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话说“隐形”技术
发布日期:2014-06-23 来源:北京电子管厂协会 作者:莫有智 浏览次数: 字号:【

  话说“隐形”技术
  北京电子管厂协会 莫有智


  在国防和军事装备中,常听到有“隐形战机”,“隐形舰船”,“隐形衣”等新装备不断出现。它们在现代战争中的作用越来越大,使用越来越广泛。因此有条件的国家纷纷投入巨资和大量资源用于研发所谓的“隐形”装备。我国也不例外地进行了大量工作,研发“隐形”战机、战舰以及“隐身衣”等,取得很大进展,有些还走在世界前列。
  所谓的“隐形”,其实并不是把人员和物体等变没了,其本意是采取各种各样的科学技术方法把物体和人员隐蔽起来,让别人看不见、测不出,或者是让别人即使发现也是很晚,你已经离他很近的距离,已来不及做出反应,就将其杀伤或消灭,造成敌方的损失或失败。这些各种使物体和人员隐蔽起来的技术方法和手段,我们称之为“隐形”技术。
  其实,“隐形”的幻想早已有之。记得小时候最爱到茶馆去听评书,尤其爱听有关神仙打仗之类的故事。经常听说书人栩栩如生地讲述神仙们腾云驾雾、互斗法宝,他们时而在空中亮出各自的法宝,互相追逐、缠斗,时而在地上互斗刀枪剑戟,时而像土行孙一样钻入土中不见踪影,更有趣的是拿出“隐身衣”一晃,就没了踪影。但他却就在你的身边,给你突然一击,让你惨败。每每听到这时,我就不禁遐想,我要是有件“隐身衣”多好,我就可以四处行走,谁也看不见我,无往而不胜... 想入非非。
  可见“隐身”、“隐形”在古代人心中早有幻想。古代战争中也早把它幻想成为重要的利器。但是它的实现还是在科技发展到今天,人们知道了看见与看不见物和人的根本机理之后才得以实现的。古代人空中斗法宝不就是现代的导弹和反导弹的争斗吗?古代人所想的腾云驾雾、孙悟空一个跟斗十万八千里不就是现代的各种高速、超高音速飞行器吗?古代人幻想的“隐身术”不就是现在的“隐形”战机、“隐形”战舰和“隐身”斗篷吗?古人幻想的土行孙不就是现代盾构机吗?
  关于“隐形”与“示形”
  说到“隐形”,首先了解什么是“示形”。所谓“示形”就是把人和物的形象以至色彩等显现给人们,让人们能够看到世间万物的千变万化,丰富多彩。但要是在漆黑的夜晚,没有一丝光线、没有一点火种,你睁开眼能看见什么?什么也看不见。但在白天,在阳光的照射下,世间万物就映在我们眼里。什么原因?因为有了光,有了可见光,是它照射到物体上,又从物体上被全部或部分反射到我们的眼里,眼睛这部“照相机”把它成形在人们的脑中,才让人知道它的存在。也就是物体的形状、大小、色彩才被人们感知,也就是光把信息传到人眼这部“照相机”中,才让我们感知万物的存在。就是光和“照相机”把四周的物体显示给我们,这就是“示形”,也可以说是“示存在”。由此可以看出“示形”离不开两个重要条件,一是适当的传播媒介,二是接收机构——“眼睛”。这样广义看来,可以“示形”的媒介物不应该只有可见光,其它一切能在空间传播、并可被物体反射、且能携带相关信息的媒介物,如电磁波、红外线、激光,以及声波等都可作为“示形”的媒介物加以利用。至于“示形”的机构也就不只是眼睛这个“照相机”了,其它一切能够接收媒介物所反射回来的一切信息并加以放大、处理、显示出来的装置也都能达到“示形”的目的。 随着“示形”技术的发展,各种“隐形”技术也随之而发展。“示形”与“隐形”这是一对矛盾的两个方面。如前面所说到的白天强光照射,构成了好的“示形”条件,而到夜晚,尤其是无星光、月光的夜晚,就构成了很好的“隐形”条件。这是自然存在的。随着现代科技的发展弄清了各种“示形”与“隐形”的机理之后,发展了多种多样“示形”与“隐形”的方法。“示形”方面有微光夜视、千里眼——雷达、红外传感器、声纳等,同时也在可见光、电磁波、红外线、声波等领域都发展出相应的“隐形”技术。下面我们将分别介绍上述诸领域的“隐形”技术的发展情况。
  可见光“隐形”技术
  可见光是电磁波谱的一部分,它是波长为390纳米至770纳米之间的电磁波。按照其波长的不同又分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等不同颜色的光。它们一起组成白光。实际上,可见光就是人眼所能看到的电磁波,所以叫可见光,其传播速度就是光速,每秒30万公里。在传播过程中遇到物体就会被吸收、散射和反射,这样我们就能看到物体存在。
  以前在战场上,人们使用了很多方法来把自己的人员和装备隐蔽起来,不让敌人侦查到。例如伪装、掩蔽、遮盖、迷彩、施放烟幕等等,这些方法在一定程度上把自己隐蔽了起来。这些方法从本质上都是一种替代法,只是用A物去替代了B物,用A遮挡B,让敌人把B物误认为是A物。这些方法存在一个根本问题是静止不动地待在那里还可以,只要一动,就会被人觉察到,就会暴露你的真实状态。在实战中,人员和装备长期待在某处不动是根本不可能的,所以这些方法不是真正意义上的“隐形”。
  那么,真正的“隐形”应该是什么样子的呢?真正的“隐形”是要做到不管物体处于静止或运动状态都不被看出来。这只有在科技发展到今天才能做到。那就是我们现在已能造出的“隐身衣”“隐身篷布”,穿上“隐身衣”的战士,盖上“隐身篷布”的车辆,无论是静止或运动,你都看不到它们。
  这是怎样做到的呢?我们知道,能看见物体的根本原因是光线照到物体并被反射回来,被眼睛或仪器接收到。那么想办法不让光反射回来,让光全部被物体吸收不就行了吗?这样也不行,因为如果被吸收了,物体所在的空间就会成为一个黑洞或与物体形状相近的暗影,这也就是告诉别人,那里还是有人或物体存在。达不到隐身的目的。
  唯一的办法就是让光线快遇到你时绕道而行,让光线遇到你时不直接照射到你,而是从你身边绕个弯再向前走,让它照到你旁边或后边的景物再反射回去,这样别人看见的就不是你,而是你旁边或后边的景物,而你实际上还在那里,即使你向敌人走去,对方也无法觉察,你就可以发动突然袭击,一举获胜。这种让光线拐弯的技术就是由现代的“隐身衣”、“隐身篷布”实现的。现代的“隐身衣”、“隐身篷布”表面涂了一层特殊的材料,叫做量子隐身涂料,这种材料能让光在靠近它时发生弯曲,在它附近绕个弯后再继续前行,就是在它那里光不反射回去,而是绕开它照射别处再反射回去,让人看不到“隐身衣”、“隐身篷布”所盖住的人和装备。这就达到了真正的“隐形”。
  雷达波的“隐形”技术
  上述的“示形”与“隐形”仅仅局限在可见光范围,视距短、视野小,还受到昼夜、天气、云雾等限制。上世纪30-40年代英国人发明了雷达,它是利用电磁波的微波波段(甚高频和超高频波段)来探测物体,此波段的电磁波波长从几十米到几毫米,此波段的电磁波在传播过程中,遇到尺度与其波长相近的物体会有很强的反射,于是人们就利用它制成雷达,探测物体,其距离可达几十到几百公里,大型雷达可达几千公里。而且是全天候的,不受昼夜、天气的限制,所以它一出现就发展很快,应用很广,在人类的战争、生产、生活等方面都得到广泛应用,起了很大作用。以下重点讨论雷达的“示形”与“隐形”。
  任何事物都是有矛就有盾,雷达能在微波波段“示形”,也会不断出现对付它的办法。此前已经出现诸多对付它的方法,例如为不让雷达发现,而施放大量金属箔条来对雷达波进行乱反射,从而掩蔽自己。这就类似于在可见光“示形”时放烟幕弹一样。再有就是所谓的电磁干扰法,就是事先侦测到对方雷达的频率和波长,对它进行干扰,从而打乱对方雷达的工作,也就是让它变盲,就无法侦测,这种方法的技术难度较高,成本也高。还有很多躲避雷达的方法,这不是我们讨论的重点,不多说它们。
  近年,为了很好躲避雷达的“隐形”技术发展很快,也很实用有效。目前,已有很多的“隐形飞机”、“隐形战舰”出现,他们都分别采用了很多的技术方法来达到让机、舰“隐形”的目的。其总的思路都是千方百计来降低或消除对雷达波的反射,从而达到不让雷达发现它们。有些方法是高度保密的,外界很难得知,现已知较多的方法有以下几种:
  1. 从外形设计上,尽量降低雷达波的反射。以前的飞机外形设计只考虑如何增大升力、减少阻力。所以总体上飞机外表面都是流线型的,圆滑和弧线型外表面。这样的外表面虽然使机、舰的升力最大化、阻力最小化了。但它对雷达波反射面积很大,很容易被雷达发现。于是,人们在其外形设计上采取了兼顾两者的作法,在宏观上保持机体船体符合流体力学原理的基础上,把弧形的圆滑表面换成若干个小折面的组合面,这些多折面能把照到机身和舰身上的雷达波、折射到很多不同的方向,从而大大减少了被反射回去的雷达波降低了被雷达发现的几率。
  2.研制出了很好的吸收材料,再把这些材料涂复到机身和舰体表面,尤其是那些易被雷达波照射的部位,这样照射到机或舰体上的雷达波也大部或全部被吸波材料吸收,也就没有多少雷达波被反射回去,这也可以大大降低被雷达发现的几率。
  3.尽可能地使用复合材料。原来机体和船体材料,大多都是金属或合金材料。雷达波的特点就是遇到金属材料它有很强的反射性,现在已有很多的复合材料,它们既有金属材料的结构和加工特性,又具有很好的非金属材料。不反射电磁波的特性,但它们价格较贵,所以很多设计师在机身和船身容易被暴露的部位用复合材料去代替金属,也可以大大降低被雷达发现的几率。
  4.改进喷气机进气口的设计。我们知道,所有喷气式飞机前面都有一个大大的进气口,这是喷气机无法丢弃的。而且进口基本都是圆形的,在圆形进气口后面就是高速旋转的发动机扇叶,这些扇叶全是耐高温金属制成,它们都可造成很强的雷达波反射,而且由于它是多片扇叶的告高速旋转运动,这就大大增加了雷达波的反射几率,成为机头上一个强大的雷达波反射点。为此,飞机设计师们在不影响进气口的送气量的前提下,将原来的圆形改为方形、棱形、矩形、扁圆形等形状,这样可以大大减少其后面的扇叶被雷达照射的几率,从而也可减少全机的雷达反射面积。
  5.还有一种前苏联设计师提出的办法,对于飞机的“隐形”最为有效,那就是等离子“隐形”。它的方法是设法在飞机机体周围造就一个等离子体层,从而使飞机和外界形成一种完全的电磁隔离,达到“隐形”目的。但这种方法成本高,技术难度很大,更重要的是它把通讯导航、指挥等电磁联系也隔绝了。所以还未被采用过。
  采用上述多种方法综合运用之后,取得了很好的“隐形”效果。以美国的F-22飞机为例,它把上述前4种方法综合运用之后,使得那么大一架飞机的雷达反射面积只有0.01平方米,比一个篮球面积还小,这样的飞机,几乎没法用雷达发现它,等到你发现它时,它已飞入对你的有效攻击距离。而此前的B-52轰炸机,由于没有采取“隐形”技术,它的雷达反射面积大到200平方米。比F-22大了20000倍。再以美国最新型朱姆沃尔特导弹驱逐舰为例,这艘战舰,是一艘大型舰,其排水量为1.5万吨,舰长186米,它的甲板以上完全用复合材料,外形上是,船头尖角、船舷下外张、船舷上内收成倒V形,这样的外形有利于减少雷达波的反射,加上吸波材料的应用,使得这样一个庞然大物,其雷达波的反射面积仅有一个100吨左右的小渔船那么大,可见其“隐形”的效果多大。
  红外线的“示形”与“隐形”
  以前在光谱的庞大家族中,只有可见光成了“示形”的主要媒介,其它如红外光、紫外光、激光等,则长期处于“示形”媒介之外。那是因为科技还未发展到应有的水平。随着现代科技的发展,特别是微电子、纳米、新材料等技术的发展,使人们对红外线的认识大大提高,把人们的“示形”手段拓展到一些全新领域,红外线就是其重要的分支。
  红外线的波长在770毫微米到106毫微米之间,它是不可见光。但它有个特点,就是有很强的热辐射,这种热辐射与物体的温度紧密相关。温度高,红外线辐射强;温度低,红外线辐射就弱。人们就利用这一特征来探测物体的存在与否,用它可以侦测物体的形状、大小及运动状况。例如响尾蛇导弹就是用红外线来跟踪和摧毁敌机的。在夜间要发现和侦测不同的物体,就可通过检测其温度变化或温度分布的变化来确定某些物体的存在与否,以及它们的动态变化,从而达到“示形”的目的。在此认知上。人们设计、研制了各种各样的热敏材料和热传感器件,各种热敏探测仪器。它们在夜间侦察上发挥了很大作用。
  有侦察就有反侦察,有红外线“示形”,也就必然伴生红外“隐形”,红外“隐形”的主要思路就是想方设法降低温度,降低热辐射量或者变换辐射方式,这些都可以降低被发现的几率,或者适时摆脱跟踪。现在就较多使用的方法是在飞机、坦克、舰船、车辆等的发动机喷气口内涂覆红外吸收材料,这样可大大降低喷出火焰或气体的热辐射量,也有的采用变色涂料来涂覆装备外表的方法来改变表面辐射的方式,也可减少被发现的几率。
  声波的“示形”与“隐形”
  声波不是电磁波,它是一种机械振动波,可以在空气、液体、固体等媒介中传播,在不同的媒介中,它的传播速度差异也很大,声波的传播可以携此很多信息。因此,自古到今,人们使用了很多声波传递信息的方法,如趴在铁轨上听火车是否到来?在车站里听火车通过车站时的声音变化等来判断火车是进站还是出站。用声波“示形”也很普遍,例如医生用听诊器检查病变、超声波探查、B超可以看到体内器官的病变。用声波探测水中的潜艇,用水下行走机器人搜寻马航失联客机…都是声波“示形”的例子。声波“示形”的方法分主动和被动两大类,被动“示形”是指接收器本身不发出任何声波,只是去接收被示物发出的各种声波并把它们放大、处理、显示出来,使你探测到发声物体的存在,并可判断物体类型,以及运动轨迹、运动速度。主动“示形”就是接收器不仅能接收发声物体发出的声音,而且自己主动发出声波并且接收自己发出声波被物体反射回来的回波,从而探测物体,这样不发声或声音很微弱的物体也就逃不出你的侦测了。如超声波探伤、B超检查,主动声纳等,就属此类。这些我们不多说,下面我们将以潜艇的“示形”和“隐形”来重点讨论声波的“示形”和“隐形”技术。
  我们知道,潜艇的发明本身就是把自己隐蔽在水下,水是光波和电磁波不能渗入和传播的,所以潜艇在水下活动,雷达和光学仪器无法探测到它,它曾一度在大江大海大洋中对敌方的近岸和水面上的各种舰船构成极大威胁,但是随着科技的不断发展,人们也渐渐了解它的问题和致命弱点。从而找到了对付它的很多办法,其中最主要的就是利用声波来发现它,跟踪它,再用鱼雷和深水炸弹等来消灭它。因为声波是可以在水中传播的,而且传播速度比在空气中快很多,传播距离也很远。所以人们在研究了解了水中声波的各多种规律之后,研制出了声纳设备,利用声纳设备就可测量鉴别水下各种各样的声音来源和性质,而潜艇在水下要活动,这样就会与周围的水产生磨擦,发出声音,潜艇要下潜,要维持潜水状态,维持潜员的生命和工作…都离不开动力,这样就需要不停地开动发动机,产生大量的声音,而这些声音就会被声纳测到,声纳就可以根据声波来判断潜艇的位置、大小及运动情况等,从而对其进行制约和消灭,这就是潜艇被声纳“示形”了。
  下面介绍潜艇的“隐形”问题。潜艇的“隐形”主要就是对声纳的“隐形”。声纳按其工作方式分为主动声纳和被动声纳两大类。主动声纳就是声纳设备主动发出特定的声波,然后通过检查它所发出的声波在向外传播过程中遇到不同物体所反射的回波来侦察物体的类别、位置及运动规律等,然后指令己方的攻击武器向敌发动攻击;被动声纳就是声纳设备本身不发出声波,而是专门侦测周围物体所发出的各种声波,根据它的声波特点及变化来测定物体的类别、位置及运动规律等,从而指令己方攻击敌方。由此可知,潜艇的隐形技术主要就是针对上述两种声纳而展开的,思路也集中于两个方面。其一就是静音,即千方百计的降低自己工作及潜航时所发出的声音,也就是让自己尽量没有声波发出。主要方法有艇身设计时要尽量减少艇体与水流摩擦、搅动时发出的声音,尽量降低发动机、推进器所发出的声音,这方面已经有不少的先进技术,如用核能代替燃油,用AIP系统——既不依靠空气推进的系统取代常规柴电动力推进系统。最近又推出了用电磁超导流体推进取代传统的螺旋桨。甚至不用方向舵和水平舵等措施。上述各种措施不仅可使潜艇的工作和航行中发出的声音很小,而且使艇潜航行时间大大加长,速度大大提高,被称之为“大洋黑洞”,可见其“隐形”效果之好。其二降低对声波的反射,即主要利用吸声材料涂于潜艇表面,这样可使反射声波降到等于或低于海洋本底噪音的水平,从而使自己隐蔽在海洋的噪声之中,让对方声纳无法监测到。
  总之,现在潜艇的“隐形”技术也已发展很高的水平,它们仍是现在最为隐蔽的攻击平台,仍然成为报复性二次打击的最具威胁的攻击平台。
  综上所述,我们可看出,“示形”与“隐形”是矛盾对立的两个方面,正是有这种相互斗争、相互依存的矛盾对立的运动,推动了科技的发展前进。

 

 

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