什么是隐身技术?
一、隐身技术的物理原理
隐身技术是改变己方作战目标的可探测信息特征,从而降低目标被对方发现的概率的总称。
各种侦察技术获得的战场目标信息的物理本质可以看作是“波”。根据工作频段,侦察技术可分为雷达波侦察、红外侦察、激光侦察等。其中,雷达波侦察和激光侦察是从侦察机或侦察卫星等侦察平台向目标发射雷达波和激光,通过分析目标反射的雷达波或激光的特征,判断目标的类型、距离、方位和速度。所以雷达波侦察和激光侦察被称为“主动”侦察。红外侦察技术不需要侦察平台发射红外光波,而是由侦察平台直接接收目标辐射的红外波进行侦察,所以这种侦察技术被称为“被动”侦察。相应的隐身技术按工作波段也可分为雷达波隐身、红外隐身、激光隐身等。根据隐身的工作方式,隐身技术可以分为主动隐身和被动隐身。
1.雷达波隐身技术
雷达是迄今为止最有效的远程电子探测设备,它根据雷达目标对雷达波的散射能量来确定目标的存在和位置。要实现雷达波隐身,核心问题是使目标的雷达回波不被侦察雷达探测到。这个核心问题有个军事术语,就是减小目标的雷达截面。所谓目标的雷达截面,是一个表示目标雷达强弱的物理量。目标的雷达截面越小,雷达接收能量越小,因此对目标做出正确判断的难度越大。减小雷达散射截面通常有两种方法:一种是材料隐身技术,另一种是形状隐身技术。这两种技术经常结合使用。
(1)材料的隐身技术
材料隐身技术是在目标表面涂覆吸收或透射材料,使目标不反射或少反射雷达波,目标的雷达截面减小。雷达吸波材料是抑制目标对雷达波反射的最有效方法,也是第一种应用于实际的隐身技术。早在二战后期,德国潜艇的潜望镜上就涂有雷达吸波材料,这是雷达隐身的首次尝试。
根据其工作原理,吸波材料技术可分为三类。
一种是雷达波作用于材料时,材料产生电导率损失等物理反应,使雷达波的电磁能量转化为热能并散发出去。另一种是雷达波能量分散到目标表面的各个部分,从而分散反射到雷达天线方向的电磁能量。第三种是使叠加在物质上下表面的雷达波反射波相互干涉,相互抵消。吸波材料一般由铅铁金属粉末、不锈钢纤维、石墨粉、铁氧体等具有特殊电磁性能的吸波材料制成。
吸波材料按使用方法可分为涂层型和结构型。
涂层型吸收材料。目前广泛使用的涂层式“铁氧体”吸波材料是在“氧化铁”陶瓷材料中添加少量的锂、镍等过渡金属,可使反射回波降低20至30dB(dB是声波强度的计量单位),但存在影响飞机气动性能、易脱落、吸收频带窄等缺点。
结构吸收材料。吸波材料与非金属复合材料相结合,不仅具有良好的吸波性能,还具有复合材料重量轻、强度高的优点,可用于制造隐身飞机机身机翼等结构部件。
另一种材料隐身技术是透波材料技术,是一种对雷达波“透明”的材料。它对雷达波的反射率接近空气,入射的雷达波几乎完全透射,从而减小了目标的雷达散射截面。
(2)外形隐身技术。
形状隐身技术的历史没有材料隐身技术的历史长,但是发展非常迅速,应用非常广泛。目前已成为隐身技术中最重要、最有效的技术。
所谓外形隐身技术,就是合理设计武器装备的外形。达到两个目的:一是减小目标的雷达截面,二是使目标的回波偏离侦察雷达的侦察方向。如F-117A隐身飞机,采用了以外形技术为主,吸波材料为辅的隐身技术方案。其形状是前后边缘不平行的复杂多面体。飞机大部分表面向后倾斜,与垂直方向的夹角大于30度,采用大后掠角机翼,V型双垂尾。这种奇特的外形使得F-117A在飞行中对敌方的雷达探测波产生微弱的回波,敌方雷达很难探测到这些信号,大大减小了F-L 17A的雷达截面,提高了其隐身效果。在海湾战争中,F-117A隐形攻击战斗机执行了约1270次空袭任务,摧毁了巴格达多处目标,无一伤亡。
2.红外隐身技术
与雷达探测不同,红外探测是一种被动探测,直接接收目标辐射的红外波,或者探测目标与背景的红外辐射差异。物理研究表明,任何温度远离绝对零度的物体都可以发出红外线,不同温度的物体发出的红外线波长和强度都不同。物体的温度越高,其红外辐射能力越强。军用武器装备都是强红外辐射源,红外探测系统可以利用自身的红外辐射或者目标与背景的温差来发现目标。
红外隐身技术要求利用多种技术手段抑制武器装备目标的红外辐射,以达到隐身目的。当然也可以制造假的红外辐射源干扰红外辐射,从而保护真的武器装备。因此,红外隐身技术也可以分为两类:一类是红外被动隐身技术;二是红外有源干扰技术。红外被动隐身技术主要是降低和改变目标的红外辐射特性,即利用屏蔽和冷却的方法降低目标辐射的红外能量,使敌方探测器难以跟踪。比如目标涂上高温隔热材料,飞机堵住高温尾喷管,降低排气温度,都是以降低温度为基础,达到隐形的目的。红外有源干扰是有意识地利用红外设备发射红外辐射,人工施放干扰。在美国,红外干扰技术发展迅速。一般在战斗机上安装红外干扰装置,从飞机上发射诱饵进行红外干扰。一些慢速飞行的低空飞机装有红外干扰机,可以逼真地模拟飞机发动机喷管和尾焰的红外辐射特性,从而吸引红外制导导弹。前苏联在红外干扰技术上也有很大成就,研制出红外诱饵系统,可以读取敌方红外传感器信号,欺骗干扰敌方。
由于电磁波的吸收、反射和散射特性随电磁波频率的变化而变化,又由于雷达和红外的探测方式不同,所以不同隐身波段对目标电磁特性的要求是不同的,甚至是矛盾的。从目前的技术水平来看,使用各种隐身技术只能降低目标的被发现概率,而不能实现完全隐身。新的更好的隐形技术需要物理学家、工程师和军事科学家的进一步努力。
3.激光隐身技术
自20世纪70年代以来,激光雷达的应用推动了激光隐身的研究。激光雷达的工作原理和普通雷达差不多,只是激光波长比雷达波短(通常是1.06mm和10.6mm两个波长),所以分辨率和测距精度更高。而且因为没有大型天线,很容易隐藏自己,不怕电子干扰。激光隐身技术类似于雷达隐身技术,其中激光隐身涂层是激光隐身技术的重要组成部分,其主要指标是尽可能降低其反射率,这方面的研究工作才刚刚起步。
4.等离子体隐身技术
等离子体是继固体、液体、气体之后的第四种物质形态,因此也被称为物质的第四种状态。以水为例:正常情况下,温度低于0℃时,水是固体,称为冰;当温度超过0℃时,水是液体,俗称水;当温度超过100℃时,水呈气态,即水蒸气;蒸汽加热到几千摄氏度后,水进入第四种状态,即等离子态。
等离子体根据温度可分为热等离子体和冷等离子体。热等离子体的温度可以达到几千、几万甚至几亿摄氏度;冷等离子体的温度接近常温。从起源上看,等离子体可以分为两种形式:天然的和人工的。地球环境中的等离子体主要是由闪电和陨石侵入引起的。在地球之外,等离子体是丰富的。离地球表面几百公里的电离层是等离子层,像太阳这样的恒星也是一个大等离子体。据说宇宙中97%的物质是以等离子体的形式存在的。人造等离子体也是各种各样的,一颗核弹爆炸会产生大量的高温等离子体。日常生活中,霓虹灯、荧光棒、等离子电视等。也会产生等离子体。只是这些等离子体都是低温等离子体,主要是电离一些惰性气体产生的。所以,不要以为等离子离我们很远。事实上,它无处不在,甚至每天都在我们身边。
为什么等离子有隐形功能?这主要是因为等离子体可以折射和吸收无线电波。关于等离子体对无线电波的吸收,我们可以从卫星或航天器回收过程中经历的“黑障”中得到一个直观的认识:当卫星或航天器以极高的速度返回大气层时,由于剧烈的空气摩擦,其表面温度会迅速上升到几千或几万摄氏度,此时,卫星和航天器的表面空气会因温度升高而变成等离子体,卫星或航天器会被紧紧包裹。因为等离子体对无线电有很强的吸收作用,地面跟踪雷达会因为没有回波信号而失去目标。此时,卫星或航天器与地面的所有通信都将中断。也就是形成了所谓的“黑障”。只有当卫星或航天器速度降低,地表气温降低,等离子体消失,雷达才能重新跟踪,通信才能恢复正常。正是由于等离子体在吸收和屏蔽无线电波方面的奇妙功能,军事强国对等离子体隐身技术产生了极大的兴趣。试想:如果自己的飞机、军舰、导弹等主战装备也覆盖一层等离子体,敌人的雷达岂不是瞎了?
目前等离子隐身技术的应用由俄罗斯主导。俄罗斯发展等离子隐身的主要思路是在飞机等主战装备表面形成等离子气团,从而吸收和折射对方的雷达波。具体思路是利用等离子体发生器、发生器和放射性同位素在主战装备表面形成等离子体云,设计等离子体的特征参数(能量、电离度、振荡频率、碰撞频率等。)以满足特定要求,使敌人难以察觉。
俄罗斯和其他国家的理论研究表明,等离子体隐形有几个突出的优点:
(1)高隐身效率
首先,等离子体可以达到99%的吸收或折射效果,远比现有的吸收材料效率高,接近完全吸收;其次,等离子体的吸收波段很宽,基本上可以吸收和干扰所有波段的雷达波。目前美国的隐身技术只对短波雷达有效,对长波雷达并不理想。
(2)不要改变设备的外部结构
传统吸波材料的效率不是很高,所以隐身主要基于外形设计。因此,美国的隐身飞机和导弹特别强调隐身外形,这必然会对飞机的飞行性能产生负面影响。由于等离子体吸收效率高,对设备根本不需要什么特殊的形状要求,只要能在设备表面形成一层等离子体,就完全可以达到目的。所以等离子隐身可以保持装备原有的外形、战术和技术性能。
(3)相对简单和便宜
如果等离子体隐身技术能够投入实际应用,其技术相对简单,成本相对较低。与传统隐身技术相比,更便于大规模使用。
第二,未来的隐形战场
随着隐身技术的发展和隐身武器装备的出现,在不久的将来会有大量性能各异的隐身武器装备出现。未来战场是隐形的,未来战争是隐身的。
通过采用各种先进的隐身技术,各种隐身武器装备竞相出现。目前各种侦察探测仪器根本找不到它们活动的痕迹,就连坦克的轰鸣声也在隐身技术的帮助下变得“无声无息”。通过精巧的结构设计和先进的隐身材料,武器和重要设施也能拥有奇妙的视觉效果,与环境融为一体,就像变色龙一样。未来战场布满迷宫,到处潜伏着隐形杀手。
目前,除了发展隐身武器,许多国家都在研究具有隐身功能的机场、机库、通信系统和侦察系统。
未来的激光弯曲光折射技术可以使人体隐形,士兵穿上这种技术制成的作训服后就可以成为“隐形人”。隐形服装可以根据环境特征改变颜色。穿上隐身服,进入树林的士兵会立刻变成“绿人”,进入雪地的士兵会立刻变成“雪人”,真正实现了与自然的无缝融合。如果给隐身士兵涂上隐身油,抑制人体热辐射,使红外特征与周围环境保持一致,那么隐身士兵不仅用肉眼看不到,用红外探测器也看不到。一旦服装和武器的隐形涂层液研制成功,“来无影,去无踪”将不再是神话。