隐形材料的发展及应用.doc

隐形材料在飞机上的应用 摘要 隐身技术是军事科学领域的最3大技术成就之一，隐身材料又是隐身技术的基础和先导。本文介绍了在飞机和导弹隐身技术中应用的三种隐身材料技术，最后对隐身技术的发展进行了预测。 关键词 飞机和导弹隐身技术隐身材料一、隐形技术的发展应用隐形技术是指降低飞机对雷达可见性的技术，所以隐形技术又叫“低可见技术”或“低可探技术”。雷达发现目标是依靠从接收到的各类电磁波中将一些不稳定的回波过滤掉，从而分拣出目标的回波特征。而隐形技术的作用是将雷达接收到的飞机回波强度降低到一定程度，使得雷达在正常距离上将目标回波判断为杂波而过滤掉，那样就可以推迟雷达发现飞机的时间，也就达到了隐形的目的。人类历史上最早应用隐形技术的飞机是二战中的德·哈维兰的蚊式战机，它采用的覆盖张性复合材料的胶合木质结构对于二战中的雷达系统隐形是相当成功的，但今天这些技术已不再适用。在20世纪50年代末，雷达吸收材料的使用使隐形技术有了新的发展， 其代表就是美国的 U - 2侦察机。到了20世纪60年代，随着隐形技术解析科学的发展，人们开始将有效分析不同形状和不同组件的整体隐形效果应用于飞机，其中以美国洛克希德公司设计的SR - 71黑鸟最为典型。而10年后，良好的数字设计程序的应用可以使人们对飞机各部分的雷达反射效果进行量化，进而设计出具有平衡雷达散射截面的飞机，这一时期的代表便是大家所熟悉的洛克希德的F -117A 隐形战斗机和诺斯罗普公司的 B- 2A 隐形轰炸机。在随后25年的发展，隐形技术的分析和实验方法得到的不断改进,人们开始将抗雷达散射形状与雷达波吸收材料结合起来.在外形设计时通常使用超级计算机，以平衡3个重要方面的关系，即飞机设计时雷达波前向散射、管腔射线追踪以及散射回波与第一平面的互动关系，进而设计一个雷达散射最弱的机体，尽可能地减小雷达散射面积。同时雷达吸波材料技术不断发展使涂覆型和结构型吸波材料广泛应用于飞机的隐形设计中，反红外、电子等反隐形技术也逐步成熟，于是隐形技术的发展和其它高技术的完美结合促使了第四代战机应运而生。反雷达隐形技术是目前各国研制的第五代战机所面临的第一个问题，新一代战机其隐形的关键技术之一便是如何减小战机的雷达反射面积RCS。雷达反射面积RCS指一个与目标产生同等回波的金属圆球的等效截面积，飞机的几何截面积、材质和形状对雷达的反射率 和反射的方向性都对雷达截面积有较大影响。目前除了在总体设计上减少雷达等目标的电磁 信号特征、红外辐射特征和几何形状信号特征外，主要选择隐身材料来实现隐身。 二、减少飞机和导弹的强散射部件飞机和导弹系统中的雷达、通信、电子战、进气道、尾喷管、座舱、机翼和导航等系统以及各种传感器等都是强散射源，主要是雷达截面(RCS)散射和辐 射。目前强散射源部件(主要RCS)的控制技术有：降低武器系统进气道的RCS 主要采用 S 型或埋入技术相结合的新型结构吸波材料技术或在发动机前安装挡板控制进气道散射；空射巡航导弹采用背负式进气道；尾喷管主要采用材料或改变外形设计减少散射；飞机座舱或光学传感器窗口采用透明电膜如铟锡氧化物膜或 用金属蒸镀膜材料减少散射；对机翼和导弹弹翼用涂层或阻抗加载、匹配的结构吸波材料以降低 R CS 面积。三、雷达吸波材料 雷达吸波材料是减少雷达RCS的隐身技术关键。吸波材料主要有涂覆型和结构型吸波材料。涂覆型吸波材料美国已研制成功一系列铁氧吸波材料用以制作飞机、导弹表面的涂料， 如锂镉氧体、锂锌氧体、镍镉氧体和陶瓷铁氧体等；后又研制出一种非铁氧体为基底 的涂料，可以使飞机的雷达散射波衰减80% ，而重量只有铁氧体材料的1/10；还研制出一种“铁球”涂料，它因包含有大量极微小的铁球而得此名，其功能是将雷达波能量分散到整个飞机外表面，在飞机蒙皮上产生弱电流，它可使雷达波能量分散，使雷达接收机收不到这种能量，这种铁球吸波涂料已在多种飞机上使用(如SR - 71、A - 12 等) ；90 年代又研制出一种“超黑粉”涂料，可以将该涂料电镀在飞机金属表面，它吸收雷达波能量非常强，可以吸收99%的雷达波；此外还研制出一种等离子体涂料如钋 20、锔242、锶90、钋210等放射性同位素涂料，利用飞行过程中放射出的射线使空气电离而形成包围整个飞机的等离子体层，它不仅可以吸收无线电波，还可以吸收红外辐射，而且具有吸收频带宽、吸收率高、使用时间长等特点。结构性吸波材料主要有雷达波层板型、吸波夹层结构和复合材料型。吸波层板结构主要利用新型热塑性和固性树脂及一些陶瓷基材料的介电性能和玻璃纤维、芳纶纤维等具有较高的电磁透射率的材料制作成吸波层板结构，在工艺上用热塑性树脂纺成单丝或复丝，然后与碳纤维、陶瓷纤维编织成各种织物，与同类树脂制成复合材料而构成透波吸波性能好的高强度和高韧性的轻质复合材料，主要用在飞机机身、机翼和导弹壳体上，F - 35 飞机的结构可能有 50% 的结构采用这种吸波材料。吸波夹层结构，在夹层结构的夹芯层采用透波和吸波性能好的蜂窝波纹、角锥或其它类型芯材，在夹芯壁上和夹芯中填充各种吸波介质，反射背衬用碳纤维复合材料。例如美国已成功研制出由七层吸波材料构成的蜂窝结构，这种材料可用于飞机蒙皮、发动机进气道和排气管衬里，还在研制一种瓷磁性夹芯材料，其吸收电磁波能力可达 99. 2% ；高温隐身复合材料主要用氧化铝、 硼酸铝、碳化硅和氮化硅纤维制造高温隐身复合材料，目前发展最快的是碳化硅纤维、陶瓷纤维复合材料。在应用上美国 A-12飞机机身采用塑料蜂窝材料；B-2轰炸机机架和外壳采用钛和碳素/环氧树脂复合材料，它是一种蜂窝结构；“先进技术轰炸机” （A T B)蒙皮采用碳 、玻璃纤维和石墨纤维增强的复合材料；无人机隐身大部分采用凯夫拉纤维蜂窝夹层作为隐身材料。四、红外隐身材料 主要用隔热吸热涂料、低发射率薄膜和红外迷彩涂料和降温涂料实现隐身，目前有两种途径，一是研制多层复合材料，如将隐身材料与雷达吸波材料衬底结合或者将金属超细粉末与金属薄膜多层结构混合，可以制成兼顾红外、雷达的吸波材料；二是新型功能材料，利用有机聚合物研制具有吸波性的电致变色材料。美国空军在F-117、F-22战斗机上涂覆的隐身材料不仅可以在宽带范围内吸 收雷达波，而且可以使飞机表面的红外辐射下降6070%。美国研制的放射性等离子体和半导体涂料，不仅可以对雷达波的吸收频带宽、反射衰减高，而且可以吸收红外和声波信号。美国还在研制纳米薄膜隐身材料，纳米薄膜可在很宽频谱范 围内对光和电磁波的辐射具有非常好的吸收性能，例如用氮化硅、碳化硅、氧化铝和氧化锌纳米薄膜，可对红外光、雷达波具有宽频谱的吸收能力，目前已经运用于飞机、航天器、卫星和导弹等武器装备的隐身。五、等离子体隐身材料等离子体隐身技术的开发是新型隐身兵器的一个典型例子。1999年5月，俄罗斯科学家称，一种等离子体发生器已经安装在一架“米格”喷气战斗机上。这表明等离于体隐身技术正向着实用化方向发展。由于在理论上具有一系列的优点，军事强国对等离子体隐身技术都极为关注。但是也由于存在着一系列的技术难题，等离子隐形技术距实际应用尚有较大的距离。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。等离子体之内电子密度越大，振荡频率越高，和离子、中性粒子碰撞的频率就高，对雷达波的吸收就越大。同时雷达波在等离子体中传播时由于在等离子体中有大量的中性分子或原子，所以还存在着介电损耗。等离子体介质在雷达波交变电场的作用下产生极化现象，在极化过程中，电荷来回反复越过势垒，消耗电场的能量，表现为电导损耗，松弛极化损耗 ，和谐振损耗等。另外，由等离子体发生器喷射到飞机外围空间的等离子体是非均衡等离子体，处于非热动力平衡状态，经过一定时间离子间的碰撞才达到趋向密度均匀和温度均匀的热力学平衡状态。等离子体隐身具有如下独特的优点：(1)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； (2)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 (3）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， (4)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。六、总结目前美国已在 B- 2 轰 炸机、F 117A、F- 22、F/A - 18E、F- 35、 各种直升机以及“联合防区外发射空地巡航导弹”(JASSM )、AGM - 137 巡航导 弹、AGM - 129、“联合防区外发射武器” JSOW(AGM - 154)导弹等均采用了隐身技术。由于探测系统在2010年前后高度发达，届时没有隐身能力的飞机和导弹将失去作战能力。 预计到 2020 年前后，纳米隐身材料、智能隐身材料将广泛应用于各种飞机和导弹上。而且智能隐身武器将能够实现自检测、自监控、自修复、自校正、自适应，使飞机和导弹系统真正实现自动化、智能化隐身。参考文献 1 夏新仁，冯金平。导弹隐身技术的现在与将来。电子对抗，2007年第4期 2 艾宝英。浅谈隐身涂料技术应用特性与研究发展方向。中国涂料,2007年第7期 3 丁青石，杨德宏，朱保魁。国外隐身导弹的发展及现状。飞航导弹,2007年第7期 4 魏 岳江。未来反隐身技术发展展望。外军信息战，2007年第3期 5 梁晓庚，贾晓洪。飞机隐身技术与未来空空导弹的发展。战术导弹控制技术，2007年第1期6等离子体物理学科与发展战略研究组、 聚变与低温等离子 体面向21世纪的挑战和对策北京科学出版社，20047杰伊·米勒. 猛禽 F-22新一代主力战机 M.北京:科学普及出版社, 2009.8 薛晓春,王雪华.隐身与反隐身技术的发展研究J.现代防御技术, 2004 32(2):60-65.9 李锦军,汤永涛.复杂电磁环境下隐形技术的发展趋势J.舰船电子工程, 2008(7):188-191.10 邓宝余.飞机与导弹的隐形技术J.科技信息, 2008(3):66-69目前在研制或已经研制过的隐形战机图集