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隱身材料行業專題研究:風發泉湧、大有作為

由 未來智庫 發表于 攝影2023-01-03
簡介七、多頻段隱身技術:隱身的發展方向,技術壁壘的基礎7.1 簡介:探測裝置紛繁複雜,多頻譜隱身成為剛需隨著探測技術的迅猛發展,武器裝備在戰場上可能同時受到來自雷達、熱紅外、可見光劑近紅外、鐳射等 多頻譜、多波段偵察儀器的探測,因此適用於單一頻

二組分系統最多有幾個相

(報告出品方/作者:中信建投證券,黎韜揚)

一、隱身技術:偵測手段愈發豐富,隱身需求迫在眉睫

1.1 基本概念:技術原理尖端,覆蓋多類學科

隱身技術是現代武器裝備發展中出現的一項高新技術,是當今世界三大軍事尖端技術之一,是一門跨學科 的綜合技術,涉及空氣動力學、材料科學、光學、電子學等多種學科。世界軍事強國已把隱身技術提升到與電 子資訊戰術同等地位來發展。 隱身技術又稱為“低可探測技術”,是指透過弱化呈現目標存在的雷達、紅外、聲波和光學等訊號特徵,最 大限度地降低探測系統發現和識別目標能力的技術。

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1.2 偵察手段愈發豐富,精確打擊威脅巨大

現有的偵察手段越發豐富,從應用場景可以分為天基偵察、空基偵察、海基偵察和陸基偵察。

以常見的陸基偵察為例,其手段不僅有傳統的各式雷達,還有將熱成像、感測器、監視器等組成應用的各 式偵察手段。

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綜合全面的偵察手段讓軍隊重要的武器裝備、軍事設施和高階人員無處遁形,從而對戰場的局勢形成了巨 大的威脅。如此次俄烏戰爭中,雖然俄軍擁有絕對的軍事優勢,但烏方卻憑藉美國援助的軍事偵察手段多次對 俄方高階將領完成了“斬首行動”,對俄軍士氣和戰略戰術佈局造成了嚴重打擊。 除了偵察外,具有探測定位能力的精確打擊技術構成的威脅也對重要的軍事設施和武器裝備構成了巨大的 威脅,具體可分為兩類,一類是精確制導導彈,另一類是末敏彈。 精確制導反坦克導彈均具有紅外探測的能力,而美國的“陶氏”系列導彈甚至除了紅外還配備毫米雷達波 探測的能力,威脅程度大大增加。

末敏彈全稱為末端敏感彈藥,是一種能夠在彈道末端探測出目標的存在,並且讓其戰鬥部指向目標,在接 觸後引爆,這種彈藥雖然裝藥量不大,可打擊的恰恰是裝甲車輛最為脆弱的頂部,所以很容易就會被擊穿,末 敏彈既可以用火炮發射,也能夠作為火箭彈的戰鬥部,甚至由飛機來播撒,打擊的範圍非常廣,因此,這種彈 藥被稱為裝甲叢集的噩夢,且非常難以防禦。

精確打擊技術可以準確地打擊敵方重要目標,而防空系統的全面覆蓋和完全攔截幾乎是不可能的,對戰局 的左右起到了巨大的影響。此次俄烏戰爭剛打響時,俄羅斯導彈部隊短時間內癱瘓了烏空軍力量。透過摧毀防 空火力、精準摧毀機場等軍事設施,較短時間中,烏克蘭便喪失了以空軍編隊對俄軍進行高空打擊

足夠能力。 面對現有的偵察手段和精確打擊技術,全世界尤其是軍事強國對隱身技術越發重視,從而希望在潛在的戰 爭中獲得壓倒性的優勢。

1.3 具體應用:F-22 採用多項隱身技術,多種材料並舉

1997 年,世界第一架進入服役的五代戰鬥機 F-22 進行了首飛,吸引了全世界的目光。一般來說,第五代 戰鬥機應具備以下能力:超隱身能力、超機動能力、超音速巡航能力和超資訊優勢。在現代空戰中超視距作戰 成為常態,而雷達與紅外訊號探測是偵測飛機位置的最可靠方法。那麼減弱我方戰機的雷達與紅外訊號強度便 成為了飛機設計中提高隱形能力的最關鍵和最重要的因素。

二、外形隱身技術:隱身首選手段,隱身效果最優

2.1 分類:先於常規隱身型別,整機隱身的基礎

外形設計的目的是降低目標的訊號的特徵,主要包括雷達特徵訊號、紅外特徵訊號及可見光特徵訊號。外 形隱身往往是武器裝備最先考慮的因素,它貢獻了最大的隱身效能,也因此舊式武器裝備往往不會採用隱身塗 層來增加隱身效能,因為沒有經過隱身設計的外形,僅透過隱身材料的效果很差。

2.2 雷達外形隱身設計:逐漸取代氣動設計,重要性凸顯

2.2.1 定義

在降低目標雷達特徵訊號中,使用外形隱身是最有效的。在新式武器系統的研究過程中,首先是利用外形 隱身技術,然後才是依靠雷達吸波材料技術。外形隱身具有應用範圍廣、效果顯著及對高頻雷達適用性更強的 優點,但也會對其他效能如飛行器的氣動效能、結構受力以及其他方向的雷達散熱產生不利影響。因此需要綜 合考慮。

2.2.2 發展

當武器系統的隱身技術自 1917 年產生時,當時主要以雷達吸波材料和電子對抗系統為主,直到 20 世紀 60 年年代,美國洛克希德公司研製出 SR-71“黑鳥”戰略偵察機,才開始考慮從外形設計結合雷達吸波材料的綜 合隱身技術。20 世紀 70 年代初期,美國開始有計劃地進行外形隱身設計的研究,如羅克韋爾公司研製的 B-1 型戰略轟炸機。而到了 20 世紀 80 年代,隨著隱身需求的大大增加,電子工程師已逐漸取代航空工程師對飛行 器外形進行設計,其中最著名的便是洛克希德公司設計的 F-117A 隱身戰鬥機。

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2.2.3 常用技術

採用雷達外形隱身設計一般遵循以下幾個原則: (1)避免出現任何與邊緣、稜角、尖端、缺口等垂直相交的接面,以消除產生角反射器效應。(2)避免出現較大平面,用邊緣衍射代替鏡面反射,以消除鏡面反射光面。 (3)縮小飛行儲存,以減小雷達波的反射截面。 (4)合理設計發動機進、排氣系統,採用平齊進口。 (5)消除外露突出部分,使機身形成平滑過渡的曲線形體。

2.3 紅外外形隱身設計:隱藏高溫源,重點針對尾部

2.3.1 定義

紅外外形隱身設計是指透過目標的外形設計來遮蔽紅外輻射或改變紅外輻射的傳輸過程。

2.3.2 常用技術

(1)透過改進機身的外形以減少機體與空氣的摩擦,可降低機殼的溫度從而減弱機體的紅外輻射。 (2)對飛行器的尾部進行合理設計,用機身、尾翼或其他擋板遮擋尾噴管,可使尾噴管的紅外輻射方向改 變,從而使紅外探測器難以探測到飛行器。 (3)在尾噴口安裝魚鱗門與旁路散熱器,在尾噴口的擴散段安裝空氣冷卻導流板。 (4)低空的飛機還可在發動機上部的上表面設蓋板,以防止更高高度的紅外感測器探測到這些紅外輻射特 徵。

2.3.3 應用

飛行器方面,F-15 和 F-22 戰鬥機便採用了尾翼遮擋噴管,而 F-117A 和 B-2 隱形轟炸機則採用機身遮擋噴 管,YF-23 戰鬥機則同時採用機身和尾翼遮擋尾噴等。RAH-66 直升機將兩臺發動機置在機身兩側,進氣道則採 用埋入式放置在機身側上方,並且使用了菱形的進氣道口。AGM-129 巡航導彈則將進氣道口裝在彈體中部、彈 翼後下方,尾噴口位於扁平尖楔尾部元件內部。

船艦方面,瑞典“維斯比”輕型護衛艦和德國“梅科”A-200 輕型護衛艦甲板和上部構造採用封閉結構, 去掉煙囪,採用橫向輸送管系統來代替煙囪用於排放熱廢氣,將廢氣從艦尾排出至水線上冷卻。

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車輛方面,裝甲車輛溫度不高,但面積較大,因此主要採用減小車體外形尺寸,降低車高和炮塔尺寸來減 小暴露給敵人的目標面積,縮小被敵人紅外探測器發現的距離。

三、雷達隱身:軍民適用性最廣,技術最成熟

3.1 概念:降低雷達反射,民用市場廣闊

雷達吸波隱身材料是指能夠透過自身的吸收作用,來減少目標雷達散射截面,使其難回收到雷達探測滿意 的回波,從而起到隱身作用的材料。雷達吸波材料用於軍事隱身只佔其中較小的比例,其民用市場更加廣闊, 可用於改善電磁相容、RFID 天線抗金屬隔離、安全保護等諸多方面,涉及通訊、紡織、電力裝置等多個行業。 當前雷達系統一般是在 1~18GHz 頻率範圍工作,但新的雷達系統在繼續發展,吸收體有效工作的頻寬還將 擴大。吸波材料要吸收電磁波必須滿足兩個基本條件: 1。電磁波入射到材料表面時電磁波能最大限度地進入材料內部(匹配特性)。 2。進入材料內部的電磁波能迅速地幾乎全部衰減掉(衰減特性)。 雷達作為應用最廣泛、技術最成熟的探測手段,是對重要軍事目標最大的偵測威脅。同時由於其技術原理, 正常目標只要有形體,均會反射雷達訊號,因此雷達隱身是最重要也是最基礎的隱身需求,相關技術豐富且相 對成熟,應用廣泛。

3.2 分類:吸波劑+基體,塗層+結構

目前雷達吸波材料主要由吸波劑與高分子材料(如樹脂與橡膠及其改性材料)組成。其中決定吸波效能優 劣的關鍵則是所選取的吸波劑的型別及含量。根據吸波劑的吸收原理不同,通常可分為電損耗型和磁損耗型兩 大類。按照吸波劑結構形態,可分為塗層型和結構型兩類。 吸波材料可透過三種方式對雷達波進行吸收,1 電導損耗、高頻介電損耗、磁滯損耗或者將其轉變成熱能, 使電磁能量衰減。2 將電磁波能量由一個方向分散到各個方向,從而使其強度銳減。3 作用在材料表面的第一電 磁反射波會與進入材料體內的第二電磁反射波發生疊加作用,致使其相互干擾,相互抵消。 基於上述三種吸波原理,可以將吸波材料分為三類,即吸波型、衰減型和諧振型。

3.2.1 塗層吸波材料

吸波塗料是把具有特定介電引數的粉末(吸收劑)分散在基體(粘結劑)中形成的。一般來說,基體起粘

、強度和抗環境的作用,吸收劑起電磁損耗作用。 雷達材料一般選擇導電高分子材料作為基體,主要由於導電高分子材料可對 80%

電磁波

進行反射,20%的 電磁波進行吸收,而導電的金屬材料則對電磁波進行全部的反射作用,但由於高分子材料一般無法承受高溫, 故高溫下有時會選擇耐高溫的

無機物

。 吸收劑選擇範圍較為廣泛,從最早的鐵氧體開始發展出了眾多適用於不同場景的吸波劑。一般來講常溫領

下常用材料為鐵氧體、羰基鐵等材料,而中高溫領域則使用碳材料和陶瓷材料較多。此外還有部分效能

優秀

的材料可適用於一些特殊場合。

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3.2.2 結構吸波材料

結構吸波材料是一種多功能增強塑膠,既能承載作為結構件,又具有複合材料質輕的優點,同時也能吸收 或透過電磁波,從第二次世界大戰時期就受到廣泛的研究和關注。由於塗層往往具有吸波效能和重量這兩個指 標的矛盾性,因此結構吸波材料目前已成為應用的主流。

3.3 未來發展重點:智慧化+奈米吸波劑

3.3.1 智慧吸波材料

智慧化隱身材料具有局域敏感和響應功能的精細微結構,能感知和分析從不同方位角到達飛行器表面的各 種主動式探測訊號,瞬間調節表面區域的電磁波基本特徵參量,以達到更好的隱身效果。一種有源吸波材料即 基於此原理。這種材料是由在基體中嵌入半導二極體或其他電磁敏感原件構成的。在無外部激勵時(即沒有雷 達波照射),它們不吸收電磁波,而當受到外部激勵時,這些電磁裝置自動開關,從而改變材料的吸收/反射電 磁波特性)。

3.3.2 奈米吸波劑

奈米吸波劑材料是指材料組分的特徵尺寸在奈米量級(1~100nm)的材料。奈米材料在具備良好的吸波功 能的同時,兼備了寬頻帶相容性好、質量輕和厚度薄、力學效能好等特點,英、美等國都將其列入新一代隱身 材料加以研究。目前用於塗料的奈米顆粒有三類:一是金屬氧化物;如 TiO2、ZnO2、Al2O3、Fe2O3 等;二是 奈米金屬粉末,如 Al、Tl、Cr、Nd、Mo 等;三是無機鹽類,如 CaCO3、層狀矽酸鹽以及一維的奈米級黏土等。

應用方面,美國研製出的“超黑粉”奈米吸波材料,對雷達波的吸收率大於 99%。法國研製的金屬奈米微 屑作填充劑的吸波材料在 50MHz~50GHz 都有良好的吸波效能。法國科學家研製出的奈米 CoNi 超微吸波材料, 大大超過金屬微粉的吸波極限。

四、紅外隱身:技術原理獨特,隱身需求較大

4.1 原理:溫度越高,紅外隱身需求越大

一切高於熱力學零度的物體都能發出紅外輻射,紅外輻射的光子能量能夠使一些活潑金屬產生紅外光電

應。紅外探測系統的原理就是透過上述紅外光電效應把紅外輻射特徵訊號轉化為電訊號。紅外探測的方法有

種: 紅外隱身的目的就是降低或改變目標的紅外輻射特性,減小紅外探測系統對目標的作用距離,從而降低目 標被探測的機率。在實際的紅外探測過程中,物體發出的紅外輻射透過大氣傳輸才能達到紅外探測器。大氣傳 輸

過程

中紅外輻射會因波長不同而有不同程度的衰減,通常把大氣衰減較少的波長區域稱為大氣視窗。大氣的 紅外視窗有以下 3 個波段:短波 1~2μm、中波 3~5μm、長波 8~14μm。紅外輻射在這 3

波段以外基本上是 不透明的,目前使用的紅外探測器大都工作在這 3 個波段內。因此紅外隱身材料也應該作用在這個波段內。 由於紅外輻射的特性,紅外探測手段的應用非常廣泛且廉價,尤其是高溫物體,暴露的風險非常巨大,因 此紅外隱身也是幾乎所有高溫武器裝備隱身所必須考慮的因素,而紅外隱身由於需要考慮高溫環境,因此其技 術難度往往大於雷達隱身,溫度越高對技術要求也越高。

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4.2 研究進展:應用場景眾多,國外起步較早

紅外隱身方法可分為隱身材料、隱身煙幕、紅外誘餌和熱紅外隱身網。 由輻射定律可知,溫度越高,紅外輻射越大,因此飛機、導彈、戰艦和坦克均是具有較強紅外輻射的目標, 它們的任何部位都可能成為紅外輻射源,他們自身的輻射和對環境的反射都可能成為紅外輻射源,尤其是發動 機的高溫噴氣流、機體熱部件、氣動力加熱和對陽光的反射與散射被認為是紅外輻射源中的幾個主要方面。而 紅外隱身技術的是指就是抑制和縮減其紅外輻射能力。

國外開展紅外隱身技術的研究比雷達隱身技術大約要晚 10 多年。目前,國內外紅外隱身技術已經發展到實 用化階段。自 1988 年以來,除飛機之外,戰艦、坦克、各類武器發射平臺,乃至夜戰士兵的服裝均提出了要用 紅外隱身技術來改善和提高其戰場生存能力。紅外隱身技術已從中、近紅外波長擴大到超遠波長的地低紅外輻 射。

美國和前蘇聯就深入地研究了各種紅外抑制技術,如紅外輻射遮擋技術、高速氣流引射冷卻技術、對流氣 膜冷卻技術、隔熱絕緣材料地應用以及減少羽煙中的碳粒、氮化物、未燃盡物地燃燒技術和新增劑等,並且始 終處於領先地位,現已在部分現代武器系統中得到應用。

4.3 應用:武器裝備相容,高溫部件必需

4.3.1 飛機紅外隱身技術

飛機的熱輻射主要產生於發動機、發動機噴口、排氣氣流、機體蒙皮等。實現飛機紅外隱身的主要技術

施包括:採用紅外輻射較弱的渦扇發動機,並透過對發動機進行隔熱,防止其熱量傳給機身;在噴管內部塗

發射率材料;在燃料中加入新增劑抑制和改變尾焰的紅外輻射頻段;飛機表面塗紅外隱身塗料;釋放偽裝氣

膠煙幕;改進外形設計減小機體摩擦以降低蒙皮溫度等。

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4.3.2 坦克等地面武器的紅外隱身技術

坦克的紅外輻射主要來源包括:發動機、煙囪、煙羽、表面輻射和對外界短波輻射的反射等。主要透過採 用效率高、熱損耗小的發動機減少發熱量,改變排氣通道位置和形狀並進行冷卻,發熱部位隔熱,表面塗低發射率材料和迷彩偽裝等措施來實現紅外隱身。

4.3.3 艦艇等海上武器裝備的紅外隱身技術

艦艇的紅外輻射源主要是煙囪管壁,排氣煙羽和艦體表面。對艦艇進行紅外輻射抑制的技術手段主要分 3 中;降溫、紅外遮蔽和隱身塗料,其中降溫是最常用和最有效的策略。具有實施方法包括:改變煙囪的位置和 形狀,對機艙水冷降溫、高溫表面塗絕熱層、艦船表面噴淋海水和塗隱身材料等。

4.4 組成:填料決定效能、黏合劑決定應用

對於紅外隱身塗料的研究可分為兩方面,即優良的紅外透明膠黏劑和影響發射率的填料。黏合劑是低發射 率塗層的主要成膜物質,是塗層的重要組成部分。低發射率塗層的黏合劑要求具有較高的紅外透過性,無機黏 合劑雖然具有較高的紅外透過率,但其物理力學效能和成膜性較差,所以應用較少。而有機黏合劑有更好的力 學效能和黏結力,所以應用較為廣泛,但由於其無法耐高溫,因為高溫領域往往採用無機粘合劑。

4.4.1 填料

填料是影響低發射率塗層效能的重要因素,對塗層的紅外隱身效能起調節作用。填料的選擇要求在紅外波 段吸收率低,反射率低,發射率低。 金屬填料方面,實際應用以效能優良、廉價易得的鋁粉和銅粉為主。 半導體填料方面,可以透過摻雜其他元素控制紅外發射率,且摻雜改性的半導體由於在微波段具有高吸收率,可以用於製備多波段相容隱身材料。

4.4.2 顏料

顏料是影響塗料隱身效能的基本因素之一,其選用應符合以下要求:1 在紅外波段有較低的發射率或較高 的透射率,其紅外吸收峰不能在大氣視窗。2 在近紅外波段具有較低的吸收率;3

與雷達可見光和近紅外等波 段的隱身要求相容。目前顏料可大致分為金屬顏料、著色顏料和半導體顏料。

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4.5 其他技術:技術分支眾多,發展潛力巨大

4.5.1 低發射率薄膜

低發射率薄膜是一類極有潛力的熱隱身材料,適用於中遠紅外波段,這種薄膜的作用是彌補目標與環境的 輻射溫差。 最大優點是具有很低的發射率和良好的絕熱作用。按其結構成分可分為:金屬膜、電介質/金屬多層複合膜 以及半導體摻雜膜和類金剛石碳膜類。

4.5.2 光子晶體紅外隱身材料研究

光子晶體是非常前沿的紅外隱身材料,其較寬的禁帶是實現相應波段低的發射率,從而降低紅外可探測性 的必備條件。其優點在於易於與其他隱身材料相容,實現多波段隱身相容,同時由於其靈活可調,因此可以作 為自適應紅外隱身材料。

4.5.3 控溫塗層材料

中空微珠作為隔熱材料,由於其密度小、抗壓能力強、導熱係數低等優點,被廣泛應用於隔熱塗層。透過 在紅外隱身圖層中新增中空微珠,塗層表面的溫度有一定程度的降低。

4.5.4 智慧隱身材料

智慧隱身材料是一種新型隱身材料,是智慧材料和隱身材料的有機結合,可分為電致變智慧隱身材料和熱 致變智慧隱身材料。電致變智慧隱身材料是在電場或電流的作用下,材料組分發生化學變化,進而影響材料的 紅外發射率。熱致變材料透過感應目標的表面溫度變化改變紅外發射率。

4.5.5 生物仿生隱身材料

生物仿生紅外隱身材料是基於生物的微觀結構特性、變色原理或者電磁波反射特點進行合成、製備的新型 紅外隱身材料,如利用聚氨酯和片狀銅粉仿生珍珠層結構。

五、可見光隱身技術:技術發展最早,智慧化成為主流

5.1 簡介:探測手段眾多,迷彩隱身為主流

隨著科學技術的發展,光電探測技術和探測手段以及其他各種反偽裝技術已經發展到了相當高的水平,

前國外坦克、車輛、光學成像衛星和偵察飛機上安裝的探測器材,如潛望鏡、瞄準鏡、多光譜照相機、高分辨 率電視攝像機和微光夜視儀等,均能在 0。38~0。75um

可見光波段內對地面進行偵察與探測。為此國外加快了 可見光隱身技術的研究步伐,並取得了較大進展。 要實現可見光偽裝,必須消除目標與背景的顏色差別,只要偽裝目標的顏色與背景色彩協調一致,就能

偽裝

,這就是可見光偽裝的原理。 可見光偽裝採用的方法主要是迷彩偽裝,可分為保護迷彩、變形迷彩和仿造迷彩等。其中保護迷彩屬於單 一迷彩,適用於背景、色調比較單一的地區,當前應用最多的可見光偽裝方法是變形迷彩和仿造迷彩。 可見光隱身就是無法被肉眼或原理和肉眼相似的裝置如相機偵察到,最為接近我們傳統意義上的“隱身”, 因此其需求非常廣泛,但由於現有技術條件無法做到真正的“消失”,因此完全實現可見光隱身最為困難,只能 透過傳統的迷彩或者更為先進的智慧可變迷彩使得其在一定距離下難以發現。

5.2 發展狀況:發展最早,潛力巨大

儘管可見光隱身在各種隱身技術中發展最早,許多技術已經比較成熟,但可見光隱身仍有大的發展潛力。 如美國採用雷達隱身技術的 F-117A 戰鬥轟炸機,夜戰時能避開敵方雷達的探測,但在白天,這種以天空為背景 的黑色飛行物卻逃不過肉眼或光學裝置的觀察。傳統的可見光隱身就是透過減少目標的可視外形、塗覆偽裝迷 彩和覆蓋偽裝網等手段,儘量降低目標與背景之間的亮度和色度等可視對比特徵。但僅在目標靜止或者運動較 慢的情況下才能表現出較好的隱身效果。為了克服上述缺點,軍事專家積極研究能根據戰地環境改變亮度、色 度的智慧隱身材料,目前已經取得初步成果的有熱致變材料、光致變材料和電致變材料。

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隱身迷彩塗料一般由成膜物質、顏料、溶劑和助劑組成。 成膜物質決定迷彩是否能夠牢牢粘住,早期一般選用醇酸樹脂、丙烯酸樹脂。隨著技術的發展,目前較多 選用聚氨酯樹脂或丙烯酸聚氨酯混合樹脂。 迷彩圖案斑塊的顏色和形狀大小是影響隱身效果的關鍵。需要根據場景和裝備種類選擇不用的顏色。 吸收劑(染料)又稱可見光吸收染料,是近年來染料化學領域中研究得較多的功能染料之一。 隱身塗料最具代表性的是美國的耐化學毒劑滲透的聚氨酯偽裝塗料。這種塗料在遇到化學毒劑汙染時易於 清洗,尤其是改用三色迷彩和大斑點後在遠近距離上都有較好的偽裝效果。

5.3 偽裝遮罩:使用便捷,產業成熟度較高

偽裝遮罩是一種設定在目標附近或外加在目標之一

防探測器材,主要包括各種偽裝網和偽裝覆蓋物等, 透過採用不同的偽裝技術分別對抗可見光、近紅外、中遠紅外和雷達波段

偵察與探測。 最具有代表性地偽裝遮障是瑞典的熱偽裝網系統和美國的超輕型偽裝網。

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5.4 智慧隱身材料:當前發展方向,逐漸成為主流

可見光“智慧”隱身材料是一種具有“變色龍”特性的材料系統。因此在坦克、裝甲車、飛機等武器裝備 上塗覆或摻雜智慧隱身材料,其表面在光、電、熱刺激下變色和改變亮度,使目標融入背景中,提高裝備的隱 身和機動效能。

5.4.1 光致變隱身材料

光致變色材料在一定波長和強度的光作用下,分子結構發生改變,引起材料對光吸收峰的變化,最終導致 顏色改變,達到隱身的目的。目前,美國、法國、日本等國都有此方面的研究成果。如美國 2007 年研製成功的 的一種智慧變色塗層,並申請了專利保護。整個塗層由內到外分別為自修復層、視覺顯示層、新型材料層、人 工智慧網路層、感測組分層、能源層和抗腐蝕層。當抗腐蝕層感受到來自外界的破壞或足夠大的顏色或亮度改 變,感測組合曾可以將獲得的訊號資料傳輸給人工智慧網路層,人工智慧網路對訊號進行處理,傳送給視覺顯 示層,視覺顯示曾將改變自身的顏色或團,以達到與背景環境一致,實現視覺隱身。

5.4.2 熱致變色材料

熱致變色材料能在感知背景光的亮度和色度資訊後,在溫度控制裝置的控制下,使材料溫度發生改變,從 而呈現出與背景一致的亮度和色度。熱致變材料按物質組成還可分為無機熱致變色材料和有機熱致變色材料。 美國曾推出一種可以應用到坦克、車輛表面的熱致變色偽裝系統。

5.4.3 電致變色材料

電致變色材料在通電後可迅速改變其亮度和顏色,因而可用計算機控制該材料,使其與目標所處環境的亮 度和顏色相匹配,達到可見光隱身目的。如在裝甲車輛的車體上塗一層經過改性的聚苯乙烯薄膜,然後將該薄 膜與一個智慧處理和環境感知系統相連。這樣改性的聚苯乙烯薄膜能根據需要呈現各種顏色的光。

5.5 奈米隱身材料:長期發展目標,有望實現完全“隱身”

美國在此方面取得了一些進展,研製了納米金屬針隱身材料和奈米固體顆粒改性隱身織物。奈米金屬針由 美國普度大學設計,將直徑約為 10nm、長度約為數百奈米的金屬針裝入到發刷形狀的錐形物體之中,並以特定 角度和長度迫使光在斗篷周圍遊走。這樣,錐心物體內的一切事物看上去會忽然消失,原因就在於光不在對其 產生反射。美國海軍陸戰隊和 Natick 士兵中心在尼龍 66 和尼龍 66Cordura 纖維擠出之前加入奈米或微米固體顆 粒,使織物的顏色分別變為土狼色或淺棕色,適用於沙漠和叢林環境。

六、鐳射隱身技術:光譜頻率特殊,常與其他隱身疊加使用

6.1 背景:鐳射探測裝備逐漸列裝,相關隱身路線眾多

隨著鐳射技術的發展,鐳射測距機、鐳射制導武器、鐳射雷達等已研製成功並裝備部隊。為了保護自身武 器平臺(如飛機、坦克、軍艦)和重要軍事設施(如指揮中心)的安全,提高其戰場生存能力,研發目標的激 光隱身技術,已迫在眉睫。 鐳射隱身是透過減少目標對鐳射的反射訊號,使目標具有低可探測性。其主要出發點為減小目標的鐳射雷 達散射截面和鐳射反射率。 由於現有的雷達探測、紅外探測及可見光探測已經基本可以實現對所有目標的探測要求,因此鐳射測探尚 未普及,因此鐳射隱身也較為少見,但隨著雷達、紅外、可見光範圍隱身的普及,未來對鐳射探測的需求將大 大增加,從而催生鐳射隱身的廣泛應用。

隱身材料行業專題研究:風發泉湧、大有作為

6.2 材料分類:材料跨度大,技術原理接近

1。摻雜半導體。以氧化錫為主要原料,摻雜氧化銅、氧化銻、氧化鈣等過渡元素氧化物。並且該材料可實 現紅外與激光復合隱身。 2。有機金屬絡合物。將有機絡合劑和有效吸收 1。06μm 波長鐳射的金屬離子進行結合,再經提純可製備成 鐳射隱身薄膜的功能材料。 3。空芯微珠表面化學鍍銅。透過對陶瓷空芯微珠表面進行改性以達到吸收和散射目的。化學鍍常以硫酸銅 微珠,以甲醛為還原劑。4。奈米隱身材料。具有了寬頻帶、相容性好、質量小和厚度薄等特點,成為未來鐳射隱身的研究方向。

七、多頻段隱身技術:隱身的發展方向,技術壁壘的基礎

7.1 簡介:探測裝置紛繁複雜,多頻譜隱身成為剛需

隨著探測技術的迅猛發展,武器裝備在戰場上可能同時受到來自雷達、熱紅外、可見光劑近紅外、鐳射等 多頻譜、多波段偵察儀器的探測,因此適用於單一頻段的隱身材料將很難獲得進一步的實際應用,而多頻譜兼 容隱身材料有希望滿足武器裝備在戰場複雜電磁環境中的需要。 多頻譜隱身需要同時考慮多個波段的隱身需求,因此技術難度非常高,但其需求卻非常旺盛,因此成為隱 身行業壁壘最高也是最重要的市場。現獲得實際應用的隱身技術基本都實現了一定程度上的多頻段相容,但距 離實現所有頻段的完全相容仍有較大差距。 一般有兩種思路,第一,將高效能微波吸收材料、低紅外發射率材料以及可見光偽裝材料形成夾層或多層 膜等複合結構,如考慮把紅外低發射率作為外層,雷達波高吸收層作為內層形成一種雷達與紅外相容的雙層復 合結構。第二,研製一種微波高吸收、紅外低輻射,同時可見光近紅外能偽裝的一體化材料,如一些稀土奈米 材料、摻雜氧化物半導體、摻雜光子晶體等。

7.2 發展情況:頻譜逐漸拓寬,技術難度較高

美國、德國、瑞典研製的多波段隱身材料已達到可見光、近紅外、中遠紅外和雷達毫米波四波段相容的水 平,所開發的隱身塗料可以吸收雷達、紅外、毫米波,塗到被保護裝備上之後,最終形成的塗層僅使裝備厚度 增加幾個奈米,適用於任何材料和結構。 目前國內外研究較多的多頻譜材料主要有:雷達與紅外相容隱身材料,紅外與鐳射相容隱身材料、紅外與 可見光相容隱身材料,以及覆蓋包括可見光、近紅外、遠紅外和微波在內的多波段隱身材料。

八、等離子體隱身:俄羅斯獨有技術,技術難度較大

8.1 簡介:全新隱身概念,雷達隱身優勢巨大

等離子體隱身是利用等離子體在飛機、輪船等武器裝備表面產生的等離子云來實現規避電磁波探測的一種 技術。這是不同於外形隱身和材料隱身的新概念隱身技術,可透過設計等離子體雲的特徵引數,如能量、電離 度、振盪頻率等,來滿足不同的要求,是敵方難以探測,從而達到隱身的目的。這種技術甚至能透過改變反射 訊號的頻率,使敵方雷達測到假資料,以實現軍事欺騙。 採用等離子體隱身相比材料隱身和外形隱身有許多獨特優勢:一是吸波頻頻寬;二是吸收效率高,隱身性 能好;三是使用簡單;四是使用時間長;五是價格及其便宜;六是無須改變裝備的外形設計,不影響飛行使用 效能,甚至還能降低飛行阻力 30%左右;七是沒有吸波材料和塗層,維護費用大大降低。據稱,採用這種新技 術的飛行器,被敵方發現的機率可降低 99%,即能實現真正的隱身。 雖然等離子體隱身具有諸多優勢,但其技術原理完全獨立,技術難度很高,需要大量的研究工作才能投入 實際使用,因此目前未見各國有廣泛應用。

8.2 發展現狀:俄羅斯獨領風騷,已列裝多個型號

世界各國爭相發展等離子隱身技術。早在 20 世紀 60 年代,蘇聯就開始了秘密研究等離子體吸收電磁波的 效能。80 年代初期,蘇聯是世界上最早開始等離子體

飾演

的,重點研究等離子體在高空超音速飛行器上的潛在 應用。經過幾十年的發展,俄羅斯等離子體隱身技術的成果已經明顯領先於美國。據悉,其第一 代產品是等離子體發生片,厚度為 0。5~0。7mm,將發生片貼于飛機的強散射部位,電離空氣即可產生等離子體。 第二代產品是等離子體發生器,在等離子發生器中加入易電離氣體,即可產生等離子體雲層,其不僅可以減弱 利達的發射訊號,還可改變發射訊號的頻率從而實現隱身。20 世紀初,該研究出新研製了第三代產品,利用飛 行器周圍的靜電能量來減少飛行器雷達散射截面。因此俄羅斯的隱身戰鬥機沒有像美國那樣採用外形隱身設計。

隱身材料行業專題研究:風發泉湧、大有作為

20 世紀 90 年代初,美國在休斯敦實驗室進行了等離子技術研究。1998 年,美國的等離子體隱身技術進入 實用階段,美國海軍委託田納西大學等單位成功地研製出等離子體隱身天線,該系統的天線單元是一個 U 型等 離子體放電管。當放電管通電時就成為導體,能發射和接受無線電訊號;當放電管斷開電源時就成為絕緣體,使敵人的雷達無法發現。

8.3 原理:技術壁壘高,產業化難度大

等離子體隱身的原理是利用等離子體發生器、發生片或放射性同位素在兵器表面形成一層等離子體雲,通 過控制等離子體的能量、電離度、振盪頻率等特徵引數,使照射到等離子體雲上的雷達波遇到等離子體的帶電 離子後,兩者發生相互作用。電磁波的一部分能量傳給帶電例子,被帶電粒子吸收,而自身能量逐漸衰減。另 一部分電磁波受一系列物理作用的影響而繞過等離子體,或者發生折射而改變傳播方向,使返回到雷達接收機 的能量很小,使雷達難以探測,以達到隱身的目的。 等離子體產生的機理主要有碰撞電離、光致電離、熱電離三種。目前,在等離子體隱身技術中,研究得較 多,同事比較有前景的方法有以下三種: 第一種,是利用高壓氣體放電產生等離子體。即在常溫下,透過電源以高壓的形式產生氣體放電,將氣體 電離形成等離子體。美國休斯研究實驗室即採用該方法。 第二種,是利用噴流式等離子體發生器產生等離子體。噴流式等離子體發生器一般由工質控制系統、等離 子體發生器及電源等幾個部分組成,其中等離子體發生器是產生等離子體的核心裝置,方式為氣體放電。俄羅 斯的第一代、第二代和第三代等離子體隱身實驗均採用該方式。 第三種,是在武器特定部位塗一層放射性同位素,其在衰變過程中放出的射線具有很高的能量,它們在穿 過空氣的過程中,透過轟擊空氣分子使其電離,產生大量的電子和離子而形成等離子體。

8.4 應用:飛行器為主,通訊裝置為輔

8.4.1 等離子體隱身飛行器

藉助等離子體隱身技術,可使得導彈、飛機到汽車等任何移動物體大幅降低“可見度”。透過等離子體遮蔽, 即使老式和廉價的飛機隱身能力也可超於昂貴的美國 F-117 及 B-2 隱身飛機,因此具有非常好的經濟性。目前 俄羅斯研製得緊湊型等離子體發生器體積小且重量輕,已應用於最新戰機米格 1。44。而美國也已經成功研製出 採用等離子體隱身的 AGM-158A 遠端導彈。

8.4.2 等離子體隱身天線

在現代戰爭中,遠距離通訊時至關重要的,而其實現的基礎便是天線。為了達到最佳的發射和接收效果, 天線越做越大,因此很難採用塗層或者結構隱身,目前各國都在積極開發隱身天線。1997 年,美國海軍委託田 納西大學等單位發展等離子體隱身天線,其機理是將等離子體放電管作為天線元件,當放電管放電時就成為導 體,能發射和接收無線電訊號;當斷電時便成為絕緣體,基本不反射訊號。 澳大利亞國立大學也於 1999 年披露他們已經研製出一種可以在零點幾秒內變得使雷達無法探測的新型等 離子天線。法國航空航天研究院採用等離子體替代傳統的天線,研製出了全隱身的等離子體雷達天線。法國海 軍已將該天線用於防禦超聲速反艦導彈。

8.4.3 等離子體隱身雷達

美國在等離子體隱身技術領域僅次於俄羅斯,並已成功研製出等離子體隱身天線等裝置。美國海軍正在開 發一種稱為“快鏡”的等離子雷達,該型雷達是利用電離等離子體的超導特性來反射雷波波束,可在十億分之 一秒內重新定向,改變所監視目標,而傳統雷達需要 1~10 秒。

九、發展趨勢

9.1 低頻超寬頻化

隨著飛行器、艦船的隱身效能的不斷提升,傳統的雷達技術已經無法對抗各類隱身武器,因此對新型雷達 技術的研究逐漸展開,效能優異的低頻超寬頻雷達逐漸興起。低頻超寬頻雷達是工作在 UHF/VHF 的新型的 雷達系統,其低頻特性可探測隱蔽目標,而其超寬頻特性可以得到較高的距離向解析度,具有較強的探測能力, 該新型雷達已嚴重影響了傳統隱身技術的隱身效果。目前各類雷達隱身材料普遍存在低頻吸波機制單一、隱身 效果差的問題,為了滿足現代戰爭的需要,低頻超寬頻已成為隱身材料新的發展趨勢。

9.2 多頻譜相容化

隨著電子資訊科技的不斷髮展,武器裝備可能同時面臨來自紅外探測器、米波雷達、釐米波雷達、毫米波 雷達、鐳射雷達等多頻帶偵察儀器的探測,單一的隱身功能已經無法滿足應用需求,多頻譜相容的隱身材料成 為未來發展的必然趨勢。 多頻譜主要包括兩個方向。一是在單一隱身功能基礎上向更寬頻段擴充套件,比如紅外隱身兼顧中紅外和遠紅 外波段,雷達隱身在實現重點探測頻段隱身的同時向更低頻點隱身擴充套件;二是多種隱身功能的相容,比如雷達/ 紅外相容、雷達/紅外/可見光相容以及紅外/鐳射相容隱身等。後者研製難度更大,也是未來隱身材料重要發展 方向。

9.3 薄型輕量化

薄型化和輕量化一直是武器裝備的發展方向。隱身材料的薄型化和輕量化有助於降低武器裝備整體質量, 可有效提升飛行器的航程和載荷,對航空裝備的意義尤為重大。目前,現有的隱身材料仍然存在厚度大、質量 高的問題,薄型化和輕量化是隱身材料的發展趨勢。

9.4 多功能化

武器裝備所面臨的戰場環境惡劣,隱身塗層的物理效能極為重要,如早期的 B-2 隱身轟炸機,每次飛行

要數日的塗層維護工作,大大影響了作戰效能。在現代戰爭中,隱身武器裝備除了面臨探測威脅外,還可能受 到腐蝕、雷擊、核汙染、高溫、碰撞等特殊環境,因此對隱身塗層提出了多功能的要求。目前美國和俄羅斯等 國家均已開展相關研究,並已陸續應用於彈頭等武器裝備,多功能是隱身材料的重要發展趨勢。

隱身材料行業專題研究:風發泉湧、大有作為

(本文僅供參考,不代表我們的任何投資建議。如需使用相關資訊,請參閱報告原文。)

精選報告來源:【未來智庫】。