浅析隐形战机的隐身机理 摘要：关键词：隐身性 吸波涂层 纳米 等离子技术本文综述了国内外用于隐身技术 的各种吸波材料。重点介绍了纳米 吸波涂层和等离子隐身技术。简要 分析了它们各自的性能特点、吸波 机理;并对吸波材料的发展方向进行 了展望。引言信息化战争中, 武器平台的高度信息化和电子化, 使飞 机、坦克、舰艇等所处的环境日益复杂。它们除受地面或 空中的火力威胁和电子干扰外, 其一举一动还处于红外、雷 达、激光等探测器的严密监视之下, 使其生存能力和战斗能 力面临极大挑战，这样其隐身性能就显得尤为重要。而隐 身技术主要涉及材料隐身和结构隐身两大方面。前者是使 用吸波材料或涂料; 后者是合理地设计武器外形, 以提高隐 蔽性。利用表面涂层技术,在武器装备表面涂覆一层特殊的 物质, 可吸收雷达等探测器发出的电磁波, 使探测器无法发 现目标, 以达到隐身的目的。隐身技术作为提高武器系统生 存、突防, 尤其是纵深攻击能力的有效手段, 已成为集陆、 海、空、天、电五维一体的现代多维战争中极为重要和有 效突防的战术技术手段, 正受到世界各军事强国的高度重视 。1、隐身的基本概念 定义：在武器系统研制过程中设法降低其可 探测性，使之不易被敌方发现、跟踪和攻击， 从而提高武器系统的生存能力和作战效率。几个认识上的误区 (1) 隐身是完全“看不见”隐身技术只是缩短探测器的有效 作用距离，以达到有效压缩敌方反应时间，增加自身在战场上 的生存能力和作战能力 (2) 需要全频段、全空域的隐身能力不但在技术上无法实 现，实际上也是没有必要的。只要抓住主要矛盾，避开不利的 使用环境，就可以用较小的代价获得较高的效益 (3) 隐身措施都是采用最先进的技术2、隐身技术的发展一战时，德国空军曾用透明材料制造过飞机，使地面人员难以发现它们 。 雷达发明以后1945年美国研制出一种吸收雷达波的涂料，代号为MX -40，据说使用效果很好。 1954年U-2，设计时考虑了隐身，如在机身上涂满黑色的可降低雷 达波散射程度的“铁漆”涂料。 SR-71翼身融合、双垂尾内倾、大后掠边条翼和三角翼，机身表面 喷涂 “铁漆”，并用了许多专门研制的特殊材料和涂层。 B-1B蛇形进气道，内装两个加热导流片。新改进的机头雷达罩上、 机翼前缘天线罩、翼根整流罩、机翼后缘、高升力装置和尾翼上都涂有 雷达波吸收材料；座舱挡风玻璃上采用真空电子镀膜层；头部、机身和 平尾侧面涂有雷达波吸波材料；头部和后部雷达天线安装隔框做成倾斜 式的；在整体设计上采用翼身融合体结构。但是U-2、TR-1、SR-71和B-lB，都不是完全按隐身技术要 求设计的飞机。真正的全隐身飞机最早的是美国退役的F- 117A战斗机和现役的B-2隐形轰炸机F-117A 1988年11月，美国军方宣布了长期处于保密 状态的最新式战斗轰炸机F-117A和战略轰炸 机B-2的有关资料。 F-117是高亚音速隐身战斗机。翼展13.2m，机 长20.1m，机高3.78m，正常起飞重量23.8t。 外形为后掠翼前三点起落架布局，垂尾采用V 字形双垂尾，并采用了吸波材料。机身的上 表面是由许多块平面组成的多面体，把雷达 波以各种角度向飞机上半部天空中散射。各 种措施使得F-117A的雷达散射截面积很小， 为l/10m2 1/l00m2。洛克希德公司F-117AB-2 B-2隐身轰炸机(美国诺斯普罗公司) 采用了新型的飞翼气动外形，没有平尾、翼 身融合。整个飞机的外形呈光滑曲线以求达到最 佳的隐身效果。大量采用石墨碳纤维材料、锯齿 状雷达散射结构、蜂窝状雷达吸波结构、雷达吸 波材料涂层，进一步缩小了雷达反射截面积。据称，B-2A在正常探测距离下的雷达反射 截面积与一只小鸟相当。轰炸机的所有燃料和武 器系统全部设计在机体内，因此外形异常“干净” 。机体使用了隐身材料，有些地方还涂有吸波材 料。这些都有效地实现了良好的隐身性能。诺斯普罗公司B-2其他机种 在发展F-117A和B-2两种隐身军用飞机的 同时，美国还把隐身技术用于其他的机种 ，甚至用于导弹武器。 80年代初，美国着手研制先进技术战斗机 (ATF)。YF-22和YF-23最终YF-22胜出 ，其生产型定名为F-22。 联合攻击战斗机（JSF）。 在发展隐身飞机的同时，美国正在研制隐 身导弹。F-22作为美国下一代的主力战斗机， 必须保持优异的机动性，同时可 以适当降低全向隐身的要求。 F-22 采用连续可变曲率的复杂 大弧面，但飞机的基本布局还是 比较常规的。 近似菱形的机头锥截面和机身， 达到“以角代面”，机头锥侧面 尖利的折缝在气动上起到了类似 F-18 的前缘边条的作用，整个 机身侧面的折缝在电磁上也起到 类似 B-2 的扁平、尖利边缘的 作用。 采用弯曲的进气道，以增加入射 雷达波的反射次数，并在每次反 射中吸收掉一点能量，最终的回 波就会削弱很多。 后期研制的联合攻击战斗机（ JSF）也有类似的特征。菱形截面的F-22前机身F-35联合打击战斗机3、实现隐身的方法 缩小雷达反射截面 降低红外线信号特征 等离子体技术3.1缩小雷达反射截面 技术途径： 1.改变飞行器的外形和结构，避免设 计出在雷达方向上产生强反射的外 形； 2.使用非金属材料； 3.采用吸收雷达波的涂敷材料和结构 材料； 4.遮掩或消除剩余的反射。新型吸波材料简介(1)手性材料手性是指一种物体与其镜像不存在几何对称性且 不能通过任何操作使物体与镜像相重合的现象。研究 表明，具有手性特性的材料，能够减少入射电磁波的 反射并能吸收电磁波。用于微波波段的手性材料都是 人造的。采用手性材料的结构与微波相互作用的研究 始于50年代，到80年代，有关手性材料对微波的吸收 、反射特性的研究才受到一些研究部门的重视。目前 研究的雷达吸波型手性材料，是在基体材料中掺杂手 性结构物质形成的手性复合材料。新型吸波材料简介（2）纳米隐身材料 纳米材料由于其尺寸处在原子簇和宏观物体交界的 过渡区域，具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应 和宏观量子隧道效应等特性，展现出许多独特的物理化 学性质。因此，它具有常规材料所不具有的特殊电磁波 耗散机制，有望制成具有频带宽、兼容性好、质量小和 厚度薄等特点的吸波材料，是一种非常有发展前途的雷 达吸波材料。 纳米隐身吸波材料的特性 纳米的定义：纳米材料是指材料特征尺寸在0.1 100 nm的材料。 新型吸波材料简介（2）纳米隐身材料 1)纳米材料的界面组元所占比例大, 纳米颗粒表面原 子比例高, 不饱和键和悬挂键增多,大量悬挂键的存在 使界面极化,吸收频带展宽。 2)纳米微粒尺寸小, 比表面积大, 界面极化与多重散射 成为纳米材料重要的吸波机制。纳米材料量子尺寸效 应使电子能级分裂, 分裂的能级间隔处于微波的能量 范围 内,为纳米材料创造了新的吸波通 道。隐身原理新型吸波材料简介（2）纳米隐身材料 隐身原理 3) 纳米材料中的原子和电子在微波场中的辐照, 材料的原子和 电子运动加剧, 促使磁化,使电磁能转化为热能, 增加了对电磁 波的吸收, 使电磁能转化为热能的效率增加, 从而提高了对电 磁波的吸收性能。 4) 纳米隐身材料具有厚度薄、质量轻、吸收频带宽、兼容性 好等特点。加入纳米材料的隐身涂料, 具有吸波能力强、密度 小、可实现薄层涂装的优点, 还具有高的力学性能、良好的环 境稳定性和理化性能。 5) 由于纳米微粒具有较高的矫顽力, 可引起大的磁滞损耗, 有 利于将吸收的雷达波等转换成其它形式的能量(热能、电能或 机械能)而消耗掉。新型吸波材料简介(3)导电高聚物材料 这种材料是近几年才发展起 来的，由于其结构多样化、高 度低和独特的物理、化学特性 ，因而引起科学界的广泛重视 。将导电高聚物与无机磁损耗 物质或超微粒子复合，可望发 展成为一种新型的轻质宽频带 微波吸收材料。新型吸波材料简介(4)多晶铁纤维吸收剂 欧洲伽玛(GAMMA) 公司研制出一种新型的雷 达吸波涂层，系采用多晶 铁纤维作为吸收剂。这是 一种轻质的磁性雷达吸收 剂，可在很宽的频带内实 现高吸收效果，且重量减 轻4060，克服了大 多数磁性吸收剂所存在的 过重的缺点。新型吸波材料简介(5)智能型隐身材料 智能型隐身材料和结构是80年代逐渐发展 起来的一项高新技术，它是一种具有感知功能 、信息处理功能、自我指令并对信号作出最佳 响应功能的材料和结构，为利用智能型材料实 现隐身功能提供了可能性。3.2降低红外线信号特征 产生：发动机尾喷管、武器系统表 面气动加热/阳光辐射或地球辐射的 反射及其相关设备的红外辐射。 途径：非常规喷管外形技术、隔热 与屏蔽技术、混合/冷却技术、改变 燃烧效果等。3.3等离子体技术（1）概念：等离子体是由 部分电子被剥夺后的原子 及原子被电离后产生的正 负电子组成的离子化气体 状物质 ，可以同时存在中 性原子、分子或由更多分 子集团组成的微粒 。等离子体聚变图（2）等离子体隐身的机理和特点等离子体隐身技术的原理是利用电磁波与等离 子体互相作用的特性来实现的，其中等离子体频率 起着重要的作用。等离子体频率指等离子体电子的 集体振荡频率，频率的大小代表等离子体对电中性 破坏反应的快慢，它是等离子体的重要特征。若等 离子体频率大于入射电磁波频率，则电磁波不会进 入等离子体此时，等离子体反射电磁波，外来电 磁波仅进入均匀等离子体约2mm，其能量的86就 被反射掉了。但是当等离子体频率小于入射电磁波 频率时，电磁波不会被等离于体截止，能够进入等 离子体并在其中传播，在传播过程中部分能量传 给等离子体中的带电粒子，被带电粒子吸收，而自 身能量逐渐衰减。（2）等离子体隐身的机理和特点等离子体隐身的优点：吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好。使用简便、使用 时间长、价格极其便宜； 由于等离子体是宏观呈电中性的优良导体，极易用电磁 的办法加以控制，只要控制得当，还可以扰乱敌方雷达波 的编码，使敌方雷达系统测出错误的飞行器位置和速度数 据以实现隐身 ; 无需改变飞机等装备气动外形设计，由于没有吸波材料 和涂层，维护费用大大降低; 俄罗斯的实验证明，利用等离子体隐身技术不但不会影 响飞行器的飞行性能，还可以减少30以上的飞行阻力。（2）等离子体隐身的机理和特点等离子技术的缺点：等离子体隐身也有它本身的不足之处，如等离 子体发生器有较大的重量和体积，产生等离子体的功 耗比较大等；飞机上安装等离子体发生器的部位本身无法雷达隐 身和等离子体发光暴露目标的问题；等离子体的高温损坏机体材料以及等离子体对机体 材料的腐蚀问题；采用放射性同位素的问题是同位素的剂量难以控制 等。4、隐身吸波材料研究展望隐身材料总体的发展方向: （1）宽频化这就要求隐身材料具备宽频带吸波特性, 即用同一 种隐身材料对抗多种波段的电磁波源的探测。 （2）复合化根据目前吸波材料的发展状况,一种类型的材料很 难满足日益提高的隐身技术所提出的薄、轻、宽、强 的综合要求,因此需要将多种吸波材料进行多种形式的 复合来获得最佳隐身效果。4、隐身吸波材料研究展望（3）低维化为了探索新的吸收机理和提高吸波性能, 已经日益重 视研究纳米颗粒、纤维、薄膜等低维材料。因此, 具有吸 收频带宽、兼容性好、吸收率高、比重轻等诸多优点的隐 身材料是极具潜力的发展方向。 （4）智能化所谓智能型材料是指具有感知功能、信息处理功能、 自我指令,并能对信号作出最佳响应功能的材料与结构。目 前在航空航天领域内,这种材料正得到越来越广泛的应用, 已成为材料科学研究中的一个主要方向。参考文献1周克省, 黄可龙, 孔德明, 尹荔松. 纳米无机物/ 聚合物复合吸 波功能材料. 高分子材料科学与工程, 2002; 18( 3) :15 18； 2葛副鼎, 库万军, 朱静. 手性材料及其在隐身吸波材料