第13章 隐身材料

rr k
4


目标的σ值降为原来的10%时，rr缩短为原来的56%， 目标的σ值降为原来的1%时，rr缩短为原来的18%。 由此可见雷达隐身技术的作用。 电磁波的散射来自武器的各散射源，散射的基本 类型有镜面反射、边缘和尖顶散射、行波散射、 爬行波散射以及非细长体电磁边界突变引起的散 射。这些局部散射源称散射中心，武器的总散射 场是各局部散射场之和。
• 微波或称雷达隐身技术是研究较早和发展最快的现 代隐身技术。 • 红外隐身技术是现代隐身技术中越来越重要的技术 领域，因为现代探测遥感手段主要是雷达、红外、 光学、声波四种类型。 • 20世纪80年代中期以来，红外探测和制导技术迅速 发展，红外型探测器仅次于雷达，约占30%，而在 精确制导武器中，红外制导的占60%，红外隐身技 术按波段可分为近红外（0.76～2.6μm）和中远红 外（主要是3～5μm和8～14μm）两类。 • 近红外隐身技术主要用于静止、常温目标，研究进 展较大 。中远红外隐身技术主要用于运动、高温目 标，但难度较大，进展较慢。
• d一定，则能发生干涉的λ0也一定，当λ0发生变化 时，涂层的总反射率就急速上升，因此这种涂层 的工作频段很窄。要得到宽的响应频带，则
0 d 常数 4
源自文库

即要求ε和μ随λ0而变化，并满足上式，在宽频段 内，目前还找不到这样的材料。因此，干涉型涂 层很难满足使用要求。 吸收型涂层是按电磁波吸收原理设计的。电磁波 在涂层中传播时通过感应的传导电流损耗、介电 损耗和磁性损耗把电磁波的电磁能转化为热能而 散失掉，这样电磁波就被涂层吸收了。因此，涂 层吸收电磁波有两个基本条件：
• 因此，吸收型涂层的反射率不可能达到零。它比 干涉型涂层的响应频带要宽，但厚度较厚。 • 以上讨论的都是单层同组分的涂层，且很简化的， 很难满足“薄、轻、宽”的要求。实际情况要复 杂得多，如电磁波入射并非直射而是斜入射，涂 层不是单层，涂层表面不是平滑面，电磁波有偏 振等。这些都需根据具体条件进行较精确的计算。 由吸波涂料构成的涂层称为涂敷型吸波体。它的 设计方法按吸波体的构成和形状而采用不同的物 理模型和计算方法，已形成一个专门领域。 • （三）平面涂敷型吸波体的设计原理 • （四）涂料型吸波体的计算机辅助设计
第十三章 隐身材料 13.1 隐身技术
• 我国古代就有“隐身法”的传说。 • 在士兵的装备和武器上也采用了各种形式来达到“隐 身”，其基本的办法就是伪装和诱骗。 • 随着现代军事技术发展，雷达、毫米波、红外、激光、 声波等现代探测和制导技术大量应用于武器系统中， 给飞机、舰艇、坦克和其他武器的生存造成了极大的 威胁。为了提高武器的生存和突防能力，形成了一项 专门技术——隐身技术。 • 武器的隐身技术是一门综合性的应用科学技术。 • 隐身技术：凡是能使军事目标的各种可探测的目标特 征减少或迷盲的技术。
• 2、吸波涂料的种类 • 按对电磁波的衰减原理分为干涉型和吸收型。
• 干涉型涂料用于薄层涂层。其ε、μ越大，则涂层 越薄，但工作带宽很窄。其吸波性能对厚度极敏 感，因而施工精度要求很高。低频时，它的厚度 显著增加。因此，很难满足实用要求。
• 吸收型涂料按吸收机理可分为电损耗型、电磁损 耗型和等离子体吸收型。
4.6 4.4 4.2
Cu1 Cu2 Cu3
0.75 0.60 0.45 0.30 0.15
Cu1 Cu2 Cu3
'
4.0 3.8 3.6 2 4 6 8 10 12 14 16 18
"
2
4
6
8
10
12
14
16
18
f / GHz
f / GHz
1.16 1.12 1.08 Cu1 Cu2 Cu3
13.2 微波隐身材料
• 一、微波隐身的基本原理 • 雷达是探测武器特别是飞行器的最可靠方法。雷 达是利用电磁波发现目标并测定其位置的设备。 电磁波在传播过程中遇到阻碍物将产生散射。这 是雷达发现目标的依据。电磁波具有恒速、定向 传播的规律，是测定目标距离和方向的依据。 • 雷达的工作波段绝大多数在微波波段，故称微波 隐身。微波一般是指波长从1m到1mm的电磁波， 相应的频率范围为0.3～300GHz。有人把1mm～ 0.1mm的波段也划入微波范围。
• 声隐身技术和激光隐身技术是现代隐身技术的两 个开展研究较晚的领域。 • 隐身技术作为一项高技术，与激光武器、巡航导 弹被称为军事科学上最新的三大技术成就。 • 隐身材料是隐身技术的重要组成部分。广义来说， 凡是隐身技术用的材料都可认为是隐身材料。 • 隐身材料：在武器系统的使用和设计过程中，降 低其目标特征的材料。 • 对应于隐身技术的分类，隐身材料分为微波、可 见光、红外、激光、声和多功能隐身材料。
0.09 0.06 0.03 Cu1 Cu2 Cu3
'
''
1.04 1.00 0.96 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0.00 -0.03 -0.06 2 4 6 8 10 12 14 16 18
f / GHz
f / GHz
复介电常数和复磁导率的频谱特性
2 0 -2
3mm
R / dB
• • • •
减少武器RCS值的途径主要有三条： （1）外形技术。 （2）阻抗加载技术。 （3）材料技术。
• 吸收雷达波的材料称雷达波吸收材料或微波吸收 材料，简称吸波材料，它是主要微波隐身材料。 按工艺方法分为涂敷型、贴片型和结构型。透过 雷达波的材料称雷达波透射材料（透波材料）。 • 二、涂敷型吸波材料 • （一）对涂敷型吸波材料的一般要求 • 涂敷型吸波材料是一种吸波的高分子复合材料， 简称吸波涂料。对它的一般要求为：(6) • （1）反射率低。
• （1）阻抗匹配条件。电磁波入射到涂层时，首先 要让它最大限度地进入涂层内部而不被反射掉。 如果电磁波能在涂层中基本被吸收掉，则可忽略 R2。此时，当电磁波垂直入射时
电磁波在涂层 表面的振幅反 射率
0 0
0
自由空间的相 对本性阻抗
涂层的相对本 性阻抗
0

• • • • • • • •
（2）响应频带宽。 （3）密度小，厚度薄。 （4）机械性能好。 （5）耐候性好。 （6）价格比较便宜。 总之，吸波涂料的性能要求归纳为薄、轻、宽。 （二）涂敷型吸波材料的工作原理 吸波涂料降低电磁反射的工作原理可分为干涉型和吸收 型两类。一般都做成涂层。 • 干涉型涂层是按电磁波相干原理设计的。如图15-1所示， 当电磁波I直射到涂层C表面时，一部分被反射出去，为 第一反射波R1。其余部分透入涂层，在两个界面之间来 回反射。
图15－1 电磁波直射到涂层上的反射
• 当一部分波穿出界面，返回自由空间，叠加后形 成第二反射波R2。若R1和R2处于同一偏振面上，相 位差180°，发生干涉，使总的反射波衰减。 • 要这两个反射波相位差180°，必须使其波程差
1 2d n 2
d 2 n 1 4
• 隐身技术分为主动隐身技术和被动隐身技术。 • 主动隐身技术是采用各种主动措施如干扰、假目 标、烟幕、地形匹配等使敌方的探测手段受到迷 惑而无法识别目标。 • 被动隐身技术是指武器系统的设计和使用过程中， 降低其作为目标特征的技术。 • 按目标特征，隐身技术又可分为可见光、雷达或 微波、红外、激光、声隐身技术。 • 隐身技术概念的明确提出虽然较晚，而武器的伪 装和遮障则很早就已应用。这些都是可见光隐身 技术，不属于现代隐身技术。现代可见光隐身技 术也称低视觉信号技术，主要有迷彩伪装、烟幕 伪装、假目标和低尾迹等技术。
0 0 1 0

• 可见，要直射电磁波完全进入涂层即阻抗完全匹 配，涂层的相对磁导率和相对介电常数要相等。 实际上还不可能，因此只能尽可能地使之匹配。 • （2）衰减条件。进入涂层的电磁波能迅速地最大 限度衰减，吸收率可表示为下式
a 1 e

d
要完全衰减，即涂层吸收率a=1，必须涂层衰减常数 α或厚度d为无限大。实际上没有为无限大的涂料。α 为无限大没有实用意义。故只能做到使电磁波尽可 能多地衰减掉。同时吸波涂料的α大和阻抗匹配是矛 盾的，一般涂料的α越大，其本性阻抗越小，越难与 自由空间的本性阻抗匹配。
• 1、电损耗型
• 电损耗来源于导电损耗和介电损耗。电损耗型涂料 按吸波剂的种类主要有以下五种系列：炭系涂料、 陶瓷系涂料、非磁性的金属系涂料、导电高分子型 和视黄基席夫碱盐型。
• 电损耗型涂料的主要优点是密度小，高频性能较好， 但一般厚度大，难以满足薄层宽频的要求。 • 2、电磁损耗型 • 电磁损耗源于电损耗、磁损耗（磁滞损耗、涡流损 耗和剩余损耗）。电磁损耗型吸波涂料按吸波剂种 类主要有三种：铁氧体系涂料、磁性金属粉系涂料 和有机金属络合物型。 • 3、等离子体吸收型
• 吸波剂在涂料中的含量在一定范围内对涂料的力 学和理化性能影响不大，但容积含量太大时就会 恶化力学性能，并使工艺过程非常困难，甚至无 法加工。
• 高分子基料是决定吸波涂料物化性质，特别是 力学性质的关键成分。没有磁性，电损耗极低， 无磁损耗，吸波性能接近于零。 • 高分子基料的选择主要根据吸波涂料所需的物 理和化学性能及工艺加工要求。一般有橡胶型 和树脂型两类。 • 附加成分分为两类：一类是为了改善涂料的物 理和化学性能的；另一类是工艺过程需要的。 • 吸波涂料的工艺较简单，和一般涂料差不多。
-4 -6 -8 Cu1 Cu2 Cu3
-10 -12 2 4
6
8
10
12
14
16
18
f / GHz
反射率与频率的关系曲线
• （六）吸波涂料及其吸波体的组成和种类 • 1、吸波涂料是以高分子溶液、浮液或液态高聚物 为基料，分散加入吸波剂和其他附加成分制成的。 • 吸波剂是决定涂料吸波性能的关键组分，一般是 粉末或纤维形态。 • 按化学成分吸波剂可分为无机吸波剂和有机高分 子吸波剂。 • 按对微波的损耗机理吸波剂分为电损耗型和电磁 损耗型。
相对磁导率
0 /

0 相对介电常数 d 2n 1 4



如果直射到涂层的电磁波满足上式，且R1和R2振幅相 等，则总反射率可降到零。 实际上，这两种反射波的振幅不可能相同，目前单纯 的干涉型涂层可有-30dB左右的反射衰减。 从上式可见，产生干涉的涂层厚度取决于λ0、ε、μ。 λ0越小，ε和μ越大，则涂层越薄。
Ir 4r Ii
2

R为目标到接收天线的距离

σ的数值变化很大，常用σ的分贝数来表示，即
' 10log
• 人的σ是1m2，非隐身的B-52轰炸机是100m2，隐身 的B-1B、B-2、F-117A轰炸机的σ分别是0.75m2、 0.1m2、0.025m2，相当于鸟类的σ值。 • 根据雷达距离方程
• • • • •
（五）吸波涂料的特征值 吸波涂料的主要特征值如下： （1）最小反射率R。又称峰值反射率。 （2）反射率R和微波频率f的关系R(f)-f。 （3）响应带宽。带宽可用频率的绝对值Δf表示， 也可用相对带宽表示，相对带宽等于带宽除以该 波段的中心频率。响应带宽必须是指明反射率小 于某一值(R<-10dB)时的带宽。 • （4）复介电常数ε和复磁导率μ。 • （5）ε、μ和频率的关系ε-f、μ-f。 • （6）涂层厚度d和面密度ρA。
• 微波波段还可细分为分米波（1dm～1m）、厘米波 （1cm～1dm）、毫米波（1mm～1cm），把0.1～1mm 波段称为亚毫米波。 • 雷达隐身技术的目的是要使武器的雷达目标特征即散射 信号减弱到最小限度。武器的雷达散射信号的大小一般 用雷达散射截面（RCS）来表示。 • RCS是在单位立体角内接收机天线处散射回波的功率流 面密度Ir与目标处单位立体角内入射波功率流面密度Ii之 比，即
• 3、涂敷型吸波体 • 涂敷型吸波体是吸波涂料在金属表面上涂制而成的，按 其构成的涂层数分为单层和多层吸波体。 • 单层吸波体由同一种涂料涂成的电磁参数相同的吸波涂 层构成。现有吸波体涂料作成的单层吸波体很难兼顾阻 抗匹配和最大衰减两个基本条件而满足“薄、轻、宽” 的要求。