电磁散射与隐身技术大作业1

电磁散射与隐身技术导论课程大作业报告

学院：电子工程学院

专业：电子信息工程

班级： 1302014

学号： 130********

姓名：张瑞

电子邮件： 2315406416@https://www.wendangku.net/doc/1b3378917.html,

日期： 2016 年 06 月

成绩：

指导教师：姜文

飞机隐身的措施手段

前言：隐形对于一般人来说都不陌生，虽然这些说法大多数来自小说和神话，但是在现实生活中也不乏隐形的例子。比如说变色龙就能够通过改变自己的颜色来进行隐形。人们通过研究仿生学，并且应用了最新的技术和材料，终于在庞大的飞机上也实现了隐形。从原理上来说，隐形飞机的隐形并不是让我们的肉眼都看不到，它的目的是让雷达无法侦察到飞机的存在。隐形飞机在现阶段能够尽量减少或者消除雷达接收到的有用信号，虽然是最为秘密的军事机密之一，隐形技术已经受到了全世界的极大关注。隐身技术作为一门尖端的综合军事技术，起源于第二次世界大战初期，是随着无线电技术的发展和雷达探测设备的出现而发展起来的，是现代军事上隐蔽自己，避免被敌人发现，借以增强突击能力或保护自身的重要手段。雷达和通信设备工作时会发出电磁波，表面会反射电磁波，运转中的发动机和其他发热部件会辐射红外线，以及飞机会反射照射向它的电磁波，这样，就使武器装备与它所处的背景形成鲜明对比，容易被敌人发现。通过多种途径，设法尽可能减弱自身的特征信号，降低对外来电磁波、光波和红外线反射，达到与它所外的背景难以区分，从而把自己隐蔽起来，这就是电磁隐身技术。从1936年荷兰飞利浦实验室研究并取得法国专利的第一批电磁波吸收材料算起，至今已有七十多年的历史了。飞机的隐身主要是为了提高武器的生存和防御能力而制作的，它在军事战斗中扮演着越来越重要的角色，特别是现在的信息化时代，该项技术更是得到很多军事机构的青睐。它作为提高武器系统生存、突防以及纵深打击能力的有效手段，已经成为集陆、海、空、天、电、磁六维一体的立体化现代战争中最为重要、最为有效的突防战术技术手段，并受到世界各国的高度重视。

一、隐身技术的定义及分类

隐身技术定义是：在飞机研制过程中设法降低其可探测性，使之不易被敌方发现、跟踪和攻击的专门技术，当前的研究重点是雷达隐身技术和外形隐身技术。简言之，隐身就是使敌方的各种探测系统（如雷达等）发现不了己方的飞机，无法实施拦截和攻击。早在第二次世界大战中，美国便开始使用隐身技术来减少飞

机被敌方雷达发现的可能。雷达隐身技术避开雷达是实现隐身的关键。雷达隐身技术是怎样实现的呢？首先我们得分析雷达的工作方式，雷达是利用无线电波发现目标，并测定其位置的设备。由于无线电波具有恒速、定向传播的规律，因此，当雷达波碰到飞行目标飞机、导弹等时，一部分雷达波便会反射回来，根据反射雷达波的时间和方位便可以计算出飞行目标的位置。由此可见，飞机要想不被雷达发现，除了超低空飞行避开雷达波的探测范围外，就得想办法降低对雷达波的反射，使反射雷达波弱到敌人无法辨别的地步。衡量飞行器雷达回波强弱的物理量为雷达散射截面积（英文名称RadarCross-Section，缩写为RCS），是指飞机对雷达波的有效反射面积，雷达隐身的方法便是采用各种手段来减小飞机的RCS。例如美国的B-52轰炸机的RCS大于100平方米，很容易被雷达发现，而与其同类的采用了隐身技术的轰炸机B-2的RCS约为0.01平方米，一般雷达很难探测到它。

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。

二、飞机的电磁散射机理的分析

飞机是一种很复杂的目标，可以看作由多个部件组成，在雷达波照射下，每一个部件都会产生散射波，而且有的部件可能同时产生不同机理的散射。下面分析飞机的电磁散射机理。如下图所示，飞机上的散射源可分为三类：第一类称为强散射源（也可称为重要或主要散射源），如：飞机头部整流罩：如果整流罩对电磁波是不“透明”的，飞机头部将产生圆锥尖顶散射，是一种弱散射；如果整流罩对电磁波是透明的，例如天线罩，则电磁波将“看见”罩的内部，罩内的各种设备将构成许多角反射器，是一个强散射源；如果罩内有抛物面天线，则抛物面和天线系统构成强散射源。

座舱：一般来说，座舱的玻璃对电磁波是“透明”的，座舱内部相当于一个腔体，是一个强散射源。

机身：机身的外形可以近似地认为是一个柱体或椭球体，将产生曲面镜面反射。另外当雷达波侧向照射机身时，还会产生爬行波绕射现象。机身是飞机的一个重要散射源。

进气道：进气道的散射机理可以近似地认为类似于腔体的散射。当雷达波从正前向照射飞机时，进气道是一个强散射源。另外进气道唇口产生的边缘散射，也不容忽视。

尾喷管：尾喷管的散射机理也可以近似地认为类似于腔体的散射。雷达波尾向照射飞机时，它是一个强散射源。

机翼：若机翼前缘半径大于雷达波波长时，机翼前缘产生类似于圆柱的镜面反射；若前缘半径小于雷达波波长时，机翼前缘产生类似于尖劈的绕射。机翼后缘也产生类似于尖劈的边缘绕射。当入射波方向切于机翼表面时，还将引起行波绕射现象。机翼是一个较强的散射源。

水平尾翼：水平尾翼的电磁散射现象同机翼的情况一样。

垂直尾翼：垂直尾翼除像机翼一样产生前缘镜面反射(或边缘绕射)、后缘绕射和行波绕射现象外，当雷达波侧向照射飞机时，垂直尾翼产生一个很大的镜面反射，是一个强散射源。

二面角反射器：对于大多数正常式飞机来说，垂尾与平尾相互垂直，机身侧面的一部分与机翼垂直，构成二面角反射器，是一种很强的散射源。

第二类称为次强散射源，与强散射源相比强度低一个数量级，如：

外挂物：当飞机有外挂物时，如军械或副油箱，这些外挂物会产生类似于圆柱面或椭球体的镜面反射和行波绕射或爬行波绕射，也是一个较强的散射源。

与飞行器垂直且较长的直边（如进气道唇口和斜板前缘等），但有很强的方向性（2-3度）。各种通信、导航天线、冲压空气引气口等凸起。

第三类称为弱散射源，与次强散射源相比强度低一个数量级，如：

各种口盖、蒙皮对缝、短的直边等，都属于弱散射源，每个散射源的散射强度和量值都很小，但数量较多。

飞机的总散射场是以上各个散射源的综合。因此需针对飞机的散射机理来确定采用的隐身措施手段。

三、飞机的隐身措施手段的分析与研究

1、红外隐身技术

任何飞机都不能避免发动机的发热以及飞行过程中的气动加热问题，因此，都会产生强烈的红外信号，由于红外探测水平的不断提高，红外制导武器的精度大大增加，对飞机的战场生存构成了巨大的威胁。为提高飞机的战场生存力，降低被红外制导武器击中的概率，需要发展红外隐身技术。红外隐身技术是指利用各种红外隐身手段降低自身红外信号，使目标与背景对比度降低，从而降低被敌方红外探测系统发现的概率，实现对红外探测器的隐身。飞机的红外辐射主要来源于三个部分：发动机的加热、机体的气动加热和机体对阳光的吸收。在实现红外隐身时，可以通过四个方面进行：降低目标自身的红外辐射强度；改变飞机自身的红外辐射特性；改变红外辐射传播过程；采用光谱转换技术。同雷达隐身一样，红外隐身技术亦可通过外形隐身设计和材料技术实现。

2、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。

3、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。4、雷达隐身技术

实现雷达隐身的途径最主要的有外形隐身技术和材料隐身技术。

4.1 外形隐身技术

F-117 “夜鹰”

如图：美国研制的全天候单座隐身战斗机F-117“夜鹰”，更有其奇特的外形结构，它采用独特的多面体外形。基本上是由平面组成的角锥形体，尾翼为V 形；F117的多棱折面使雷达波到达折面后，会向其他方向反射。利用折面的设计，实现对雷达波的反射，达到隐形的目的，这种技术反映了较早的隐形思想。但是对于飞机来说，平面的设计会使飞机的阻力增大，升力减少，机动性变差。而20世纪80年代美国研制了B-2“幽灵”战略隐身轰炸机，它的外形隐身措施更具有特色。首先，它的机身、机翼、发动机舱交接处采用弧面连接，融为一体，整个外形呈三角形飞翼结构，蒙皮表面平整，克服了雷达波绕射大的倾向。飞机上干脆不设置垂直尾翼，消除了尾翼和机身间的角反射器效应。发动机隐藏在机体内的背部，没有吊舱，机体后缘呈锯齿形，外侧机翼伸出很多。它的尾喷管呈V形，处在机体的背部，大大降低被雷达和红外探测的机会。B-2前缘后掠、后缘为大锯齿形，没有机身和尾翼，整个飞机像一个大的飞翼，其发动机进气道布置在机体上方，没有外挂物突出在机体外面。此外，为了进一步减小飞机的RCS，还在机翼的前后缘、进气道唇口部分采用了能够吸收雷达波的材料，整个飞机表面涂以黑色的吸收雷达波的涂料。

B-2 战斗机如图：

外形隐身技术是最有效的措施之一。是指通过合理设计导弹的外形以及布局，达到降低导弹RCS的目的，从而实现对雷达探测器的隐身。外形隐身的实质是通过外形布局设计，首先要消除雷达波照射到飞行器表面后产生的镜面散射和角反射，然后将雷达波的主要散射能量统一规避到几个非威胁方位，这就是所谓的平行设计原则。

进行外形隐身技术主要从武器系统的局部和整体两个方面进行考虑。飞机是一个由许多不同的散射源组成的非常复杂的散射场，在进行隐身设计时需要兼顾总体散射场和局部散射源二者的关系。进行总体外形隐身设计时，应尽量减小飞机的结合尺寸，减少表面突变，改变各种强绕射类型为弱绕射类型。而进行局部设计时，主要是减小飞机强散射源的RCS。

根据飞机的强散射源主要包括三个部分：翼、进气道和发动机尾喷管，所以外形隐身技术主要是通过特殊设计降低各强散射源部件的RCS而实现。对于进气道，采取的隐身措施主要有：采用埋入式进气道；将进气道制成S型；对于高空飞行器采用背负式进气道；进气道唇口采用锯齿状，安装格栅等。对于飞行器尾喷管的外形隐身技术主要是遮挡技术，将喷口埋入机身，在喷口处安装档板，合理布局弹翼和尾翼，对喷口进行遮挡等。降低飞行器翼面RCS的外形技术主要是采用翼身融合体布局；尽量减小翼身突变；

外形隐身技术：外形隐身技术的设计原则有：

（1）总体布局优化，减少强散射源；

传统飞行器上有多个散射源，整机RCS是各个散射源综合贡献的结果。所以减少散射源的数量是降低RCS的有效途径。为此，在飞机的设计中，应设法减少或合并有关的部件，取消各种外挂物，在机体表面尽量避免开口、缝隙、突起、凹陷和台阶，使飞机表面尽量“干净”并保证机体表面的光滑和连续，使其散射源的数量减少。

（2）消除或减弱镜面散射，变强散射源为弱散射源；

通过对飞机部件外形的适当修改，可以改变电磁散射的机理，将强散射源（如镜面反射）改为弱散射源（如边缘绕射或尖顶绕射），从而到达降低飞行器RCS的目的。如下图所示的一个椭圆截面目标，改成类似于尖劈形状之后（虚线所示）可将曲面镜面反射（强散射）改变为棱边边缘绕射（弱散射），因为尖劈形机翼前缘所产生的边缘绕射与曲面形的机翼前缘所产生的镜面反射相比，要弱得多。从而有效地降低目标的RCS。

（3）消除构成角反射器的外形布局；

根据上面的分析，角反射器是强散射源，所以消除或减弱角反射器效应，是隐身飞机上广泛应用且效果显著的一条低RCS外形设计原则。角反射器在很大的方位角范围内，都有很强的后向反射，常规飞行器的外形布局中，可找到不少具有角反射器效应的外形组合。常见的消除角反射器的主要措施有：

①采用机身机翼融合体，消除机翼与机身耦合形成的角反射器，有效降低飞机的侧向RCS；

②使垂尾倾斜一定角度，并将垂尾、平尾和机翼沿弦向错开，减少投影方向的重合区域，就可以有效的减弱角反射效应。

（4）改变散射回波的方向，使散射能量在雷达威胁区域之外；

当电磁波从曲面或棱边的法向或接近法向方向入射时，就会产生很强的镜面

散射回波或边缘绕射回波。如果使曲面或棱边倾斜足够的角度，将使法向回波的主瓣和较强的副瓣处于雷达威胁区域之外，从而达到隐身的目的。

对于特定的雷达系统，飞机在进行突防时，一些照射区域要重要些，而另一些区域就显得不那么重要。因此可将飞行器的主要散射能量偏离雷达的照射区域（称为雷达的威胁区域），从而来降低飞行器的后向散射能量，使雷达发现飞机的概率降低。

（5）用一个部件对另一个强散射部件进行遮挡；

对于一些既不可避免又无法消除的强散射源，则应设法对其进行遮挡，有人称之为遮挡技术。飞机通常由多个部件组成，在分析和计算其RCS时，认为如果某一部件在某一雷达波照射区域内被其它部件所遮挡，那么在该方位区域内，这个部件对全机RCS贡献为零。因此，如果能在主要的探测方位上，用其中的一些部件对另外的强散射部件进行遮挡，也会是一种降低全机RCS的有效措施。常见的应用有：

①遮挡进气道；

②利用翼面部件遮挡机身；

③尾翼结构对喷口的遮挡；

④座舱表面采取镀膜技术。

（6）平行设计原则；

对飞行器上的棱边的俯视投影进行平行设计。飞机上有很多棱边，如机翼和尾翼的边缘、翼尖，机身的棱边，边条棱边，进气道唇口，尾喷口等。棱边散射是较强的散射源，对其进行平行设计可以减少波峰的数量，把小的波峰合并到大的波峰中。

（7）尽量消除凸起物；

常规飞机的外表面有较多的鼓包、武器外怪以及射频天线等凸起物，但对于隐身飞机而言，要求外形曲面尽量关顺，尽量减少外形突变，使机体保持干净流畅的外形。

（8）低RCS机身剖面设计技术；

常规的机身剖面的前向和侧向RCS较大，应对其进行低RCS剖面设计，使主要雷达反射能量偏离前向和侧向的雷达威胁区域。如图为典型的中机身低RCS

截面。

4.2 材料隐身技术

材料隐身技术是雷达隐身技术的重要组成部分，外形技术虽然能有效地减缩飞行器的RCS，然而，飞行器的特殊外形设计与布局由于受到空气动力学等方面的限制，其作用是有限的。进一步减缩飞行器RCS的有效措施是采用雷达吸波材料。在外形隐身技术将飞机的RCS做到最优的情况下，采用雷达吸波材料（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。

雷达吸波材料的隐身技术与电流通过电阻时电能转换成热能耗散一样，雷达波能量通过吸波材料时被转换成欧姆损耗而被吸收掉。吸波材料有以下几种分类：

（1）吸波材料按其对电磁的损耗机理分为电吸收吸波材料和磁吸收吸波材料；

（2）按吸收带宽可分为窄带类和宽带类。窄带吸波材料又称为谐振式吸波材料，通常只在一个或多个离散频率上才能满足RCSR的要求，宽带吸波材料通常由吸波材料单元组合而构成，使之在一个相对宽的频带范围内具有良好的吸波材料。

（3）吸波材料按使用方式可分为表面涂覆型吸波材料和结构型吸波材料。涂敷型吸波材料又称为吸波涂料，是一种发展得早和比较成熟的吸波材料。这种方法简便，不必改变飞机的结构和外形，对已定型的飞机也可以单独使用。目前，涂敷型吸波材料主要有铁氧体系列吸波材料和金属超细粉末系列吸波材料。既能承载又能吸波的多功能吸波材料称之为结构型吸波材料，用它来制造飞行器的蒙皮能大大地减少飞行器的RCS。

吸波材料应具有这样的功能，当电磁波穿过材料时，电磁能被耗损，将电磁能转换为热能并散失掉。有点像电流通过电阻时所引起的能量消耗。为了能有效地吸收电磁波，材料吸收电磁波的基本条件是：

(1)电磁波入射到材料表面时，它能最大限度地进入材料的内部，而不是简单地被材料表面反射掉，这一条件称为材料的匹配特性。

(2)进入材料内部的电磁波能迅速地几乎全部地衰减掉，这一条件称为材料的衰减特性。

所以吸波材料应具有两个特性：阻抗匹配、衰减。实现阻抗匹配要通过采用特殊的边界条件来达到与空气阻抗相匹配。实现衰减特性的方法是使材料具有很高的电磁损耗，即材料应具有足够大的介电常数虚部或足够大的磁导率虚部。

以上就是针对飞机的散射机理所进行的的各种隐身技术，现代无线电技术和雷达探测系统的迅速发展，极大地提高了战争中的搜索、跟踪目标的能力，因此必须加大力度研究发展高性能的飞机隐身技术装备，增加和提高飞机隐身的技术和手段。

四、总结

作为电磁场与微波方向专业的一名学生，《电磁散射与隐身技术》这门课无疑是非常重要的。在这门课上我第一次认识了很多先进的隐形飞机，这让从不接触和关心先进武器发展的我对隐形飞机发展及未来产生了浓厚兴趣，也让我对我国先进武器的发展充满期待。这堂课上老师讲了很多关于飞机散射的原理及来源和隐身的原因及措施，使我深深的感觉到隐形武器的发展在未来战争中的重要性。当然老师的认真负责和他对学生的及不厌其烦也是我深深喜欢这门课的原因之一。感谢老师在这一学期对我们的帮助！

参考文献：

【1】《飞行器隐身设计基础》，余雄庆、杨景佐。

【2】《隐身技术的发展趋势》，周粱、田武。