雷达隐身材料、红外隐身技术与材料(ppt-78页)

隐身材料章•隐身技术始于第二次世界大战。随着美军隐身飞机频频亮相，隐身技术已为公众所瞩目，成为各国在军事高技术竞争中竞相争夺的一张重要“王牌”。•隐身飞机、隐身导弹、隐身舰艇、隐身军车等武器装备的相继出现，不仅大大提高了军事目标的隐蔽性能，而且有效地提高了武器装备的生存能力和突防能力，在现代战争中显示出了巨大的威力。已被当今世界各国视为重点开发的军事高新技术。•美国国防部更是把这一要求列为重点发展计划。•近年来，随着多学科的交叉研究，吸波材料在材料的选择上有了更大的空间，特别是与具有不同特性材料的复合，使吸波材料的性能有了更大进展。第一节、当代隐身技术1、隐身技术•隐身技术：改变武器装备等目标的可探测信息特征，使敌方探测系统不易发现或发现距离缩短的综合性技术。•当代隐身技术主要包括：反雷达探测、反红外探测、反电子探测、反可见光探测和反声波探测等隐身技术，其中反雷达探测和反红外探测隐身技术是当前发展的重点。1.1、雷达黑洞—反雷达探测隐身技术•雷达探测目标的能力，是由目标在雷达波照射下，在雷达接收天线方向上产生的电磁散射信号强度即雷达散射截面积（RCS）决定的。所以，降低目标的RCS值是反雷达探测隐身技术的主要途径。•目前已广泛应用的技术有：隐身外形技术、隐身材料技术、微波传播指示技术。1.1.1、“改头换面”——隐身外形技术•所谓“改头换面”，就是改进目标的外形设计，即利用计算机辅助设计等现代设计手段，在一定约束条件下对装备及其外形进行优化设计，在保持一定性能的前提下，使其被探测的雷达截面积最小。1.1.2、“乔装打扮”——隐身材料技术•所谓“乔装打扮”，主要是指采用能吸收或透过雷达波的涂料或复合材料，使雷达波有来无回、多来少回，达不到预期的目的。1.1.3、“随机应变”——微波传播指示技术•所谓“随机应变”，是指钻雷达波传播中的空子，利用计算机预测出雷达波在大气中传播情况，使突防飞行器在雷达波覆盖区的“空隙”、“盲区”或“波道”外飞行，就可避开敌方雷达的探测，顺利突防。1.2、红外盾牌——反红外探测隐身技术•随着红外侦察、探测、制导和热成像处理技术的发展，反红外探测隐身技术也越来越重要，它是通过抑制目标的红外辐射，或改变目标的热形状，从而达到目标与背景的红外辐射不可区分的一门技术。•目前，反红外探测隐身技术的主要技术措施有：改变红外辐射特征、降低红外辐射强度。1.2.1、改变红外辐射特征•通过改变红外辐射波段，使飞机等目标的红外辐射波段处于红外探测器的响应波段范围之外，或者是将目标的红外辐射避开大气窗口而在大气层中被吸收和散射掉，也可使对方红外探测器失效。1.2.2、降低红外辐射强度•这是红外隐身的主要技术手段，主要是通过降低辐射体的温度和采用有效的涂料来降低目标的辐射功率，其主要途径有：减少散热源、采用散热量小的设计和部件、采用闭环冷却系统、改善气动力特性，减少气动力摩擦等。1.3、电波隐蔽——反电子探测隐身技术•为了使目标不被性能越来越高的电子侦察系统发现，作为抑制目标电磁信号特征的反电子探测隐身技术，也是隐身技术的重要领域之一。•武器装备等目标自身的电磁辐射源主要包括其机载的各种电子设备，如雷达及其它电子探测系统、通信系统、控制系统、伺服机构执行部件、电子对抗系统、无线电信标等。•反电子探测隐身技术的主要技术措施是：a：减少无线电设备，如用红外设备代替多普勒雷达等；b：用低截获概率技术改进电子设备。如采用频率捷变技术，以降低信号被识别的概率；c：减少电缆的电磁辐射。如尽量缩短各种电子设备间的距离等；d：避免电子设备天线被动反射。如将天线做成能嵌入目标体内的结构等；e：对电子设备进行屏蔽。如改进武器装备的结构，采用特殊材料或涂料，以减少向外辐射电磁能等。1.4、匿迹潜形---反可见光探测隐身技术•控制目标的电磁辐射和红外辐射特征，虽可对雷达、电子、红外探测系统达到隐身目的，但对可见光波段的光学探测、跟踪、瞄准系统达不到隐身目的，所以，反可见光探测隐身技术也在研究和发展。•反可见光探隐身技术：就是通过减少目标与背景之间的亮度、色度和运动的对比特征，达到对目标视觉信号的控制，从而降低敌方可见光光学探测系统的探测概率。•目前研究提出的反可见光探测的主要技术措施有：a：改进目标外形的光反射特征。如飞机采用近似平板外形的座舱罩代替曲面外形的座舱罩等；b：控制目标的亮度和色度。如在目标表面涂敷迷彩涂料等；c：控制目标发动机喷口的火焰和烟迹信号。如采用不对称喷口降低喷焰温度，从而降低喷焰光强等；d：控制目标照明和信标灯光。如对必要的灯光在一定的角度范围内进行遮挡等。控制目标运动构件的闪光信号。1.5、噪声屏障——反声波探测隐身技术•反声波探测隐身技术：就是控制目标声波辐射特征，降低被声波探测系统探测到的概率的技术。•目标的噪声，主要是发动机等机械的工作噪声、目标体及其部件（如螺旋桨）运动和排气对周围介质的扰动噪声、目标体及其构件的振动噪声等。•为了降低目标向周围介质传播的噪声，目前反声波探测隐身技术采用的主要技术措施有：a：改进发动机辅机的设计。如采用低噪声发动机和辅机等。b：利用吸声和声阻尼材料。如使用橡皮、塑料等非结构型雷达吸波装置。c：采用减振和隔声装置。采用双弹性支承基座、橡胶或软塑料垫及履带等可起减振作用；采用隔音罩、波声器、消音瓦等则可隔音。d：减小螺旋桨运动对介质的扰动噪声。飞行器可增加旋桨叶数并降低转速，舰艇可采用主动气幕等法降低噪声。e：是合理进行目标整体设计。主要指设计时应力求避免目标体及其腔室结构产生共振等现象。2、隐身技术存在的主要问题•近代几场局部战争表明了隐身技术并非完美无缺。隐身技术也存在一些尚未解决的问题。•2.1、隐身平台本身存在的主要问题•为了隐身，隐身平台需要在体积、重量、制造、维护等方面付出一定代价，雷达截面减缩量超过10dB时，这些代价会急剧升高，从而产生一些突出问题：为了在平台内部携带弹药，体积会增大；使用隐身材料增加了隐身平台的重量；前两代隐身飞机飞行速度低（0.8马赫），机动性和可靠性差，大过载转弯时会失速；隐身平台所用材料种类繁多，而且要求达到前所未有的工艺水平，增加了制造难度；使用雷达波吸收材料需要额外的保障、试验和评估程序，造成维护难，B-2轰炸机每飞行小时至少需要50小时维护；隐身平台成本高（B-2轰炸机的单价已超过5亿美元）；易受天气、空气湿度影响等。•2.2、隐身技术和武器系统的局限性a：现用或研制中的隐身飞机都以单站雷达为对抗目标。•现在的隐身飞机只能对抗单站雷达，很难在所有被照射的角度上都达到很小的雷达截面。F-117A正前方迎头正负30度之内雷达截面平均值为0.02平方米，但从前半球45度至侧向，其雷达截面会增加25-100倍，从上方侦察时，更容易被发现。b：难以在整个电磁及红外频谱都保持相同的低可观测性。•隐身武器目前只对厘米波雷达有效，某些米波防空雷达能引起飞机平尾或机翼边缘产生谐振，形成强列的回波。从超高频（UHF）起，波长越长，隐身效果越差。俄罗斯研究得出的结论是，飞行器在厘米波段下的雷达截面为0.2-0.5平方米，在分米波段时为0.3-0.7平方米，在米波段时为0.5-1.0平方米。c：隐身武器也“尺有所短”。•隐身飞机飞行速度慢，体积大，攻击高度低，防护性能差，一般预先确定飞行路线，这都给包括轻武器在内的各种火器提供了打击的良机。d：需要外部为其提供数据，有可能被截获。•隐身武器总是尽可能地不发射雷达信号，需要外部为其发送数据。这就为截获这些数据，发现隐身武器提供了可能。e：隐身飞机在投弹时打开弹舱，破坏了原有的隐身性能。•隐身飞机需要打开弹舱门投弹，其雷达截面突然增大，容易暴露自己。另外，隐身飞机为了投掷激光制导炸弹，需要使用激光指示目标，也可能暴露自己。3、隐身技术的发展趋势3.1、进一步扩展隐身频段•目前，隐身技术主要是针对厘米波雷达的，但对其它波段的雷达隐身性能并不好。•随着反隐身技术的发展，防空雷达的工作频段正向毫米波、亚毫米波、红外、激光和米波段扩展。因此，隐身频段也必须进行相应的扩展，才能够很好的兼顾全频段隐身效果。如不断开发新型的宽频带吸波涂料和结构材料、研制宽频带干扰机等。3.2、加强特征测量技术•为了有效地控制目标的信息特征，必须详尽地研究目标的信息特征，因此将进一步重视发展目标信息特征测量技术，提高测量精度。•所采取的重要措施是建立可供隐身目标在逼真作战环境中进行测试和作战试验的试验场。例如，目前美国至少有7家公司正在研制、生产雷达散射截面积（RCS）测量标准设备，并已建立了几个室内和室外雷达散射截面积测量标准设备。•今后的RCS测试场将以测量宽频带情况下的目标雷达散射截面积为重点，深入研究宽频带波形的目标响应。目标其他信息特征的测量技术和试验研究也将得到重视和发展。3.3、开发新型隐身材料•为适应信息化战场对隐身材料的更高要求，各国都在研制和开发新型隐身材料。•比较典型的有以下两种：•纳米隐身材料：它是指材料组分的特征尺寸在纳米级（1-100纳米）的材料。实验证明纳米材料具有极好的吸波特性。目前，美、法、德、日、俄等国家把纳米材料作为新一代隐身材料进行探索和研究。•智能型隐身材料：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的材料和结构，因而具有隐身功能。•3.4、探索新的隐身机理•现今各国军方除了对各种隐身技术进行更全面、更深入的研究外，还在寻求发展其他更多更新的技术途径和隐身机理，主要技术措施有：•等离子隐身技术：试验证明，用等离子气体层包围诸如飞机、舰船、卫星等的表面，当对方雷达波碰到这层特殊气体时，由于等离子体层对雷达波有特殊的吸收和折射特性，使反射回雷达接收机的能量很少。•应用仿生技术：通过研究发现，海鸥与燕八哥的体积相近，但海鸥的RCS却比燕八哥大200倍；蜜蜂的体积小于麻雀，但它的RCS反而比麻雀大16倍。为何会出现如此悬殊的结果，真正机理眼下还未研究清楚，但通过研究找出这种巨大差别的原因，或许可发现更有效地减小RCS的新方法。第二节、雷达隐身材料----吸波材料•1、吸波材料的发展•荷兰首先将吸波材料用于飞机隐身。•其后，德、美等国也将吸波材料用于飞机和舰艇。•60年代，美国将吸波材料用于Ｕ2高空侦察机。•70年代,美国又在Ｆ14、Ｆ16、Ｆ18战斗机上使用了吸波材料。•80年代初先后研制成ATF、B1、A10等型号的隐身飞机。•80年代中后期相继面世的美国隐形飞机无疑代表了吸波材料实际应用的巨大成就。其中，有代表意义的是Ｆ117、Ｂ2、Ｆ22、Ａ12等隐形飞机。Ｆ117隐身战斗机的成功，系统地运用了各种缩减雷达散射截面的措施，其RCS值为0.2ｍ2。Ｂ2隐形轰炸机的RCS值仅为0.01ｍ2。•前苏联也早在60年代就开始了飞机隐身技术的研究，80年代具有隐身性能的米格27，米格31，熊式Ｈ轰炸机等在80年代装备部队。•日本制备吸波材料的技术也十分先进，美国的Ｆ117Ａ机体上的特殊吸波涂料就是日本研制的，日本还研制了隐身直升机。在FSX的下一代支援隐身战斗机上将大量采用吸波材料。•英、法、德、意、荷也正在联合研制ACA隐身战斗机,这反映和标志着西欧在吸波材料的研制和应用方面紧跟世界先进水平。•中国随着“863”计划的实施,也开始大力发展吸波材料的研究。•例如,国防科技大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学、航空航天材料研究院等高校和科研单位目前正在进行吸波材料,尤其是结构型吸波材料的研究。•以航空材料研究所为代表,研究碳纤维或碳化硅纤维增强塑料作为飞行器结构件,兼具吸波特性。•西北工业大学凝固技术国家重点实验室已研制成功了一种主要由固溶Ｎ的SiC微晶组成的新型耐高温吸收剂。2、吸波材料的分类方法•吸波材料有许多分类方法，目前没有权威的定论，主要有以下三种。（1）按损耗机理的不同，可分为介电型吸波材料和磁性吸波材料。介电型吸波材料的主要特点是具有高的介电常数和介电损耗角，以介质的电子极化或界面衰减来吸收电磁波。磁性吸波材料损耗机理