隐身技术——逆向思维在物理技术上的应用

陈田华

（台州广播电视大学 浙江 台州 318000）

为了弥补科学文化与人文文化相脱离的缺憾，让文科学生了解自然科学规律，分享现代科学技术成就，培养学生的科学素质和创新能力，扩大学生的知识面、开阔视野，提高学生的综合素质，我校近几年对文科类成人学生开设了科学普及选修课程.对于成人学员而言，不需要知道许多描写现代物理学前沿问题的高等数学公式和推导这些公式的技巧，而是了解现代物理学知识带来科学技术的变化.以前，沿用课堂开设，系统学习，教学效果不怎么理想；而采取系列讲座的方式，将科学知识融入现实中的各个领域，在一次讲座中穿插相关知识，以点带面，逐渐深入，学生感兴趣，教学效果更好.本次隐身技术讲座，就涉及物理学中的力学、电磁学、光学、热学等知识.

思维是人脑对客观现实概括的、间接的反映，它反映事物的本质和事物间规律性的联系.逆向思维也叫求异思维，是思维中的一种技巧.人们习惯于沿着事物发展的正方向去思考问题并寻求解决办法.其实，对于某些问题，尤其是一些特殊问题，让思维朝着对立面的方向发展，从问题的反面深入地进行探索，从结论往回推，逆向思考会使问题简单化.平时，我们感知物体，是由于物体发出的信息被接收，如果逆向思维，外界接收不到物体发出的信息，物体就不被外界感知，这就是隐身.隐身，古今有之，即隐蔽自己，不被外界发现，这种现象在日常生活中无处不在，尤其在生物进化、军事等领域应用广泛.

1 外界接收到信息但对此信息不易辨别

1.1 战场隐蔽

近代战场，战士头戴植物织成的草帽，大炮、坦克等全身盖上杂草隐蔽草丛中；现代战场，军人穿迷彩服，重型武器披挂迷彩外套等，目的均是使物体的颜色与周围环境相近，达到隐身.

1.2 生物生存

在自然界中，有一种毒性很强的小蛇生活在竹林中，为了保护自己，迷惑他人，蛇身颜色进化成竹叶的颜色，使人或其他动物无法发现，这种蛇称为“竹叶青”.

上述例子，是利用物体反射信息与周围景物的反射信息相似，使对方接收信息后不容易分辨，从而达到迷惑对方的目的.

2 外界接收到物体发出的微弱信息

2.1 人体隐身

古代侠士，晚上出去行侠仗义，穿上黑色的衣服（夜行衣），这样衣服反射的光线很微弱，外人肉眼就不容易看到他了；如果遇上月黑风高的夜晚，物体反射光线更弱，就更加发现不了.反之，在现代战争中，为了避免肉眼直接观察造成的困难，在夜晚能够观察到物体，采用红外瞄准仪（夜视仪），由于任何动物，都会发出红外线，虽然红外线肉眼感受不到，但红外监测仪可以接收，且温度越高，辐射的红外线能流密度越大，红外监测仪显示越清晰.

2.2 飞机隐身

隐身飞机是能够不被肉眼发现，不被雷达发现，不被红外探测系统发现，无法听到声音的飞机.现在美国的隐身技术已经用在侦察机、轰炸机、直升机等各种性能的飞机上.

二战以前，当敌机飞近时，山顶上的观察哨才发现，往往来不及做好准备，造成人员、财物的损失.1935年，英国著名的物理学家、国家物理研究所无线电研究室主任沃特森·瓦特发明了世界上第一台雷达，成为英国空军的眼晴，当雷达发现远距离目标后，采用高射炮群拦截，击落敌机，在第二次世界大战中给德国空军造成极大的威胁.

图1 雷达

雷达原理是从蝙蝠对猎物的定位得到启发，雷达是一种既能发射无线电波，又能接收反射波的装置（图1）.当雷达发射的无线电波，遇到空中的飞机被反射回来，雷达接收后根据时间差及反射波方位便可以计算出飞机的位置，同时屏幕上亦可显示.飞机要想不被雷达发现，除了超低空飞行避开雷达波的探测范围外，就得想办法降低对雷达波的反射.

根据上述思路，如果飞机不反射雷达波或者反射的雷达波很弱，飞机就不会被雷达发现.同时，减小喷气式飞机尾部发出的红外线，规避导弹的袭击，这种飞机称为“隐形飞机”.美国的F-117隐形战斗轰炸机（图2）就是最早装备空军的一种隐形机型.

图2 F-117隐形战斗轰炸机

隐形飞机主要采用以下几种技术.

2.2.1 隐身外形技术

改变飞机的外形结构，外形设计上采用了非常规布局.发动机进气口置于机身背部或机翼上面，采用矩形设计并朝上翻，2个垂直尾翼均向外斜置，机身与机翼融为一体.F-117几乎全由直线构成，连机翼和V型尾翼也都采用了没有曲线的菱形翼型.此外，座舱框架、起落架舱门和炸弹舱的边缘以及机身后部的平面形状均做成锯齿形.这些便构成了F-l17的独特的多面体外形，使飞机对所有雷达波形成镜面反射，减少散射面积，从而减小雷达回波，使其在雷达上反射的能量几乎能够做到和一只麻雀的反射能量相同，因此通过雷达很难发现.

2.2.2 隐身材料技术

采用宽波段吸波性轻质耐热复合材料，并在表面涂覆放射性同位素涂层，通过同位素放射高能粒子，使周围空气形成等离子屏障，在离子与电磁波相互作用过程中，吸收雷达波和红外辐射.

2.2.3 红外线抑制和声波隐身技术

F-117隐形飞机的进气口高约0.6m，宽1.5m左右，这么大尺寸的进气口，一可以给发动机提供进气，二可以提供冷却空气.冷却空气从进气口旁路通过，在尾喷口处与发动机的排气混合后排出去，可以降低发动机的排气温度，减少红外特征，使红外辐射降低90%，噪声也大为减小.

2.2.4 微电子技术

隐形飞机装备有高精度的惯性导航系统、激光红外探测系统及先进的数字导航攻击系统，这些系统可为飞机提供导航、定位、攻击等各方面的数据，所以，它在出航攻击时可保持全程无线电静默，从而大大降低被敌方侦知的概率.

2.2.5 干扰技术

隐形飞机装备有先进的电子干扰设备，主要任务是干扰敌方的雷达和通信系统，一般情况下不主动使用.攻击时飞机不开雷达，而通过数据链接收预警机和友机的雷达探测信息.攻击前，己方其他电子干扰系统要对敌方的地面防空系统实施大区域、高强度、多方向、长时间的电子干扰压制，逃避对方防空火力的打击.另外，F-22隐形飞机上安装了ALR-94无源探测系统，可以引导F-22上的APG-77雷达精确指向目标，在较近的距离上打开雷达，迅速捕获目标，这就避免了雷达在盲目的搜索过程中暴露自己的位置.

随着科学技术的发展，隐身飞机的科技含量越来越高，造价也越来越贵.F-117隐形战斗轰炸机在1981年6月15日试飞成功，1982年8月23日向美国空军交付第一架飞机，造价4 500万美元；B2隐形轰炸机是全天候隐形战略轰炸机，1993年12月17日，美国空军推出了第一架B2型飞机，单架造价近20亿美元，是世界上最昂贵的飞机；F-22比F-117功能多，隐身效果更好，1997年9月F-22开始试飞，造价1.8亿美元左右.

2.3 潜艇隐身

潜艇是在水下航行的攻击舰艇（图3），在第二次世界大战中发挥了很大的作用，专门进攻大型舰船.潜艇在水下活动，以海水作掩护，侦察飞机、侦察卫星都难以发现它的行踪.但是，潜艇航行时发动机和螺旋桨发出的声音，庞大身躯对声波的反射，使潜艇很容易成为声纳捕捉的目标.

图3 潜艇

声纳的原理：潜艇发动机工作、人员讲话、物体移动等产生的声音，从水下传至水面被声纳接收，声纳系统就可知道潜艇的位置.所以，潜艇在水下隐身，要关闭发动机及禁止其他能产生声音的动作，或者采用隐身技术让声纳接收不到潜艇发出的声音.

2.3.1 降低自身噪声

只要控制潜艇自身发出的噪声，就会取得显著的隐身效果.例如，采用低噪声发动机和传动装置，在艇壳和设备之间安装弹性支座和吸音、隔音体，选用多桨叶螺旋桨或导管螺旋桨以降低螺旋桨噪声，或采用喷小推进、磁流体推进等先进的推进装置；英国的“特拉法尔加”级和美国的“海狼”级核潜艇均采用喷小推进技术，可降低噪声10dB.

2.3.2 在艇体外粘吸声层

在潜艇壳体外粘贴吸音材料，既可吸收自身的噪声，又可吸收敌方主动声纳的声波.好的吸音材料可使声纳探测能力降低50%～75%，是一种有效的降噪措施.俄罗斯的大多数潜艇贴有消声瓦，只有几种导弹核潜艇采用橡胶型护皮.英国的“特拉法尔加”级、美国的“洛杉矶”级攻击型核潜艇上均采用了橡胶消声瓦.近几年，美国科学家研制出一种声学隐形外罩，在一个特定空间中控制声波并将其弯曲或扭曲，水下物体在这种声学隐形外罩的遮挡下，甚至连声纳和其他各种超声波都探测不到.

2.4 单向可视玻璃

汽车玻璃贴膜以后，乘客可从里面看到外面的情况，可外面的人看不清楚里面的乘客.在警察办案时，当事人辨认嫌疑犯，为了保护当事人安全，要做到当事人隔着玻璃看到嫌疑犯，而嫌疑犯看不到当事人.这种玻璃就是单向可视隐身玻璃.

单向可视玻璃原理：这种玻璃贴上或涂有很薄的银膜或铝膜后并非反射所有的入射光，而是能让部分的入射光通过，如图4所示.

图4 单向可视玻璃原理

如果圆和三角形分别处于玻璃的两侧空间1和2，圆在强光的房间，三角形在弱光的房间.对于空间1的观察者，圆的物体经玻璃反射回来的光比三角形物体透射过来的弱光要强得多，因此空间1的观察者看到圆的物体虚像比三角形实像清晰得多，即只看得见圆的物体.由于从圆的物体透射过来的光线要比三角形物体反射回来的光线强，则在空间2的观察者看到的圆的实像要比三角形的虚像清楚，即可以看清楚圆的物体.所以，从空间1观察，玻璃相当于一面平面镜，从空间2看，就是一块普通玻璃.

单向可视玻璃分为正、反两面.正面为玻璃镜面，用来反射光线，安装时应把正面朝向被监控室，把反面朝向监控室所在位置，被监控室的灯光强度应保证足够亮度，被监控室光线越亮、越强，玻璃的单向可视效果越明显.为使玻璃的单向可视性能达到最佳状态，监控室内原则上不安装天花顶灯，不允许有其他发光灯源存在.

3 外界接收不到物体发出的信息

超新星爆发残留下来的核心，当其质量小于2MΘ，成为中子星；而大于2MΘ时，星体内的中子简并压挡不住强大的引力收缩作用，星体将进一步坍缩，成为一个体积无限小的奇点，密度无限大.此区域内引力强大到任何光子都不能逃离出来，亦即当任何光线经过此区域，会被吸入，任何信息都不会传出去，内部漆黑一团，故称为黑洞，它是理想的隐身体.

4 结语

通过一次讲座，联系学生感兴趣的现实生活及高科技领域中的各类现象，激发学生的求知欲望，让学生由浅及深，系统全面地了解相关物理知识，提高理性判断和创新思维的能力，真正体会物理学中认真、求知和创新的精神，对于今后无论从事何种职业，都会有所启发和帮助.

1 袁运开.20世纪物理学概观.上海：上海科技教育出版社，1999

2 （韩）李钟镐.物理学之旅.南宁：接力出版社，2007

3 黄祖洽.现代物理学前沿选讲.北京：科学出版社，2007

4 董长军.聚焦隐身战机.北京：蓝天出版社，2011

5 王勇.国外潜艇声隐身技术的现状及发展方向 .舰船电子工程，2010（1）