隱身技術

隱身技術

隱形技術(stealth technology)俗稱隱身技術,準確的術語應該是“低可探測技術”(low observable technology)。即通過研究利用各種不同的技術手段來改變己方目標的可探測性信息特徵。

隱形技術是傳統偽裝技術的一種套用和延伸,它的出現,使偽裝技術由防禦性走向了進攻,由消極被動變成了積極主動,增強部隊的生存能力,提高對敵人的威脅力。

基本介紹

  • 中文名:隱身技術
  • 外文名:stealth technology
  • 俗稱:隱身技術
  • 別稱:低可探測技術
綜述,發展歷史,探索階段,發展階段,套用階段,主要技術,研發動向,各國發展,美國,俄羅斯,其他國家,探索原理,新型材料,反隱技術,相關內容,

綜述

例如:雷達和通信設備工作時會發出電磁波,表面會反射電磁波,運轉中的發動機和其他發熱部件會輻射紅外線,以及物體(如飛機)會反射照射向它的雷達波,這樣,就使武器裝備與它所處的背景形成鮮明對比,容易被敵人發現。通過多種途徑,設法儘可能減弱自身的特徵信號,降低對外來電磁波、光波和紅外線反射,達到與它所處的背景難以區分,從而把自己隱蔽起來。這就是“低可探測技術”。
藉助於中國古典武俠小說中有所謂“隱身術”一說,所以,俗稱隱身技術。隱形技術涉及到電子學、材料學、聲學、光學等許多技術領域,是第二次世界大戰後的重大軍事技術突破之一。
隱形技術包括:雷達隱形、紅外隱形、磁隱形、聲隱形和可見光隱形等。很多武器裝備,如飛機、飛彈、艦船、坦克、戰車水雷大炮等,都可以採取隱身措施把自己隱蔽起來。首先出現的是隱形飛機,通過降低雷達截面和減小自身的紅外輻射實現隱形。

發展歷史

隱形技術和武器系統的發展可以分為探索階段、發展階段、套用階段。

探索階段

(70年代以前)
飛機一出現,人們就企圖降低它的可見光特徵信號,後來,重點轉變為反雷達探測。在第二次世界大戰中,德國、美國和英國都曾嘗試降低飛機的雷達特徵信號。德國潛艇通氣管採用過能夠吸收雷達波的塗料。
60年代中期以後,一體化防空系統效能得到很大提高,提高飛機生存能力的重要性和迫切性變得異常突出,西方國家研究出了一些戰術和技術對抗措施,並研製出U-2、A-12、YF-12、SR-71、D-21等具有一定隱形能力的飛機。但由於缺少提高生存能力的系統方法,更缺少支撐隱形的先進技術,所以還沒有出現真正的隱形武器系統。

發展階段

(70年代至90年代初)
在採用降低特徵信號以提高飛機生存能力的強烈需求推動下,提出了研製以降低雷達截面為主要目標的、實用的、真正的隱形飛機的要求;由於理論,以及計算機、電子、控制、材料技術的進步,以減小雷達截面為主要目標的實用的第一代隱形飛機——F-117 A“夜鷹”於1975年問世。美空軍1981年開始發展第二代隱形飛機——B-2隱形轟炸機
此外,F-16C、F/A-18C/D、B-1B等也採用了部分隱形技術,隱形技術還被推廣到各種飛彈、直升機、無人機、水面艦艇當中。潛艇的噪聲以每10年降低10~20分貝的速度下降,世界上最好的核潛艇的噪聲已經降低到90~100分貝,低於海洋環境噪聲(115分貝)。

套用階段

(90年代以後)
第二代隱形飛機研製成功,第一、第二代隱形飛機多次參加軍事行動,取得顯著戰果。開始研製第三代隱形飛機。隱形技術嚮導彈、艦艇、直升機、戰車,甚至彈藥、地面設備、服裝和機場等領域推廣和移植。
美空軍於1993年12月開始部署B-2隱形轟炸機,這是集低可觀測性、高空氣動力效率和大載荷於一身的第二代隱形飛機,採購數量為21架。
美英F-35將採用與別國同型機不同的隱身技術美英F-35將採用與別國同型機不同的隱身技術
美空軍於80年代開始設計F-22“猛禽”戰鬥機,1993年開始研製“聯合攻擊戰鬥機”,它們都屬於第三代隱形飛機。
隱身飛機開始大量參加戰鬥是這個時期的一大特點。1991年海灣戰爭期間,美在海灣部署的43架F-117A隱形飛機出動了1271架次,攻擊了伊拉克40%的戰略目標。1999年6架B-2隱形轟炸機首次參加科索沃軍事行動,共出動40架次,投下500枚“聯合直接攻擊彈藥”,總重450噸。

主要技術

採用獨特的外形設計和吸波、透波材料,以降低飛機對雷達波的反射;降低飛機發動機噴氣的溫度或採取隔熱、散熱措施,減弱紅外輻射
美國的F-117A隱形戰鬥轟炸機(現已退役)、B-2隱形轟炸機已經裝備部隊,正在研製的F-22隱形戰鬥已於2005年服役。隱形技術在艦艇上也得到套用,例如美國海軍“阿利·伯克”級驅逐艦的上層建築就是如此,瑞典製造的隱形艇已開始試航。潛艇的降噪措施則屬於聲隱形技術。此外,隱形坦克、隱形裝甲車、隱形火炮、隱形巡航飛彈等多種隱形水雷也在研製中。

研發動向

隱形技術的出現促使戰場軍事裝備向隱形化方向發展。由於各種新型探測系統和精確制導武器的相繼問世,隱形兵器的重要性與日俱增。以美國為首的各軍事強國都在積極研究隱形技術,取得了突破性進展,相繼研製出隱形轟炸機、隱形戰鬥機、隱形巡航飛彈、隱形艦船和隱形裝甲車等,有的已投入戰場使用,在戰爭中顯示出巨大威力。同時,反隱形技術也在深入發展,並不斷取得新成就。

各國發展

美國

美國隱形兵器居世界領先地位
美國的隱形兵器發展較快,居世界領先地位。它的F-117A、B-2、F-22等隱形飛機代表當今世界隱形兵器的先進水平。F-117A隱形攻擊機已投入實戰,在局部戰爭中發揮了重要作用。第一架B-2隱形轟炸機已於1993年12月開始服役,空軍轟炸機聯隊裝備的B-2隱形轟炸機有6架已具備初始作戰能力。
第一架F-22已於1997年9月7日首次試飛成功,其設計兼顧了超聲速機動和隱形特性。F/A-18E/F飛機上採用了具有抗蝕性的吸波材料,這是隱形技術領域的一個突破。
在現有隱形飛機的基礎上,美國不斷開拓新項目的研究,研製新型隱形飛行器以及其他新式隱身裝備。例如,正在實施“聯合攻擊戰鬥機(JSF)計畫”,旨在研製多用途隱形戰鬥機;世界著名的“暗星”(即蒂爾Ⅲ?隱形無人機已於1996年3月29日首次飛行成功;正在研製AGM-137三軍防區外隱形攻擊飛彈和隱身電動戰車;正在實施旨在提高海軍潛艇隱形性能的秘密計畫(“M計畫”);諾思羅普·格魯曼公司正在研製一種攻擊型隱形無人戰鬥機和一種能模仿隱形飛機的新型誘餌;空軍正在考慮發展一種遠程隱形運輸機;陸軍已設計出一種隱形帳篷,擬從2000年開始取代部隊的老式木製、纖維制帳篷;陸軍將與英陸軍合作,研製隱形偵察車;正在開發各種隱形工事和隱形機庫,以保護停放在裡邊的通信車、飛機和飛彈等裝備。

俄羅斯

俄羅斯不甘落後,積極發展先進的隱形兵器
隱身技術問世以來,前蘇聯與美國一直在競相發展隱形飛機。當今的俄羅斯也不甘落後,它已開始研製隱形的輕型多用途第5代戰鬥機(LFI)和S-54戰鬥機,與美國的JSF相當,預計在本世紀末前研製成功;米高揚設計局正在研製一種中型隱形戰鬥機“米格-35”;蘇霍伊設計局的S-32隱身戰鬥機的驗證機已於1997年9月25日首飛成功;俄空軍還正在研製一種與美空軍B-2轟炸機相似的新型隱形戰略轟炸機;俄羅斯的隱形軍艦令人矚目,已有4艘交付使用。

其他國家

其他國家的隱形技術套用也取得了明顯進展
除美、俄外,英、法、德、日和瑞典等國都在積極發展隱形兵器。英國國防部制定了一項研製第三代隱形攻擊機的秘密計畫,預計2000年前製造出試飛樣機;英國防研究局正在研製一種隱形裝甲戰車,並已研製成功隱形軍艦和一種新型隱形教練水雷。法國正在研製類似於美國F-117A隱形攻擊機的試驗樣機;已研製出一艘全部採用隱形技術的護衛艦;開始研究下一代隱形的高超聲速攻擊飛彈,預計2010年前後服役;正在研製裝備“電動車輪”的隱形裝甲車。德國一直在秘密地執行“螢火蟲隱形飛機計畫,擬研製一種多面體隱形戰鬥機的3/4縮比風洞試驗模型;與南非和韓國可能合作研製一種全尺寸的新型隱形輕型超聲速戰鬥機/先進噴氣教練機,命名為AT-2000;還與美、英、法達成協定,共同研究高能量、低信號特徵的推進劑;已研製出MEKOA系統隱形艦。日本已經研製出FS-X隱形戰鬥機的原型機,並正在籌劃下一代隱形戰鬥機的初步設計方案(隱身技術與高機動性相結合),稱為FI-X;還正在研製一種隱形無人航空器。瑞典研製成功了一艘隱形炮艇,並已下水試航;正在研製一種小型隱形護衛艦,首艘將於本世紀末或下世紀初服役。此外,義大利、西班牙和印度等國也正在研製隱形飛機

探索原理

電漿
實驗證明,用等離子氣體層包圍諸如飛機、艦船、衛星等的表面,當雷達波碰到這層特殊氣體時,由於電漿層對雷達波有特殊的吸收和折射特性,使反射回雷達接收機的能量很少。例如,套用等離體技術可使一個13厘米長的微波反射器的雷達平均截面在4~14吉赫頻率範圍內平均減小20分貝,即雷達獲取的回波能量減少到原來的1%。美國休斯實驗室已進行了這方面的實驗。
仿生技術
試驗證明,海鷗雖與燕八哥的形體大小相近,但海鷗的雷達反射截面比燕八哥的大200倍。蜜蜂的體積小於麻雀,但它的雷達反射截面反而比麻雀大16倍。有關科學家們正在研究這些現象,試圖採用仿生技術,尋求新的隱身技術。
微波傳播指示
這種技術是利用計算機預測雷達波在大氣中的傳播情況。大氣層的變化(如濕度、溫度等的變化)能使雷達波的作用距離發生變化,使雷達覆蓋範圍產生“空隙”(即盲區),同時雷達波在大氣里傳播時要形成“傳播波道”,其能量集中於“波道內”,“波道”之外幾乎沒有能量。如果突防兵器在雷達覆蓋區的“空隙”內或“波道”外通過,就可避開敵方雷達的探測而順利突防。

新型材料

隱形材料是隱身技術發展的關鍵。世界軍事大國正在開發以下幾種新型隱形材料:
手性材料
(chiralmaterial)。手性是指一種物體與其鏡像不存在幾何對稱性且不能通過任何操作使物體與鏡像相重合的現象。研究表明,具有手性特性的材料,能夠減少入射電磁波的反射並能吸收電磁波。用於微波波段的手性材料都是人造的。採用手性材料的結構與微波相互作用的研究始於50年代,到80年代,有關手性材料對微波的吸收、反射特性的研究才受到一些研究部門的重視。研究的雷達吸波型手性材料,是在基體材料中摻雜手性結構物質形成的手性複合材料。
納米隱形材料
近幾年來,對納米材料的研究不斷深入,證明納米材料具有極好的吸波特性,因而引起研究人員的極大興趣。美、法、德、日、俄等國家把納米材料作為新一代隱身材料進行探索和研究。
導電高聚物材料
這種材料是近幾年才發展起來的,由於其結構多樣化、高度低和獨特的物理、化學特性,因而引起科學界的廣泛重視。將導電高聚物與無機磁損耗物質或超微粒子複合,可望發展成為一種新型的輕質寬頻帶微波吸收材料
多晶鐵纖維吸收劑
歐洲伽瑪(GAMMA)公司研製出一種新型的雷達吸波塗層,系採用多晶鐵纖維作為吸收劑。這是一種輕質的磁性雷達吸收劑,可在很寬的頻帶內實現高吸收效果,且重量減輕40%~60%,克服了大多數磁性吸收劑所存在的過重的缺點。
智慧型型隱形材料
智慧型型隱形材料和結構是80年代逐漸發展起來的一項高新技術,它是一種具有感知功能、信息處理功能、自我指令並對信號作出最佳回響功能的材料和結構,為利用智慧型型材料實現隱形功能提供了可能性。
隱形技術正向著綜合運用、權衡隱形性能和其他性能、擴展頻率範圍和套用範圍、降低成本等方向發展。
超材料
隱形技術中最大有可為的新進展或許是一種叫做“超材料”的奇異材料,有朝一日它也許真的能讓物體隱形。具有諷刺意味的是,超材料曾被認為是不可能存在的,因為它違反了光學定律。然而,2006年,北卡羅來納州杜克大學(Duke University)和倫敦帝國理工學院(Imperial College)的研究者成功挑戰傳統概念,使用超材料成功讓一個物體在微波射線下在2維平面上隱形。我們有史以來頭一次擁有了能使普通物體隱形的方案(五角大樓的國防高級研究計畫署[The Pentagon’s Defense Advanced Research Project Agency,DARPA]資助了這一研究)。2010年,來自德國卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruher Institut für Technologie ,KIT) 和倫敦帝國理工學院(Imperial College)的研究者成功讓金膜塊在1.4到2.7微米波下在3維空間中成功隱形,離在可見光(可見光波長0.4~0.7微米)下達到隱形又向前推進了一步。

反隱技術

隱形技術的迅速發展對戰略和戰術防禦系統提出了嚴峻挑戰,迫使人們考慮如何摧隱形身兵器並研究反隱形技術。隱身技術與反隱形技術的發展,是相互制約、相互促進的,無論哪一方有新的突破,都將引起另一方的重大變革。反隱形技術的發展方向是:綜合運用,系統綜合(集成),開發新的反隱形技術理論。
由於隱身技術的研究主要是針對雷達探測系統的,所以,反隱形技術的發展重點也是針對雷達的。雷達實現反隱形的技術途徑主要有以下三個方面:1提高雷達本身的探測能力;2利用隱形技術的局限性,削弱隱形兵器的隱形效果;3開發能摧毀隱形兵器的武器。
美、俄、英、法、日等國家都在積極發展反隱形技術,取得的進展主要表現在以下幾個方面:
加緊研究高靈敏度雷達
高靈敏度雷達通常包括:先進的單基地雷達(寬頻帶/超寬頻帶雷達、超視距雷達)、雙/多基地雷達毫米波雷達、超高距離解析度雷達、合成孔徑/逆合孔徑雷達、多功能相控陣雷達雷射雷達等。美國的高靈敏度雷達正處於研究、樣機試驗階段。預計,高靈敏度雷達技術,如研製穩定度更高的頻率發生器、信號處理能力更強的系統以及動態範圍更寬的接收機和模擬/數字轉換器等方面,將會有新的突破。
擴展雷達的工作波段
由於隱形兵器的設計通常是針對厘米波段雷達的,因此,將雷達的工作波段向米波段和毫米波段甚至紅外波段和雷射波段擴展,都將具有一定的反隱形能力。美軍正在建造工作在米波段的AN/FPS-118超視距預警雷達;已研製成功一種海軍用的可調防的小型戰術超視距雷達;美空軍計畫為“愛國者”防空飛彈安裝35千兆赫的毫米波雷達導引頭,並開始進行雷射雷達預警系統的研究工作。
改變雷達系統安裝位置
隱形飛行器的隱形重點一般放在鼻錐方向±45°角範圍內。因此,將探測系統安裝在空中或衛星上進行俯視,可提高探測雷達截面較小目標的機率。美空軍的E-3A預警機(載高脈衝重複頻率的脈衝都卜勒雷達)和海軍正在研製的“鑽石眼”預警機(載有源相控陣雷達)以及高空預警氣球(載大型孔徑雷達),都能有效地探測隱形目標。美國還正在研製預警飛艇、預警直升機、預警衛星等。此外,俄羅斯、英國、印度等國都很重視發展預警機的工作。
提高雷達的探測能力
美國正在用先進技術將現有雷達加以改進。通過採用頻率捷變技術、擴頻技術、低旁瓣或旁瓣對消、窄波束、置零技術、多波束、極化變換、偽隨機噪聲、恆虛警電路等技術,來提高雷達的抗干擾能力,進而提高雷達的探測性能。通過採用功率合成技術和大時寬脈衝壓縮技術,來增加雷達的發射功率。雷達接收機通過採用數字濾波電荷耦合器件、聲表面濾波和光學方法等先進技術來提高信號處理能力。在此基礎上,再通過雷達聯網來提高雷達的反隱形能力。
開展微波武器研究
隱形兵器主要是通過採用吸波材料結構吸波材料和吸波塗層)達到隱形的。但是,當它遇到高功率微波波束時,會受損害甚至失去戰鬥能力。美國正在加緊研究高功率微波武器,一種可重複發射的高功率微波武器處於預研階段,另一種高功率微波彈頭處於演示階段。俄羅斯已研製出方向性很強的高功率微波武器,可用手榴彈、迫擊炮、火炮或飛彈投擲。

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納米織造隱身衣
納米級微小粒子組成的超材料可以讓光線拐彎,繞過障礙物。被超材料包裹的人,怎樣在不被看到的情況下看到外面?美國的材料學家關於超材料的發現和中國物理學家的反隱形材料研究,讓隱形不再遙不可及。
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弗拉吉米爾·沙拉耶夫(Vladminr Shalaev)造出了隱身衣。他不會魔術,也不懂魔法,身為美國印地安那州普渡大學的材料學專家,他通曉材料反射光線的秘密:“假如一樣東西反射的光線根本沒有到達你的眼睛會怎樣?就跟你背對著它一樣吧。”但是我們都知道怎樣看見背對著的東西——只要有一面鏡子幫助光線反射到我們的眼睛就成。“不過,即使你面對隱身斗篷,你還是看不見它。不僅如此,你會看到本應被它阻擋的東西。因為只要沒有光從它上面反射到你的眼睛,你就看不到它。”
所謂“超材料”就是超出自然界固有的普通性質,具有超常材料功能的人工複合材料。它們並不存在於自然界,而是完全由科學家們在實驗室研製出來。因此,科學家們儘可能根據需要賦予它們天然材料所不具備的超常物理性質,最終突破某些自然規律表現的限制。事實上,在自然界中確實存在著讓光反射異常的材料。例如天然蛋白石就因其具有不完全光子帶隙結構而有著強烈的反光,並且向不同的角度發射出不同的顏色光彩。這種光子帶隙結構在蝴蝶翅膀、孔雀羽毛以及海老鼠的毛也存在,正是它們使本來無色的生物體由於結構的發光而呈現出閃爍斑斕的色彩。
利用方解石隱形
2013年3月1日訊息,據國外媒體報導,科學家張柏樂(Baile Zhang)在一項流行技術大會上揭開他的起源於《哈利-波特》小說的“隱身衣”技術。他表示,他研製的隱身衣與其說是一項徹底的物理學突破,不如說是一項興趣愛好。
利用方解石隱形利用方解石隱形
張柏樂博士2013年2月25日在美國加利福尼亞州長灘舉行的享有盛譽的TED2013 會議上展示了他的發明——“肉眼看不見的隱身衣”。儘管他的裝置只是一個盒子,而不是隱身衣,但二者的目的都一樣,都是為了彎曲物體周圍的光線,達到肉眼看不到的目的。張柏樂說,2010年他提出這種想法,並“只是為了好玩”製造了該裝置。他在上傳到YouTube的一段視頻上演示了該裝置,通過這個盒子讓一個捲起的便利貼消失不見了。只要便利貼位於隱身衣後面,人們就無法看到它。這段視頻上的演示與在TED2013上的演示不同。張柏樂稱,他把兩片方解石(一種能夠彎曲光線的碳酸鹽礦物)貼上在一起製成這個盒子。
隱形和反隱形
隱形材料一直沒有被發現過,直到沙拉耶夫用人造原子、中繼原子等工程學方法製造出超材料。這種超材料具有在三維空間整齊布陣的微小粒子,而且它們的尺寸達到了納米級,在掃描探針顯微鏡觀察下呈現出有序的微觀結構:“當微觀結構的尺寸與光波的波長相當時,就能夠表現出某些光學和電磁學上的特異性。而我的材料結構比光波波長還小。”
事實上,普通的材料無論如何看似光滑,對於微粒子來說都好像雨點打在鳥巢體育場那樣大的粗糙核桃殼上一樣,總是會向各個角度產生反射。只有把結構做到比光子還要小,才有可能做出足以讓光線如同激流經過鵝卵石一般的流線體。沙拉耶夫正是這樣完成了他的隱身衣的材料。隨後,他依靠一排從中心點開始像一個圓形的梳子沿輪輻方向向外輻射的微型針,將光的折射和扭曲減少到幾乎為零,使得圍繞著隱身衣的光線發生彎曲,致使人們看不見斗篷。
2008 年10 月,沙拉耶夫在美國《科學》雜誌上把隱身衣的秘密公諸於世,同時向人們宣布:“只有超材料才能織就隱身衣。” 然而他志得意滿之際似乎忽略了一個事實:當隱身衣把他遮得嚴嚴實實的時候,他也成為一隻被縫在布袋裡的小白鼠。別人看不見他,而他也什麼都看不見。除非他挖兩個洞露出眼睛,但是兩顆懸在空中眨巴眨巴的大眼睛也足夠把觀眾們驚倒了。必須再給隱身衣設計一副配套的墨鏡,才能做到完全隱身。
如果說,讓人看不到墨鏡的裡面就好比隱形技術;那么,讓戴墨鏡的人能清楚地看到外面則可以稱為反隱形技術。沙拉耶夫所沒有解決的反隱形技術其實早已開始被其他科學家關注。
2007 年11 月,上海交大的陳煥陽博士在美國《套用物理快報》上公布了他對抗隱形技術的研究結構。他和同事們設計出一種光學屬性與那些隱形斗篷完美匹配的材料:“用術語來說,就是一種各向異性負折射率材料,它的阻抗與隱形斗篷的正折射率相匹配。” 事實上,它的原理有點像是給手槍裝上消音器:用相同頻率的聲波的波峰來填補所發出的聲音的波谷,最終完全抵消空氣振動。其實,沙拉耶夫只要將這樣的反隱形材料貼在隱身衣上,就可以讓一些光線按照指定的路徑滲透進來,從而部分抵消隱身衣的效應。
陳煥陽和同事們研究的反隱形技術在隱身衣內產生了破壞隱身性能的效果,這已經初步解決了隱身衣內外之間無法通訊的問題。事實上,陳煥陽也同時在進行著隱形技術的研究,只不過不是為了做衣服。在他的構想中,可以利用隱形技術做出一道隱藏之門的設計:用隱形技術製作的材料置於大門的中間,就能讓門看上去像是和周圍的牆一樣;而在門內的人則能夠通過反隱形技術觀察到外面的人的一舉一動。這項技術也許將被開發于軍事領域,難怪美國前駐華武官在美《防務新聞》網站上援引此例驚呼未來中國將對美國的隱形武器構成巨大威脅。

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