杨欣欣 拓 锐 张 彬 张国锋 潘忠泉
(中国兵器工业集团第五三研究所,济南 250031)
隐身技术光谱反射率的发展探讨
杨欣欣 拓 锐 张 彬 张国锋 潘忠泉
(中国兵器工业集团第五三研究所,济南 250031)
介绍了隐身技术的发展,论述了光谱反射率在可见光隐身技术、激光隐身技术、红外隐身技术、雷达隐身技术、多波段复合型隐身技术等不同领域的进展,简要总结了光谱反射率技术在隐身技术中的发展方向。
隐身技术 反射率 应用
隐身技术(stealthy technology)是通过控制、降低目标的可探测信号特征,使其不易被敌方的微波、红外、可见光、声波等各种探测设备发现、跟踪、定位和攻击的综合技术。随着光电探测技术的发展,对武器装备的隐身技术提出了越来越高的要求,国际上军事强国均把隐身技术列为武器装备的关键技术之一。我国隐身技术发展迅速,隐身材料已在多种型号的先进武器系统批量应用。隐身技术主要包括可见光、激光、红外、雷达等隐身,以及它们的复合隐身。随着隐身与反隐身技术的不断进步,各类武器装备及其重要目标的隐身要求已从单一的雷达波隐身、红外隐身,向多功能、多波段隐身发展。
反射率是评价隐身材料性能的主要参数,隐身材料反射率测试系统由微波信号源、收发天线、信号接收机和信号分析处理仪器等组成。目前,国内建立了许多隐身材料反射率测试系统,为了保证测试准确性,不仅需要对各微波设备和器件进行校准,而且还需要对系统整体进行校准。为了满足对隐身材料反射率测量系统进行整体校准和评价的需要,研制隐身材料反射率标准物质,建立相应的定值系统,并且实现其在隐身材料反射率专用测量设备校准中重要作用是目前很多科研工作者研究的方向[1,2]。以下笔者主要对不同隐身技术领域的反射率测试技术进行了综述。
可见光隐身又称视频隐身,是针对人的目视、照相、摄像等观测手段而采取的隐身技术[3],其目的是要求目标反射率尽可能与周围环境的反射率一致。隐身的主要技术途径有特殊照明系统、亮度和颜色可调的奇异蒙皮、电致变色薄膜和烟幕遮蔽等。在目标表面涂敷由颜料颗粒和黏结剂组成的涂料是改变其反射率特性的一种简单方法。可见光隐身涂料设计就是研究不同配方与颜色的关系。由Kubelka-Munk的二流理论,可以得到在无穷厚涂层的假设下,涂层用吸收系数和散射系数表示的漫反射率。所以寻求涂料组成与吸收系数、散射系数的关系就成为涂料设计的关键[4]。
徐文兰等[5]根据颗粒粒径与波长相比的不同情形,分别用粗粒子理论、细粒子理论和桥理论求得颗粒的光散射系数和吸收系数,从而得到含颗粒涂料的漫反射率;讨论了涂料参数如黏结剂和颗粒的光学常数、颗粒粒径和体积比等对漫反射率的影响,并以含钛白粉颗粒的涂料为例,介绍了可见光隐身涂料的计算机设计方法。
有较高反射率的金属是热隐身涂料最常用和最重要的颜料种类。在实际应用过程中,多选用性能优异、价格低廉的铝粉。毕爱红等[6]向3种基本组成相同而复色浆不同的红棕色涂料中加入定量的铝粉,研究了加入铝粉前、后涂层的表面发射率以及在指定波段内的反射率。结果发现,加入一定量的铝粉后,可提高涂料在380~2 500 nm波段尤其是可见光区的反射率;加入一定量的铝粉后,涂层在8.0~13.5 μm波段内的表面发射率均小于未加铝粉的涂层。
激光隐身要求目标表面具有的低反射率是平均低反射率,因为尽管激光波束很窄,但在远距离探测时,激光光斑也足够大。所以在保证目标表面具有低平均反射率的前提下,可以允许涂层斑块反射率有大有小,因此可以在雷达材料表面的一部分加覆激光隐身材料,这种分块型的材料也为实现激光与雷达的复合隐身留有很大设计余地[7,8]。根据激光测距的原理,在测距机的类型及大气传输条件确定之后,测程与目标的反射率直接有关[9-11]。对于大型目标来说,能将目标表面的反射率比一般目标降低1个数量级,则其最大激光测程将减少到原来的1/2~1/3,即可实现激光隐身,这是利用涂层反射率作为激光隐身性能指标的依据。根据研究表明,碳纳米管在激光隐身材料的应用方面有很好的前景[12]。
红外隐身所要求高反射率性能和以吸收为机制的低反射率/吸收率的性能要求有冲突,而导电高分子材料有较高的导电率,呈现出的半导体性,对其进行掺杂后,具有类金属的特性,对红外辐射有较高的反射性能,因此有独特的红外吸收和红外反射特性。Chandrasekhar P和Masulaitis Anthony M等[13,14]通过选择合适的高分子材料、掺杂剂、合成方法等,合成了一系列导电高分子材料,可以控制其光学特性如色对比度、反射率、透射性等,有的导电高分子材料在2.5~20 μm的反射率在90%以上。
程刚等[15]采用一步法制备了绿色颜料增强硬质聚氨酯的复合材料。隐身材料的影响因素很多,其中颜料粉体是影响隐身性能的最主要的关键因素,研究了添加不同质量分数的颜料对硬质聚氨酯隐身性能、力学性能的影响;测试试样的反射率和发射率曲线。分析得出,当颜料加入量为12%时,在700~800 nm波段,反射率最高为51.2%;在8~14 μm波段,发射率值为0.681,满足热红外隐身材料发射率的要求。
王浩等[16]发现当发动机尾喷管采取喷涂耐高温的低发射率、低反射率的材料后,红外辐射强度有明显的降低,并分析了计算结果。通过仿真计算,尾喷管采用低发射率、低反射率材料后,可以有效降低红外辐射强度,起到很好的隐身效果,降低红外寻地导弹的跟踪以及红外光电雷达的探测概率,对提高军用飞机在战场上的生存能力有着重要意义。
陈砚朋[17]以羰基铁粉作为颜色填料,聚氨酯作为树脂基体,制备雷达隐身单涂层,分析羰基铁粉的形态、含量以及球磨时间对涂层红外低发射率以及雷达吸波性能的影响,发现随羰基铁含量的增加,涂层的红外发射率从0.93降低至0.85,吸波材料吸波性能显著增强,在18 GHz处其涂层反射率的最小值达-9.3 dB。
微波隐身(或称雷达波隐身)的研究早在20世纪30年代就已开始,现已发展成集形状隐身、材料隐身、有源对抗等于一体的高度复杂的技术,能够有效地衰减入射雷达波的一类功能材料,可减小目标的雷达散射截面,从而达到隐身的目的。该技术已应用到导弹、飞机、舰船、装甲车辆、重要军事设施等许多武器装备上。
考虑吸波涂层在飞行器上的应用,王智永等[18]介绍一种厚度不大于0.5 mm,在X、Ku双波段对雷达波的反射率均低于-4 dB的单层型可喷涂RAC;建立底漆-吸波涂层-面漆涂层系统,绘制涂层系统反射率-频谱曲线,直观表现出光谱反射率与隐身性能的关系。吸波涂层因其工艺简单、便于应用等优势,成为隐身技术的主攻方向之一。
罗洁等[19]研制的双层结构碳团簇型微波雷达隐身涂层材料的吸波性能较好,具有方向性,在8~12.4 GHz范围内,其最小反射率达-30 dB,且密度小,厚度较薄。在大气环境中,双层结构碳团簇型微波隐身涂层具有良好的性能稳定性。多晶铁纤维、碳化硅纤维、碳纤维等轻质类纤维吸收剂是实现吸波涂层“薄、轻、宽、强”的理想吸收剂之一[20]。研究发现,某些纤维具有很好的吸波性能[21],纤维在涂层中的分布取向对雷达波的反射衰减有重要的影响。陈小风[22]、张秀成[23,24]、赵伯琳[25]等在纤维取向对电磁参数和雷达波反射的影响方面,从理论上进行了研究。因此研究纤维在吸波涂层中的存在状态和取向的影响因素有重要意义。邱华等[26]采用KH-3000视频显微镜、8 mm和3 mm雷达波反射率测试系统研究纤维在涂层中的分布状况。试验结果表明:采用喷涂法制备的吸波涂层,其纤维的分布有一定程度的取向,该取向对吸波涂层雷达波反射衰减有重要的影响。
黄润生等[27]研究Fe-Si纳米晶隐身涂层厚度与反射率的关系时发现涂层厚度从0.5 mm增加至1.0 mm时,反射率逐渐减小,当涂层厚度为1.2 mm时,在7.6~17.8 GHz频率范围内的反射率均小于-10 dB。当涂层厚度为1.5 mm时,反射率在9 GHz频率位置有极小值-28.2 dB;随着涂层厚度增加,反射率极小值向低频端移动,入射波频率大于极值频率时反射率急剧增加。因此实际应用中选择恰当的涂层厚度十分重要,理想的材料应具有较小的反射率和较宽的带宽。综合以上因素,厚度为1.2 mm的涂层对微波有较小的反射率和较宽的带宽,有一定的应用价值。
随着探测和制导技术的不断发展,单功能隐身材料已难以满足实战的需要,多功能隐身材料已成为隐身材料研究的发展方向。在当代军事探测和制导技术中雷达和红外是两种最普通和最主要的技术,红外-微波兼容的多功能隐身材料在多功能隐身材料的研制中开展最早,报道最多。红外-微波兼容的多功能隐身材料要求在可见光和近红外有伪装作用,对微波有高吸收低反射,在热红外波段有低发射率。目前可应用的热红外隐身材料和雷达隐身材料都不能达到上述要求。世界发达国家正在积极开展新型红外/雷达多功能隐身材料的研究。谢国华等[28]研究了红外与雷达波隐身涂层的激光后向散射特性。研究结果表明,涂层的红外辐射率越小,激光后向反射率越大。从目标战术应用上考虑,通过对目标进行合理的迷彩图案设计,有可能实现红外与激光隐身兼容;从隐身原理和材料设计来考虑,完全可以做到雷达与激光隐身兼容;通过涂层表面结构微孔化,可使涂层激光后向反射率大大下降,而不影响雷达波隐身性能。
徐培华等[29]利用某些激光隐身涂层对雷达波的透明性,将激光隐身材料喷涂到雷达隐身材料表面制备双层型雷达/激光复合隐身材料,在1.06 μm处反射率仅为0.13%,比雷达吸波贴片材料的反射率降低了一个数量级,8~15 GHz的雷达波反射率小于-7.5 dB,不影响原雷达吸波贴片材料的雷达吸波性能,甚至有所改善。
王自荣等[30]采用紫外-可见光-近红外分光光度计测试涂层在0.8~2.5μm波段的反射率曲线,根据反射率曲线找到0.93、1.06、1.54 μm处的反射率。采用毫米波测试雷达测试涂层在8 mm处的雷达反射率,在方位角和俯仰角相同条件下,分别测试有隐身和无隐身材料的反射功率,对比相同条件下隐身前和隐身后的测试数据,即可得到隐身材料的衰减量;另外,采用RAM反射率远场测试法,在微波暗室里以扫频方式测试了复合隐身涂层在26.5~40 GHz波段的雷达反射曲线。
为满足现代军事目标隐身的需要,多功能隐身材料是目前国内外研究的热点,而反射率在不同波段的兼容却是研究的难点。反射率是影响材料隐身性能的重要参数,研究各种复合多功能材料的反射率影响因素仍是当前研究任务的重中之重。
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DEVELOPMENT OF STEALTHY TECHNOLOGY AND SPECTRAL REFLECTANCE
Yang Xinxin,Tuo Rui,Zhang Bin,Zhang Guofeng,Pan Zhongquan
(CNGC Institue 53,Jinan 250031,China)
The new developments in stealthy technology and spectral reflectance was decribed.The progress of spectral reflectance in different fields,such as visible stealthy technology,laser stealthy technology,infrared stealthy technology,radar stealthy technology,multi-band composite stealthy technology and so on was discussed.The development trend about spectral reflectance in stealthy technology was summerised.
stealthy technology,reflectivity,application
2011-10-10