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战斗机隐身涂层材料技术全解密

2018-01-26 11:45:07
作者:本网发布
来源:《腐蚀防护之友》

隐形涂料是涂料家族的神秘一员。它并不是科幻作品中的“隐身”,而是军事术语中指控制目标的可观测性或控制目标特征信号的技巧和技术的结合。目标特征信号是描述某种武器系统易被探测的一组特征,包括电磁(主要是雷达)、红外、可见光、声、烟雾和尾迹等 6 种特征信号。

    隐形涂料是涂料家族的神秘一员。它并不是科幻作品中的“隐身”,而是军事术语中指控制目标的可观测性或控制目标特征信号的技巧和技术的结合。目标特征信号是描述某种武器系统易被探测的一组特征,包括电磁(主要是雷达)、红外、可见光、声、烟雾和尾迹等 6 种特征信号。因为据统计,空战中飞机损失 80 ~ 90% 的原因是由于飞机被观测。降低平台特征信号,就降低了被探测、识别、跟踪的概率,因而可以提高生存能力。降低平台特征信号不仅仅是为了对付雷达探测,还包括降低被其它探测装置发现的可能性。隐身是通过增加敌人探测、跟踪、制导、控制和预测平台或武器在空间位置的难度,大幅度降低敌人获取信息的准确性和完整性,降低敌人成功地运用各种武器进行作战的机会和能力,以达到提高己方生存能力而采取的各种措施。

 

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    隐形涂料是用于飞机、军舰、坦克等装备外表,做反雷达探测及防止电磁波泄漏或干扰的一种材料,隐身材料与隐身设计有机结合,形成一门新技术,即隐身技术。隐身技术要求隐光、隐电、隐磁、隐声、隐红外,是一门综合技术。

    现代隐身技术主要分为电磁波隐身技术和声波隐身技术。

    隐身涂料分类
   
    隐身涂料按其功能可分为雷达隐身涂料、红外隐身涂料、可见光隐身涂料、激光隐身涂料、声纳隐身涂料和多功能隐身涂料。隐身涂层要求具有:较宽温度的化学稳定性;较好的频带特性;面密度小,重量轻;粘结强度高,耐一定的温度和不同环境变化。

    1.雷达隐身涂料

    雷达隐身材料是指能够吸收衰减入射的电磁波,并通过吸收剂的介电振荡、涡流以及磁致伸缩,将电磁能转化成热能而耗散掉或使电磁波因干扰而消失的一类材料。

    雷达隐身涂料就要最大限度消除被雷达勘测到的可能性,雷达隐身技术的研究主要集中在结构设计和吸波材料两个方面。目前,应用于飞机吸波涂料比较多,如铁氧体吸波涂料价格低廉;羰基铁吸波涂料吸收能力强,但面密度大;陶瓷吸波涂料密度较低;放射性同位素吸波涂料涂层薄且轻、能承受高速空气动力等优点,是飞机用理想的吸波涂料;导电高分子吸波涂料涂层薄且易维护等。还有成为隐身涂料新亮点的纳米吸波涂料,以覆盖电磁波、微波和红外,并能增强腐蚀防护能力,耐候性好,涂装性能优异。

    2.红外隐身涂料

    红外隐身的目的是降低或改变目标的红外辐射特征从而实现目标的低可探测性。通过改进结构设计和应用红外物理原理来衰减、吸收目标的红外辐射能量,可使红外探测设备难以探测到目标。

    材料的红外辐射特性决定于材料的温度和发射率。红外隐身材料也可相应分为两类:控制发射率的材料和控制温度的材料。

    红外隐身涂层具有低发射率,高反射率,在红外线辐射频段才有良好的隐身效果。

    红外隐身涂料的构成一般由填料和黏结剂两部分组成。

    目前用于热红外隐身涂料配方中的填料大致分为如下几类:金属填料、着色填料、半导体填料等。

    黏结剂分为有机和无机两大类,其中以有机黏结剂种类最多,目前可用于红外隐身涂层的黏结剂有氯化聚苯乙烯、丁基橡胶等。从发展趋势看,实用性能较大的是以聚乙烯为基本结构的改型聚合物。

    红外隐身涂料工艺简单,施工方便,坚固耐用,成本低廉,是目前隐身涂料中最重要的品种。它是指用于减弱武器系统红外特征的信号已达到隐身技术要求的特殊功能涂料,其主要针对红外热像仪的侦查,旨在降低飞机在红外波段的亮度,掩饰或变形装备在红外热像仪中的形状,降低其被发现和识别的概率。红外隐身涂料的主体树脂是单组分橡胶树脂,其与过氯乙烯涂料、环氧铁红底漆、聚氨酯涂料具有良好的配套性。

    3.激光隐身涂料

    20 世纪 80 年代以来,隐身技术特别是雷达和红外隐身技术的发展已经达到了一个很高的水平。如美国研制开发的低可探测飞机(Low ObservableAircraft)F-117 隐身攻击机,B-2 隐身轰炸机在雷达隐身和红外隐身方面已经做得非常好了。

    但是随着激光技术的飞速发展,激光技术在武器装备等方面的应用日益增多。

    激光隐身过程与雷达隐身过程相类似,主要是降低目标表面的反射系数,减小激光探测器的回波功率,降低激光探测器的性能,使敌方不能或难以进行激光探测,以达到激光隐身的目的。

    从微观能量上看,物质对激光的吸收过程是物质与电磁波的作用过程,在此过程中,光子的能量转化为电子的动能、势能,或分子(原子)的振动能和转动能。

    实现激光隐身技术的途径主要有外形技术和材料技术,其中外形技术是通过目标的非常规外形设计降低其雷达散射截面 (LRCS);而材料技术是采用能吸收激光的材料或在表面上涂覆吸波涂层使其对激光的吸收率大,反射率小,以达到隐身的目的。因为外形设计只能散射 30% 左右的雷达波,且很难找到 LRCS与气动力学俱佳的外形,因此要彻底解决隐身问题,还是要靠隐身材料来实现。

    激光隐身材料主要包括激光吸收材料、导光材料、透射材料三大类型。其中透射材料是让激光透过目标表面而无反射。从原理上,透光材料后应有激光光束终止介质,否则仍有反射或散射激光存在。导光材料是使入射到目标表面的激光能够通过某些渠道传输到其它方向去,以减少直接反射回波。这两种隐身功能材料作为激光隐身材料,实现难度较大。

    随着多波段探测和制导技术的不断发展,隐身技术对涂料的要求除了红外与雷达外,还应包括涂料的可见光性、激光波吸收性能等。

    因此,探索新技术、新方法、积极开展新的隐身机理和新型多功能隐身材料的研究,特别是新型涂敷行多功能、多频谱兼容的隐身材料是新的研究热点和难点。

    4.可见光隐身涂料

    可见光隐身涂料又称视频隐身技术,弥补了雷达隐身和红外隐身的不足,它针对人的目视、照相、摄像等观测手段而采取的隐身技术,其目的是降低飞机本身的目标特征,较少目标与背景之间的亮度、色度和运动的对比特征,达到对目标视觉信号的控制,以降低可见光探测系统发现目标的概率。可见光隐身涂料通常采用迷彩的方法使飞机隐身,如保护迷彩、仿造迷彩、变形迷彩。一种可见光隐身是伪装遮障,遮障可模拟背景的电磁波辐射特性,使目标得以遮蔽并与背景相融合,是固定目标和运动目标停留时最主要手段,而迷彩涂料是这种技术应用的重要组成。总而言之,可见光隐身涂料应用广泛,使用方便、经济,是飞机隐身涂料发展中比较成熟的技术。

    新型隐身材料探索

    1.多频段吸波材料

    由于当前多模复合制导技术的不断发展以及探测手段的日益多样性,战场武器装备可能同时面临雷达、红外、激光以及可见光等探测手段的威胁,因此多波段复合隐身材料的发展很早就受到了专家以及相关研究者的关注和重视。如何使涂层在几个波段彼此兼容,将是今后主要研究方向之一。

    2.纳米涂层材料

    近年来,纳米吸波涂料成为隐身涂料新的亮点。它是一种极具发展前景的涂料,其一般由无机纳米材料与有机高分子材料复合,通过精细控制无机纳米粒子均匀分散在高聚物基体中,以制备性能更加优异的新型涂料。其机械性能好,面密度低,是高效的宽频带吸波涂料,可以覆盖电磁波、微波和红外线。它能增强腐蚀防护能力,耐候性好,涂装性能优异。基于以上优点,各国竞相在此领域投入人力、物力开发研制。其隐身原理为:

    (1)纳米材料的界面组元所占比例大,纳米颗粒表面原子比例高,不饱和键和悬挂键增多,大量悬挂键的存在使界面极化,吸收频带展宽。

    (2)纳米微粒尺寸小,比表面积大,界面极化与多重散射成为纳米材料重要的吸波机制。纳米材料量子尺寸效应使电子能级分裂,分裂的能级间隔处于微波的能量范围内,为纳米材料创造了新的吸波通道。

    (3)纳米材料中的原子和电子在微波场中的辐照,材料的原子和电子运动加剧,促使磁化,使电磁能转化为热能,增加了对电磁波的吸收,使电磁能转化为热能的效率增加,从而提高了对电磁波的吸收性能。

    (4)纳米隐身材料具有厚度薄、质量轻、吸收频带宽、兼容性好等特点。加入纳米材料的隐身涂料,具有吸波能力强、密度小、可实现薄层涂装的优点,还具有高的力学性能、良好的环境稳定性和理化性能。

    (5)由于纳米微粒具有较高的矫顽力,可引起大的磁滞损耗,有利于将吸收的雷达波等转换成其它形式的能量(热能、电能或机械能)而消耗掉。

    3.手性吸波材料

    手性是指一种物质与其镜像不存在几何对称性,且不能通过任何操作使其与镜像重合。手性吸波涂料是近年来开发的新型吸波材料。它与一般吸波涂料相比,具有吸波频率高、吸收频带宽的优点,并可以通过调节旋波参量来改善吸波特性,在提高吸波性能,扩展吸波带方面具有很大潜能。

    4.导电高聚物材料
    

    这种材料是近几年才发展起来的,由于其结构多样化、高度低和独特的物理、化学特性,因而引起科学界的广泛重视。将导电高聚物与无机磁损耗物质或超微粒子复合,可望发展成为一种新型的轻质宽频带微波吸收材料。

    5.等离子隐身技术

    等离子体是继固体、液体、气体之后的第四种物质形态,被称为物质第四态。等离子体之所以有隐身功能,是因为它对雷达波具有折射与吸收作用。

    原理:利用电磁波与等离子体互相作用的特性来实现,其中等离子体频率起着重要的作用。等离子体频率指等离子体电子的集体振荡频率,频率的大小代表等离子体对电中性破坏反应的快慢,它是等离子体的重要特征。若等离子体频率大于入射电磁波频率,则电磁波不会进入等离子体。此时,等离子体反射电磁波,外来电磁波仅进入均匀等离子体约 2mm,其能量的 86%就被反射掉了。但是当等离子体频率小于入射电磁波频率时,电磁波不会被等离于体截止,能够进入等离子体并在其中传播,在传播过程中。部分能量传给等离子体中的带电粒子,被带电粒子吸收,而自身能量逐渐衰减。

    等离子体隐身技术与已广泛应用于外形和材料隐身技术,其具有很多优点:吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好、使用简便、使用时间长、价格便宜;无须改变飞机的外形设计,不影响飞行器的飞行性能;由于没有吸波材料和涂层,大大降低了维护费用。此外,俄罗斯进行的风洞试验表明,利用等离于体隐身技术还可以减少飞行器飞行阻力 30%以上。但是,利用等离子体技术实现兵器隐身也存在着相当的难度和问题。

    军事探测和制导技术的发展促使了隐身材料的发展,从最早的可见光隐身材料到现在的激光隐身材料,隐身材料的研究和发展一直没有间断过。无论哪种隐身材料,今后的发展趋势都向着质轻、带宽、高效、耐久的方向发展。而且,随着多模技术的发展,传统具有单一隐身功能的材料已经无法同时躲避多种探测手段的围攻,因此多波段兼容的隐身材料也是未来的发展趋势。

    应用现状与发展前景

    随着科学研究的不断深入,新的隐身涂料将不断问世。由于高度的军事敏感性和技术保密性,使得隐身涂料的发展与应用处于迷雾中,同时,各种反隐身技术和手段正在积极发展之中。隐身和反隐身技术的竞争必将成为新世纪军事斗争的亮点。

资料来源:网络

标签: 战斗机, 隐身涂层, 军事装备

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