隐身技术

2014 年春季学期研究生课程考核
（读书报告、研究报告）
考核科目：现代光学材料与技术选讲
学生所在院（系）：理学院物理系
学生所在学科：光学
姓名：
学号：
学生类别：统招
题目：隐身技术的发展
隐身技术的发展
1、隐身技术的研究背景
隐形技术俗称隐身技术，准确的术语应该是“低可探测技术”。

即通过研究利用各种不同的技术手段来改变己方目标的可探测性信息特征，最大程度地降低对方探测系统发现的概率，使己方目标，己方的武器装备不被敌方的探测系统发现和探测到。

隐形技术是传统伪装技术的一种应用和延伸，它的出现，使伪装技术由防御性走向了进攻，有消极被动变成了积极主动，增强部队的生存能力，提高对敌人的威胁力。

现代无线电技术和雷达探测系统的迅猛发展,极大推动了世界各国防御系统的搜索、跟踪、攻击目标的能力,传统的作战武器受到了越来越严重的威胁。

隐身技术作为提高武器系统生存、突防、打击能力的有效手段,已经成为集陆、海、空三位一体的现代战争中最重要、有效的突防战术技术。

在入侵巴拿马、海湾战争以及刚刚结束的入侵南联盟的战争中,美国的F—117战斗攻击机执行了几千架次的空袭任务,却只损失了一架战机;而B—2隐身轰炸机从美国本土长途奔袭到南联盟执行轰炸任务却未受丝毫威胁。

创造这一奇迹的原因之一就是隐身技术的应用最大限度地保护了战机,隐身技术在提高现代兵器的突防能力方面正发挥着越来越重要的作用。

基于隐身技术在军事中的重要作用，各国相继开展了隐身技术的研究，经过半个多世纪的研究成绩斐然。

从50年代起,美国开展隐身技术研究,经过20多年的发展,70年代开始研制隐身飞机,80年代隐身飞机装备部队并投入使用。

现已装备的F—117A 隐形攻击机、B—2战略轰炸机以及新问世的F—22先进战术隐身战斗机均采用了不同类型的隐身材料。

俄罗斯的S—37隐身战斗机也已问世。

这些雷达隐身战机的相继问世标志着国外隐身技术已进入工程发展阶段。

2隐身技术的发展现状
目标隐形性能主要取决于雷达的接收功率和雷达波散射截面的大小,因而降低目标的雷达波散射截面、雷达的接收功率成为隐形技术的主要目标,目前主要有三种途径：外形隐身技术,雷达吸波材料隐身技术和最新提出的超材料隐身技术。

现有的隐身技术是以雷达隐身为重点．以红外、光学和声波隐身为辅。

2.1雷达隐身技术
雷达隐身是目前隐身飞行器采取的主要措施。

通过外形设计和采用吸波材料或吸波结构材料来大大降低飞行器的雷达散射截面积。

结构隐身：最初的雷达隐身是通过对飞行器外形的合理设计来减少雷达散射截面积(RcS),这是实现武器系统高性能隐身最直接有效的手段。

外形设计技术是通过目标外形结构和形状设计,使目标反射的雷达波能量偏离雷达发射方向,从而降低目标的RCS。

无论是理论分析还是试验研究都表明,对于CRS而言,物体的形状远比尺寸重要。

外形技术的原则是,在保证飞行器总体技术要求的前提下,将目标强散射中心转化为次散射中心,或是将强散射中心移出受雷达威胁的主要方位区域。

多棱面外形和融合外形技术是低Rcs外形技术的两个重要方面。

前者是将飞行器设计成多棱面体,使得整个机身只呈现出几个有限的窄散射峰值,融合
外形技术主要包括平面和空间的三维融合,通过对飞行器截面形状进行合理设计,使其侧向的镜面散射变为劈形边缘绕射,从而大大降低飞行器的侧向Rcs,典型应用如美国的B一2战略轰炸机。

材料隐身：雷达吸波材料的应用是实现隐身的主要技术性措施之一，也是隐身技术中研究的主要内容。

由于气动方面的限制，飞行器有许多部件无法采用外形隐身，只能在这些部件上采用雷达吸波材料来减缩雷达散射截面积。

雷达吸波材料主要有两种：涂敷型雷达吸波材料和雷达吸波结构材料，其应用形式有：索尔慈波里屏蔽层、蜂窝和开放式网状结构、梯度多层吸波、达伦巴奇层、电路模拟吸波、乔曼希波和导电高分子吸波等。

（1）涂敷型雷达吸波材料可分为磁性吸波材料和介电吸波材料两类。

磁性吸波材料是通过控制添加的磁性材料的性质和涂敷材料的厚度来获得材料的高导磁率特性；通过对添加剂和吸收剂进行适当的选择、集中和分布来调节吸波材料，使其在整个涂敷厚度内达到所需要的阻抗和损耗系数，以达到最佳的吸波效能，其有效设计厚度仅为0．5mm～1．25mm介电吸波材料是将材料设计成表面阻抗接近自由空间阻抗、介电系数随离表面的深度增加面增大的性质，这样有助于吸收电磁澳，并且反射很弱。

该类材料按基料的不同可分为：塑料类、橡胶类、树脂类和其它类，但它们可归类为涂料型和贴片型两类。

涂料型就是把电磁波吸收剂同粘合剂混合后按涂料的方法使用；贴片型就是把吸收剂和基料混合后做成薄片，使用时把贴片粘贴于金属表面。

(2)雷达吸波结构材料是由吸波材料和能透过雷达波的刚性材料相组合而成。

它是将非金属蜂窝结构表面用碳或其它耗电磁能材料加以处理，然后再把金属蒙皮粘结在其表面而制成的刚性板料，它既能吸收高频雷达波又能吸收低频雷达波。

非金属透波蒙皮通常用玻璃纤维或芳纶纤维的树脂基复合材料制成，表面喷涂吸波材料，蜂窝芯网通常用含有碳粉类耗电磁能添加剂的树脂浸渍，从而得到特定的阻抗。

它与涂敷型雷达吸波材料相比，除了有吸波和承载功能外，还有其它显著的特点：有助于拓宽吸波频带，不增加飞行器的重量等，所以它有逐步取代涂敷型雷达吸波材料的趋势。

雷达复合结构材料已经历由玻璃纤维增强到碳纤维及其混杂纤维、由次承力件到主承力件、由热固性树脂到热塑性树脂的发展过程。

随着先进复合材料在飞行器上应用的不断扩大，采用吸波结构材料已成为新一代军用飞行器材料研究的重要方向。

可以这样说，吸波材料的发展在很大程度上影响着隐身材料乃至整个隐身技术未来发展趋势。

（3）几种先进的隐身材料：目前，隐身材料正在向宽频带、薄厚度、轻重量、强吸收等高性能方向发展，同时不断开发新机理吸波材料。

现在世界军事大国正在研究开发以下几种先进的隐身材料：○1导电高分子隐身材料导电高分子隐身材料主要是利用某些具有共轭主链的高分子聚合物。

通过化学或电化学方法与掺杂剂进行电荷转移作用来设计其导电结构，实现阻抗匹配和电磁损耗，从而吸收
雷达波。

○2手征隐身材料所谓的手征是指一个物体不论是通过平移或旋转都不能使之与其镜像重合的性质。

研究表明，手征材料能够减少入射电磁波的反射并能够吸收电磁波。

○3纳米隐身材料纳米材料是指材料组成成分的特征尺寸在纳米量级(1～10Ohm)的材料。

纳米粒子由于粒径极小，而表面积大，处于表面的原子比例增大，增强了活性，在电磁场作用下，原子、电子运动加剧，促使磁化，使得电磁能转化为其它形式的能，增加对电磁波的吸收。

同时，纳米粒子具有较高的矫顽力，可以起大的磁滞损耗。

○4放射性同位素隐身材料在涂料中加入放射性同位素，利用其放出的高能射线使目标附近的局部空问产生等离子屏，形成含有大量自由电子并与自由空间相匹配的等离子区，可以吸收相当宽频带的电磁波。

○5电路模拟隐身材料该技术是在合适的基底材料上涂敷导电的薄窄条网络、十字形或更复杂的几何图形，或在复合材料内部埋人导电高分子材料形成电阻网络，实现阻抗匹配及损耗，以取代Salisbury屏幕或Jaumann吸收体中的绝缘材料层，从而实现高效吸收雷达波。

这种材料能在给定的体积范围内产生高于较简单类型吸波材料的性能。

但对每一种应用，都必须运用等效电路或二维周期介质理论在计算机上进行特定的匹配设计，而且设计计算比较麻烦。

○6视黄基席夫碱盐隐身材料枧黄基席夫碱盐是一种有机化台物，该化合物在受到雷达波作用时，其原子会进行一种轻微而短暂的重新排列，从而吸收电磁能量。

其对雷达波的吸收大于磁性一耗能型吸波材料，而重量又是磁性吸波材料的1110。

通过对不同的视黄基席夫碱盐进行改进和组合，能够吸收全频段的雷达波。

○7稀土隐身材料稀土元素隐身材料是新开发研制的一类吸波材料，它以稀土磁性材料为吸收剂。

另外，稀土元素常作为添加剂加在其它吸波材料中，用以调节吸波材料的电参数。

2.2红外隐身
红外探测系统就是依靠目标和背景本身温度所引起的热辐射差别来发现和识别
可知,降低目标表面发射率和控制目目标,根据斯蒂芬-波耳茨曼定律4
M T
=
标表面温度可实现红外隐身。

红外隐身材料本身具有低发射率或较强温控能力,可使目标和背景本身温度所引起的热辐射差减小到红外探测器探测不到或识别不出的程度,达到隐身目的。

目前研究较多并应用于军事用途的红外隐身材料主要由吸收剂和粘结剂组成。

吸收剂也称吸收材料或吸波材料,其作用主要是吸收,透过红外探测设备的电磁波,使探测设备得到的反射信号强度大大降低;粘结剂的主要作用是与吸收剂混合、成膜,以便涂覆在军事目标和武器装备表面上,起到隐身作用.
(1)掺杂氧化物半导体,如氧化铟锡(ITO)、掺锑氧化锡(ATO)等,其电磁辐射吸收机理为介电损耗,包括电极化和传导损耗,主要由复介电常数的虚部(ε2)决定,在微波、毫米波作用下,发生电子极化、离子极化、固有偶极子的取向极化和界面极化等,实现在可见光波段的高透明、红外波段的高反射低发射以及雷达波段的高吸收,掺杂氧化物半导体主要用于可见光隐身、红外隐身以及红外雷达兼容隐身。

(2)掺杂光子晶体:光子晶体是指介电常数(或折射率)空间周期性分布而具有光子带隙的特殊材料。

光子晶体最显著的特性是光子禁带的存在,频率处于禁带中的电磁波不能在光子晶体中传播,意味着处于禁带中的入射电磁波将被全反射。

如果在光子晶体中引入缺陷,光子禁带中将产生相应的缺陷能级,称为光子局域,相应频率的入射电磁波可以透过光子晶体。

利用光子晶体的禁带和局域特性,通过合理的设计,掺杂光子晶体可以实现“光谱挖孔”结构,在常见的激光波长(如10.6μm)附近的窄波段内具有低反射率,而在红外的大部分波段(如8～14μm)具有高反射率(低发射率),从而实现红外与激光隐身的兼容。

(3)相变微胶囊:相变材料是指以潜热形式储存和释放能量的材料。

其在物相变化过程中吸收和放出的热量称为相变潜热,同时其自身温度保持不变。

由于其特有的控温能力,可通过调控目标的温度进而控制目标的热红外辐射强度,同时克服了低发射率涂料的不足，因此相变材料已广泛应用于军事伪装领域。

将相变微胶囊以涂料或遮障形式用在目标上,通过改变、调节相变材料的组成,使其尽可能吸收目标排出的热量从而对热源产生的热载荷获得最佳的热伪装效果。

2.3新型隐身技术
（1）等离子体隐身技术：等离子体隐身的基本原理是:利用等离子体发生器、发生片,或者放射性同位素在武器表面形成一层等离子云,通过设计等离子体能量、电离度、振荡频率和碰撞频率等特征参数,使照射到等离子云上的一部分雷达波被吸收,一部分改变传播方向,从而返回到雷达接收机的能量很少,达到隐身的目的。

等离子体隐身技术吸波频带宽、隐身效果好,使用简便、使用时间长,无须改变飞机的气动外形设计,不影响飞行器的飞行性能,维护费用低,采用等离子体隐身技术的飞行器被敌方发现的概率可降低99%。

（2）仿生学隐身技术：在自然界中,许多动物都有天生的隐身本领,为隐身研究提出了一些有趣的课题。

比如变色龙能根据背景环境而变化颜色;燕八哥与海鸥的大小相近,RCS却只有海鸥的1/2田,蜜蜂体积远小于麻雀,但RCS反而比麻雀大16倍。

这其中蕴藏着很深的奥秘,深入研究会得到很多启迪。

现在美国研制出一种电致变色薄膜,又称“变色龙”材料。

这是一种通电后能变色的聚合物薄膜,在不同的电压下会发出蓝、灰、白等不同颜色的光,还可显现出浓淡不同的色调。

把这种薄膜贴在飞机表面,通过控制电压大小,便能使飞机的颜色与天空背景一
致。

应用电致变色材料的主要技术障碍目前尚不清楚,但这种材料必须接收阳光和恶劣气象的考验,还必须与现有雷达和红外隐身技术兼容。

（3）智能隐身材料：智能材料对环境具有自动感知功能、信息处理功能、自动调节自身结构或光学或电磁特性的功能、自我指令并对信号做出最佳响应的功能。

它为隐身材料和结构的设计提出了一个崭新的思路,在新的吸波机制下使智能隐身成为可能。

（4）多功能一体化隐身材料：目前许多国家都在开展多功能一体化隐身材料的研究工作,单波段隐身材料在未来将不再具有实战意义。

在可见光频段迷彩,在红外光频段低辐射,在雷达波频段高吸收,在激光波段低反射、高吸收、高散射和强折射,这些要求可能是相互矛盾的,因此难度很大,但也并非没有可能。

解决多功能隐身有两种途径。

一是开发新材料，二是合理设计隐身涂层。

随着隐身理论研究和实际及其应用技术的不断深入和拓展，以及在现代战争中的探测防御系统飞速发展的推动下，隐身技术正在不断地向作战各类武器系统中渗透．寻求发展宽隐身频带、全方位、全天候、智能化的隐身武器已成为隐身武器研制的大趋势。

隐身技术研究应注重在雷达隐身研究和应用的基础上，开始大力展开红外、声、视频、磁等隐身技术的研制工作。