li等[82]采用非均勻介質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)了地毯隱身,Liu等[83]實(shí)現(xiàn)了覆蓋13~16GHz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6.1GHz和10.2GHz處實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)的單層方形隱身衣,如圖21所示,測(cè)試結(jié)果表明,在5.94~6.95GHz的頻率范圍內(nèi),在隱身衣內(nèi)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(shí)現(xiàn)了一種混合型隱身衣,通過(guò)超表面和雙零介質(zhì)構(gòu)成的菱形雙層隱身殼,成功隱藏其內(nèi)部的菱形金屬,如圖22所示。

圖 21 方形隱身衣對(duì)圓柱形物體隱身

圖 22 混合隱身衣
電磁超材料以多種方式及途徑實(shí)現(xiàn)物體雷達(dá)隱身,具有很好的應(yīng)用前景。對(duì)比1.2與1.3小節(jié)可知,超材料吸波體的可設(shè)計(jì)性更強(qiáng),在2~18GHz頻帶內(nèi)有效吸波帶寬可實(shí)現(xiàn)更寬,厚度相對(duì)于涂層較厚,密度主要取決于介質(zhì)板(可考慮輕輕質(zhì)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(jiǎn)單、成本低(單元結(jié)構(gòu)多為毫米級(jí)),在介質(zhì)板更換后有實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)隱身一體化的可能性(如加載紙蜂窩等)。
衛(wèi)星運(yùn)行在-273.15℃的太空中,由于其自身設(shè)備的產(chǎn)熱以及在光照區(qū)及陰影區(qū)的周期性的熱量吸收與輻射,使得衛(wèi)星紅外特征明顯,極易被探測(cè)到,需要施加紅外隱身手段用以降低衛(wèi)星紅外特征,從而降低紅外被探測(cè)的概率。
常規(guī)紅外隱身技術(shù)大多針對(duì)導(dǎo)彈、飛機(jī)、軍艦、坦克、裝甲車(chē)等平臺(tái),主要手段包括:①減少自身產(chǎn)熱,比如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)采用新型噴口,使燃油充分燃燒,從而降低紅外輻射;②結(jié)構(gòu)隱身,比如把發(fā)動(dòng)機(jī)噴口設(shè)計(jì)成狹長(zhǎng)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(jī)的溫度;③選擇輻射系數(shù)(ε1)低的涂料,以減少導(dǎo)彈因氣動(dòng)加熱而引起的熱輻射;④紅外吸收涂料,涂覆于機(jī)身表面以吸收紅外輻射能,可降低機(jī)體的熱輻射;⑤采取屏蔽措施降低輻射透過(guò)率,比如軍艦采用的煙火型紅外遮蔽煙幕和水幕;⑥使目標(biāo)盡量融入背景,比如飛機(jī)腹部的涂層降低與天空背景對(duì)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(jī)理一般可分為三類(lèi):一是吸收型,可使吸收的能量在涂層內(nèi)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(zhuǎn)換型,吸收紅外能量之后,涂料的紅外輻射向其他波段轉(zhuǎn)移,使之處于紅外探測(cè)系統(tǒng)的工作波段之外;三是反射型,材料具有低紅外發(fā)射率,對(duì)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(xué)生長(zhǎng)相結(jié)合的方法制造的亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu),牛角形的納米柱在可見(jiàn)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(fù)合材料,結(jié)果表明,當(dāng)摻雜濃度為2∶2時(shí),RL<-10dB的帶寬達(dá)到8.16GHz(9.84~18GHz),紅外輻射大氣窗口(3~5μm、8~14μm)平均發(fā)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(fā)射器,其在大氣窗口內(nèi)具有低發(fā)射率(ε3-5μm=0.18,ε8-14μm=0.31),而在大氣窗口之外具有高發(fā)射率(ε5-8μm=0.82)以進(jìn)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2.5~15.5μm寬帶內(nèi)反射率和透射率皆低于5%。

圖 23 超薄紅外隱身板
光子晶體(PhotonicCrystal,PC)是由多種具有不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間按一定的周期排列所形成的一種人造結(jié)構(gòu)晶體,也屬于一種超材料,其光子禁帶對(duì)入射電磁波具有高反射率,能夠有效改變目標(biāo)的輻射特性[94]。目前基于光子晶體的紅外隱身材料研究發(fā)展迅猛,Wang等[95]提出了紅外一維雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合光子晶體(Composite Photonic Crystal,CPC),仿真與測(cè)試結(jié)果表明其在3~5μm和8~14μm的波長(zhǎng)范圍紅外發(fā)射率低至0.073和0.042。此外,由于其在雷達(dá)波段的高透射率,可用于構(gòu)造紅外雷達(dá)隱身兼容材料。王航等[96]研究了可見(jiàn)光、遠(yuǎn)紅外與多種激光兼容隱身PC薄膜,8~14μm波段平均發(fā)射率為0.14,10.6μm及0.93μm、1.06μm波長(zhǎng)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(lán)色,可用來(lái)模擬荒漠、林地或海洋背景。Hu等[97]以ZnSe和Te為介電材料設(shè)計(jì)的PC,在0.4~1.2μm波段的反射曲線類(lèi)似于綠色植物的反射光譜曲線,同時(shí),在8~12μm波段發(fā)射率為0.05。
Tian等[98]基于電阻頻率選擇表面(Resistance Frequency Selective Surface,RFSS)設(shè)計(jì)的紅外吸收體,如圖24所示,仿真結(jié)果表明,在3~5μm和8~12μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)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(jié)構(gòu),結(jié)果表明,其在特定紅外波長(zhǎng)吸收率可達(dá)100%,且可以通過(guò)改變參數(shù)靈活地調(diào)節(jié)吸收峰中心波長(zhǎng)。Zhong等[63]提出了一種僅7mm厚的超表面,可以同時(shí)減少雷達(dá)波反射和紅外熱輻射,通過(guò)兩個(gè)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的單元結(jié)構(gòu)層(紅外吸收層(Infra Red Shielding Layer,IRSL)與雙方環(huán))的微妙組合來(lái)實(shí)現(xiàn),如圖25所示,測(cè)量結(jié)果表明,90%吸收頻帶為3~8GHz,紅外發(fā)射率約為0.2。

圖 24 基于電阻 FSS 的紅外吸收體

圖 25 雷達(dá)紅外兼容隱身結(jié)構(gòu)
Xu等[99]提出的由金屬-電介質(zhì)-多層截頭圓錐體組成的吸收體,在兩個(gè)大氣窗口3~5μm和8~14μm中具有0.9的高反射率,在5~8μm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(jié)構(gòu),可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)微波波段高吸收率、紅外波段低發(fā)射率及光學(xué)透明性,如圖26所示,90%吸收頻帶為7.7~18GHz,紅外大氣窗口熱發(fā)射率約為0.23。

圖 26 微波 - 紅外雙隱身結(jié)構(gòu)
因此,應(yīng)用在武器平臺(tái)的紅外隱身技術(shù),衛(wèi)星也可借鑒一些手段,如隱藏變軌發(fā)動(dòng)機(jī)或推進(jìn)器、采用紅外吸收材料。此外,紅外隱身性能優(yōu)異的材料種類(lèi)較多,其中超材料吸波體或光子晶體還具有雷達(dá)或可見(jiàn)光隱身性能,具有更好的應(yīng)用前景。
傳統(tǒng)衛(wèi)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(jiàn)光反光極強(qiáng)。因此,衛(wèi)星總體的光學(xué)特性十分明顯,極易被光學(xué)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)。衛(wèi)星熱控系統(tǒng)中不可或缺的多層隔熱組件,讓衛(wèi)星的可見(jiàn)光隱身成為一個(gè)難以解決的問(wèn)題。
與雷達(dá)隱身技術(shù)相比,可見(jiàn)光隱身也有相似的隱身手段:①構(gòu)型隱身,減小光學(xué)橫截面積(Optical Cross Section,OCS),降低被探測(cè)的概率;②材料隱身,涂覆光學(xué)吸收涂料或安裝加載光學(xué)吸收材料。
朱冬駿等[101]提出了一種光學(xué)隱身衛(wèi)星構(gòu)型,如圖27所示,分別對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)構(gòu)型、太陽(yáng)能帆板、半球形遮光罩進(jìn)行設(shè)計(jì)及整星OCS仿真分析,結(jié)果表明該衛(wèi)星構(gòu)型OCS峰值僅0.082m2。

圖 27 光學(xué)隱身衛(wèi)星
Wang等[102]采用氧化石墨烯(grapheneoxide)對(duì)鋁顏料進(jìn)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(jiàn)光反射率降低了23%,光澤度降低了58%,而紅外發(fā)射率在8~14μm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 Fluoro Ethylene,PTFE)的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)PTFE/Hs/(Ge/ZnS)3,由于PTFE保護(hù)層的高粗糙度和界面反射,可使光澤度從200Gs下降至74.2Gs。此外,在8~14μm平均發(fā)射率為0.196,在2~18GHz微波范圍內(nèi)具有96.45%的傳輸率。Ding等[104]提出了一種無(wú)須光刻的寬帶超薄可見(jiàn)光吸收體,由多層電介質(zhì)和金屬膜組成,可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍吸收率均大于90%。Zhu等[105]通過(guò)間苯二酚和甲醛的水性縮合形成的有機(jī)氣凝膠進(jìn)行熱解,制備了各種密度的碳?xì)饽z,發(fā)現(xiàn)密度低于70mg/cm3的碳?xì)饽z在400~2000nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)總反射率小于0.24%,如圖28所示。

圖 28 碳?xì)饽z的抗反射機(jī)制
Rana等[57]設(shè)計(jì)了采用鎢的可見(jiàn)光吸收超材料,其在400~800nm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400~1500nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)平均吸收率達(dá)97.8%,此外,通過(guò)在單元結(jié)構(gòu)中增加金屬-電介質(zhì)對(duì)的數(shù)量并同時(shí)采用金和鐵,改進(jìn)的吸收體在400~2000nm范圍內(nèi)的平均吸收率達(dá)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300~1000nm范圍內(nèi)平均吸收率達(dá)94%。


圖 29 基于金屬 - 絕緣體 - 金屬的光學(xué)吸收體
Ni等[108]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了包裹在物體上的超薄隱身衣,由厚度為80nm(約λ/9)的具有分布相移的超表面構(gòu)成,如圖30所示,其通過(guò)完全恢復(fù)730nm波長(zhǎng)的反射光的相位來(lái)隱藏包裹其內(nèi)的任意形狀三維物體。Hsu等[109]提出在可見(jiàn)光波長(zhǎng)從650nm到800nm范圍內(nèi)用于線極化寬帶隱身地毯的新型超表面設(shè)計(jì)。


圖 30 光學(xué)超表面隱身衣
綜上所述,已提出的光學(xué)隱身衛(wèi)星構(gòu)型仍有需突破的難點(diǎn),如不能搭載多樣化載荷、對(duì)衛(wèi)星其他分系統(tǒng)影響較大、通用性不足等。光學(xué)隱身材料中,碳?xì)饽z及多頻譜兼容吸收超材料有較好的應(yīng)用前景。
根據(jù)雷達(dá)隱身技術(shù)、紅外及可見(jiàn)光隱身技術(shù)現(xiàn)狀分析,各類(lèi)隱身技術(shù)在衛(wèi)星上應(yīng)用存在以下問(wèn)題或要求:
1)現(xiàn)有隱身衛(wèi)星外形設(shè)計(jì)與衛(wèi)星其他分系統(tǒng)兼容性較差,或難兼顧多頻譜隱身。
2)當(dāng)前隱身材料難以滿足應(yīng)用于衛(wèi)星上所具備的適應(yīng)太空環(huán)境、壽命長(zhǎng)、厚度薄、密度小、力學(xué)性能優(yōu)異等條件。
3)涂覆型和結(jié)構(gòu)型隱身材料與衛(wèi)星其他分系統(tǒng)的兼容問(wèn)題。衛(wèi)星表面一般包裹有熱控多層隔熱組件,會(huì)直接反射電磁波,按熱控系統(tǒng)常規(guī)設(shè)置,多層隔熱組件安裝于承力結(jié)構(gòu)外部,此時(shí)結(jié)構(gòu)型吸波材料將失去吸波作用,因此,結(jié)構(gòu)型吸波材料的實(shí)施方式及位置需與熱控系統(tǒng)協(xié)調(diào),而涂覆型吸波材料可涂覆在熱控多層組件表面。此外,雷達(dá)隱身材料與衛(wèi)星通信系統(tǒng)存在吸收電磁波與輻射電磁波的矛盾。
4)紅外或可見(jiàn)光隱身技術(shù)與其他隱身技術(shù)及衛(wèi)星分系統(tǒng)的兼容問(wèn)題。紅外隱身材料紅外發(fā)射率低,可見(jiàn)光隱身材料多為黑色且可見(jiàn)光吸收率高,都需與衛(wèi)星熱控系統(tǒng)協(xié)調(diào)。衛(wèi)星上太陽(yáng)能電池片多為三結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體材料,其吸光能力強(qiáng),導(dǎo)致太陽(yáng)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(jiàn)光鏡面反射。因此,應(yīng)綜合考慮紅外、可見(jiàn)光隱身性能與太陽(yáng)能帆板的工作效率。
5)隱身衣或隱身地毯需將其結(jié)構(gòu)或薄膜包裹于物體表面,對(duì)于衛(wèi)星而言,通信天線、太陽(yáng)能電池陣、展開(kāi)機(jī)構(gòu)及相機(jī)等載荷的存在,使得包裹措施難以實(shí)施,且無(wú)論是微波或是可見(jiàn)光波段,隱身頻段都較窄,因此,隱身衣的工程應(yīng)用還需技術(shù)突破。
結(jié)合各類(lèi)隱身技術(shù)及衛(wèi)星總體技術(shù),對(duì)于隱身衛(wèi)星提出以下建議:
1)對(duì)于衛(wèi)星隱身技術(shù)總體,衛(wèi)星構(gòu)型采用隱身外形設(shè)計(jì),衛(wèi)星表面安裝或涂覆各類(lèi)隱身材料,實(shí)現(xiàn)微波、紅外及可見(jiàn)光綜合隱身,隱身構(gòu)型及各類(lèi)隱身材料的采用都需兼顧衛(wèi)星其他分系統(tǒng)。
2)對(duì)于外形隱身技術(shù),在保證衛(wèi)星總體技術(shù)要求的前提下,通過(guò)合理的構(gòu)型布局與構(gòu)型設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)隱身效果,采用多棱面和融合外形技術(shù),避免出現(xiàn)較大平面與凸?fàn)畹膹澢妗⒓恻c(diǎn)、邊緣、棱角、缺口和垂直交叉的接面。太陽(yáng)電池片布局時(shí)減少片間縫隙。同時(shí),在隱身構(gòu)型設(shè)計(jì)過(guò)程中,需考慮運(yùn)載火箭提到的衛(wèi)星許用包絡(luò)約束以及外形設(shè)計(jì)對(duì)衛(wèi)星實(shí)際功能的影響,如衛(wèi)星內(nèi)部的有效容積、表面太陽(yáng)能電池片的有效利用面積、衛(wèi)星熱控等因素。
3)對(duì)于吸波材料的應(yīng)用,涂覆型吸波材料可直接涂覆于衛(wèi)星表面包裹的多層隔熱組件上;結(jié)構(gòu)型吸波材料可作為衛(wèi)星承力結(jié)構(gòu)或安裝于承力結(jié)構(gòu)外,多層隔熱組件安裝于結(jié)構(gòu)型吸波材料內(nèi)表面。
4)對(duì)于電磁超材料的應(yīng)用,電磁超材料可以多種方式實(shí)現(xiàn)隱身:①分別采用超材料微波吸收體、紅外吸收體、可見(jiàn)光吸收體實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星雷達(dá)、紅外、可見(jiàn)光隱身,電池陣表面采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的光學(xué)透明吸波體;②采用極化轉(zhuǎn)換器,將入射電磁波由一種極化狀態(tài)轉(zhuǎn)換為與其正交的極化狀態(tài),可避免被雷達(dá)探測(cè);③采用可調(diào)諧超材料吸波體,實(shí)現(xiàn)吸波特性在不同環(huán)境、條件下具備適應(yīng)性及可調(diào)性,改變衛(wèi)星RCS特性,擾亂敵方雷達(dá)探測(cè);④采用FSS或FSR,應(yīng)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(shí)現(xiàn)微波、紅外或可見(jiàn)光多頻譜吸收。因此,可按需采用各類(lèi)電磁超材料,集成于衛(wèi)星隱身系統(tǒng)。
5)對(duì)于紅外隱身技術(shù),衛(wèi)星儀器設(shè)備安裝于星體內(nèi)部,統(tǒng)一導(dǎo)熱至散熱面,星體采用熱控措施使得熱導(dǎo)通,避免局部熱量過(guò)高,通過(guò)衛(wèi)星布局或采取姿態(tài)調(diào)整使得散熱面避免被探測(cè);太陽(yáng)能帆板吸收的熱量及時(shí)導(dǎo)出,避免溫度急劇上升;采用紅外隱身材料,降低衛(wèi)星紅外輻射。
6)對(duì)于可見(jiàn)光隱身技術(shù),通過(guò)衛(wèi)星布局或采取姿態(tài)調(diào)整使得可見(jiàn)光強(qiáng)反射面避免被探測(cè);采用可見(jiàn)光隱身材料,降低可見(jiàn)光散射截面。
衛(wèi)星總體必須不斷提高衛(wèi)星隱身系統(tǒng)的集成化水平,以滿足隱身衛(wèi)星的高隱身性能要求,特別是加強(qiáng)各頻譜隱身材料的集成技術(shù)研究。此外,隱身外形與衛(wèi)星構(gòu)型的一體化設(shè)計(jì)、雷達(dá)隱身材料與通信天線的電磁兼容設(shè)計(jì)、隱身材料與熱控系統(tǒng)的熱整合設(shè)計(jì)等,都是衛(wèi)星總體應(yīng)考慮到的分系統(tǒng)間需協(xié)調(diào)的問(wèn)題。
關(guān)鍵技術(shù)突破是隱身技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵點(diǎn),結(jié)合衛(wèi)星隱身實(shí)際,需要從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研發(fā)投入。
1)隱身結(jié)構(gòu)一體化。已有結(jié)構(gòu)型隱身材料吸波性能大多較強(qiáng),應(yīng)用于衛(wèi)星隱身,需力學(xué)性能滿足運(yùn)載火箭要求,因此,在滿足吸波性能強(qiáng)的同時(shí),結(jié)構(gòu)型隱身材料需往厚度薄、密度小、力學(xué)性能強(qiáng)的設(shè)計(jì)發(fā)展。
2)材料適應(yīng)空間環(huán)境。對(duì)于雷達(dá)吸波材料、紅外或可見(jiàn)光吸收材料,除了吸波性能強(qiáng)、密度小、厚度薄等傳統(tǒng)發(fā)展方向,還需具備太空環(huán)境適應(yīng)性。
3)多頻譜兼容隱身。現(xiàn)有的隱身材料大多是雷達(dá)、紅外、可見(jiàn)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(shí)實(shí)現(xiàn)紅外和可見(jiàn)光吸收的材料,可節(jié)省空間、減少材料兼容性測(cè)試及涂覆步驟等。
4)衛(wèi)星構(gòu)型隱身。在衛(wèi)星總體指導(dǎo)下,在目前衛(wèi)星小型化、高功能密度等發(fā)展趨勢(shì)下,衛(wèi)星構(gòu)型往隱身外形設(shè)計(jì)發(fā)展。
多數(shù)隱身衛(wèi)星構(gòu)型和隱身材料停留在理論階段或難以實(shí)現(xiàn)低成本批量生產(chǎn)。因此,隱身構(gòu)型的設(shè)計(jì)應(yīng)由衛(wèi)星總體指導(dǎo)開(kāi)展,盡快實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用;隱身材料設(shè)計(jì)在追求性能指標(biāo)的同時(shí),需考慮加工成本及應(yīng)用環(huán)境,盡快應(yīng)用于衛(wèi)星。
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是隱身技術(shù)的制高點(diǎn),在隱身技術(shù)迅速發(fā)展之時(shí),衛(wèi)星隱身技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范應(yīng)提前謀劃,比如各頻譜隱身性能指標(biāo)、衛(wèi)星隱身構(gòu)型設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)、隱身材料的隱身、力學(xué)、熱學(xué)性能要求等需盡快提出。
衛(wèi)星是空間攻防系統(tǒng)的重要組成部分,具有隱身功能的衛(wèi)星可增強(qiáng)對(duì)敵方探測(cè)和監(jiān)視系統(tǒng)的抵御能力。目前國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星隱身技術(shù)發(fā)展雖已開(kāi)展多年,但發(fā)展不如隱身戰(zhàn)斗機(jī)等武器平臺(tái),目前沒(méi)有公開(kāi)報(bào)道正在軌運(yùn)行的隱身衛(wèi)星。在地面裝甲車(chē)輛、艦船、飛機(jī)等平臺(tái)上應(yīng)用的先進(jìn)雷達(dá)、紅外及可見(jiàn)光隱身技術(shù),對(duì)于衛(wèi)星隱身技術(shù)具有一定的借鑒意義。由于衛(wèi)星所處的空間環(huán)境及其自身復(fù)雜的技術(shù),衛(wèi)星隱身技術(shù)將是極具特點(diǎn)的,涉及多學(xué)科交叉的前沿技術(shù),在研究過(guò)程中應(yīng)從衛(wèi)星應(yīng)用需求出發(fā),將隱身材料技術(shù)、隱身外形技術(shù)與衛(wèi)星總體技術(shù)相結(jié)合,加強(qiáng)總體方案論證,注重可實(shí)現(xiàn)性,突破關(guān)鍵技術(shù),推進(jìn)衛(wèi)星隱身技術(shù)的發(fā)展。
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本文轉(zhuǎn)載自“《國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)》2021年6月”,原標(biāo)題《衛(wèi)星隱身技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)》,文 | 胡豪斌、張 翔、廖文和(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院),孔祥鯤(南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院)
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