隐身材料设计研究

飞机隐身材料设计

摘要：

自提出隐身材料的概念以来，隐身材料收到了国内外的普遍关注，本文

从三个方面论述隐身材料的设计：概念设计、吸波材料的改性设计以及详细设计。

而吸波材料的理论设计是隐身材料研究的重要环节，因此本文主要研究吸波材料

的设计。

关键词

隐身材料 吸波材料 多层 纳米化 掺杂

1.概念设计

1.1研究背景及研究目的

隐身技术是一种把自己隐藏在暗处，在敌方不易察觉的情况下，对敌方实施

突然打击的自我防护技术。实现战场军事装备隐身化的技术措施多种多样，主要

有外形隐身措施、电子隐身措施、红外隐身措施、视频隐身和声赞美秋天的作文 频隐身措施等。

电子隐身就是我们通常所说得雷达隐身，以雷达反射信号最小为目的;红外隐身

顾名思义就是使红外反射信号最小，心得报告 现在已应用的如F-22的二元喷口就可以大

大减小红外反射信号;视频隐身通常是用各种迷彩色来完成的;声频隐身的关键是

减小发动机的噪音，这对低空飞行器非常重要。

隐身技术问世以来，各军事大国一直在竞相发展。 美国的隐身兵器发展较

快，目前居世界领先地位。它的F-117A,B-2,F-22等隐身飞机代表当今世界隐身

兵器的先进水平。F-117A隐身攻击机已投入实战，在局部战争中发挥了重要作

用。第一架B-1隐身轰炸机已于1993年12园林设计图 月开始服役，空军轰炸机联队装备的

B- 2隐身轰炸机有6架已具备初始作战能力。第一架F-22已于1997年9月7日

首次试飞成功，其设计兼顾了超声速机动和隐身特性。

在现有隐身飞机的基础上，美国不断开拓新项目的研究，研制新型隐身飞行

器以及其他新式隐身装备。例如，正在实施“联合攻击战斗机(JSF)计划”，旨

在研制多用途隐身战斗机;世界著名的“暗星’夕(即蒂尔111)隐身无人机已于199

年3月29日首次飞行成功;正在研制AGM-137三军防区外隐身攻击导弹和隐身

电动战车;正在实施旨在提高海军潜艇隐身性能的秘密计划((" M计划’);诺思罗

普格鲁曼公司正在研制一种攻击型隐身无人战斗机和一种能模仿隐身飞机的新

型诱饵;空军正在考虑发展一种远程隐身运输机。

当今的俄罗斯也不甘落后，它已开始研制隐身的轻型多用途第5代战斗机性

能与美国的JSF相当;米高扬设计局正在研制一种中型隐身战斗机;苏霍伊设计局

的隐身战斗机的验证机已于1997年9月25日首飞成功。

1.2飞机隐身的概念设计

1)反雷达探测

雷达隐身技术是以电磁波散射理论为基础，为了不被雷达发现，最有效的办

法是减少飞行器的雷达截面积RCS。即采取各种措施使目标在雷达探测波束照

射范围内具有极小的雷达截面积，大幅度减少可被敌方雷达接收机截获的电磁

波能量，使雷达对目标的探测距离缩短，从而达到隐身的目的。被实践证明行之

有效并投入实用的隐身技术有:外形隐身技术和材料隐身技术。雷达外形隐身技

术的主要理论依据来自目标各个部件的电磁散射机理，利用计算机辅助设计等现

代设计手段，对飞机以及其他装备进行设计，在保持一定性能的前提下，使其被

探测的雷达截面积最小。

雷达材料隐身技术主要是指采用能够吸收或透过雷达波的涂料或复合材料，

使雷达波有来无回、多来少回，从而减少目标雷达截面积，达到相对雷达隐身的

目的。雷达隐身材料主要分为雷达吸波材料和雷达透波材料。雷达吸波材料，又

名微波吸波材料，其基本原理是通过某种物理作用机制将雷达波能量转化为其它

形式运动的能量，并通过该运动的耗散作用而转化为热能，使目标雷达截面积减

少。雷达透波材料是对电磁波不发生作用而对其保持透明状态的非金属类型复合

材料。

2)反红外(热)探测

红外隐身技术是降低或改变目标的红外辐射特征，以降低被红外探测器探测

概率的技术。通过改进结构设计和应用红外物理学领域研究成果来衰减、吸收目

标的热辐射能量，使红外探测设备难以探测到目标。目前为实现飞机的红外隐身

而使用的红外特征控制技术措施有:

(1)采用散热量小的发动机，隐身飞机大多采用涡轮风扇发动机，它是在普通

涡轮喷气发动机的基础上加装由涡轮带动的风扇和一个外涵道。

(2)采用隔热材料对发动机进行隔热，用金属石棉夹层材料制成的发动机舱的

衬里，以对发动机进行隔热，防止发动机热量传给机身使飞机红外特征增加。

(3)改进发动机喷管设计，目前一些武装直升机在排气管上加装隔热罩，从而

(4)在飞行器表面涂敷红外涂料。

(5)采用闭合回路冷却系统等，目前大多数飞机都简单地把座舱和电子设备聚

集的热散发出去，但是隐身飞机则采用闭合回路冷却系统，它能把载荷设备(如

座舱和机载电子设备等)产生的热传给燃油，以减少目标的热辐射。

雷达隐身技术和红外隐身技术是目前飞机隐身技术中比较成熟的，同时也是

最重要的，至于目前飞机的其他隐身技术在此就不一一详细说明了。

2.改性设计

2.1吸波材料的设计原理

吸波材料是指能吸收投射到它表面的电磁波能量,并感冒的类型 通过材料的介质损耗使

有效降低了红外辐射特征，如RAH一66“科曼奇”武装侦察直升机。

电磁波能量转化为热能或其他形式的能量,一般由基体材料(或粘接剂)与吸收介

质(吸收剂)复合而成。

由于吸波材料种类繁多，吸波合同数 机理也不尽相同，目前有多种分类方法，主要

有以下几种:

1)涂敷型和结构型

按材料成型工艺和承载能力可分为涂敷型和结构型。涂敷型吸波材料是将

吸收剂与粘结剂混合后涂敷于目标表面形成吸波涂层;而结构型吸波材料，则通

常是将吸收剂分散在由特种纤维(如石英纤维、玻璃纤维等)增强的结构材料中所

形成的结构复合材料，它具有承载和吸收雷达波双重功能。

2)吸波型和干涉型

按吸波原理分有吸波型和干涉型两大类。前者主要是材料本身对雷达波损

耗吸收;后者则利用吸波层表面反射波和底层反射波的振幅相等、相位相反进行

干涉相消。其中对于吸收型吸波材料按材料损耗机理可分为电阻型、电介质型和

磁介质型。碳化硅纤维、导电高聚物、石墨等属于电阻型吸波材料，电磁能主要

衰减在材料电阻上;钦酸钡护士实习鉴定 之类属于电介质型吸波材料，其机理为介电极化驰豫

损耗;磁介质吸波材料的机理主要归结为磁滞损耗和铁磁共振损耗。这类材料有

铁氧体、拨基铁、多晶铁纤维等。

3)传统型和新型

按不同研究时期，吸波材料又可分为传统吸波材料和新型吸波材料。铁氧化、

金属微粉、钦酸钡、碳化硅、石墨、导电纤维等均为传统吸波材料，而新型吸

波材料则包括纳米材料、多晶铁纤维、“手征”材料、导电高聚物及电路模拟吸

波材料等，它们具有不同于传统吸波材料的新吸波机理。在传统吸波材料中，铁

氧体吸波材料和金属微粉吸波材料是两种研究得最多、性能最好、并已得到较广

泛应用的吸波材料。而纳米材料和多晶铁纤维则是目前众多新型吸波材料中性能

最好的两种。

2.2吸波材料的改性设计方案

具体地说，就是在那些信号散射比较弱小的部位，应采用性能比较差、成本

比较低的吸波材料;相反，对于那些信号散射非常强的部位，应采用性能较优、

成本较昂贵的吸波材料。只有这样有机地优化组合，才能实现信号散射的有效抑

制，同时成本又是最合理的;而不是在所有散射部位千篇一律地、“青一色”地

应用同一种吸波材料。由此看来，在研究、开发和应用隐身材料时，应注重多种

材料的并发地、但又不失针对性、有侧重点地进行。从目前国外吸波材料发展的

现状和趋势可以看出，他们在进一步深化和拓展传统吸波材料的研究、设计、开

发和应用的基础上，继续寻求和发展新型吸波材料的研究和应用的潜力和前景，

并逐步用结构吸波复合材料取代常规的涂覆吸波材料。通过分析和比较，我们最

终确定了三种吸波材料来进行方案改进，分别为：多层吸波材料，纳米吸波材料，

掺杂吸波材料。

3.详细设计

3.1多层吸波材料的详细设计

通过对上述各种多层吸波材料的分析，可以看出多层结构提高了吸波材料的

吸波效果，但同时由于吸波材料吸收雷达波的能力和材料本身厚度有一定关系，

厚度薄的情况下吸波效果不明显，因此，现有多层吸波材料一般厚度较大，会导

致实际应用中使用性能的降低。从介绍过的几种宽频结构可以看出，离散式结构，

如丛林式、非连续体等对吸波材料吸波能力的提高有较明显的作用。设想将多层

涂层吸波材料和宽频结构相结合，在降低吸波材料厚度的同时引入某种离散式结

构强化吸波能力，设计制备一种薄型多层吸波材料与结构。

按照遗传算法的基本原理和应用步骤，采用等效传输线方法计算多层吸波材

料的反射率和牛顿一柯特斯数值积分求解目标函数的方法，并采用VC6. 0编制

了多层吸波材料优化设计软件。

利用基于遗传算法的多层吸波材料优化设计软件分别对吸波涂层为1层一8

层时进行了优化设计，得出了反射率最优值时的材料组合和各层厚度。

从模拟结果可以看出:

(1)多层吸波材料的反射率明显好于1层吸波材料的反射率。与1层吸波材

料相比，多层吸波涂层的带宽增大，反射率值变小。

(2) 6层涂层在整个频带内的平均反射率最低。由于出现了多峰吸收，在某

些频率点上反射率可以达到很小值(最小可达一50 dB)，在7 GHz一18 GHz频

带内反射率均小于一20 dB，在这个频带内运用其作为吸波涂层会起到良好的效

果。同时可以发现:当材料数据库固定时，并不是涂层层数越多，反射率就越好。

3.2纳米化吸波材料详细设计

纳米材料是指材料组分特征尺寸在0.1nm一100nm的材料。它具有极好的吸

波特性，具有频带宽、兼容性好、质量小和厚度薄等特点，它对电磁波的透射率

及吸收率比微米粉要大得多。特别是纳米粒子对红外和电磁波有吸波作用，主要

原因有两点:一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒

材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红

外探测器和雷达接收到反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用;另一方面，

纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3 ~4个数量级，对红外光和电磁波的吸

收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大

降低，很难发现被探测目标，因此起到了隐身作用。

由轻元素组金牛座的爱情观 成的纳米材料在航空航天隐身材料越轻越好)应用方面更是具有

独特的魅力，有几种纳米微粒很可能在隐身材料上发挥作用，例如纳米氧化铝、

氧化铁、氧化硅和氧化钦的复合粉体与高分子纤维结合对中红外波段有很强的吸

收性能，这种复合体对这个波段的红外探测器有很好的屏蔽作用。纳米磁性材料，

特别是类似铁氧体的纳米磁性材料放入涂料中，既有优良的吸波特性，又有良好

的吸收和耗散红外线的性能，加之比重轻，在隐身方面的应用上有明显的优越性

另外，这种材料还可以与雷达舱内信号控制装置相配合，通过开关发出干扰，改

变雷达波的反射信号，使波形畸变，或者使波形变化不定，能有效地干扰、迷惑

敌方雷达，达到隐身目的。纳米级的硼化物、碳化物，包括纳米纤维及纳米碳管

在隐身材料方面的应用也将大有作为。美国F117A隐身战斗机蒙皮上的隐身材料

就含有多种超微粒子，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力，在海湾战争

中发挥了重要作用。

3.3掺杂吸波材料的详细设计

1.铁氧体吸波材料：

铁氧体型的材料对微波能量的吸收作用，是基于铁磁共振现象，在共振点磁

性材料的损耗达到最大值，该吸收现象也称共振吸收。由此可见，应从提高材料

的吸收率，增加介质对电磁波的衰减和减少介质界面对电磁波的反射，并设法增

加入射波在吸收体中的反射次数，或采用吸收能力强的粉体以达反射系数小的目

的。

铁氧体是一种既有一定介电常数和介电损耗、又有一定磁导率和磁损耗的双

复合介质。它除了具有一般电介质材料的欧姆损耗、极化损耗、离子和电子共振

损耗外，还具有铁氧体特有的畴壁共振损耗、磁矩自然共振损耗和粒子共振损耗。

在微波波段把铁氧体作为吸收剂主要是利用了它的畴壁共振和自然共振损耗。在

吸波材料的研究和应用中，需要控制材料的电磁参数使其共振泡大蒜 频率落在电磁波频

段内，以提高材料对电磁波的损耗吸收，同时应尽可能提高铁氧体共振区的复数

磁导率。

2. BaFe12O19材料

BaFe12O19由于其具有较强的自然共振损耗,是一种极具潜力的吸波材料。国

内外专家通过掺杂等方法进一步优化它的性能并拓宽它的应用频段。

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