热红外隐身
王先锋
摘要热红外探测器的高度发展，使人们越来越关注热红外隐身材料的研究。本文简要介绍了热红外隐身的基本原理，并从原理出发综述了实现热红外隐身的两种主要途径，最后简要分析了多波段隐身的兼容性问题。
关键词热红外隐身降温材料涂层多波段隐身
前言
隐身战斗机F-117A在两次海湾战争中出尽风头，它的英文名字是stealthy aircraft，又可译成隐形飞机。据报道，在第一次海湾战争中，参战的44架F-117A隐身战斗机先后执行了1600架次空袭任务，本身无一机损失，这一辉煌的战绩完全归功于隐身技术和隐身材料的使用。
许多军事目标（包括人），特别是运动目标，如坦克、军舰和导弹装载车等，都拥有大功率的动力源，运动时会产生强烈的热红外辐射。某些高速运动目标，如飞机、导弹等，在飞行过程中，它们的外壳与大气摩擦产生的热也是热红外辐射源。红外探测器就是利用目标自身产生的红外辐射来完成识别、跟踪、制导和攻击任务的。热红外隐身伪装技术是采用各种工程技术措施消除或降低目标的真实热红外辐
shuttle射特征，或者改变目标的热红外辐射使其与背景的热红外辐射相适应的技术，以使红外探测设备不能或不易发现目标，或者缩短侦视距离来提高军事目标的战场生存能力[1]。
1热红外隐身的基本原理
一般来说，任何温度高于环境温度的物体都会成为红外辐射源，可由特殊仪器接受并检测出来。由于空气中存在二氧化碳、氧气、水等极性分子，处于极远红外区域的红外线被空气吸收，只有波长处于“大气窗口”，即0.76~1.5μm、3~5μm、8~14μm 区域的红外线才能在大气中无阻碍地传播[1]。其中3~5μm和8~14μm这部分红外线辐射来自目标和背景本身温度所引起的热辐射，故又称为热红外线辐射[2]。
从红外物理学可知，物体红外辐射能量由斯蒂芬-玻耳兹曼定律[3]决定：W=ɛσT4，式中，W是指物体的辐射发射量；ɛ指物体的发射率；σ指斯蒂芬-玻尔兹曼常数；T是物体的绝对温度。由上式可见，物体辐射红外能量不仅取决于物体的温度，还决定于物体的发射率。这两个因素对辐射度效果的影响是不同的。在较高温度情况下，温度将是影响目标辐射度的主要因素；在较低温(与环境温度接近)情况下，发射率将是影响目标辐射度的主要因素。同时，由于背景的复杂性，单一降低目标的发射率并不能提供有效的热红外隐身，而只有使目标各个部位的发射率不同，让目标热像图形分割，消除目标热像的典型轮廓，才能降低热像仪的识别能力，取得良好的热红外隐身效果[1]。
suit2热红外隐身的实现途径
装备的红外隐身都涉及红外隐身材料问题。红外隐身材料具有隔断装备的红外辐射能力，同时在大气窗口波段内，具有低的红外发射率和红外镜面反射率。按照作用原理，红外隐身材料可分为控制发射率和控制温度两类[4]。
2.1 控制温度的红外隐身材料
由于目标的辐射强度与温度的四次方成正比，因此降温材料是降低目标热辐射的很有效的材料。控制温度的红外隐身材料包括隔热材料、吸热材料和高比辐射率聚合物。隔热材料用来阻隔装备发出的热量使之难以外传，从而降低装备的红外辐射强度，有微孔结构材料和多层结构材料两类。隔热材料可由泡沫塑料、粉末、镀金属塑料薄膜等组成。薄膜塑料能储存人体发出的热量，镀金属塑料薄膜能有效地反射人体发出的红外辐射。隔热材料的表面还可涂各种涂料以达到其他波段的隐身效果。利用某些无机
材料和金属在中、远红外的某些波长范围内有强的吸收能力，通过将两种以上具有不同波长吸收范围的化合物或单质利用分子间相互作用力进行异种分子的杂化，生产具有中、远红外隐身能力的杂化材料[5]。
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吸热材料利用高焰值、高熔融热、高相变热储热材料的可逆过程，把热辐射源的温度一时间曲线拉平，有利于减少升温引起的红外辐射增强。而高比辐射率聚合物涂层用在武器系统中较多[3]。
2.2 控制发射率的热红外隐身材料
已有的低发射率材料主要有涂敷型和薄膜型两类，但因为薄膜型材料成本较昂贵，制作复杂，难以得到实际应用，因此目前国内外研究的重点主要在低发射率涂料方面，它由颜料、粘合剂和附加成分组成[6]。实现热红外隐身涂料的方法是采用低发射率粘合剂，添加各种颜料或填料制成涂料，在涂料底层掺入高反射微粒也能起到一定的发射率调节作用[1]。
2.2.1 颜料[2]
颜料是影响涂料隐身性能的基本因素之一，其选用应符合以下要求：
(1)在红外波段有较低的发射率或较高的透射率，其红外吸收峰不能在大气窗口内；
(2)在近红外波段具有较低的吸收率；
(3)能与雷达、可见光和近红外等波段的隐身要求兼容。
目前用于红外隐身涂料配方中的颜料主要有3种：金属颜料、着色颜料和半导体颜料。
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有较高反射率的金属是热隐身涂料最常用和最重要的颜料种类。可用的有Al、Zn、Sn、Au、青铜等，实际选用集中于性能优良、价廉易得的Al。Tschulena研究了金属颜料粒子尺寸对ɛ的影响后认为，粒子的直径应在0.1~100μm范围内。形状不同，粒子的尺寸范围也不同，鳞片状粒子的直径1~100μm，最佳厚度0.1~10μm；小棒状粒子的直径0.1~10μm，最佳长度1~100μm；球状粒子的平均直径在0.1~100μm[7]。对于前两者，直径/厚度(或长度)比越大，降低ε的效果越明显[1]。
热隐身涂料选用着色颜料（通常是非金属颜料）是为了满足可见光伪装的要求。选用着色颜料一般仅要求其不损害涂料的热隐身性能即可。着色填料有：金属氧化物和氢氧化物、硫化物、硒化物、无机盐和有机颜料等。着色颜料粒子大小对隐身性能影响很大，一般认为，其粒子尺寸应小于热红外波长，大于近红外波长，一般在0.5~3.0μm，这样颜料既具有良好的红外透明性，又具有一定的可见光和近红外反射。
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金属颜料虽然有良好的红外反射性能，但不利于雷达隐身和可见光隐身伪装，而着色颜料一般难以调低涂料的ε值。这样便出现了半导体颜料。半导体颜料是一种新型的掺杂颜料。从理论上说，通过适当选择载流子密度N、载流子迁移率μ和载流子碰撞频率ωt等参数，可以使掺杂半导体在红外波段有较低的发射率，而在微波和毫米波段具有较高的吸收率，从而形成红外--雷达一体化材料。SnO2和In2O3是半导体材料中两个有代表性的品种。它们主要有以下特点：较低的红外发射率，符合红外隐身的要求；颜色偏淡，有良好的多频段隐身兼容基础；可通过掺杂控制红外反射率，改变发射率；有多种制
备方法。由于以上特点，半导体材料具有非常大的应用潜力，前景广阔。
2.2.2 粘合剂
为了不使自身成为辐射源，选用的粘合剂必须有较低的红外吸收率。因此，适宜的粘合剂应是对红外辐射高透明或高反射的材料。
低发射率红外涂料粘合剂应具备两个必要条件：一是要有红外波段高透明或低吸收性能；二是要有良好的物理机械性能[8]。可供热隐身涂料选用的聚合物范围较广，如烯烃类：聚乙烯、聚乙烯与乙烯乙酸酯的共聚物、聚乙烯与乙烯醇缩醛的共聚物、聚乙烯与聚四氟乙烯的共聚物、聚乙烯与聚苯乙烯的共聚物；橡胶类：环状橡胶、丁基橡胶、硅橡胶；其他有醇酸树脂、硅醇酸树脂、聚氨酯。与有机粘合剂相比，无机粘合剂红外性能比较简单，红外吸收率也较低，但物理机械性能和施工性能较差[1]。
3多波段隐身的兼容性[9-10]
可见光隐身技术要求目标在0.38~0.76μm波段能够与背景融合，具有与背景相似的反射特性；红外隐身技术主要包括大气的3个红外窗口的隐身，对于1~2.7μm近红外波段要求其反射特性与背景一致，对于3~5μm和8~14μm中远红外波段，则要求其辐射性能与背景一致；雷达隐身技术包含的波段最宽，目前最主要的隐身内容是厘米波与毫米波的隐身，主要是降低目标的反射率，其中毫米波隐身还涉及
penny是什么意思>丰溪里被动毫米波隐身问题，要求目标的毫米波辐射性能要与背景一致；激光隐身技术主要是针对1.06μm和10.6μm等激光工作波长，要求其具有很低的反射率，美军认为，激光隐身应使0.3~10.6μm波段的反射率小于5%。
10.6μm激光是继1.06μm激光后第二应用广泛的激光波长，它与8~14μm热红外隐身也是矛盾的，报道最多的关于解决该矛盾的方法是光谱挖孔，其次是利用动态热辐射理论解决这个问题。
contraction按经典热辐射理论，在平衡状态下无法找到在同一波段内发射率和反射率都很低的材料，但是大多数隐身目标系统并不能称为平衡辐射状态的系统，如行进中的坦克，其发动机所耗能量的很大一部分将转化为热能，这部分热能除通过强制的对流和热传导排出外，有一部分依赖于表面散热。为了保证坦克系统的正常工作，一定的表面散热能力将成为不导致升温的关键，这样，坦克将处于动态平衡状态。因此，研究动态热辐射理论，建立起非平衡状态下的隐身机理将有助于同一波段内红外与激光复合隐身的研究。
所谓光谱挖孔理论，是指某些晶体材料由于强弱振子介电耦合原因能够在某一波长如10.6μm处具有强吸收性能，从光谱曲线上看，就像在某一波长处挖了一个孔，利用这类材料实现10.6μm激光和8~14μm 波段热红外隐身，这在理论上是可行的，但在工艺实施上存在着许多困难。
再一种方法就是利用激光隐身要求的是平均低反射率以及红外隐身要求的是低、中、高发射率组成红
外迷彩的问题，将高发射率的激光隐身涂料作为红外隐身涂料的组成部分，通过综合设计实现二者的隐身兼容。
结语
随着热红外探测技术的发展，探测的精度和距离越来越大，国内外都在积极开展热红外隐身技术的研究。在传统的降温和降低发射率的理论上研究新的降温隔热材料（如：相变材料）以及新型控温涂层将是以后研究的主要方向，在热红外隐身的基础上，实现多波段隐身也必将成为以后隐身技术研究的热点。
参考文献
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损益表格式
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