电磁散射大作业

1、电磁散射与隐身技术导论课程大作业报告学 院： 专 业： 班 级： 学 号： 姓 名： 电子邮件： 日 期： 成 绩： 指导教师： 隐身技术在飞行器中的应用一发展背景随着现代科学技术的不断发展，针对飞行器、舰船等作战装备的探测技术日益完善。现在，各个军事强国在本土都有强大的雷达网，空中有预警机，在太空还有战略预警系统。这些系统通过链路构成一张强大的预警网络，对飞机，舰船甚至是导弹的生存都构成了严重的威胁。所以，武器装备的隐身性能已经成为考量整体战斗力的重要指标。具有隐身性的装备，既拥有了在战场上赖以生存的法宝，又使得自己在进攻中处于主动的一方，加大了攻击的突然性。在讲究快速反应的现代战场，隐身技

2、术已经成为决定战争胜负的关键因素。美国等发达国家长期以来一直在研究隐形武器装备，使得隐形武器装备异军突起，一系列新型的隐形武器装备相继问世。目前，美国已将隐形技术普遍应用于侦察、轰炸、战斗、海军舰载攻击等各种飞机上。隐形武器的开发和应用是航空武器技术乃至整个武器技术发展的重标志。在整个海湾战争中，F-117出动架次仅占所有作战飞机攻击架次的2，但却完成了40的攻击目标。因此，伴随着隐形飞机的出现，探测隐形飞行器的雷达技术体制也将进行相应的变化。目前，世界各国都在大力发展本国的隐身军用飞行器，美国在隐身技术的发展上起步最早，并处于世界领先水平，其中F-117战机和B-2轰炸机已在实战中显示出了优

3、良的性能。而紧随其后，俄罗斯的第五代战机也拥有良好的隐身性能。此外，世界各军事大国都在进行该方面的研究，如法国研制的幻影战斗机，阿帕奇隐身导弹；日本的ASM-1型，ASM-2型反舰隐身导弹等。隐身技术具体说来，就是尽量降低武器系统的雷达、红外、激光、电视、可见光及声音等特征信号，使敌方各种探测设备很难发现，探测和跟踪。进21世纪，世界各军事强国已研制出自己的隐身飞行器，隐身技术的发展也进入了新的阶段。二 隐身技术的分类 隐身技术主要分为红外隐身（热）、声波隐身（声）、可见光隐身（光）、磁场隐身（磁）、雷达隐身（电）。其中比较重要的是雷达隐身，它又分为无源隐身技术和有源隐身技术。无源隐身技术主要

4、包括外形隐身、材料隐身和天线隐身，有源隐身技术主要包括电子欺骗和干扰、自适应载入技术和使用低截获功率雷达。常规隐身技术1.可见光隐身技术 可见光隐身技术，又称为视频隐身技术。在近距离格斗中，可见光隐身显得尤为重要。其目的是减小自身的可见光信号，降低被敌方光学探测设备发现的概率。传统的可见光隐身，主要是通过光线的散射以及自身目标的迷彩伪装而实现。为实现可见光隐身，主要的手段有： （1）进行特殊的外形设计，使照射到飞行器上的光线产生散射，如使用小平面代替大平面或者曲面； （2）在飞机外表面加装迷彩涂层或其它伪装涂层，尽量减小飞行器与背景色彩的对比度； （3）避免飞行器进入拉烟层而引起暴露自身的尾迹

5、出现； （4）控制飞行器自身所发出的光信号，比如灯光、信号光、闪光等。 目前，世界各军事大国在可见光隐身方面的研究主要是进行可见光隐身材料的研制。在此方面，美国和俄罗斯处于世界领先水平。新型的可见光隐身材料主要是智能变色材料。智能变色材料可分为三类：光致变色材料，热致变色材料和电致变色材料。美国在这三种材料中均有大量的研究成果，而其余国家主要是进行光致变色材料的研究。 2声波隐身技术 声波隐身技术的目的是降低目标的声音特征信号，以用来对抗敌方的声波探测系统。声波隐身技术是相对较新的一个研究方向，虽然通常需要进行声波隐身的主要是舰艇，尤其是潜艇，但是由于现代战争中对低空低速飞机的使用大量增加，为

6、提高其战场生存力，避免因噪声过大而暴露目标，必须进行声波隐身设计。低空低速飞机，其螺旋桨、旋翼的转动以及发动机的进气、排气和燃烧都会形成较大的噪音，容易被敌方利用而发现目标。所以进行声波隐身设计，可以采取以下措施： （1）进行特殊的外形和结构设计，例如整流结构，减震结构，吸声结构等降低噪声； （2）采用吸波材料、声阻尼材料，如发动机外壁使用陶瓷复合材料、吸声材料等，对飞行器产生的噪声进行吸收； （3）对于直升机，可以进行外形优化，提高其气动性能，降低螺旋桨转速来减小噪声； （4）修改噪声的频谱特性（幅值和频率），增加噪声经空气传播时的衰减。3 雷达隐身技术若用一句话概括雷达隐身技术，就是采取各

7、种手段减小装备的雷达散射截面（Radar Cross Section，一下简称RCS）。所谓目标的雷达散射截面RCS，就是定量表征目标散射强弱的物理量。目标的雷达散射截面RCS越小，雷达接收能量越小，因而使敌方侦察雷达难于对己方目标作出正确的判断，从而达到隐形目的。RCS不是目标的几何截面积，而是一个与目标产生同等回波的金属圆球的等效截面积，几何截面积、材质和形状对雷达的反射率和反射的方向性都对雷达截面积有影响，所以雷达反射面积可以比几何截面积大，也可以比几何截面积小，就好像在黑夜里手电照射下，一块小镜子可以远比一个蒙面黑衣大汉显眼。作为参照，美国的F-15的RCS为405平方米，B-1B为1

8、.02平方米，SR-71为0.014平方米，F-22为0.0065平方米，F-117为0.003平方米，B-2为0.0014平方米。雷达的探测距离和目标RCS成四次根关系，也就是说，如果雷达反射面积小十倍，雷达探测距离只缩短一半都不到。所以，雷达反射面积必须缩小很多，才能达到隐身目的。换句话说，除非采取隐身措施，简单地缩小飞机的物理尺寸对减小雷达反射面积没有太大的实际效果。由于RCS的特性，现在军事上常常采用且比较熟悉的雷达隐身技术首先是外形隐身，第二是材料隐身。a 外形隐身飞行器的外形对RCS影响最大，所以隐身飞机的外形设计是隐身的主要措施，并被证实确实有显著的效果。任何一架隐身飞行器都是一

9、个复杂的形体，虽然可将其分解成十多个主要的和几十个甚至上百个较小的形体，先分别计算出它们每个形体的RCS，再进一步得出整个飞行器的雷达散射截面积，但每个典型形体的RCS都随着雷达波的入射方向、波长和极化方向变化而变化，且各个小形体之间还存在雷达波的相互干扰。所以整个飞行器的雷达散射截面积的计算过程十分复杂。 计算机技术的飞速发展，使得这种复杂的计算能够在较短时间内完成。现在美国、俄罗斯等国家已能够模拟和评价各种各样的隐身外形，从而研究出和不断完善减缩雷达散射截面积的各种方法，并建立一定的设计规范。总体来说，外形隐身技术需要遵循的原则主要有一下几点：1) 减小单一连续的平面的面积2) 增加表面的

10、平滑度，减少开口和缝隙3) 加大开缝和边缘与雷达入射方向的夹角4) 避免互成90度的平面世界上首架隐身飞机F-117就是外形隐身技术的经典之作，为了追求理想的隐身技术，F-117的设计者不惜很大程度牺牲了飞机的空气动力性能，形体设计与常规机型相差很大。但是，在上世纪八十年代到九十年代的雷达水平，证明F-117做出的牺牲是明智的。到目前为止，该型机只有一架在战争中被击落的，并且是南联盟使用的无源雷达系统。可以说，F-117是外形隐身技术中无法超越的典范了。图 F-117 隐身战斗机b 材料隐身材料隐身技术是雷达隐身技术的重要组成部分，在外形隐身技术将飞行器的RCS 做到最优的情况下，采用雷达吸波

11、材料( RAM) 可以进一步降低飞行器的RCS。材料隐身技术的隐身机理是应用吸波材料的某些特性，如电感应、磁感应、电磁感应、电磁散射等，将入射电磁波能量转化为其它形式的能量而耗散掉，从而减小雷达回波强度，降低飞行器的RCS。吸波材料按作用机理分为谐振型和吸收型两类。谐振型吸波材料是靠材料内外层回波的干涉作用来减弱雷达回波。而吸收型吸波材料是利用材料的电磁损耗特性减弱雷达回波。从成型工艺区分，吸波材料可分为涂敷型吸波材料和结构性吸波材料。涂敷型吸波材料通常是在飞行器的外表面制成吸波涂层，不起承载作用; 而结构型吸波材料，不仅具有吸波作用，还具有承载作用。美国研制的F-117 隐身战机、B-2 隐

12、身战略轰炸机以及F-22 隐身战斗机，法国的阿帕奇隐身导弹，英法合作研制的风暴前兆隐身导弹等，都大量使用了雷达吸波材料，用来减小机体对雷达波的反射。目前在雷达吸波材料研制中，美国处于领先地位，已研制成多种涂敷型吸波材料和结构型吸波材料。图 B-2 隐身轰炸机4红外隐身作为隐身技术的另外一个重要环节，红外隐身技术是雷达隐身技术的补充。红外隐身技术在导弹突防中具有关键的作用。首先，导弹本身飞行需要强大的推力，发动机喷出的尾焰温度极高；其次弹道导弹在高速进入大气层之后与空气摩擦产生高热壳也极其容易被红外探测雷达发现。红外隐身技术能有效抑制飞行器在敌方红外探测系统方向上的红外辐射强度。飞行器红外辐射主

13、要来源于发动机本身的热辐射，发动机喷出的高温尾焰，外体上的气动加热和对环境辐射的发射。抑制飞行器红外辐射的技术主要包括在导弹武器上选用涡扇发动机，以降低发动机及其尾焰的红外辐射强度；改变发动机及其喷管的外形结构，利用兼顾低辐射与动力要求的外形，来抑制其红外辐射强度；对涡喷发动机的高温辐射源，如燃烧等采取综合抑制技术，使用特殊材料，或在燃烧中加入添加剂，在喷焰中加入吸收剂和冷却剂，既改变红外辐射频段，又使尾气与大气迅速混合并很快冷却，以达到迅速降温和降低辐射强度的目的；采用波瓣混合喷管或二元喷管，降低排气红外辐射；采用陶瓷复合材料造喷管，将喷口安放在弹体上方，遮挡向前下方的红外辐射，并在弹尾安装

14、红外挡板；在飞行器上喷涂红外掩饰涂料，起隔热和抗红外辐射作用；采取红外干扰措施，如用红外干扰机发射干扰信号，投放红外诱饵以保护飞行器等。据估计，在飞行器上采用上述隐身措施后，可抑制90%以上的红外辐射。 新型隐身技术1.等离子隐身技术等离子的研究始于20 世纪六七十年代。研究表明，等离子体对入射的电磁波有吸收、衰减和折射的作用，此外，有研究表明等离子体还能改善飞行器的气动性能，减小飞行时的阻力。因此，等离子技术在未来隐身飞行器的设计中有很大的潜力。等离子体可以通过核放射性元素法和等离子体发生器形成。通过核放射性同位素方法形成等离子体较易实现。由于雷达隐身设计主要是降低飞行器前向和侧向强散射源的

15、RCS，所以，在进行设计时，可以在强散射源部位形成等离子体层而实现隐身。由于存在等离子体发生器功耗过大; 在真空度较高的地方，很难利用环境周围粒子产生等离子体; 等离子体影响飞行器自身正常通信; 等离子隐身维护较困难等方面的问题，这给等离子隐身技术的运用带来了一定的局限性。但是，等离子隐身具有吸波频带宽、兼容性好、隐身效果好、无需改变飞行器的气动布局等优点，所以在未来隐身飞行器的设计中，等离子隐身技术必将得到广泛运用。2.全频谱隐身技术全频谱隐身技术是目前隐身飞行器研究的一个新方向。它是指飞行器同时具有雷达隐身、红外隐身、视频隐身等多种隐身性能的一种技术，目前，研究的重点是全频谱隐身材料的研制

16、。美国是开展全频谱隐身技术研究最早的国家，已制出一种新型涂层，该涂层由三种不同的吸波材料组成，底层为雷达吸波材料，中层为红外吸波材料，外层为可见光迷彩涂料。该涂层在整个电磁波段都具有良好的吸波作用，这样使飞行器在电磁波段、红外波段、可见光波段都具有良好的隐身性能，实现飞行器的全频谱隐身。要做到全频谱隐身其实不易，但是目前已研制出兼顾多种隐身的隐身材料，如前所述的电致变色材料，是兼有红外隐身和可见光隐身的隐身材料。有理论分析认为，纳米复合材料隐身性能覆盖厘米波、毫米波、红外线、可见光等波段。掺杂半导体在红外波段有较低的红外发射率，在微波和毫米波段有较高的吸收率，同时也不防碍可见光伪装，是今后研究

17、的重点。三个人的理解与看法其实飞行器隐形就是通过各种技术手段来实现对方侦查不到我方飞行器。现代战场上散乱的电磁波到处都是，为了避免受杂乱回波的干扰，雷达用各种先进的信号处理手段，把稳定的电磁波回波分离出来，用来探测、锁定目标。这既是雷达聪明的地方，也是隐身可以钻空子的地方。如果飞机能够削弱回波的强度，并使回波闪烁不定。隐身手段不能使飞机从敌方雷达上彻底消失，但可以推迟敌方雷达发现并锁定我方目标的时机，或减少我方目标暴露于敌火之下的时间。这样，隐身的目的就达到了。雷达发射的电磁波照射在目标上，除镜面反射外，还形成散射。镜面反射是指入射角等于反射角的光学意义上的反射。在实际情况中，雷达反镜面反射捕

18、捉住目标的情况很少，雷达一般是散射形成的回波来发现和锁定目标的。入射波的波长远远大于目标的几何尺度时，散射的强度和散射的方向有关，散射更和波长的四次方成反比，也就是说，电磁波中，波长越短，散射越强。入射波的波长和目标尺度相近时，入射波的相位会沿目标的长度方向变化，目标的复杂几何形状之间的互相作用会对回波的性质有很大的影响，回波的性质很难预测。入射波的波长远远小于目标的几何尺度时，散射符合光学定律，回波就是各个部分散射的矢量叠加。由于雷达天线的尺寸和雷达的波长成正比，防空火控雷达和机载雷达都用分米波和厘米波的波段，所以以阻挠敌方火控雷达锁定为主要目标的隐身研究都集中在入射波波长远远小于目标几何尺度的情况。还有比如我们电磁场专业得学生可以研究出很多新型的电磁材料，用此制成飞行器外壳或者蒙皮，这种新型的材料可以吸收掉雷达波，这样就可以实现隐身。最近比较流行的就是吸波材料，大量的吸波材料的出现使得飞行器的隐形更容易实现。另一个个人感觉十分重要的观点就是我方加强我方的雷达的研制，使之更加先进更加精确，这样对方的隐形机在我方这里就失去了用武之地。从而我方就可以轻而易举发现对方了。四总结本学期选修了电磁散射与隐身技术导论这门课程让我受益匪浅。我系统地学习到很多电磁散射与各种隐身技术知识。特别对于我们电磁场与微波专业的同学，让我们知道自己的