隱形材料的發(fā)展及應(yīng)用

隱形材料在飛機(jī)上的應(yīng)用[摘要]隱身技術(shù)是軍事科學(xué)領(lǐng)域的最3大技術(shù)成就之一，隱身材料又是隱身技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)。本文介紹了在飛機(jī)和導(dǎo)彈隱身技術(shù)中應(yīng)用的三種隱身材料技術(shù)，最后對(duì)隱身技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了預(yù)測(cè)。[關(guān)鍵詞]飛機(jī)和導(dǎo)彈隱身技術(shù)隱身材料一、隱形技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用隱形技術(shù)是指降低飛機(jī)對(duì)雷達(dá)可見(jiàn)性的技術(shù)，所以隱形技術(shù)又叫“低可見(jiàn)技術(shù)”或“低可探技術(shù)”。雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)是依靠從接收到的各類電磁波中將一些不穩(wěn)定的回波過(guò)濾掉，從而分揀出目標(biāo)的回波特征。而隱形技術(shù)的作用是將雷達(dá)接收到的飛機(jī)回波強(qiáng)度降低到一定程度，使得雷達(dá)在正常距離上將目標(biāo)回波判斷為雜波而過(guò)濾掉，那樣就可以推遲雷達(dá)發(fā)現(xiàn)飛機(jī)的時(shí)間，也就達(dá)到了隱形的目的。人類歷史上最早應(yīng)用隱形技術(shù)的飛機(jī)是二戰(zhàn)中的德·哈維蘭的蚊式戰(zhàn)機(jī)，它采用的覆蓋張性復(fù)合材料的膠合木質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)于二戰(zhàn)中的雷達(dá)系統(tǒng)隱形是相當(dāng)成功的，但今天這些技術(shù)已不再適用。在20世紀(jì)50年代末，雷達(dá)吸收材料的使用使隱形技術(shù)有了新的發(fā)展，其代表就是美國(guó)的U-2偵察機(jī)。到了20世紀(jì)60年代，隨著隱形技術(shù)解析科學(xué)的發(fā)展，人們開(kāi)始將有效分析不同形狀和不同組件的整體隱形效果應(yīng)用于飛機(jī)，其中以美國(guó)洛克希德公司設(shè)計(jì)的SR-71黑鳥(niǎo)最為典型。而10年后，良好的數(shù)字設(shè)計(jì)程序的應(yīng)用可以使人們對(duì)飛機(jī)各部分的雷達(dá)反射效果進(jìn)行量化，進(jìn)而設(shè)計(jì)出具有平衡雷達(dá)散射截面的飛機(jī)，這一時(shí)期的代表便是大家所熟悉的洛克希德的F-117A隱形戰(zhàn)斗機(jī)和諾斯羅普公司的B-2A隱形轟炸機(jī)。在隨后25年的發(fā)展，隱形技術(shù)的分析和實(shí)驗(yàn)方法得到的不斷改進(jìn),人們開(kāi)始將抗雷達(dá)散射形狀與雷達(dá)波吸收材料結(jié)合起來(lái).在外形設(shè)計(jì)時(shí)通常使用超級(jí)計(jì)算機(jī)，以平衡3個(gè)重要方面的關(guān)系，即飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)雷達(dá)波前向散射、管腔射線追蹤以及散射回波與第一平面的互動(dòng)關(guān)系，進(jìn)而設(shè)計(jì)一個(gè)雷達(dá)散射最弱的機(jī)體，盡可能地減小雷達(dá)散射面積。同時(shí)雷達(dá)吸波材料技術(shù)不斷發(fā)展使涂覆型和結(jié)構(gòu)型吸波材料廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的隱形設(shè)計(jì)中，反紅外、電子等反隱形技術(shù)也逐步成熟，于是隱形技術(shù)的發(fā)展和其它高技術(shù)的完美結(jié)合促使了第四代戰(zhàn)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。反雷達(dá)隱形技術(shù)是目前各國(guó)研制的第五代戰(zhàn)機(jī)所面臨的第一個(gè)問(wèn)題，新一代戰(zhàn)機(jī)其隱形的關(guān)鍵技術(shù)之一便是如何減小戰(zhàn)機(jī)的雷達(dá)反射面積RCS。雷達(dá)反射面積RCS指一個(gè)與目標(biāo)產(chǎn)生同等回波的金屬圓球的等效截面積，飛機(jī)的幾何截面積、材質(zhì)和形狀對(duì)雷達(dá)的反射率和反射的方向性都對(duì)雷達(dá)截面積有較大影響。目前除了在總體設(shè)計(jì)上減少雷達(dá)等目標(biāo)的電磁信號(hào)特征、紅外輻射特征和幾何形狀信號(hào)特征外，主要選擇隱身材料來(lái)實(shí)現(xiàn)隱身。二、減少飛機(jī)和導(dǎo)彈的強(qiáng)散射部件飛機(jī)和導(dǎo)彈系統(tǒng)中的雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)、進(jìn)氣道、尾噴管、座艙、機(jī)翼和導(dǎo)航等系統(tǒng)以及各種傳感器等都是強(qiáng)散射源，主要是雷達(dá)截面(RCS)散射和輻射。目前強(qiáng)散射源部件(主要RCS)的控制技術(shù)有：降低武器系統(tǒng)進(jìn)氣道的RCS主要采用S型或埋入技術(shù)相結(jié)合的新型結(jié)構(gòu)吸波材料技術(shù)或在發(fā)動(dòng)機(jī)前安裝擋板控制進(jìn)氣道散射；空射巡航導(dǎo)彈采用背負(fù)式進(jìn)氣道；尾噴管主要采用材料或改變外形設(shè)計(jì)減少散射；飛機(jī)座艙或光學(xué)傳感器窗口采用透明電膜如銦錫氧化物膜或用金屬蒸鍍膜材料減少散射；對(duì)機(jī)翼和導(dǎo)彈彈翼用涂層或阻抗加載、匹配的結(jié)構(gòu)吸波材料以降低RCS面積。三、雷達(dá)吸波材料雷達(dá)吸波材料是減少雷達(dá)RCS的隱身技術(shù)關(guān)鍵。吸波材料主要有涂覆型和結(jié)構(gòu)型吸波材料。涂覆型吸波材料美國(guó)已研制成功一系列鐵氧吸波材料用以制作飛機(jī)、導(dǎo)彈表面的涂料，如鋰—鎘氧體、鋰—鋅氧體、鎳—鎘氧體和陶瓷鐵氧體等；后又研制出一種非鐵氧體為基底的涂料，可以使飛機(jī)的雷達(dá)散射波衰減80%，而重量只有鐵氧體材料的1/10；還研制出一種“鐵球”涂料，它因包含有大量極微小的鐵球而得此名，其功能是將雷達(dá)波能量分散到整個(gè)飛機(jī)外表面，在飛機(jī)蒙皮上產(chǎn)生弱電流，它可使雷達(dá)波能量分散，使雷達(dá)接收機(jī)收不到這種能量，這種鐵球吸波涂料已在多種飛機(jī)上使用(如SR-71、A-12等)；90年代又研制出一種“超黑粉”涂料，可以將該涂料電鍍?cè)陲w機(jī)金屬表面，它吸收雷達(dá)波能量非常強(qiáng)，可以吸收99%的雷達(dá)波；此外還研制出一種等離子體涂料如釙—20、鋦—242、鍶—90、釙—210等放射性同位素涂料，利用飛行過(guò)程中放射出的射線使空氣電離而形成包圍整個(gè)飛機(jī)的等離子體層，它不僅可以吸收無(wú)線電波，還可以吸收紅外輻射，而且具有吸收頻帶寬、吸收率高、使用時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)性吸波材料主要有雷達(dá)波層板型、吸波夾層結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料型。吸波層板結(jié)構(gòu)主要利用新型熱塑性和固性樹(shù)脂及一些陶瓷基材料的介電性能和玻璃纖維、芳綸纖維等具有較高的電磁透射率的材料制作成吸波層板結(jié)構(gòu)，在工藝上用熱塑性樹(shù)脂紡成單絲或復(fù)絲，然后與碳纖維、陶瓷纖維編織成各種織物，與同類樹(shù)脂制成復(fù)合材料而構(gòu)成透波吸波性能好的高強(qiáng)度和高韌性的輕質(zhì)復(fù)合材料，主要用在飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼和導(dǎo)彈殼體上，F(xiàn)-35飛機(jī)的結(jié)構(gòu)可能有50%的結(jié)構(gòu)采用這種吸波材料。吸波夾層結(jié)構(gòu)，在夾層結(jié)構(gòu)的夾芯層采用透波和吸波性能好的蜂窩波紋、角錐或其它類型芯材，在夾芯壁上和夾芯中填充各種吸波介質(zhì)，反射背襯用碳纖維復(fù)合材料。例如美國(guó)已成功研制出由七層吸波材料構(gòu)成的蜂窩結(jié)構(gòu)，這種材料可用于飛機(jī)蒙皮、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道和排氣管襯里，還在研制一種瓷磁性?shī)A芯材料，其吸收電磁波能力可達(dá)99.2%；高溫隱身復(fù)合材料主要用氧化鋁、硼酸鋁、碳化硅和氮化硅纖維制造高溫隱身復(fù)合材料，目前發(fā)展最快的是碳化硅纖維、陶瓷纖維復(fù)合材料。在應(yīng)用上美國(guó)A-12飛機(jī)機(jī)身采用塑料蜂窩材料；B-2轟炸機(jī)機(jī)架和外殼采用鈦和碳素/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，它是一種蜂窩結(jié)構(gòu)；“先進(jìn)技術(shù)轟炸機(jī)”（ATB)蒙皮采用碳、玻璃纖維和石墨纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料；無(wú)人機(jī)隱身大部分采用凱夫拉纖維蜂窩夾層作為隱身材料。四、紅外隱身材料主要用隔熱吸熱涂料、低發(fā)射率薄膜和紅外迷彩涂料和降溫涂料實(shí)現(xiàn)隱身，目前有兩種途徑，一是研制多層復(fù)合材料，如將隱身材料與雷達(dá)吸波材料襯底結(jié)合或者將金屬超細(xì)粉末與金屬薄膜多層結(jié)構(gòu)混合，可以制成兼顧紅外、雷達(dá)的吸波材料；二是新型功能材料，利用有機(jī)聚合物研制具有吸波性的電致變色材料。美國(guó)空軍在F-117、F-22戰(zhàn)斗機(jī)上涂覆的隱身材料不僅可以在寬帶范圍內(nèi)吸收雷達(dá)波，而且可以使飛機(jī)表面的紅外輻射下降60～70%。美國(guó)研制的放射性等離子體和半導(dǎo)體涂料，不僅可以對(duì)雷達(dá)波的吸收頻帶寬、反射衰減高，而且可以吸收紅外和聲波信號(hào)。美國(guó)還在研制納米薄膜隱身材料，納米薄膜可在很寬頻譜范圍內(nèi)對(duì)光和電磁波的輻射具有非常好的吸收性能，例如用氮化硅、碳化硅、氧化鋁和氧化鋅納米薄膜，可對(duì)紅外光、雷達(dá)波具有寬頻譜的吸收能力，目前已經(jīng)運(yùn)用于飛機(jī)、航天器、衛(wèi)星和導(dǎo)彈等武器裝備的隱身。五、等離子體隱身材料等離子體隱身技術(shù)的開(kāi)發(fā)是新型隱身兵器的一個(gè)典型例子。1999年5月，俄羅斯科學(xué)家稱，一種等離子體發(fā)生器已經(jīng)安裝在一架“米格”噴氣戰(zhàn)斗機(jī)上。這表明等離于體隱身技術(shù)正向著實(shí)用化方向發(fā)展。由于在理論上具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，軍事強(qiáng)國(guó)對(duì)等離子體隱身技術(shù)都極為關(guān)注。但是也由于存在著一系列的技術(shù)難題，等離子隱形技術(shù)距實(shí)際應(yīng)用尚有較大的距離。等離子體隱身技術(shù)的原理是利用電磁波與等離子體互相作用的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中等離子體頻率起著重要的作用。等離子體頻率指等離子體電子的集體振蕩頻率，頻率的大小代表等離子體對(duì)電中性破壞反應(yīng)的快慢，它是等離子體的重要特征。若等離子體頻率大于入射電磁波頻率，則電磁波不會(huì)進(jìn)入等離子體。此時(shí)，等離子體反射電磁波，外來(lái)電磁波僅進(jìn)入均勻等離子體約2mm，其能量的86％就被反射掉了。但是當(dāng)?shù)入x子體頻率小于入射電磁波頻率時(shí)，電磁波不會(huì)被等離于體截止，能夠進(jìn)入等離子體并在其中傳播，在傳播過(guò)程中．部分能量傳給等離子體中的帶電粒子，被帶電粒子吸收，而自身能量逐漸衰減。等離子體之內(nèi)電子密度越大，振蕩頻率越高，和離子、中性粒子碰撞的頻率就高，對(duì)雷達(dá)波的吸收就越大。同時(shí)雷達(dá)波在等離子體中傳播時(shí)．由于在等離子體中有大量的中性分子或原子，所以還存在著介電損耗。等離子體介質(zhì)在雷達(dá)波交變電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在極化過(guò)程中，電荷來(lái)回反復(fù)越過(guò)勢(shì)壘，消耗電場(chǎng)的能量，表現(xiàn)為電導(dǎo)損耗，松弛極化損耗，和諧振損耗等。另外，由等離子體發(fā)生器噴射到飛機(jī)外圍空間的等離子體是非均衡等離子體，處于非熱動(dòng)力平衡狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間離子間的碰撞才達(dá)到趨向密度均勻和溫度均勻的熱力學(xué)平衡狀態(tài)。等離子體隱身具有如下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：(1)吸波頻帶寬、吸收率高、隱身效果好．使用簡(jiǎn)便、使用時(shí)間長(zhǎng)、價(jià)格極其便宜；(2)由于等離子體是宏觀呈電中性的優(yōu)良導(dǎo)體，極易用電磁的辦法加以控制．只要控制得當(dāng)．還可以擾亂敵方雷達(dá)波的編碼，使敵方雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)出錯(cuò)誤的飛行器位置和速度數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)隱身(3）無(wú)需改變飛機(jī)等裝備氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)，由于沒(méi)有吸波材料和涂層，維護(hù)費(fèi)用大大降低，(4)俄羅斯的實(shí)驗(yàn)證明，利用等離子體隱身技術(shù)不但不會(huì)影響飛行器的飛行性能．還可以減少30％以上的飛行阻力。六、總結(jié)目前美國(guó)已在B-2轟炸機(jī)、F–117A、F-22、F/A-18E、F-35、各種直升機(jī)以及“聯(lián)合防區(qū)外發(fā)射空地巡航導(dǎo)彈”(JASSM)、AGM-137巡航導(dǎo)彈、AGM-129、“聯(lián)合防區(qū)外發(fā)射武器”JSOW(AGM-154)導(dǎo)彈等均采用了隱身技術(shù)。由于探測(cè)系統(tǒng)在2010年前后高度發(fā)達(dá)，屆時(shí)沒(méi)有隱身能力的飛機(jī)和導(dǎo)彈將失去作戰(zhàn)能力。預(yù)計(jì)到2020年前后，納米隱身材料、智能隱身材料將廣泛應(yīng)用于各種飛機(jī)和導(dǎo)彈上。而且智能隱身武器將能夠?qū)崿F(xiàn)自檢測(cè)、自監(jiān)控、自修復(fù)、自校正、自適應(yīng)，使飛機(jī)和導(dǎo)彈系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化隱身。參考文獻(xiàn)[1]夏新仁，馮金平。導(dǎo)彈隱身技術(shù)的現(xiàn)在與將來(lái)。電子對(duì)抗，2007年第4期[2]艾寶英。淺談隱身涂料技術(shù)應(yīng)用特性與研究發(fā)展方向。中國(guó)涂料,2007年第7期[3]丁青石，楊德宏，朱?？?。國(guó)外隱身導(dǎo)彈的發(fā)展及現(xiàn)狀。飛航導(dǎo)彈,2007年第7期[4]魏岳江。未來(lái)反隱身技術(shù)發(fā)展展望。外軍信息戰(zhàn)，2007年第3期[5]梁曉庚，賈曉洪。飛機(jī)隱身技術(shù)與未來(lái)空空導(dǎo)彈的發(fā)展。戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈控制技術(shù)，2007年第1期[6]等離子體物理學(xué)科與發(fā)展戰(zhàn)略研究組、聚變與低溫等離子體——面向21世紀(jì)的挑戰(zhàn)和對(duì)策［Ｍ］．北京