从一道普通物理题到现代隐身术

1、从一道普通物理题到现代隐身术统(1)邱臧庚媛(清华大学, 北京 100084)( 收稿日期: 19970519)摘要本文介绍了三种现代隐身术.式中的 z 为媒质的特性阻抗, 它为媒质的密度 与其中的波速 u 的乘积, 即 z = u. 当 z 11引言日常生活中我们欲感受到某些物体的存在, 必须接受到这些物体所发出的信号, 通过 对这些信号的分析来确定它们的状态. 例如:我们能看见物体是因为这些物体发出的或散 射的光进入人眼后, 经过视网膜成像等一系 列信息处理, 最 终 我 们 感 知 到 它 的 位 置、形 状、大小等性质; 又如音叉振动激发空气形成 声波, 传入人耳内形成听觉, 最终我们

2、感受到 音叉的存在. 注意这里物体发出信号是至关重要的, 否则物体将不会被感知。再如: 宇宙 中的黑洞, 由于它周围强大的引力场, 它不能 发光也不能反射光, 因为光在其周围会被捕 获. 对于这样的情况我们当然不能通过光学 望远镜发现黑洞了 ( 通过其它方法可以探测到黑洞).根据这个道理, 如果我们要想使物体隐 身 (不被人感知) 就得设法减小物体发出的信 号强度. 飞机要想躲避雷达的探测, 达到隐身 的目的, 就必须减弱机身反射雷达波的强度.本文要用到电磁波在两种媒质界面上的 反射规律和透射规律及媒质对电磁波的吸收 规律, 今将这些结论先交待如下.如图1 所示, 入射波为 1 , 其振幅为

3、a 1 ,反射波为 1 , 其振幅为 a 1; 透射波为 2 , 其振 幅为 a 2. a 1 , a 2 与 a 1 的关系为a 1 z 2 时, 则0, 这表明反射波 1 与入射a 1波 1 在界面上振动的位相差为零; 当 z 1 z 2a 1时, 则 0, 所以透射波 2 与入射波 1a 1在界面上振动的位相差恒为零.反射比 r 和透射比 t 的规律为2z 1 - z 2 4z 1 z 2 r =,t =2z 1 + z 2(z 1 + z 2 )当 z 1 与 z 2 相差很大时, 则 r 1, t 0; 当 z 1与 z 2 相差很小时, 则 r 0, t 1.媒 质 对 电 磁 波

4、 的 吸 收 规 律 遵 从 布 给(bo u gu e r) 定律, 为- xi = i 0 e2一道题的启示一平面简谐波垂直入射到涂有均匀涂层的媒质表面, 已知 z 空气 z 媒质 , 求使反 射波最弱的涂层厚度. 如图2所示: 入射波 1 入射到涂层 s1 面上时将会形成反射波 1 与 透射波 2. 2 传到 s2 面时又会发生反射与折 射, 形成反射波 2 与透射波 3. 两列反射波1 与 2 在其传播的公共区域将会产生干涉现象, 如果l|i 区中任一点 p 由两列反射波引起 的位相差正好等于2k + , 显然此种情况下 反射波叠加后强度最弱.a 1 z 1 - z 22z 1a 2a

5、 1 = z 1 + z 2 ,a 1 = z 1 + z 2(1) 邱统, 清华大学水工52班学生.图1如图2中, 以原点 o 为参照点, 选取适当 的时间零点使 o 点振动方程为 = a 1 co st. 设简谐波在空气中波速为 u 1 , 涂层中波速为 u 2 , 则入射波 1 的表达式为图2的波长. (2) 引言中讲到的波射到媒质交界面时 发生反射和折射现象, 能量将会重新分配, 所以 波 1 , 1 , 2 , 2 的振幅并不等. 另一方面因为 1 与 2 的振幅不等, 所以尽管满足 = ( 2k + 1) , 反射波的总能量仍不全为零.x1 = a 1 co st -(x l)u

6、1因为 s1 面上入射波反射时有半波损失, 所以反射波 1 的表达式为3现代隐身术通过这道题我们可以看出在物体表面涂上一层合适的涂层, 当波传播到物体上时, 这 层涂层可以极大地消弱反射波的强度. 例如在镜头表面涂上一定厚度的 m gf 2 增 透 膜,当光线照到增透膜上时, 反射光的强度减弱,使入射光的大部分能量透射. 这种技术如果 运用到军事领域, 则便成为一种现代隐身术. 如果在飞机、舰船上涂上适当材料和厚度的 涂层, 通过这层涂层可以降低飞机、舰船的雷达反射波强度, 减小自身被雷达探测到的概 率, 从而达到隐身的目的.早在第二次世界大战后期, 德国潜艇的潜 望镜上就涂敷了吸收材料, 这

7、就是雷达隐身的 初步尝试. 雷达探测的过程是这样的: 雷达工作站发出的电磁波向四面八方搜索, 遇到目标后 产生反射回波. 它们就在雷达荧屏上留下了目 标的踪迹, 这就是主动探测. 而目标隐身的目的就是尽可能地减少回波强度, 通称雷达截面(r ada r c ro ss sec t io n , 简称 r c s ). 通常目标 的 r c s 用定标体来进行标定, 其量纲为平方米, 计算各种目标的 r c s, 研究 r c s 和雷达接 收功率的关系 雷达距离方程, 就是雷达隐身研究的一个重要内容.上面那道题所启示的仅是减小 r c s 的l - xl1 = a 1 co st -+ u 1

8、u 1(x l)透射波 2 的表达式为lx -l2 = a 2 co st -u 1u 2( l x l +s2 面反射波 2 在l|i 区的表达式为d )l2dl - x2 = a 2 co st -u 1 u 2u 1(x l)1 与 2 的位相差为l l - x = - +u 1u 1 l + 2d l - 2dx+=+ u 1 u 2u 1u 2反 射 波 最 弱 的 条 件 为 = 2k + , 所 以 2d + = 2k + , 由此得 d = k r 2 u 2 , dr2u 2 0, r 只能为正整数 (k = 1, 2,) 所以d = k 涂层2注意: (1) 因为同一列波传

9、播到不同媒质中时波长并不等, 本题中 d = k u 2rt , 因 u 2 t 为涂层2中的波速乘波的周期, 显然得出的应是涂层中一个侧面, 减小 r c s 通常有三种途径: ( 1) 外形技术, (2) 材料技术, ( 3) 阻抗加载技术. 例 如对一架飞机而言, 人们可以通过遮盖进气 道, 改变尾喷管位置, 采用大圆弧均匀过渡的单一的材料不能胜任一定工作频带的要求.阻抗加载技术就是人为地在目标表面上 刻槽留缝, 甚至加一些装置. 阻抗加载可以是 无源的, 不发 散 任 何 电 磁 波; 也 可 以 是 有 源 的、激励的. 目的都在于使产生的附加电磁场与 原 来 未 加 载 时 的 电

10、 磁 场 相 消, 以 减 小r c s. 在有源阻抗加载技术中, 如能自动地根 据目标接收到的雷达波方向、强度、频率来调整自身发射的电磁波, 这就是自适应技术. 这 是一种十分理想、先进然而也是十分艰难的技术了.从雷达波吸收机理看, 目前多以干涉作 用为依据来设计和研究材料, 尤其是薄型吸 波材料. 在设计和研究雷达吸波材料时, 关键 的工作是选择和调整吸波材料 (又称填料) 的介质参数 (, ) , 以满足吸波材料要求的电特 性, 如 工 作 频 段、反 射 系 数 ( 或 回 波 衰 减 分贝)、频宽等.材料吸收电磁波的基本条件是: ( 1) 电磁 波入射到材料上时, 它能最大限度地进入

11、材料内部 ( 匹配特性). 由前面的引言知, 这要求 z 1 z 2 , 透射比 t 1. 实现第一个条件的方法是 通过采用特殊的边界条件来达到. (2) 进入材料的 电磁波能迅速地几乎全部衰减掉 ( 衰减特 性). 这则要求材料有很高的电磁损耗.当然, 随着科学技术的发展, 人们对隐身 技术的要求越来越高, 现在正发展红外隐身 术, 声隐身术等, 这些技术的机理已超过本文 的范围, 这里就不一一介绍了.最后向成文过程中一直给予热心帮助的指导老师臧庚媛女士表示最诚挚的谢意.机身、机翼等手段来减小 r c s.但出于空气动力学、机械力学以及其它多方面的考虑, 不可能一味地用改变外形的办法来减小

12、r c s.对于已定型的飞机, 材料技术就更为重要了.为减少目标对电磁波的反射, 雷达吸波材料(ram ) 的应用就是获得隐身效果的重要途 径. 所谓吸波材料, 即当电磁波穿过这种材料时, 电磁波能被其吸收, 从而使入射电磁波的 能量耗损, 实际上是将电磁能转化为热能并 散失掉, 类似电流通过电阻时所引起的能量 耗消. 这就是说, 凡能使电磁波穿过其表面,并对电磁波的能量具有高耗损特性的材料,就能够吸收雷达波, 简称之为吸波材料.按吸波材料的吸收原理, 又可以分为吸 收 型和干涉 ( 谐振) 型两类. 吸收型吸波材料 对某一频率的电磁波具有20 分 贝 以 上 的 衰减. 此 类 材 料 一

13、般 很 厚. 由 布 给 定 理 i =i 0 e- x 知, 电磁波强度随入射的厚度呈指数形 式衰减, 所以这类材料理论上说应有一定的厚度. 同时要求波能最大限度地进入涂层, 即要求透射比 t 越大越好.干涉 (谐振) 型材料的作用是将入射的电 磁波分成两部分, 一部分从吸收层表面反射,另一部分透过吸收层后, 经底层反射再穿过吸收层反射回来. 若底层反射波与表面反射 波相位正好相反, 这两列波便可发生干涉减 弱. 若要最大程度的减弱, 需使两列反射波的振幅相近, 所以吸收层材料应具有合适的反 射比、透射比. 此类吸波材料的吸收特性与材 料厚度、施工 精 度、成 型 结 构 等 因 素 密 切 相 关, 其吸收频带非常窄. 为什么会这样呢? 如 前面引题的结论所指出的那样, 只有当涂层的厚度与电磁波波长满足一定关系时, 反射 的电磁波才会被减弱. 所以当涂层一定时, 它 工作所要求的波长就确定了, 因而其吸收频 带就