隐形飞机隐身技术的基本原理

�� � � 年第 � 期 物理通报 技末中钓物理学 隐形飞机隐身技术的基本原理 刘廷贤 �炮兵指挥学院物理教研室 。� ��� �� � 隐身技术概述 � � �� 年 �� 月 �� 日 ,美国空军的 � 架 �一�� �� 型隐形战斗机 , 成功地躲过了几个国家的雷达系统 的监视 , 袭击了巴拿马里奥阿托机场附近的两个军 营之后 , 顺利返回基地 � �一 ��� � 是如何躲过雷达 系统的监视的呢�这是因为在这种飞机上广泛采用 了隐身技术 � 隐身技术 , 又称隐形技术 , 或称“低可探溯技 术” � 它是通过降低目标的信号特征 ,使其难以被发 现和识别的技术 � 它综合应用了诸如流体动力学 、 电磁学 、光学 、 声学 、 材料科学 , 等众多学科的研究 成果 � 是传统的伪装技术在高技术条件下的发展和 延伸 , 是第二次世界大战以后军事技术的重大突破 之一 由于现代战场上的侦察探测系统主要有雷达 、 红外、 电子 、可见光 、声波等 , 因此也相应地发展了 反雷达探测 、反红外探测 、反电子探测、反可见光探 测 、 和反声波探测等隐形技术 � 由于雷达是世界上 最重要的侦察装置之一 , 反雷达探测自然成为一种 最重要的隐形技术 � 目前隐形飞机上应用的主买也 是反雷达探测隐形技术 , 雷达在侦察 目标时 , 首先发射出电磁波 , 当电 磁波遇到金属 目标时 , 会发生散射 , 如果雷达能接 收到散射波就能够通过对散射波的分析 , 确定目标 的位置 、性质、运动速度等信息 � 如果雷达接收不到 散射波也就无法发现 目标 , 因此 , 隐形技术的关键 就是要减少 目标散射到雷达天线所在位置的电磁 波的能量 � 为达此目的在反雷达探测隐形技术中主 要采取了三种技术措施 � 即隐身外形技术 、吸波材 料技术和透波材料技术 � � 蓦本的反 , 达探测隐身技术 � � � 隐身外形技术 电磁波的散射与散射体的几何形状密切相关 , 合理设计 目标的外形是反雷达探测隐身技术的重 一 � � 一 要措施之一对德形飞机的外形设计采用的主要措 施是 � �� 消除能产生角反射器效应的外形粗合· 角 反射器效应 , 指当雷达波属射目标时 � 目标上的两 面体或角体结构产生的散射� 两面体是且标上相互 垂直的两个金属面所形成的雷达碑反射区城 � 如 飞机的水平尾具和季直尾具构成的直翅就是这种 两面体· 如图 � 所示 , 入射的苗达波会在两个表面 上接连产生两次反射 ,最后又逆着人射神的方向传 到雷达接收机 � 因而两面体结构 对隐身是不利的 · 带要说明的 是 ,两面体的两个表面可鲜不接 触 , 只要互成 助�角林会产生角 反射器效应 , 普通飞机上实际存 ��声�乙图 入, 在许多这类两面体 , 如水平安定面常与水平易其成 �� � 角 �机具下的武器挂架与机典下表面成砂角 � 挂架上携带的导弹和炸弹的十字娜和舵面也有这 种作用 ·三个互成 �� � 角的平面构成的角体或称角 反射器 ,能将更多的熊盘沿发射波的方向反射回接 收机 , 虽然飞机不具有这样的外形存征 ,饵�机的 座仓盖对雷达波是进明的 ,座仓内的零娜件上有许 多小平面 ,极易构成随机性的角乓射器一另妙·腔体 结构与角体结构类似 ·也是雷达披的强反射源· 为 了消除这些能产生角反射器效应的外形组食夕在隐 形飞机上采取的措施是 � 单垂直尾典改为内娜式双 垂 直尾翼 �合理设计座仓盖 , 不让雷达镇进入座仓 内 , 采用异型发动机进气口 、长而弯珍的台形甚至 � 形进气道 �取消外挂架 , 遮档炮口 、传感器窗口和加 油 口等 , �� 进免采用能产生镜面反射的外形络构· 雷 达波沿目标表面的法线方向照射到自标上时 , 所产 生的反射叫镜面反射, 镜面反射波是雷达接收到的 回波中的主要组成部分 � 为了避免镜面反射 , 具体 措施是 � 避免采用大的平面和大的凸状弯曲面 , 外 � � � � 年第 � 期 物理通报 技术中的物理学 形结构采用多面体结构 , 用多方向的小镜面反射代 替小角度的能 � 集中的大镜面反射 � �� � 合理设计机冀和尾冀 , 机其和水平尾翼的 前后缘都是绝好的雷达波反射体 � 为了避免它们反 射的雷达波进入雷达接收机 , 常采用后掠冀或三角 翼 , 使其反射的雷达波偏离雷达的探测方向 � �� � 采用导电材料弥合缝隙 , 以避免行波产生 的二次辐射 � 当雷达波以较小的入射角照射到诸如 机体 、导弹弹体 、油箱 、机翼下的外挂物等细长目标 司红溉洲介行了斗· 二次拍封欢 二说 � 盯从 图 � 时 , 会在目标表面 产生表面行波 , 如 图 � 所示 � 行波运 动时产生二次辐 射 , 辐射的电磁波 遵守“反射角等于入射角 ”的 , 偏离了雷达波的 入射方向 , 不会被雷达接收机接收到 � 但是 , 当行波 运 动到结构端部或不连续处时 , 如运动到接缝 、间 隙、 表面材料导电性能的突然变化处 , 或形状的突 然变化处时 , 就会发生反射 , 行波沿原路返回 , 同时 也发生二次辐射 , 此时辐射的电磁波逆着入射波的 方向指向雷达 , 能够被雷达接收机接收到� 为了避 免这样的二次辐射 , 就要用导电材料弥合缝隙 � 并 同时取消常规的副冀 、襟其和扰流片 , 使机体上下 表面的形状都没有突变点 � 由于 �一� �� � 隐形战斗机上综合采用了隐身 外形技术 , 它的外形恰似一个三角形的飞镖 , 初次 见到它的人很难认出它是一架飞机 � � � � 隐身材料技术 隐身材料技术是正在兴起的一种反雷达探测 技术 � 隐身材料分为吸波材料和透波材料 � 吸波材 料能够吸收雷达照射在它上面的电磁波 , 以减少其 反射回雷达接收机的能量 � 透波材料对电磁波是透 明的 , 当雷达波照射到它的表面时不会发生反射 � 通常透波材料起的作用并不大 , 主要使用的是吸波 材料 � 按其工作原理可以把吸波材料分为两大类 , 即谐振型吸波材料和宽频带型吸波材料 � 图 � ��� 谐振型吸波材 料 这 是一种多层结 构 � 其工作原理是 � 通 过使不同层的界面反 射的电磁波发生相消 干涉 , 从而消耗电磁波的能量 ,如图 � 所示 � 象图 � 这样的双层结构 , 只能吸收具有特定波长的电磁 波 , 还不能满足实际应用的需要 ,这是因为雷达波 的波长范围是比较宽的 � 为此需要设置多层吸波材 料 � 但是 ,这样做势必加大飞机的重量和体积 , 因此 这种吸波材料的应用受到一定的限制 � �� � 宽频带吸波材料 此类吸波材料包括介电型 、 铁磁型 、 和新机理 型吸波材料三类 � 介电型吸波材料的电阻率较大 , 其工作原理 是 � 当它受到电磁波的照射时 , 材料的分子会随交 变 电磁场运动 , 从而引起能量的消耗 � 通常通过将 碳和耗能材料加入聚氨脂泡沫之类的基体中制造 这类材料 � 其特点是极盖的频率范围较宽 � 频率越 高越有效 � 材料越厚吸收作用越强 ‘最多可能吸收 掉入射的电磁波能量的 �� 呱 � ”呱 � 铁磁型吸波材料中存在磁偶极子 , 它的工作原 理是 � 当受到雷达波照射时 , 其中的磁偶极子随电 磁波而运动 , 从而使能量消耗掉 � 这种吸波材料的 特点是 �吸波的效率高 , 在同样的条件下 ,铁磁型吸 波材料的厚度只有介电型吸波材料厚度的 � � � �� 在 低频时吸波的效率最高 � 它常作为涂层被使用 , 因 而被称为涂料型吸波材料 � 新机理型吸波材料的工作原理是 � 当它受到电 磁波的照射时 ,其分子会进行一种轻微而短暂的重 新排列 , 从而吸收电磁波的能量 � 其对雷达波能� 的吸收能力大于铁磁型吸波材料 , 而重量却仅是后 者的 � � � � � 现正在发展中� 按使用的不同 , 可将上述吸波材料分为涂 料型和结构型 � 涂料型吸波材料涂敷在目标表面 , 所使用的是高性能的铁磁型吸波材料 · 涂料层薄 , 但容易脱落 , 所以又发展了结构型吸波材料 � 此类 材料多为介电型吸波材料 , 它们用来制造机身、机 翼等 � 但由于强度不高 , 所以使用范围受到一定的 限制 � 在隐形技术中实际使用吸波材料时 , 往往是将 前述谐振吸波材料与宽频带型吸波材料组合在一 起 , 综合利用 , 互相取长补短� 例如 ,铁磁型吸波材 料在低频率时最有效 , 而介电型吸波材料在高频时 最有效 � 如果把它们组合在一起 , 它们能够吸收掉 的电磁波的波长范围就会更宽 , 从而使它们更适合 隐形技术的需要 � 一 � � 一 � � � � 年第 � 期 物理通报 生活中的如理学 浅析跳伞过程中的速度变化规律 璐振海 魏瑛源 �张掖师专物理系 了� �。。�� �张掖师专数学系 �� �� �� � 物体在阻尼介质中竖直下落时 , 由于受到的粘 滞阻力正 比于速度 , 的一次方或二次�方 , 故当经过 一段时间后 , 竖直方向所受的力会达到平衡、, 之后 物体的速度稳定于某一极大值 , 此速度称为收尾速 度 � 但若物体在阻尼介质中做平抛运动时 , 物体速 度的变化会有所不同 , 搞清此变化对于实际间题有 一定指导意义 � 据文献〔�〕介绍 �跳伞员从水平飞行 的飞机跳出 , 之后跳伞员的速度将通过一个极小 值 , 跳伞员必须等待这个速度极小值以减小开伞时 的震动 � 本文试图定性半定量地分析此过程中速度 的变化规律 , � � 动力学特征 � 跳伞员的跳伞过程可视作物体在阻尼介质中 的平抛运动 � 在此过程中 , 动力李方程为 ’ � 蕊� 二奋� 了�� � 一 �� � 为了确定空气阻力 � 与速度 。 的关系 ,我们先估算 雷诺数的大小 阁 � �。� 一音‘�� � � � �幻 式中产为介质密度 , � 为物体洽垂直子运动方向的 横截面面积 , ‘ 为阻力系数 , 与物体的大小形状有 关 � � 张伞前的盆度变化规律�湍黔棘羁上投影得 �巧 二� , � 功 了 � 一为巩 � � � , 二 , ��� , � � 不 � 共 尽忽� , 一爪哪� 近似地取作 �飞 � � � ,则 , 月召二 沈口子 一 如王贾 � � 一 ��� 玩急 一 , � � ��� 一一�一丛��热�� 初始条件 � � � 。时 , 叭 “ 。。 , 隽 ” 。�将�� 〕簇盯两式 分离变量后积分可得到 。, 、二, 随 , 的变化娜捧为丝�一一况� 取 尸� � � � ��� · � 一 � , 乎� � � �� � � � 一 �几 · � � , 」 � , �� � � · � 一 , , � � � � , 可得到 � � � 勺 � � � � 又 � � � 根据这一结果 , 可将阻力近似地取为闭 消号蕊 一 � � �一抨行兴粤 �� � 反留达探测技术的局限性 反雷达探测隐形技术虽然有了很大的发展 , 并 在飞机上得到了广泛的应用 ,但它仍然存在一定的 局限性 � 例如 , 隐身外形设计往往会在一定程度上 影响飞机的气动性能 ,使飞机的机动性降低 ,采甩 异型进气 口和 � 型进气管 , 会降低发动机的功率 � 飞机取消外挂架 , 只靠机内装载 , 会减少载弹量 � 采 用吸波材料会使飞机的重量、体积都增大 , 降低其 战术技术性能 ,等等 � 因此 ,各项反雷达探树隐形技 术的使用都只能是有限的 , 只能综合平衡 , 折衷考 一 � � 一 虑 , 正因为如此 , 尽管现在的隐形飞机上广泛采用 了各种隐身技术 ,但至今只能降低其被探侧概率 , 而不能达到完全隐身的目的、 ‘ 参考文献 � 丁鹭 飞 ‘ 雷达原理 � 北京 � 西北龟讯工程学决出版社 , � �� � 几 一 ‘ � � 中国人民解放军总参谋部 总政洽部 , 高科技在军事 领域的应用及对作战 的影响 � 北京 , 人一出版社 , �� � � � �