电磁波隐身技术的研究

1电磁散射与隐身技术导论课程大作业报告学院：电子工程学院专业：电磁场与无线技术班级：021061学号：02106020姓名：赖贤军电子邮件：[e-mail]日期：2013年06月成绩：指导教师：姜文2电磁波隐身技术的研究隐形技术（stealthtechnology）俗称隐身技术，精确的术语应该是“低可探测技术”（low-observabletechnology）。即通过研究利用各种不同的技术手法来改变己方目标的可探测性信息特征，最大程度地降低被对方探测系统发现的概率，使己方目标以及己方的武器装备不被敌方的探测系统发现和探测到。1.隐身技术及其历史背景现代无线电技术和雷达探测系统的迅速发展极大地提高了战争中的搜索、跟踪目标的能力，传统的作战武器所受到的威胁愈来愈严重。隐身技术作为提高武器系统生存、突防以及纵深打击能力的有效手段已经成为集陆、海、空、天、电、磁六维一体的立体化现代战争中最为重要、最为有效的突防战术技术手段并受到世界各国的高度重视。隐身技术(又称目标特征信号控制技术)是通过控制武器系统的信号特征使其难以被发现、识别和跟踪打击的技术。它是针对探测技术而言的，在兵器研制过程中设法降低其可探测性，使之不易被敌方发现、跟踪和攻击的专门技术。简言之隐身就是使敌方的各种探测系统(如雷达等)发现不了我方的飞机，无法实施拦截和攻击。早在第二次世界大战期间，美国便开始使用隐身技术以减少飞机被敌方雷达发现的概率。当前电磁波隐身的研究重点是雷达隐身技术和红外隐身技术。由于在未来战争中雷达仍将是探测目标的最可靠手段，因此隐身技术研究以目标的雷达特征信号控制为重点，同时展开红外、声、视频等其它特征信号控制的研究工作，最后向多功能、高性能的隐身方向发展。2.隐身技术的工作原理隐身技术的主要就是反雷达探测。雷达是一种利用无线电波发现目标并测定其他位置的装置。雷达的问世使人类的探测技术和能力跨上了新的台阶，同时也向反探测技术提出了新的挑战。人们为了提高目标反雷达探测能力不懈地奋斗了几十年，终于探索到一条新的隐身途径。与早期的隐身术——伪装术相比，今天的隐身技术已起了根本变化，有了质的飞跃。下面从反雷达探测和反红外、探测两个方面简单介绍隐身技术的一些工作原理与隐身性能。1)反雷达探测开始隐身技术的一项主要工作是提高反雷达探测的能力：也3就是提高目标在雷达探测下的隐身性能。通常用目标的雷达散射界面RCS表示。所谓目标的雷达散射截面是指目标被雷达发射的电磁波散射中时其反射电磁波能量的程度。雷达散射截面的大小反映了目标反射电磁波能量的强弱，雷达就越不易探测到目标。2)反红外(热)探测开始隐身技术的另一项重要工作是提高反红外(热}探测的能力：也就是减小目标的红外（热）信号特征。发动机的尾喷管是红外探测器的主要红外（热）源。因此减小红外（热）信号特征主要是要减小发动机尾喷管或排气口的红外（热）辐射。3．隐身材料概述用于隐身目的的材料称为隐身材料。由于隐身技术能极大地提高武器的生存能力和作战效果，受到许多国家的高度重视，成为现代军事技术研究的关键技术。目前雷达在各种探测器中仍占主导地位。因此雷达波隐身材料是隐身技术中最主要和发展最快的隐身材料。雷达波隐身材料的基本性能要求是吸收雷达波，所以这种材科又称雷达吸波材料。我们所指的吸波材料也就是雷达波吸收材料，简称为RAM。吸波材料的研究始于第二次世界大战期间，起源在德国，发展在美国并扩展到英、法、俄罗斯及日本等发达国家。经过半个世纪的发展成绩斐然。第二次世界大战时，德国人曾用活性碳粉末充填天然橡胶片来包覆潜艇以降低被对方雷达发现的可能性。这可以说是最早的RAM，美国早期研制了一种称为防辐射涂料（HARP)布，是用像胶或塑料填充导电的鳞片状铝粉、铜粉或铁磁材料制成。这些早期的材料主要通过增加厚度来提高吸波性能，一般较重，用于舰船和陆地武装设备。从50年代起。美国等开展了较为系统的飞机隐身技术研究，经过20多年的发展，70年化开始研制隐身飞机，80年代隐身飞机装备部队并投入使用。现已装备的F-117A隐形攻击机、B-2战略轰炸机以及F-22先进战术隐身战斗机均采用了不同类型的隐身材料。其它大国也都投人大量人力物力研制吸波材料，己发展出不少新型的雷达吸波材料和吸波结构。高度的军事敏感性和技术保密性使当前高性能的RAM研究和应用情况笼罩在迷雾之中，但各科技机构的努力主要集中在以下两个方面：全新的吸收机理和吸收剂、计算科学的迅速发展和应用。总之，应运而生的RAM必将在这场世界性攻关研究中不断取得发展，并对今后的隐身反隐身技术的竟争产生深刻的影响。44.吸波材料的综合要求和分类4.1隐身技术对吸波材料的基本要求一、材料的化学稳定性应有较宽的温度范围。二、足够宽的工作频带中要求材料与空气有良好的匹配，使空气与材料界面间的总反射很小。这就要求材料有较好的频率特性。再通过合理的设计，充分利用材料的性能。三、要求吸波涂层材料的面密度小、质量轻，其中对隐身飞行器尤为关键。四、有高的力学性结强度4.2隐身材料的分类由于吸波材料种类繁多，吸波机理也不尽相同，目前有多种分类方法。主要有以下几种:1按材料成型工艺和承载能力可分为涂敷型和结构型。涂敷型吸波材料是将吸收剂与粘结剂混合后涂敷于目标表面形成吸波玻璃纤维等)增强的结构材料中所形成的结构复合材料，它具有承载和吸收雷达波双重功能。2)吸波型和干涉型按吸波原理分有吸波型和干涉型两大类。前者主要是材料本身对雷达波损耗吸收，后者则利用吸波层表面反射波和底层反射波的振幅相等、相位相反进行干涉相消。其中对于吸收型吸波材料按材料损耗机理可分为电阻型、电介质型和磁介质型。碳化硅纤维、导电高聚物、石墨等属于电阻型吸波材料。电磁能主要衰减在材料电阻上，钛酸钡之类属于电介质型吸波材料，其机理为介电极化弛豫损耗，磁介质吸波材料的机理主要归结为磁滞损耗和铁磁共振损耗。这类材料有铁氧体、多晶铁纤维等。3)传统型和新型按不同研究时期，吸波材料又可分为传统吸波材料和新型吸波材料。铁氧化、金属微粉、钛酸钡、碳化硅、石墨、导电纤维等均为传统吸波材料，而新型吸波材料则包括纳米材料、多晶铁纤维、“手征”材料、导电高聚物及电路模拟吸波材料等，它们具有不同于传统吸波材料的新吸波机理。在传统吸波材料中，铁氧体吸波材料和金属微粉吸波材料是两种研究得最多、性能最好、并已得到较广泛应用的吸波材料。而纳米材料和多晶铁纤维则是目前众多新型吸波材料中性能最好的两种。5传统吸波材料以强吸收为主要目标。新型吸波材料则要求满足“薄、轻、宽、强”，而未来吸波材科则应满足多频谱隐身、环境自适应、耐高温、耐海洋气候、抗核辐射等更高要求。以适应日趋恶劣的未来战场。其中多频谱隐身材料和智能型隐身材料将成为雷达吸波材料的发展方向。1)多频谱隐身材料迄今为止的吸波材料都是针对厘米波雷达，如俄罗斯高王雷达)、毫米波雷达(如荷兰翁鸟雷达、瑞典鹰雷达)等先进探侧设备而相继问世，要求吸波材料在不久的将来发展成为能够兼容米波、厘米波、毫米波、红外、激光等多波段电磁波隐身的多频谱隐身材料。单波段吸波材料在未来将不再具有实战意义。在同一目标上使用的材料不应再是单功能多层结构，而希望成为多功能材料，实现四个或五个波段以上的多功能隐身材料一体化设计。2）智能型隐身材料就象上述所讲的那样，智能型隐身材料作为一种新兴材料其应用会越来越广泛。美国制定的隐身材料研究目标中提出，2005年研制出可单独控制的辐射率/反射率涂层，2010年研制能自动对背景和威胁作出反应的自适应涂层体系。对此，世界其它军事强国也在积极运作中。隐身无人机所使用的隐身技术是很全面的。因此，隐身无人机的发展代表了隐身技术的最前沿。20世纪60年代，无人机开始用于军事领城。在1973年的中东战争和1982年的叙、以贝卡谷地之战中，无人机崭露头角，令人刮目相看。无人机大量、成规模地用于战争是在1991年的海湾战争中。以美国为首的多国部队使用了几百架无人机，飞行了几千小时，执行了大量的军事任务。目前，研究无人机对空中战争的影响和新一代多用途、隐身无人机的研制己经成为世界各国空军新的研究和发展之重点。美国是世界上最早把隐身技术用于无人机的国家。早在1960年初，美国就在Q-2无人机上部分地采用了隐身技术，用金属丝网罩住发动机进气道，在机身两侧贴数雷达吸波材料覆盖层，机头涂不导电的油漆。自此以后便有越来越多的无人机采用隐身技术。除美国之外，其它一些国家也开始研制生产这类无人机。根据隐身要求、方法和程度的不同，无人机隐身可以分为部分隐身和全面隐身两种。新的隐身机理（1）仿生技术试验证明，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6术，寻求新的隐身技术。（2）等离子体隐身技术实验证明，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。1999年初，俄罗斯克尔德什研究中心宣称，他们已研制成功完全不同于美国“常规”隐身技术的新机理飞行器隐身系统。其隐身方法是利用专门的机载等离子体发生器生成等离子体，然后通过等离子体吸收电磁波使飞机的雷达散射截面(RCS)减小。此外，受一系列物理作用的影响，电磁波急于绕过等离子体，也会使反射信号大大减弱。第一代系统可能已装到现有飞行器上，装上这种装置后，飞机的RCS减小近两个数量级第二代系统不仅可衰减反射信号，而且可生成许多假信号，这将大大增大跟踪飞行器的难度。第二代机载装置质量不超过100kg，能耗不超过几十千瓦。目前该中心正在根据新的物理原理，研制更有效的第三代隐身系统。美国对等离子体隐身技术也进行了大量的研究，取得了一些进展。20世纪90年代初，美国休斯研究实验室投资65万美元进行了一项为期两年的研究计划。在执行计划的第一阶段，休斯研究等离子体隐身的方法是测量电磁波在充满等离子体的矩形波导管中传播的透射和反射，以及它们随等离子体密度剖面和动量交换碰撞频率的变化，并将实验结果与理论进行了比较，在理论和实验上都取得了重要进展。在执行计划的第二阶段，休斯研制和验证了等离子体隐身模型组件，在实验室双锥辐射体微波散射实验中，所测的充满等离子体外壳对反射微波信号的衰减为37dB，采用小雷达波段测量了充满等离子体外壳的RCS减小量，其中频率在(4~14)GHz范围内的RCS减小量为(20~25)dB。美国的分子研究实验室也进行了大量的有关等离子体微波干扰方面的理论和实验研究，美国还在《国防部1997年基础研究计划》中提山了“中性等离子体效应可以为国防部的飞机和卫星提供隐身条件”。等离子体隐身机理：等离子体隐身主要是采取相关的技术途径在飞行器表面(周围)形成等离子体，并通过等离子体与电磁波的相互作用，对雷达波实施碰撞吸收、反射和耗散衰减。当存在磁场时，在等离子休中沿磁场方向传播的电磁波的极化方向会产生所谓法拉第旋转，从而使雷达接收的回波极化方向与发射时的不一致，造成极化失真。等离子体隐身技术与目前已经广泛应用的隐身技术相比具有很多优势。（1）改变了常规隐身技术的被动实现手段，采取了主动控制7方法实现隐身，使隐身系统便于维护。（2）不会影响飞行器的飞行性能和故术技术性能(3)使用简便,等离子体可做成能快速开、关的隐身系统。在通信或雷达系统尚未发送或接收时,通过快速打开等离子体,将能覆盖电磁波传输系统(4)吸波频带宽,吸收率高,隐身因素多且效果好(5)使用周期长,造价相对低廉,维护费用低。等离子体隐身技术作为新概念的飞行武器防御系统,目前在理论和试验上已经获得成功,如果在工程上一旦研制成功,将对未来空战产生革命性的影响。现有的一些大雷达截面飞行器,欲减小RCS可以采用等离子体作为隐蔽部件来实现,而无需做重大的结构改变。这样可暂时免去昂贵的重新设计，在电子战中使一些老装备的服役寿命得以延长。同时还可以研制不同的等离子体隐身系统用于船舶、机载平台和卫星，以抵御不同雷