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1、雷达隐身材料的发展165811008 王悦1.1 隐身技术的概念随着现代各种光电磁探测技术的迅猛发展，传统的作战武器所受到的威胁越来越严重。 隐身技术作为提高武器系统生存、突防，尤其是纵深打击能力的有效手段，已经成为海、陆、空立体化现代战争中最重要、最有效的突防战术技术手段，在现代化信息战中的重要性也与日俱增，成为提高武器装备生存能力、突防能力和作战效能的关键技术， 日益引起世界各国的普遍重视。在美国，隐身技术被列为国防三大高技术之一。 所以，第二次世界大战结束以后， 隐身技术作为重大军事技术得到了广泛的重视和研究。战后的美、苏、英、法等世界军事强国都投入了巨额的经费进行研究， 并且取得了相当
2、大的进展。 可以说，隐身以及反隐身技术的发展程度如何， 已成为未来打赢高科技条件下的局部战争的至关重要的因素之一。隐身技术又称目标特征控制或低可探测技术，它主要是通过改变或抑制目标的信号特征，使其难以被发现、识别、跟踪和攻击的技术。隐身技术的定义可分为广义定义和狭义定义。广义定义：通过改变目标的外部结构 （结构隐身）或在表面进行涂装处理 （涂层隐身） ，或在其外部加覆盖物，或示假目标，达到降低目标可探测性的技术，均可称为隐身技术。狭义定义：通过改变目标外部结构或在其表面进行涂层处理，改变目标的辐射特征及对电磁波的反射性能， 降低目标与环境的辐射反差或光谱反射差异，从而令目标的可探测性大为降低，
3、在一定的范围内可达到“隐身”的效果。简而言之，依据内在伪装的概念， 显著减小目标自身的各种暴露特征，令对方侦测系统难以发现或者令其探测效果降低的综合技术，即可称为隐身技术。1.2 隐身技术的起源隐身技术的起源最早来自于动物的启示。动物的隐身或伪装很早就引起了人们的注意。如斑马身上的深色的条文与浅色的皮毛明显对立，近距离观察易产生错觉。变色龙生活在非洲的一些地方及马达加斯加岛，其身体的颜色可随环境而名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - -
4、- - - - 变化，尽量降低与环境的差异。例如，可根据环境的温度和光线的强度而变化，可由橙色变为深绿色，或从灰色变成黑色和紫色。实际上，很多动物身体的色彩都有保护色， 均不同程度地起到 “隐身”作用，保护了自己，延续了后代，从而在物种进化中占有优势。例如，生活在冰雪中的狐，熊等白色居多；沙漠中的骆驼、鸵鸟、羚羊多为黄褐色；热带雨林的鸟类多为绿色；黑夜中出现的蝙蝠，老鼠又多为黑色。冬季里的雷鸟羽毛是白色的；木叶碟在树叶上停留时， 两对翅膀合拢恰似一片布满霉菌的枯叶，翅膀上复杂的花斑如同树叶的中脉和侧脉。在马达加斯加还有一种名为“拉塔那”的蛇，当它游行于青草丛中时， 全身为青绿色， 栖身于褐色岩
5、石或枯木间则又成为黑褐色，伏于土壤中则又成为胭脂红色。上述这些动物表面的保护色减小了自身（目标）与环境在可见光频段的反射特性的差异，保护了自己，降低了敌人发现（目标）的可能性，从而起到了（光学）隐身的效果，其实就是早期的光学隐身，而且，这同时也给人类提供了隐身的启示。1.3 隐身技术的发展在现代的战场上，高技术电子侦察装备的出现使得军事探测技术几乎利用了电磁波所有有利用价值的频段， 探测技术也因频段的不同分为： 可见光探测技术，激光探测技术，雷达探测技术，红外探测技术。除此之外，探测技术还可以以探测方式的不同分为主动探测和被动探测。主动探测：顾名思义， 主动探测技术是指发射器主动地向外发射电磁
6、波，通过电磁波遇到目标时反射回来的电磁波来探测目标，所以，主动探测设备必须由电磁波发射装置和接收装置两部分构成。被动探测：被动探测技术是指探测设备中的电磁波接收装置直接接收目标本体向外发射的，或者自然界其它电磁波入射到目标表面时反射的电磁波来探测目标。所以，被动探测只需接收器即可。由此可见，可见光探测技一般属于被动探测，激光探测和雷达探测属于被动探测，而红外探测既有主动探测，又有被动探测。相对应地，针对这些探测技术的隐身技术也随着这些探测技术（反隐身技术）的出现而出现了， 并随着探测技术的不断发展而发展着，如图所示。 按照使用的探测波段来分， 隐身技术也可分为可见光隐身技术、雷达波隐身技术、
7、红外隐身名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - 技术、激光隐身技术等。1.4 雷达隐身技术1.4.1 雷达探测雷达是用于检测和定位反射物体，如飞机、舰船、航天飞机、车辆、行人和自然环境的一种电磁系统。 它通过将能量辐射到空间并且探测由物体或目标反射的回波信号来工作。 返回到雷达的反射能量不仅表明目标的存在，而且，通过比较接收到的回波信号与发射信号， 就可以确定其位置和获得其他与目标有关的信息。雷达可以在远或近距离， 以及
8、在光学和红外传感器不能穿透的条件下完成任务。它可以在黑暗、薄雾、浓雾、下雨时工作。雷达发射的电磁波具有恒速、 定向传播的特点， 可以根据反射波判断目标的方位。而雷达探测就是利用目标对电磁波的反射、应答或自身的辐射发现目标。雷达的探测距离有一定范围，雷达探测的基本原理和系统特征可以用雷达方程，来描述：式中 Rmax为雷达最大作用距离； Pt 为雷达发射功率； Pmin 为雷达可检测的最小接收功率；Gt 为发射天线的增益； Gr 为接收天线的增益； 为雷达工作波长；为目标的雷达散射截面积（即RCS ，Radar Cross Section ） ，是目标对入射雷达波呈现的有效散射面积。从公式可以看出
9、雷达最大作用距离尺与目标的雷达截面积的 1/4 次方成正比，因此，要减小雷达的最大作用距离可以通过减小目标的RCS 的实现。经计算，如果能使目标的 下降为原值的 15%，雷达探测距离将缩减为原来的62%，即使雷达截面积 只降低 1%，Rmax也将降低约。 31%所以，雷达隐身的主要目的就是要降低武器装备的雷达散射截面积。雷法本身除了能够进行电磁波的发射外，还能够接收由目标反射回来的电磁波， 利用其从电磁波脉冲信号的发射到接收过程中的时间间隔从而能够实现目标的定位。同时，通过对反射波的调制还能够实现对目标运行速度及其他参数的判别。雷这的穿透能力很强， 并且也不会受到气候的影响。雷达隐身技术主要是
10、指名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - 对工作在 3MHz300GHz范围内雷达的隐身技术，常用的电磁波频率在0.3GHz到 40GHz 。根据雷达工作频率的不同，可将其分为UHF波段（ 0.31 GHz ） ，L波段（12 GHz ） ，S波段（24 GHz ） ，C波段（ 48 GHz ） ，X波段（ 812 GHz ） ，Ku波段（ 1218 GHz ） 、K波段（ 1827 GHz ）和 Ka波段（ 2740
11、GHz ） ，其中 C、X和 Ku波段（ 218 GHz ）是非常重要的雷达探测波段，也是世界各国力求突破的超宽频带雷达隐身技术研巧的重点。1.4.2 雷达吸波材料基本原理雷达吸波材料如能很好地对入射的电磁波进行吸收，应该具备两个基本的条件： （1）当电磁波经过传播而入射到吸波材料表面上的时候，能够尽可能减少电磁波的直接反射从而使电磁波能最大限度地被吸收进入吸波材料的内部，即材料需要满足阻抗匹配的特性；（2）当电磁波进入到材料内部并且在其内部进行传播的时候，能够迅速并尽可能全部地被衰减掉，即材料要满足衰减特性。（1）介电损耗机理通常将以电极化为特征的材料叫介电材料，又叫电介质。电极化是在电场作
12、用下分子正负电荷中心发生相对位移而产生电偶极矩的现象。电极化的基本过程包括：原子核外电子云畸变（电子极化） ；分子中正负离子相对位移极化（离子极化） ；分子固有电矩的取向极化等。电介质分子的极化需要一定的时间，而在交变电场的作用下， 当这种极化落后于外电场频率的变化时，便产生了极化的滞后，从而产生介电损耗。 介电损耗随频率的变化而变化，其变化随具体材料及波段而不同。在微波波段，固有偶极子取向极化和界面极化往往是主要的影响方面。导电损耗和介电损耗统称为电损耗。 电损耗型吸波涂料的复介电常数实部和复磁导率实部 、复介电常数虚部 和复磁导率虚部 之间相差相当大，因此作单涂层时， 很难满足高吸收、 和
13、宽频带的要求。 电损耗型吸波涂料的吸波剂有碳黑，石墨、碳纤维、氮化硅，氧化铝、铝粉、铜粉、导电高分子等。电损耗型吸波涂料的主要优点是密度小 （金属除外）， 高频性能较好，但一般厚度大，难于满足薄层宽频的要求。（2）磁损耗机理电磁损耗理论认为损耗来源除了介电损耗之外，还有磁损耗， 一般认为磁损耗包括磁滞损耗、 涡流损耗和剩余损耗三部分， 这是指铁磁性材料在交变磁场中名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - 反复磁化所消耗的功
14、率。通常，铁磁材料磁化时，出现磁滞现象，每磁化一周期所消耗的能量正比于磁滞回线的面积。这种能量损失称为磁滞损耗。 按照电磁感应定律，铁磁材料在交变材料内磁通量发生变化时，在磁通的周围会产生感应电动势，又因铁磁材料是导电物质， 感应电动势将在垂直于磁通方向的截面上感应出闭合的涡流电流。 由它所引起的焦耳损失称为涡流损耗。剩余损耗包括弛豫损耗、畴壁共振损耗和自然共振损耗。三部分的贡献随吸波剂的种类而异。电磁损耗型涂料的吸波剂有铁氧体、磁性金属粉（铁钴镍合金）等。铁氧体吸波涂料的主要优点是 和差距小， 与磁损耗角正切 tg较大， 随频率降低而升高，涂层较薄。介电常数 和磁导率 为雷达吸波材料电磁特性
15、的重要表征参数，在交变电磁场的条件下二者需要用复数表示其中r= j，r= j，而真空中的介电常数和磁导率则可用0 和0 来表示。 和 分别表示为吸波材料在电或磁场的作用下而发生的极化或者磁化程度的变量，代表了对能量的储存能力；代表了在外加电场的条件下，吸波材料的电偶矩由于重排所产生的损耗的量度；代表了在外加磁场的条件下，吸波材料的磁偶矩由于重排所产生的损耗的量度。当电磁波从自由空间入射到吸波材料表面上的时候，在界面处会出现电磁波的反射及透射现象，界面处的电磁波的反射系数Z与界面处存在的波阻抗Zin 及空气阻抗 Z0有关，根据传输线理论可知，Zin 与雷达吸波材料的Zc（持性阻抗）和 ZL （负
16、载阻抗）有关， Zc与0、0、r 及r 有关，具体公式如下所示：其中， 为衰减常数， 为相位因子， 为角频率。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - 分析可知，电磁波入射到材料表面处的反射及其在材料内部的衰减均与吸波材料的介电常数和磁导率有关， 阻抗匹配实质上是材料介电常数与磁导率之间的匹配。综合考虑材料的阻抗匹配特性及衰减特性这两个条件可知， 、 、和的值并不是简单地越大越好，而是应该通过吸波材料的设计来确定最佳电磁参
17、数。在设计吸波材料时， 除考虑到阻抗匹配特性和衰减将性外，还应该考虑材料的涂层厚度与电磁波频率之间的关系：复介电常数r 和复磁导率 r 的模值在低频处应尽量増大， 随频率的升高而减小， 这样有利于使电磁波吸收频带变宽。1.4.3 雷达吸波材料的研究概述为增加武器装备的突防能力， 就是要降低对方雷达的最大作用距离，即要降低本方武器装备的雷达散射截面积RCS ，即我们常说的雷达截面缩减（RCSR ）技术。目前，降低 RCS 有以下方法： （1）外形隐身，通过合理的外形设计达到隐身的效果； （2） 材料隐身，采用雷达吸波材料达到隐身的效果； （3） 电子措施隐身，利用各种电子手段达到隐身的效果； （
18、4）等离子隐身技术， 利用等离子体对电磁波传播的影响达到隐身的效果。 目前国内外的隐身技术以外形隐身和材料隐身为主，且效果最好，已得到广泛应用。一、外形隐身：最初的雷达隐身是通过对飞行器外形的合理设计来减少雷达散射截面积 （RCS ） ，这是实现武器系统高性能隐身最直接有效的手段。外形技术的原则是，在保证飞行器总体技术要求的前提下，将目标强散射中心转化为次散射中心，或是将强散射中心移出受雷达威胁的主要方位区域。多棱面外形和融合外形技术是低 RCS外形技术的两个重要方面。前者是将飞行器设计成多棱面体，使得整个机身只呈现出几个有限的窄散射峰值，典型的应用实例如美国的F-117A隐身战斗机。 融合外
19、形技术主要包括平面和空间的三维融合，通过对飞行器截面形状进行合理设计， 使其侧向的镜面散射变为劈形边缘绕射，从而大大降低飞行器的侧向 RCS ，典型应用如美国的B-2战略轰炸机。在实际使用中，外形隐身是名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - 减少 RCS的主要手段，但是过分强调外形隐身必将降低飞行器的机动性和敏捷性，降低设备自身的主战性能或效率。二、材料隐身：吸波材料吸收雷达电磁波的基本原理是将雷达电磁波吸收或衰减，将电
20、磁能量转换成为其它形式的能量（如热能）而消耗掉。对吸波材料的要求有：在衰减大于 -10dB 的前提下，频率范围尽可能宽；尽可能重量轻、厚度薄； 具有相应的承载能力； 除能吸收雷达电磁波以外尽可能减弱红外辐射等功能。雷达吸波材料按其功能可分为涂覆型和结构型。涂覆型吸波复合材料施工方便，成本低，适用于复杂的外形， 包括铁氧体涂料，羰基铁粉涂料和贴片板（为橡胶，塑料，陶瓷）；结构型吸波复合材料通常是将吸收剂分散在特种纤维 （如玻璃纤维、 石英纤维等） 增强的结构材料中所形成的结构复合材料，其典型特点是：既能承载又可减小目标的RCS 。结构型吸波材料是一种多功能复合材料， 由吸波材料与树脂基复合而成。
21、 吸波材料主要由吸波剂和基体材料构成， 吸波剂是起吸收与反射电磁波作用的物质，常用的有铁氧体， 羰基铁，导电炭黑，石墨等。基体材料吸收剂的载体能够承载并分散吸收剂，且本身具有一定的机械性能， 目前常用的主要有软质聚氨酯泡沫剂，硬质苯乙烯泡沫塑料等。 由吸波材料的工作原理可知， 吸波材料的吸波能力与吸收剂的吸收能力有密切关系。因此吸收剂的研制与开发是吸波材料领域重要的研究方向。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - 纳米吸
22、波材料：纳米吸波材料具体指的是特征尺寸在1-100nm 范围内的吸波材料，主要包括纳米金属及合金、 纳米陶瓷等材料， 其对电磁波的吸收主要是由电子散射及电子间的相互作用等效应所决定，它具有磁损耗大、 质量轻、频带宽、厚度薄等特点，是目前国内外研究的热点。铁氧体及其复合吸波材料： 铁氧体吸波材料是由铁和氧元素化合而成的不同类型的化合物， 其电阻率比较高， 能有效衰减电磁波， 近年来各国学者主要对尖晶石型及磁铅石型等不同晶体结构的铁氧体吸波材料进行了集中研巧。铁氧体是一种亚铁磁性材料， 同时具有磁损耗及介电损耗， 影响铁氧体复数磁导率的因素主要包括材料的饱和磁化强度及磁晶各向异性等。通过与其它磁损
23、耗型材料混合的方式，可以实现对铁氧体吸波材料的电磁参数的调整。导电高分子吸波材料： 近年来，对具有电、 磁损耗特性的高聚物的研宛受到各国学者的广泛重视。 导电高分子吸波材料主耍是指具有共轭主链的高分子聚合物通过一定的方法利用掺杂剂进行掺杂以实现阻抗的匹配与电磁损耗从而具有吸波特性的一类材料。 导电高分子吸波材料具有性能多样（可在绝缘体到导体范围内变化）、密度小、掺杂脱掺杂的过程能完全可逆等特点。掺杂聚苯胺、聚吡咯及以及聚噻吩等都可用作导电高分子吸波材料。磁性金属纤维吸波材料： 在众多新型轻质宽带的吸波材料中，多晶铁纤维的应用前景较好，其吸波性能主要取决于 和，而纤维的电导率、直径及长径比均能够
24、影响其磁导率， 减小纤维直径、 提高长径比均有利于提高多晶铁纤维的吸波性能。雷达吸波材料的隐身技术取得了很大的进步与发展的同时，反隐身技术也在不断进步与发展。 为了使在与反隐身技术的对抗中始终占据主动，隐身技术应朝向更高的层次发展， 争取不断完善自己。 其中吸波材料作为隐身技术领域的一个重要分枝，今后的研究和开发重点是研制和开发多频段、宽频带、轻质、薄厚度的吸波材料。在加强单组份材料的探索的同时也应加强对多层材料及多功能化材料的研究，继续开发具有高效吸收性能的吸收剂，并对一些极具开发前途的新型材料，如纳米材料， 手性材料等， 应继续加强研究和探索应用高分子聚合物做吸波材料的载体和制备性能优良的
25、吸波材料，采用计算机辅助技术协助吸波材料研制工作。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - - 1.5 雷达吸波材料的发展趋势目前吸波材料存在的主要问题是：涂层过厚，通常大于2mm，小于 1.5mm的涂层的低频吸收效果较差： 涂层对雷达波的吸收频带较窄，最大能在 818GHz间产生有效吸收；涂层对低频雷达波的吸收效果较差，尤其是对28GHz的雷达波；涂层的面密度较大，环境稳定性较差；材料损耗电磁波的方式较单一，不能同时利用电阻
26、损耗、 介电损耗和磁损耗方式损耗电磁波。因此新型吸波材料应具有薄、轻、宽、强的吸波特点，同时新型吸波剂应兼具介电损耗和磁损耗能力。吸波材料整体发展趋势具体如下：一是材料形态上的低维化。吸波剂的形貌有块状（三维）、片状（两维） 、线状（一维）和球状（零维） ，球状的吸波剂又有微米微球和纳米微球。吸波剂的低维化尤其是向纳米微球的发展，将可能利用其纳米效应（nano-effect）增强材料的吸波效果。纳米效应具体指的是表面（界面）效应、量子尺寸效应和小尺寸效应。表面效应指的是由于纳米颗粒随着粒径的减小，位于表面原子的数量增加导致未配对的悬挂键増多， 界面极化效应増强。 量子尺寸效应是指粒子尺寸下降到
27、一定值时， 会使费米能级附近的电子连续能级离散化，雷达波的能级恰好在此范围，可形成材料对雷达波的吸收。 小尺寸效应是指纳米微球的粒径比光波波长还小时会造成晶体周期性边界条件的破坏从而产生一系列独特的光学、热学和磁学性质。二是材斜组成上的复合化。 材料姐成上的复合主要是指介电损耗型吸波材料和磁损耗型吸波材料的复合。 常见的介电损耗型吸波材料有石墨、 炭黑、 碳纤维、碳化娃、导电高聚物等； 常见的磁损耗型吸波材料有铁氧体、磁性金属微粒及其合金等。如何将两类材料复合并且不影响各自损耗能力的发挥是下一步研究重点。三是材料性能上的多样化。 吸波材料使用的自然条件一般比较恶劣，比如高温、严寒、潮湿、紫外线、海洋性气候和核福射等，但仍需要材料在该环境中持久地保持优良的微波吸收性能， 因此未来吸波材料研究中的重点之一是拓宽吸材料性能的多样化。四是材料应用上的民用化。 各种军事设备的雷达波隐身是微波吸收材料的主要应用领域， 但随着日常生活中的电磁福射越来越严重，如手机基站和各种电子产品发出的电磁箱射，吸波材料在电磁防护领域的应用也越来越广。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - -