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隐身技术

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  隐形技术(stealth technology)俗称隐身技术,准确的术语应该是“低可探测技术”(low observable technology)。即通过研究利用各种不同的技术手段来改变己方目标的可探测性信息特征。

  隐形技术是传统伪装技术的一种应用和延伸,它的出现,使伪装技术由防御性走向了进攻,由消极被动变成了积极主动,增强部队的生存能力,提高对敌人的威胁力。

  雷达和通信设备工作时会发出电磁波,表面会反射电磁波,运转中的发动机和其他发热部件会辐射红外线,以及物体(如飞机)会反射照射向它的雷达波,这样,就使武器装备与它所处的背景形成鲜明对比,容易被敌人发现。通过多种途径,设法尽可能减弱自身的特征信号,降低对外来电磁波、光波和红外线反射,达到与它所处的背景难以区分,从而把自己隐蔽起来。这就是“低可探测技术”。

  借助于中国古典武侠小说中有所谓“隐身术”一说,所以,俗称隐身技术。隐形技术涉及到电子学、材料学、声学、光学等许多技术领域,是第二次世界大战后的重大军事技术突破之一。

  雷达隐形、红外隐形、磁隐形、声隐形和可见光隐形等。很多武器装备,如飞机、导弹、舰船、坦克、战车水雷大炮等,都可以采取隐身措施把自己隐蔽起来。首先出现的是隐形飞机,通过降低雷达截面和减小自身的红外辐射实现隐形。

  飞机一出现,人们就企图降低它的可见光特征信号,后来,重点转变为反雷达探测。在第二次世界大战中,德国、美国和英国都曾尝试降低飞机的雷达特征信号。德国潜艇通气管采用过能够吸收雷达波的涂料。

  60年代中期以后,一体化防空系统效能得到很大提高,提高飞机生存能力的重要性和迫切性变得异常突出,西方国家研究出了一些战术和技术对抗措施,并研制出U-2、A-12、YF-12、SR-71、D-21等具有一定隐形能力的飞机。但由于缺少提高生存能力的系统方法,更缺少支撑隐形的先进技术,所以还没有出现真正的隐形武器系统。

  在采用降低特征信号以提高飞机生存能力的强烈需求推动下,提出了研制以降低雷达截面为主要目标的、实用的、真正的隐形飞机的要求;由于理论,以及计算机、电子、控制、材料技术的进步,以减小雷达截面为主要目标的实用的第一代隐形飞机——F-117 A“夜鹰”于1975年问世。美空军1981年开始发展第二代隐形飞机——B-2隐形轰炸机。

  此外,F-16C、F/A-18C/D、B-1B等也采用了部分隐形技术,隐形技术还被推广到各种导弹、直升机、无人机、水面舰艇当中。潜艇的噪声以每10年降低10~20分贝的速度下降,世界上最好的核潜艇的噪声已经降低到90~100分贝,低于海洋环境噪声(115分贝)。

  第二代隐形飞机研制成功,第一、第二代隐形飞机多次参加军事行动,取得显著战果。开始研制第三代隐形飞机。隐形技术向导弹、舰艇、直升机、战车,甚至弹药、地面设备、服装和机场等领域推广和移植。

  美空军于1993年12月开始部署B-2隐形轰炸机,这是集低可观测性、高空气动力效率和大载荷于一身的

  美空军于80年代开始设计F-22“猛禽”战斗机,1993年开始研制“联合攻击战斗机”,它们都属于第三代隐形飞机。

  隐身飞机开始大量参加战斗是这个时期的一大特点。1991年海湾战争期间,美在海湾部署的43架F-117A隐形飞机出动了1271架次,攻击了伊拉克40%的战略目标。1999年6架B-2隐形轰炸机首次参加科索沃军事行动,共出动40架次,投下500枚“联合直接攻击弹药”,总重450吨。

  采用独特的外形设计和吸波、透波材料,以降低飞机对雷达波的反射;降低飞机发动机喷气的温度或采取隔热、散热措施,减弱红外辐射。

  美国的F-117A隐形战斗轰炸机(现已退役)、B-2隐形轰炸机已经装备部队,正在研制的F-22隐形战斗已于2005年服役。隐形技术在舰艇上也得到应用,例如美国海军“阿利·伯克”级驱逐舰的上层建筑就是如此,瑞典制造的隐形艇已开始试航。潜艇的降噪措施则属于声隐形技术。此外,隐形坦克、隐形装甲车、隐形火炮、隐形巡航导弹等多种隐形水雷也在研制中。

  隐形技术的出现促使战场军事装备向隐形化方向发展。由于各种新型探测系统和精确制导武器的相继问世,隐形兵器的重要性与日俱增。以美国为首的各军事强国都在积极研究隐形技术,取得了突破性进展,相继研制出隐形轰炸机、隐形战斗机、隐形巡航导弹、隐形舰船和隐形装甲车等,有的已投入战场使用,在战争中显示出巨大威力。同时,反隐形技术也在深入发展,并不断取得新成就。

  美国的隐形兵器发展较快,居世界领先地位。它的F-117A、B-2、F-22等隐形飞机代表当今世界隐形兵器的先进水平。F-117A隐形攻击机已投入实战,在局部战争中发挥了重要作用。第一架B-2隐形轰炸机已于1993年12月开始服役,空军轰炸机联队装备的B-2隐形轰炸机有6架已具备初始作战能力。

  第一架F-22已于1997年9月7日首次试飞成功,其设计兼顾了超声速机动和隐形特性。F/A-18E/F飞机上采用了具有抗蚀性的吸波材料,这是隐形技术领域的一个突破。

  在现有隐形飞机的基础上,美国不断开拓新项目的研究,研制新型隐形飞行器以及其他新式隐身装备。例如,正在实施“联合攻击战斗机(JSF)计划”,旨在研制多用途隐形战斗机;世界著名的“暗星”(即蒂尔Ⅲ?隐形无人机已于1996年3月29日首次飞行成功;正在研制AGM-137三军防区外隐形攻击导弹和隐身电动战车;正在实施旨在提高海军潜艇隐形性能的秘密计划(“M计划”);诺思罗普·格鲁曼公司正在研制一种攻击型隐形无人战斗机和一种能模仿隐形飞机的新型诱饵;空军正在考虑发展一种远程隐形运输机;陆军已设计出一种隐形帐篷,拟从2000年开始取代部队的老式木制、纤维制帐篷;陆军将与英陆军合作,研制隐形侦察车;正在开发各种隐形工事和隐形机库,以保护停放在里边的通信车、飞机和导弹等装备。

  隐身技术问世以来,前苏联与美国一直在竞相发展隐形飞机。当今的俄罗斯也不甘落后,它已开始研制隐形的轻型多用途第5代战斗机(LFI)和S-54战斗机,与美国的JSF相当,预计在本世纪末前研制成功;米高扬设计局正在研制一种中型隐形战斗机“米格-35”;苏霍伊设计局的S-32隐身战斗机的验证机已于1997年9月25日首飞成功;俄空军还正在研制一种与美空军B-2轰炸机相似的新型隐形战略轰炸机;俄罗斯的隐形军舰令人瞩目,已有4艘交付使用。

  除美、俄外,英、法、德、日和瑞典等国都在积极发展隐形兵器。英国国防部制定了一项研制第三代隐形攻击机的秘密计划,预计2000年前制造出试飞样机;英国防研究局正在研制一种隐形装甲战车,并已研制成功隐形军舰和一种新型隐形教练水雷。法国正在研制类似于美国F-117A隐形攻击机的试验样机;已研制出一艘全部采用隐形技术的护卫舰;开始研究下一代隐形的高超声速攻击导弹,预计2010年前后服役;正在研制装备“电动车轮”的隐形装甲车。德国一直在秘密地执行“萤火虫隐形飞机计划,拟研制一种多面体隐形战斗机的3/4缩比风洞试验模型;与南非和韩国可能合作研制一种全尺寸的新型隐形轻型超声速战斗机/先进喷气教练机,命名为AT-2000;还与美、英、法达成协议,共同研究高能量、低信号特征的推进剂;已研制出MEKOA系统隐形舰。日本已经研制出FS-X隐形战斗机的原型机,并正在筹划下一代隐形战斗机的初步设计方案(隐身技术与高机动性相结合),称为FI-X;还正在研制一种隐形无人航空器。瑞典研制成功了一艘隐形炮艇,并已下水试航;正在研制一种小型隐形护卫舰,首艘将于本世纪末或下世纪初服役。此外,意大利、西班牙和印度等国也正在研制隐形飞机。

  实验证明,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。例如,应用等离体技术可使一个13厘米长的微波反射器的雷达平均截面在4~14吉赫频率范围内平均减小20分贝,即雷达获取的回波能量减少到原来的1%。美国休斯实验室已进行了这方面的实验。

  试验证明,海鸥虽与燕八哥的形体大小相近,但海鸥的雷达反射截面比燕八哥的大200倍。蜜蜂的体积小于麻雀,但它的雷达反射截面反而比麻雀大16倍。有关科学家们正在研究这些现象,试图采用仿生技术,寻求新的隐身技术。

  这种技术是利用计算机预测雷达波在大气中的传播情况。大气层的变化(如湿度、温度等的变化)能使雷达波的作用距离发生变化,使雷达覆盖范围产生“空隙”(即盲区),同时雷达波在大气里传播时要形成“传播波道”,其能量集中于“波道内”,“波道”之外几乎没有能量。如果突防兵器在雷达覆盖区的“空隙”内或“波道”外通过,就可避开敌方雷达的探测而顺利突防。

  (chiralmaterial)。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。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。

  近几年来,对纳米材料的研究不断深入,证明纳米材料具有极好的吸波特性,因而引起研究人员的极大兴趣。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。

  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。

  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40%~60%,克服了大多数磁性吸收剂所存在的过重的缺点。

  智能型隐形材料和结构是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形功能提供了可能性。

  隐形技术正向着综合运用、权衡隐形性能和其他性能、扩展频率范围和应用范围、降低成本等方向发展。

  隐形技术中最大有可为的新进展或许是一种叫做“超材料”的奇异材料,有朝一日它也许真的能让物体隐形。具有讽刺意味的是,超材料曾被认为是不可能存在的,因为它违反了光学定律。然而,2006年,北卡罗来纳州杜克大学(Duke University)和伦敦帝国理工学院(Imperial College)的研究者成功挑战传统概念,使用超材料成功让一个物体在微波射线维平面上隐形。我们有史以来头一次拥有了能使普通物体隐形的方案(五角大楼的国防高级研究计划署[The Pentagon’s Defense Advanced Research Project Agency,DARPA]资助了这一研究)。2010年,来自德国卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruher Institut für Technologie ,KIT) 和伦敦帝国理工学院(Imperial College)的研究者成功让金膜块在1.4到2.7微米波下在3维空间中成功隐形,离在可见光(可见光波长0.4~0.7微米)下达到隐形又向前推进了一步。

  隐形技术的迅速发展对战略和战术防御系统提出了严峻挑战,迫使人们考虑如何摧隐形身兵器并研究反隐形技术。隐身技术与反隐形技术的发展,是相互制约、相互促进的,无论哪一方有新的突破,都将引起另一方的重大变革。反隐形技术的发展方向是:综合运用,系统综合(集成),开发新的反隐形技术理论。

  由于隐身技术的研究主要是针对雷达探测系统的,所以,反隐形技术的发展重点也是针对雷达的。雷达实现反隐形的技术途径主要有以下三个方面:1提高雷达本身的探测能力;2利用隐形技术的局限性,削弱隐形兵器的隐形效果;3开发能摧毁隐形兵器的武器。

  高灵敏度雷达通常包括:先进的单基地雷达(宽频带/超宽频带雷达、超视距雷达)、双/多基地雷达毫米波雷达、超高距离分辨率雷达、合成孔径/逆合孔径雷达、多功能相控阵雷达激光雷达等。美国的高灵敏度雷达正处于研究、样机试验阶段。预计,高灵敏度雷达技术,如研制稳定度更高的频率发生器、信号处理能力更强的系统以及动态范围更宽的接收机和模拟/数字转换器等方面,将会有新的突破。

  由于隐形兵器的设计通常是针对厘米波段雷达的,因此,将雷达的工作波段向米波段和毫米波段甚至红外波段和激光波段扩展,都将具有一定的反隐形能力。美军正在建造工作在米波段的AN/FPS-118;已研制成功一种海军用的可调防的小型战术超视距雷达;美空军计划为“爱国者”防空导弹安装35千兆赫的毫米波雷达导引头,并开始进行激光雷达预警系统的研究工作。

  隐形飞行器的隐形重点一般放在鼻锥方向±45°角范围内。因此,将探测系统安装在空中或卫星上进行俯视,可提高探测雷达截面较小目标的概率。美空军的E-3A预警机(载高脉冲重复频率的脉冲多普勒雷达)和海军正在研制的“钻石眼”预警机(载有源相控阵雷达)以及高空预警气球(载大型孔径雷达),都能有效地探测隐形目标。美国还正在研制预警飞艇、预警直升机、预警卫星等。此外,俄罗斯、英国、印度等国都很重视发展预警机的工作。

  美国正在用先进技术将现有雷达加以改进。通过采用频率捷变技术、扩频技术、低旁瓣或旁瓣对消、窄波束、置零技术、多波束、极化变换、伪随机噪声、恒虚警电路等技术,来提高雷达的抗干扰能力,进而提高雷达的探测性能。通过采用功率合成技术和大时宽脉冲压缩技术,来增加雷达的发射功率。雷达接收机通过采用数字滤波电荷耦合器件、声表面滤波和光学方法等先进技术来提高信号处理能力。在此基础上,再通过雷达联网来提高雷达的反隐形能力。

  隐形兵器主要是通过采用吸波材料结构吸波材料和吸波涂层)达到隐形的。但是,当它遇到高功率微波波束时,会受损害甚至失去战斗能力。美国正在加紧研究高功率微波武器,一种可重复发射的高功率微波武器处于预研阶段,另一种高功率微波弹头处于演示阶段。俄罗斯已研制出方向性很强的高功率微波武器,可用手榴弹、迫击炮、火炮或导弹投掷。

  纳米级微小粒子组成的超材料可以让光线拐弯,绕过障碍物。被超材料包裹的人,怎样在不被看到的情况下看到外面?美国的材料学家关于超材料的发现和中国物理学家的反隐形材料研究,让隐形不再遥不可及。

  弗拉吉米尔·沙拉耶夫(Vladminr Shalaev)造出了隐身衣。他不会魔术,也不懂魔法,身为美国印地安那州普渡大学的材料学专家,他通晓材料反射光线的秘密:“假如一样东西反射的光线根本没有到达你的眼睛会怎样?就跟你背对着它一样吧。”但是我们都知道怎样看见背对着的东西——只要有一面镜子帮助光线反射到我们的眼睛就成。“不过,即使你面对隐身斗篷,你还是看不见它。不仅如此,你会看到本应被它阻挡的东西。因为只要没有光从它上面反射到你的眼睛,你就看不到它。”

  所谓“超材料”就是超出自然界固有的普通性质,具有超常材料功能的人工复合材料。它们并不存在于自然界,而是完全由科学家们在实验室研制出来。因此,科学家们尽可能根据需要赋予它们天然材料所不具备的超常物理性质,最终突破某些自然规律表现的限制。事实上,在自然界中确实存在着让光反射异常的材料。例如天然蛋白石就因其具有不完全光子带隙结构而有着强烈的反光,并且向不同的角度发射出不同的颜色光彩。这种光子带隙结构在蝴蝶翅膀、孔雀羽毛以及海老鼠的毛也存在,正是它们使本来无色的生物体由于结构的发光而呈现出闪烁斑斓的色彩。

  2013年3月1日消息,据国外媒体报道,科学家张柏乐(Baile Zhang)在一项流行技术大会上揭开他的起源于《哈利-波特》小说的“隐身衣”技术。他表示,他研制的隐身衣与其说是一项彻底的物理学突破,不如说是一项兴趣爱好。

  张柏乐博士2013年2月25日在美国举行的享有盛誉的TED2013 会议上展示了他的发明——“肉眼看不见的隐身衣”。尽管他的装置只是一个盒子,而不是隐身衣,但二者的目的都一样,都是为了弯曲物体周围的光线,达到肉眼看不到的目的。张柏乐说,2010年他提出这种想法,并“只是为了好玩”制造了该装置。他在上传到YouTube的一段视频上演示了该装置,通过这个盒子让一个卷起的便利贴消失不见了。只要便利贴位于隐身衣后面,人们就无法看到它。这段视频上的演示与在TED2013上的演示不同。张柏乐称,他把两片方解石(一种能够弯曲光线的碳酸盐矿物)粘贴在一起制成这个盒子。

  隐形材料一直没有被发现过,直到沙拉耶夫用人造原子、中继原子等工程学方法制造出超材料。这种超材料具有在三维空间整齐布阵的微小粒子,而且它们的尺寸达到了纳米级,在扫描探针显微镜观察下呈现出有序的微观结构:“当微观结构的尺寸与光波的波长相当时,就能够表现出某些光学和电磁学上的特异性。而我的材料结构比光波波长还小。”

  事实上,普通的材料无论如何看似光滑,对于微粒子来说都好像雨点打在鸟巢体育场那样大的粗糙核桃壳上一样,总是会向各个角度产生反射。只有把结构做到比光子还要小,才有可能做出足以让光线如同激流经过鹅卵石一般的流线体。沙拉耶夫正是这样完成了他的隐身衣的材料。随后,他依靠一排从中心点开始像一个圆形的梳子沿轮辐方向向外辐射的微型针,将光的折射和扭曲减少到几乎为零,使得围绕着隐身衣的光线发生弯曲,致使人们看不见斗篷。

  2008 年10 月,沙拉耶夫在美国《科学》杂志上把隐身衣的秘密公诸于世,同时向人们宣布:“只有超材料才能织就隐身衣。” 然而他志得意满之际似乎忽略了一个事实:当隐身衣把他遮得严严实实的时候,他也成为一只被缝在布袋里的小白鼠。别人看不见他,而他也什么都看不见。除非他挖两个洞露出眼睛,但是两颗悬在空中眨巴眨巴的大眼睛也足够把观众们惊倒了。必须再给隐身衣设计一副配套的墨镜,才能做到完全隐身。

  如果说,让人看不到墨镜的里面就好比隐形技术;那么,让戴墨镜的人能清楚地看到外面则可以称为反隐形技术。沙拉耶夫所没有解决的反隐形技术其实早已开始被其他科学家关注。

  2007 年11 月,上海交大的陈焕阳博士在美国《应用物理快报》上公布了他对抗隐形技术的研究结构。他和同事们设计出一种光学属性与那些隐形斗篷完美匹配的材料:“用术语来说,就是一种各向异性负折射率材料,它的阻抗与隐形斗篷的正折射率相匹配。” 事实上,它的原理有点像是给手枪装上消音器:用相同频率的声波的波峰来填补所发出的声音的波谷,最终完全抵消空气振动。其实,沙拉耶夫只要将这样的反隐形材料贴在隐身衣上,就可以让一些光线按照指定的路径渗透进来,从而部分抵消隐身衣的效应。

  陈焕阳和同事们研究的反隐形技术在隐身衣内产生了破坏隐身性能的效果,这已经初步解决了隐身衣内外之间无法通讯的问题。事实上,陈焕阳也同时在进行着隐形技术的研究,只不过不是为了做衣服。在他的设想中,可以利用隐形技术做出一道隐藏之门的设计:用隐形技术制作的材料置于大门的中间,就能让门看上去像是和周围的墙一样;而在门内的人则能够通过反隐形技术观察到外面的人的一举一动。这项技术也许将被开发于军事领域,难怪美国前驻华武官在美《防务新闻》网站上援引此例惊呼未来中国将对美国的隐形武器构成巨大威胁。

  关键词:隐身技术英语:stealth technology 隐身技术主要应用在于军事用途,通过降低自方武器装备等目标物的信号特征,抑制雷达、红外线、可见光、声波等面向的可侦测性,使对方难以发现、识别、追踪及攻击;从而提高自方战略或战术目标的达成率,以及战场存活率。 最早...

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