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飞机隐身技术研究
飞机隐身技术研究
摘要
本文讨论了现代隐身飞机所利用的几种常用的种隐身技术,重点介绍了雷达隐身技术、红外隐身技术、视频隐身技术,简要说明它们的隐身原理和隐身技术。
并且介绍了新型的隐身材料和新型飞机隐身技术的发展，最后论述了国外飞机隐身技术的最新进展和发展趋势。
关键词：
隐身飞机、雷达隐身技术、红外隐身技术、视频隐身技术
Abstract
Thisarticlediscussestheuseofmodernstealthaircraftseveralcommontypesofstealthtechnology，radarstealthtechnology,infraredstealthtechnology,videostealthtechnology,abriefdescriptionoftheprinciplesoftheirstealthandstealthtechnology.Anddescribesthedevelopmentofnewmaterialsandnewstealthaircraftstealthtechnology,andfinallydiscussthelatestdevelopmentsandtrendsofforeignaircraftstealthtechnology.
Keywords：
Stealthaircraft,stealthtechnology,infraredstealthtechnology,stealthtechnologyvideo
引言
所谓隐身飞机（stealthaircraft），就是利用各种技术减弱雷达反射波、红外辐射等特征信息，使敌方探测系统不易发现的飞机。
目前，飞机隐身的方法主要有以下三个方面：
一是减小飞机的雷达反射面，从技术角度讲，其主要措施有设计合理的飞机外型、使用吸波材料、主动对消、被动对消等；二是降低红外辐射，主要是对飞机上容易产生红外辐射的部位采取隔热、降温等措施；三是运用隐蔽色降低肉眼可视度。
1.隐身飞机的出现
国外隐身技术的研究始于第二次世界大战期间，起源于德国，发展于美国，并扩展到英国、法国、俄罗斯及日本等发达国家。
迄今为止，美国已研制出多种隐身飞机，其中F-117A隐身战斗机、B-2A隐身轰炸机和F-22先进战术隐身战斗机是隐身飞机家族中的杰出代表，它们均采用了不尽相同的隐身技术，代表了飞机隐身技术的不同发展阶段。
目前美国的隐身飞机技术处于国际领先地位，俄、德、法、英、瑞典、加拿大和日本等国家对隐身飞机的研究也在迅速发展中。
现役隐身飞机中，只有F-117A和B-2A经过战争的检验，它们被证明是技术性能卓越、作战功能强大、具有超级突防能力的作战飞机。
2.飞机隐身技术及原理
2.1雷达隐身技术
2.1.1雷达隐身技术原理
雷达隐身技术是以电磁波散射理论为基础,为了不被雷达发现,最有效的办法是减少飞行器的雷达截面积RCS。
即采取各种措施使目标在雷达探测波束照射范围内具有极小的雷达截面积,大幅度减少可被敌方雷达接收机截获的电磁波能量,使雷达对目标的探测距离缩短,从而达到隐身的目的。
雷达的最大探测距离与RCS的关系可用下式表示:
（2.1）
式中Pt为雷达发射功率；Pr为雷达接收功率；Gt为雷达天线增益；λ为雷达工作波长；σ为目标雷达散射截面积。
假设某雷达在σ=1000时，Rmax=100，则可以进一步得到RCS减缩与雷达作用距离下降的对比情况（见表2.1）：
表2.1：
RCS缩减与雷达作用距离下降比较
σ
1000
500
100
50
10
5
1
0.5
0.1
Rmax（%）
100
84.1
56.2
47.3
31.6
26.6
17.8
15
10
表2.2：
几种典型飞机的RCS
机种
B-52
“海盗旗”
FB-111
F-4
米格-21
苏-27
“阵风”
DB-1B
B-2A
F-22
F-117A
RCS（m2）
100
15
7
6
4
3
2
0.75
0.1
0.05
0.025
2.1.2雷达外形隐身技术
气动力允许的条件下，改变飞行器外形，使其在特定的照射角度范围内显著降低特定照射角度范围内的RCS的技术成为外形隐身技术。
理想平板的最大RCS为:
（2.2）
其中:
A=lw；
一波长；l一平板的长度；w一平板的宽度；
如考虑雷达的波束函数和雷达探测目标的方位角，雷达对应在平板上的RCS为：
（2.3）
-理想平板的最大RCS；
一波长；
一偏离平板垂线的夹角。
把（2.2）带（2.3）入化简得:
（2.4）
在偏离垂线的角度上观测平板时，它的最大RCS为:
（2.5）
从（2.5）式可见，偏离平板垂线的夹角职越大，主平板的
越小。
这也是外形设计隐身的依据。
其采用的方法通常如下：
1飞机的机翼、机尾和机身之间的结合都是能产生角反射器效应的部位，可采取翼身融合体结构，V型尾翼或倾斜式双立尾结构等方法。
2变后向散射为非后向散射，采用后掠翼和三角翼结构对付正前方入射光。
3用边缘衍射代替镜面反射，尽量使机上造成镜面反射的部分平滑，使之形成边缘衍射而无强反射。
4用平板外型代替曲面外形，减少散射源数量。
可将飞机的机身、短舱等处向扁平方向压缩或做成近似三角形机身。
如图2.1，用倾斜的平板组成的多面体机身代替常规的二次曲面机身，可将入射到机身的雷达波的大部分能量偏转到在一定的角度范围内，雷达接收不到的方向上，雷达接收到的只是很弱的回波e，因此可显著降低机身的RCS。
图2.1
2.1.3雷达材料隐身技术
主要是指采用能够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,从而减少目标雷达截面积,达到相对雷达隐身的目的。
雷达隐身材料主要分为雷达吸波材料和雷达透波材料。
雷达吸波材料,又名微波吸波材料,其基本原理是通过某种物理作用机制将雷达波能量转化为其它形式运动的能量,并通过该运动的耗散作用而转化为热能,使目标雷达截面积减少。
雷达透波材料是对电磁波不发生作用而对其保持透明状态的非金属类型复合材料。
2.2红外隐身技术
红外隐身技术是降低或改变目标的红外辐射特征,以降低被红外探测器探测概率的技术。
通过改进结构设计和应用红外物理学领域研究成果来衰减、吸收目标的热辐射能量,使红外探测设备难以探测到目标。
2.2.1红外隐身原理
从红外物理学可知，物体红外辐射能量由斯蒂芬一玻尔兹曼定律决定：
（2.6）
式中，
为物体的辐射发射量，
为玻尔兹曼常数，
为物体的比辐射率，
为物体的绝对温度。
可见物体辐射红外能量不仅取决于物体的温度，还取决于物体的比辐射率。
温度相同的物体，由于比辐射率的不同，在红外探测器上显示出不同的红外图像。
另一方面，为降低目标表面的温度，热红外伪装涂料在可见光和近红外还具有较低的太阳能吸收率和一定的隔热能力，以使目标表面的温度尽可能接近背景的温度，从而降低目标和背景的辐射对比度，减小目标的被探测概率。
红外探测系统能探测目标的最大距离
为：
（2.7）
式中：
—目标的辐射强度；
—大气透过率；
—光学系统的数值孔径；
—探测器的探测率；
—瞬时视场；
—系统带宽；
—信号电平；
—噪声电平。
在（2.7）式中，第一项反映了目标的红外辐射特性和大气传输特性，第二项反映了红外探测系统中光学系统的特性，第三项反映了红外探测系统中探测器的特性，第四项反映了红外探测系统中系统特性和信号处理特性。
红外隐身的目的主要是减少公式中第一项的各项取值，即目标的红外隐身应包括二方面内容，一是改变目标的红外辐射特性，即改变目标表面各处的辐射率分布；二是降低目标的红外辐射强度，即通常所说的热抑制技术；三是调节红外辐射的传播途径（这包括光谱转换技术）。
2.2.1红外隐身技术途径
采用散热量小的发动机,隐身飞机大多采用涡轮风扇发动机,它是在普通涡轮喷气发动机的基础上加装由涡轮带动的风扇和一个外涵道。
与涡轮喷气发动机相比,涡轮风扇发动机具有高速飞行时推力大、不加力时排气速度低、推进效率高、噪声小等优点,从而使飞机隐身性能得以改善。
F-117、B-2、F-22等隐身战机都选用涡轮风扇发动机作为动力装置。
采用隔热材料对发动机进行隔热,用金属石棉夹层材料制成的发动机舱的衬里,以对发动机进行隔热,防止发动机热量传给机身使飞机红外特征增加。
改进发动机喷管设计,目前一些武装直升机在排气管上加装隔热罩,从而有效降低了红外辐射特征,如RAH-66“科曼奇”武装侦察直升机。
在飞行器表面涂敷红外涂料。
采用闭合回路冷却系统等,目前大多数飞机都简单地把座舱和电子设备聚集的热散发出去,但是隐身飞机则采用闭合回路冷却系统,它能把载荷设备（如座舱和机载电子设备等）产生的热传给燃油,以减少目标的热辐射,这是SR-71“黑鸟”飞机最早采用的一种开拓性技术。
2.3视频（可见光）隐身技术
视频隐身又称可见光隐身，就是降低军事装备本身的目标特征，使敌方的可见光相机、电视摄像机等光学探测、跟踪、瞄准系统不易发现目标的可见光信号。
采用可见光隐身技术的目的，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，以降低可见光探测系统发现目标的概率。
目前的可见光隐身技术有：
1特殊照明系统。
这是一种主动伪装手段，沿着机翼前缘和发动机整流罩边缘安装一些将光束密封起来的灯，通过控制灯光强度，使飞机与天空背景浑然一体，以对抗可见光探测设备。
2适宜颜色。
在正常光照条件下，飞机同天空背景亮度的差别与飞机的飞行高度密切相关。
飞行高度越高，亮度差别越大。
对于不同飞行高度的飞机涂以不同颜色，可实现飞机的视频隐身。
3奇异蒙皮。
美空军正在试验一种亮度和颜色可调的蒙皮，其变化由装在飞机各个侧面的可见光传感器控制。
这种蒙皮是用能吸收雷达波的电磁传导性聚苯胺基复合材料制造的，在不充电时，它是透光的，可同时改变亮度和颜色。
使用这种蒙皮的飞机，在飞行中从上往下看它，其上部颜色与它下面地表的主体颜色相近；从下往上看它，其底部颜色与天空背景一致；蒙皮充电时，能散射雷达波，使跟踪雷达的探测距离缩短一半。
美国空军正在试验的另一种蒙皮称为“闪烁蒙皮”，它利用一种特殊涂料，可使飞机反射的可见光和自身辐射的红外光产生闪烁，以此干扰来袭导弹的可见光。
4电致变色薄膜。
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。
5.烟幕遮蔽。
2.4激光隐身技术
激光隐身从原理上与雷达隐身有许多相似之处，它们都以降低反辐射面为目的，激光隐身就是要降低目标的激光反射截面，与此有关的是降低目标反射系数，及减小相对于激光束横截面区的有效目标区。
目前的方法有：
消除可产生角反射效应的外形组合飞机的机翼机尾和机身之间的组合都是能产生角反射器效应的部位,可采用翼身融合体结构;型尾翼和倾斜式双立尾结构的方法美国的F-117改进型战斗机就具有机翼机身均匀过渡的结构,具有宽的加厚的中段和相对短的外翼,没有垂直尾翼,有效地增强了隐身能力。
变后向散射为非后向散射采用倾斜式双立尾对付侧向入射光;采用后掠角和三角翼结构对
付正前方入射光,这样就减小了前方和侧向的激光反射截面
用边缘衍射代替镜面反射尽量使机上可造成镜面反射的部分平滑,使之形成边缘衍射而无
强反射,减弱回波信号。
用平板外形代替曲边外形激光散射截面的大小与目标的几何面积直接有关对两个投影面积相同的物体,平板的散射截面积比球体小四个数量级因此可将飞机的机身短舱等处向扁平方向压缩,搞成近似三角形机身。
缩小飞机尺寸，减少散射源数量等。
2.5声波隐身技术
声波隐身技术，也称为听觉隐身技术。
隐身武器应具有低声特征信号的隐身特点，以用来对抗性能和种类日趋完善的防御探测系统。
飞行器作为主要武器系统之一，它的噪声主要由螺旋桨／旋翼的旋转和涡流噪声，发动机进气、排气、燃烧的噪声，机体空气动力尾流噪声以及涡流噪声等声源组成。
针对噪声源，可应用以下降低噪声的措施：
1.减震结构：
通过采用具有减震作用的蜂窝夹层结构或镶入减震材料，降低噪声源引起的噪声。
2.整流结构：
设计由许多流线型叶片构成的隔栅，纠正气流的不均匀流动，降低高频谐振。
3.吸声结构：
以吸声材料制成的密集角锥，可以有效地吸收产生的噪声。
降低噪声的措施有时与降低RCS的措施及抑制红外辐射措施是结合的。
3.正在探索的新型隐身材料与技术
3.1新的隐身材料
1宽频带吸波剂
目前使用的隐身吸波材料中的磁性吸收剂,存在吸收频带窄、密度大、不
易维护的缺点。
各军事强国竞相开发新的吸波剂:
如美国开发的一种电磁波吸收剂,在受到雷达波照射时,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,它可使雷达波衰减80%,但密度只是铁氧体材料的10%。
2高分子隐身材料
如光功能高分子材料能对光进行透射、吸收、转换,一部分材料在光的
作用下可以变色,在飞机等兵器和平台的红外隐身和可见光隐身领域将大显身手。
3纳米隐身材料
当材料的尺寸达到纳米级时,会呈现小尺寸效应、量子效应、隧道效应、表面和界面效应,从而呈现出奇特的电、磁、光、热等特性,使一些纳米材料具有极好、极宽的吸波特性。
如美国研制出的“超黑粉”纳米吸波材料对雷达波的吸收率达99%。
4手征材料
所谓手征是指一种物质与其镜象不存在几何对称性且不能通过任何操作使
与镜象相重合。
研究表明具有手征特性的材料能减少入射电磁波的反射并能吸收电磁波。
如在基体材料中掺杂手征结构物质形成手征复合材料可完成对雷达波的吸收。
5.智能隐身材料
智能隐身材料是一种具有感知功能、信息处理功能、自我指令并对信号做出最佳响应功能的材料,这种材料为在技术上实现智能型隐身提供了可能。
它模仿“变色龙”具有自动适应环境变化的优点。
如给机表面喷涂智能材料薄膜层,它能自动检测和改变表面温度,控制机红外辐射特征。
3.2几种正在探索的新型隐身技术
1仿生学隐身技术
自然界上的许多动物都有天生的隐身本领,为人类研究隐身技术提供了新的思路。
例如“变色龙”能根据环境随时变化自身颜色以实现隐身;海鸥和燕八哥的形体大小相近,但试验证明海鸥的雷达截面积比燕八哥大200倍。
2等离子体隐身技术
试验证明,在飞机等的表面形成等离子体层时,雷达波碰到这层特殊气体时会被吸收或折射,从而使反射到雷达接收机的能量减少。
等离子体隐身技术正是利用这个原理,在飞机的主要雷达散射面积区域利用高功率微波产生等离子体以吸收或衰减入射雷达波,达到隐身的。
俄罗斯在该领域的研究已经取得实质性进展,据报道,俄罗斯部分战斗机上已经装备了等离子体隐身系统。
该系统不仅可以吸收雷达波,还可以吸收红外辐射,具有吸收频率宽、吸收率高、使用简单、寿命长等优点,且不需要刻意改变飞机的气动性能,使飞机的隐身效果可以与美国的F-117A相媲美,开辟了武器平台隐身的新途径。
3微波传播指示技术
微波传播指示技术是利用作战飞机（主要指战斗机和轰炸机）上的机载设备测定雷达波束在不同大气条件下的覆盖范围,从而指示出飞机以及其它飞行器突防的较为安全的途径。
如图示：
图3.1
总结
人类跨入21世纪后，军事斗争已进入一个崭新的时代，在陆、海、空、天以及电磁等多维作战空间里，各种高科技武器纷纷登上战争舞台并大显神通。
隐身技术与星球大战、核技术被美国列为国防的三大高科技领域。
在未来高科技局部战争中，敌方的隐身飞机有可能对我国构成严重的威胁，研究隐身飞机一方面有助于发展我国自己的隐身飞机事业，另一方面，也可以寻找隐身飞机的“软肋”，以己之长克敌之短。
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