裝甲戰(zhàn)車隱身技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

方 濤,趙 琴,2,張官亮

(1.武警工程大學(xué)烏魯木齊校區(qū) 裝甲車技術(shù)系, 烏魯木齊 830049 2.新疆工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院, 烏魯木齊 830023)

0 引言

作為各國軍隊(duì)爭先發(fā)展并較為倚重的作戰(zhàn)裝備,裝甲戰(zhàn)車逐步成為軍隊(duì)野外協(xié)同作戰(zhàn)的重要戰(zhàn)略支援、保障和主戰(zhàn)裝備。裝甲戰(zhàn)車結(jié)構(gòu)筒單、研制生產(chǎn)周期短、使用壽命長、維修費(fèi)用低、擁有較強(qiáng)火力和優(yōu)良戰(zhàn)略戰(zhàn)役機(jī)動(dòng)性能等優(yōu)勢。

目前國際形勢復(fù)雜,局部戰(zhàn)爭和維穩(wěn)事件時(shí)有發(fā)生,全球現(xiàn)代化的公路交通網(wǎng)促使裝甲戰(zhàn)車得到越來越廣泛的運(yùn)用。現(xiàn)代裝甲戰(zhàn)車是集人工智能技術(shù)、信息技術(shù)、激光技術(shù)、隱身技術(shù)和復(fù)合材料技術(shù)于一身的高科技利器。它的作戰(zhàn)性能和戰(zhàn)場存活能力,充分體現(xiàn)一個(gè)國家的綜合國力,也是國家軍隊(duì)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。

二戰(zhàn)后,系列化、車族化、多樣化、信息化裝甲戰(zhàn)車迅速發(fā)展,有效提高裝甲戰(zhàn)斗力、裝甲防護(hù)、隱身和武器殺傷力等能力。在未來的戰(zhàn)場上,裝甲戰(zhàn)車具備裝甲防護(hù)能力、機(jī)動(dòng)性、火力強(qiáng)度等性能外,隱身能力已成為各個(gè)國家實(shí)現(xiàn)對裝甲戰(zhàn)車的自我保護(hù)和隱蔽近敵作戰(zhàn)的重要目標(biāo)。隨著高科技的迅猛發(fā)展,作用于局部戰(zhàn)場的偵察技術(shù)有了質(zhì)的飛躍,雷達(dá)、光學(xué)儀器、紅外探測裝置、聲學(xué)偵察設(shè)備和磁感應(yīng)裝置等都對裝甲戰(zhàn)車的隱身構(gòu)成威脅。隱身能力是提高裝甲戰(zhàn)車技戰(zhàn)水平和全天候作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵,為獲得理想的隱身效果,需要綜臺運(yùn)用各種隱身技術(shù)和隱身材料對裝甲戰(zhàn)車進(jìn)行全方位、多功能、眾場景的隱身。裝甲戰(zhàn)車隱身技術(shù)從被動(dòng)、反應(yīng)性逐步向動(dòng)態(tài)、主動(dòng)性發(fā)展。

通過對裝甲戰(zhàn)車定義、分類及特征分析,進(jìn)一步探討隱身機(jī)制,并對目前裝甲戰(zhàn)車各種隱身技術(shù)原理、隱身材料和隱身技術(shù)應(yīng)用等方面進(jìn)行詳述,總結(jié)當(dāng)前研究所面臨的問題、挑戰(zhàn)及未來發(fā)展趨勢。

1 裝甲戰(zhàn)車分析

1.1 裝甲戰(zhàn)車

裝甲戰(zhàn)車(armoured fighting vehicle,AFV)[1]是一種由裝甲保護(hù)的武裝戰(zhàn)車,通常將作戰(zhàn)機(jī)動(dòng)性與進(jìn)攻和防御能力相結(jié)合。根據(jù)研發(fā)設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo),AFV具備特定的性能特征,用途的多樣性導(dǎo)致出現(xiàn)不同類型的AFV。例如預(yù)期用途不同、最大可接受的總質(zhì)量/戰(zhàn)斗力、克服障礙能力等。由于AFV的多樣性導(dǎo)致目前各種文獻(xiàn)、規(guī)范、采購等分類標(biāo)準(zhǔn)不同,不同組織、機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)商通常使用不同的術(shù)語描述裝甲戰(zhàn)車。波蘭規(guī)范PN-V-01002《裝甲裝備》認(rèn)為AFV是武器攜帶、戰(zhàn)爭和后勤裝備,也是運(yùn)輸和保護(hù)步兵的手段[2]。麥克法蘭公司認(rèn)為AFV是一種輕型輪式裝甲戰(zhàn)車,用于偵察、武裝護(hù)送和其他從屬戰(zhàn)場任務(wù)。中國軍事百科全書將AFV定義為:具有裝甲防護(hù)的各種軍用車輛。

1.2 裝甲戰(zhàn)車分類

根據(jù)AFV的特性和在戰(zhàn)場上的預(yù)期作用,《軍事技術(shù)與創(chuàng)新的百科全書》[3]、波蘭規(guī)范PN-V-01002《裝甲裝備》,盟軍研究AVTP00-07《軍用車輛類別》、歐洲委員會(huì)[4]建立了不同的AFV采購和固定資產(chǎn)分類標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo),可以分為:車輪和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型、最大允許總質(zhì)量/戰(zhàn)斗重量類型、運(yùn)輸能力類型、車族類型;特殊設(shè)計(jì)目標(biāo)分為:使用運(yùn)輸人員類型、裝甲級別類型、武器類型、火力類型、發(fā)動(dòng)機(jī)功率和類型、戰(zhàn)斗對象等類型。在質(zhì)量方面,坦克分為輕型(20 t)、中型(20-40-50 t)和重型(100 t)和超重(100 t以上)。按照具體車輛名稱,AFV可以分為:坦克、裝甲車、自行火炮、運(yùn)兵車、兩棲車輛、裝甲工程車、裝甲列車等。

1.3 不同類別裝甲戰(zhàn)車特征分析

表1從主要用途、工作環(huán)境、優(yōu)勢和劣勢等方面,分別總結(jié)了各類裝甲戰(zhàn)車的主要特征。

英國陸軍將現(xiàn)役227輛挑戰(zhàn)者2坦克削減至170輛,配備阿賈克斯裝甲車替換坦克,作為模塊化車組,阿賈克斯裝甲車不僅能作裝甲偵察車還能擔(dān)當(dāng)步兵戰(zhàn)車。目前,世界各國都在追求低成本、高適應(yīng)性、多功能的通用戰(zhàn)車。自行火炮/自行榴彈炮提供快速火力支配和調(diào)控的情況下,超重型坦克將逐步退出戰(zhàn)場,主戰(zhàn)坦克和軍用裝甲車輛已經(jīng)成為裝甲戰(zhàn)車的主要力量,兩棲戰(zhàn)車也是未來局部戰(zhàn)爭舉足輕重的裝甲戰(zhàn)車。

1.4 裝甲戰(zhàn)車散射機(jī)理分析

裝甲戰(zhàn)車作為體散射體,具備電尺寸大、形體結(jié)構(gòu)豐富、散射機(jī)理復(fù)雜特點(diǎn)。炮筒、炮塔、履帶、車輪、艙口、燈、可丟棄輔助油箱、動(dòng)力艙、普通裝甲板結(jié)構(gòu)材質(zhì)和散射機(jī)理均不同,車輛部件實(shí)際幾何形狀確定了有閃光散射、熱散射、紅外散射、電磁散射、激光散射等特性,復(fù)合裝甲還存在衰減輻射。二面體、三面體、球體、圓柱體、圓柱體和平面形成的頂帽結(jié)構(gòu),以及邊緣屬于強(qiáng)散射結(jié)構(gòu),對應(yīng)正則散射機(jī)制;直線緣、曲邊、尖頂屬于弱散射結(jié)構(gòu)。球形散射是裝甲戰(zhàn)車前、后部的主要散射機(jī)制,后部的散射幅值大于前部;二面體散射是裝甲車兩側(cè)的主要散射機(jī)制。裝甲戰(zhàn)車散射方式包括:從車輛直接散射、從車輛向地面散射、從地面向車輛散射、車輛與地面之間的多次散射、自身散射和反射散射程度通過雷達(dá)散射截面(radar cross section,RCS)、激光散射截面(laser cross section,LCS)峰值及車體表面紅外輻射強(qiáng)度體現(xiàn)。

車輛自身輻射和自然光、人工光源反射輻射通過對流、傳導(dǎo)和輻射與外界環(huán)境進(jìn)行交換。裝甲戰(zhàn)車熱輻射波長一般在3～14 μm,即遠(yuǎn)紅外和中紅外輻射;輻射電磁波波段1～2.5 μm、3～5 μm和8～14 μm,在毫米/厘米雷達(dá)波段具有顯著特征。

表1 不同裝甲戰(zhàn)車特征對比

2 裝甲戰(zhàn)車隱身機(jī)制

裝甲戰(zhàn)車隱身技術(shù)即在隱光、隱電、隱聲、隱磁等各方面進(jìn)行改善。實(shí)現(xiàn)裝甲戰(zhàn)車隱身的技術(shù)措施主要有外形、紅外、聲隱、電子和視頻隱身措施等。

2.1 改善外形結(jié)構(gòu)

第一、二代裝甲戰(zhàn)車的外形尺寸較大,第三代裝甲戰(zhàn)車外形都使用低矮扁平較小外形尺寸的車身減少雷達(dá)橫截面,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波隱身。英國挑戰(zhàn)者2、意大利公羊等坦克均在外形結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)輕量化、小型化、高性能化。現(xiàn)代戰(zhàn)場在無人機(jī)等觀察裝置與反坦克導(dǎo)彈等反裝甲武器配合下,中國99A、美國M1A2、法國勒克萊爾等主戰(zhàn)坦克更關(guān)注乘員的舒適性、持續(xù)作戰(zhàn)能力、自我保護(hù)能力。改變外形、消除角反射效應(yīng),將后向散射改變?yōu)榉呛笙蛏⑸?平滑表面、間隙和交叉接面,減小正面激光散射截面積。比利時(shí)CMI DEFENCE公司研發(fā)出一種在車輛外殼可伸縮的武器系統(tǒng),以民用車輛外形實(shí)現(xiàn)隱身。

單一材料制成的普通裝甲/均質(zhì)裝甲已經(jīng)逐步被淘汰,第三代裝甲戰(zhàn)車使用多層金屬、非金屬復(fù)合材料疊合制成復(fù)合裝甲。陶瓷復(fù)合裝甲采用陶瓷前涂層和金屬/聚合物背襯結(jié)構(gòu),硬質(zhì)陶瓷前涂層鈍化、侵蝕炮彈,電子玻璃/環(huán)氧樹脂等背襯結(jié)構(gòu)通過非彈性變形將炮彈動(dòng)能消散完成防護(hù)。美國M2步兵戰(zhàn)車采用S-2玻璃纖維增強(qiáng)樹酯復(fù)合材料,保證防彈能力,且降低70%熱輻射、噪聲降低5～10 dB。

施放煙幕、涂敷迷彩和表面?zhèn)窝b仍然是局部戰(zhàn)場裝甲戰(zhàn)車隱身的有效途徑。使用煙幕彈發(fā)射器、發(fā)動(dòng)機(jī)熱煙幕等裝置,可有效遮蔽視覺和3～14 μm的紅外波探測。涂敷迷彩和表面?zhèn)窝b使裝甲戰(zhàn)車與背景色相匹配。無源偽裝使用偽裝網(wǎng)、變色材料和雷達(dá)吸收涂料。智能化偽裝使用多光譜偽裝系統(tǒng),混合裝甲戰(zhàn)車融入背景;利用機(jī)器學(xué)習(xí)對抗敵人雷達(dá)認(rèn)知的電子戰(zhàn)系統(tǒng);利用電子對抗措施和數(shù)字射頻存儲器進(jìn)行電子干擾。

2.2 降低熱源輻射

裝甲戰(zhàn)車發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣管、炮筒等部件的熱能較強(qiáng),產(chǎn)生強(qiáng)烈的紅外信號特征,極易暴露裝甲戰(zhàn)車隱蔽位置。

發(fā)動(dòng)機(jī)是裝甲戰(zhàn)車最大紅外輻射源,通過安裝效率高、熱損耗小的發(fā)動(dòng)機(jī)解決輻射問題,例如使用絕熱陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī),采用保溫材料覆蓋動(dòng)力艙,使用混合動(dòng)力等。法國Arquus公司開發(fā)的圣甲蟲裝甲車采用鋰電池驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)靜音偵察和攻擊。馬德拉斯理工學(xué)院[5]對多鏈共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行開發(fā)、測試和驗(yàn)證,具有先進(jìn)的可變幾何渦輪和廢氣再循環(huán)等功能。

對排氣系統(tǒng)和廢氣進(jìn)行處理,可以降低溫度和噪聲。英國2000裝甲戰(zhàn)車設(shè)置排氣系統(tǒng),廢氣經(jīng)過外界冷空氣冷卻、消音器吸收。瑞典CV90步兵戰(zhàn)車將排氣系統(tǒng)設(shè)置在車輛前部,有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)艙的表面溫度。

火炮發(fā)射后,裝甲車炮筒最高溫度可達(dá)673 K,通常傾斜炮筒、在炮管的周圍添加熱護(hù)套、采用輻條式傳動(dòng)齒輪,減少炮筒產(chǎn)生的熱量。新的偽裝方式利用護(hù)套偽裝吸波材料或降低炮筒高度。德國KF41步兵戰(zhàn)車在炮管上加裝隔熱和冷卻金屬護(hù)套,車體噴涂防紅外涂料,采用移動(dòng)偽裝系統(tǒng)減少熱信號、紅外、視覺和雷達(dá)特征。

2.3 消納聲磁傳播

發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和行動(dòng)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲,且頻率低、波幅大、傳播距離較遠(yuǎn),很容易被聲波傳感器發(fā)現(xiàn)。減少裝甲戰(zhàn)車噪聲的要方法有:采用噪聲較小的發(fā)動(dòng)機(jī);在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入隔音、消音技術(shù),如采用油氣彈簧懸掛裝置防振、降噪。M-2步兵戰(zhàn)車車體采用復(fù)合材料消音,車內(nèi)的噪聲比原來降低5～10 dB。

運(yùn)動(dòng)的裝甲戰(zhàn)車會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電磁波和高紅外輻射波,在車體、動(dòng)力艙、炮筒及上裝部位形成二面角、多面體、腔體,均屬于強(qiáng)散射源,需要進(jìn)行電磁峰值抑制。

3 裝甲戰(zhàn)車隱身技術(shù)原理

光具有波動(dòng)性和粒子性,如果物質(zhì)能夠完全吸收光源或儀器發(fā)出的光子、微波等電磁波,人和儀器就無法感應(yīng)其存在,從而實(shí)現(xiàn)隱身。裝甲戰(zhàn)車隱身重點(diǎn)車輛在于削弱自身輻射和反射輻射,難點(diǎn)在于使車體與周圍環(huán)境完全融合。

3.1 紅外隱身技術(shù)

在電磁震蕩波譜中,紅外輻射波波段波長是0.76～1 000 μm,可分為近紅外波、短波紅外波、中波紅外波、長波紅外波和甚遠(yuǎn)紅外波[6]。紅外隱身技術(shù)是指在紅外波段實(shí)現(xiàn)隱身的技術(shù)。紅外探測器探測到遠(yuǎn)紅外,紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈探測到中紅外,紅外熱像儀利用目標(biāo)與背景的紅外輻射特性差異獲得目標(biāo)紅外圖像信息。裝甲戰(zhàn)車紅外隱身要將車輛的輻射波段控制在電磁震蕩波譜外。目前紅外探測器能對3～5 μm、8～14 μm波段進(jìn)行探測。

3.2 太赫茲隱身技術(shù)

太赫茲隱身技術(shù)是采用多種措施來降低目標(biāo)被太赫茲波段探測到的技術(shù)。太赫茲波是0.1～10 THz頻率范圍的電磁波,對應(yīng)波長3 mm～30 μm。按照頻寬,太赫茲波分為寬帶太赫茲源和窄帶太赫茲源[7],寬帶太赫茲源能夠提供超短電脈沖,用于光源發(fā)射;窄帶太赫茲源具有更高的譜分辨率多用于探測。目前軍方使用0.23 THz雷達(dá)系統(tǒng)輔助直升機(jī)著陸或飛機(jī)低空瞄準(zhǔn)。太赫茲波具有比微波更寬的頻譜、更快的精度和分辨率。

3.3 激光隱身技術(shù)

激光隱身技術(shù)通過減少目標(biāo)對激光的反射信號,具有低可探測性?；诿}沖激光測距儀的測距公式,最大測程與大目標(biāo)反射率的1/2次方成正比,與小目標(biāo)反射率的1/4次方成正比,實(shí)現(xiàn)激光隱身需要降低目標(biāo)對激光的反射率。激光波長、目標(biāo)表面材料和目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)形狀都會(huì)影響目標(biāo)激光散射特性。

3.4 仿生自適應(yīng)隱身技術(shù)

現(xiàn)代軍事過程具有戰(zhàn)區(qū)多樣、戰(zhàn)場變換頻繁、環(huán)境背景不同的快速機(jī)動(dòng)性。傳統(tǒng)偽裝技術(shù)無法展現(xiàn)自適應(yīng)能力,因此,仿生自適應(yīng)隱身技術(shù)逐步成為裝甲戰(zhàn)車適應(yīng)背景、溫度、濕度劇烈變化的戰(zhàn)場需求技術(shù)[8]。美國先進(jìn)企業(yè)發(fā)明視覺隱身技術(shù),又稱光電偽裝技術(shù)、變色龍偽裝技術(shù)等。隨著視覺隱身技術(shù)的發(fā)展,仿生自適應(yīng)隱身技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,又稱電光偽裝技術(shù)、主動(dòng)偽裝技術(shù)、視覺光譜隱身技術(shù)等[9]。

3.5 電磁波隱身技術(shù)

電磁波隱身技術(shù)是指通過減小目標(biāo)對入射電磁波的散射截面來降低雷達(dá)可探測性。目前常用的電磁波隱身技術(shù)是雷達(dá)隱身技術(shù)和等離子體隱身技術(shù)。雷達(dá)隱身即使敵方雷達(dá)無法準(zhǔn)確探測,目標(biāo)的RCS是表征目標(biāo)雷達(dá)回波強(qiáng)弱物理量。散射截面縮減10 dB可減少90%的散射功率實(shí)現(xiàn)隱身。在裝甲戰(zhàn)車表面通過磁化或非磁化等離子體,改變電離度、能量、振蕩頻率等特征參數(shù),實(shí)現(xiàn)等離子體隱身。

3.6 量子隱身技術(shù)

量子隱身技術(shù)是利用光的量子性能使用材料隱身的技術(shù)[10]。量子雷達(dá)利用光子的量子特性對目標(biāo)進(jìn)行成像,解碼光子的量子特征確保信號真實(shí)性[11]。Allen在2002年量子信息科學(xué)會(huì)議上首次提出量子雷達(dá)概念。電子科技集團(tuán)14所基于單光子檢測原理研發(fā)了量子雷達(dá)系統(tǒng),在外場環(huán)境下成功對100 km的目標(biāo)進(jìn)行檢測。

3.7 智能隱身技術(shù)

智能隱身技術(shù)是對外界信號具有感知功能、信息處理功能、自動(dòng)調(diào)節(jié)自身電磁特性功能、自我指令并對信號做出最佳響應(yīng)功能的技術(shù),以材料或系統(tǒng)的方式存在。智能材料的出現(xiàn),是武器裝備的智能化隱身的重要物質(zhì)基礎(chǔ),給智能隱身技術(shù)提供了持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力。

4 裝甲戰(zhàn)車隱身材料

4.1 紅外隱身材料

傳統(tǒng)的紅外隱身材料包括無機(jī)/有機(jī)/有機(jī)-無機(jī)復(fù)合低紅外發(fā)射率材料、隔熱和相變的控溫材料等。新型紅外隱身材料包括超低紅外線輻射面薄膜材料、納米材料、紅外隱身涂料技術(shù)、紅外隱身柔性材料等[12]。

納米材料具有高導(dǎo)電率、高長寬比、寬頻段強(qiáng)吸收能力。納米微粒的尺寸小于紅外波的波長,對紅外波的透過率比常規(guī)材料強(qiáng),可以大幅減少波的反射率。

電致變溫是帕爾貼效應(yīng),將電致變發(fā)射率材料進(jìn)行電場或電流處理,使發(fā)射率變化。常見的紅外電致變發(fā)射率材料有導(dǎo)電高分子和三氧化鎢。

4.2 太赫茲隱身材料

傳統(tǒng)的太赫茲隱身材料有碳系材料、超材料吸波體、有機(jī)聚合物材等。最早的超材料吸波體存在極化敏感或入射角過窄的缺點(diǎn)[13]。最新的太赫茲隱身材料包括超材料、太赫茲吸波材料、太赫茲吸波涂層、隱身斗篷等。第一種人造超材料由Smith等研發(fā)制造。杜克大學(xué)發(fā)明了視覺隱身新的超材料,可以彎曲/重定向材料周圍光線[14]。左手材料具有逆多普勒效應(yīng)Ⅲ[15]、負(fù)折射效應(yīng)[16]、完美透鏡[17]、逆切侖科夫輻射[18]等自然界不存在的性質(zhì)。利用太赫茲左手材料實(shí)現(xiàn)太赫茲波隱身的材料,一種根據(jù)歐姆耗和材料損耗,將入射太赫茲轉(zhuǎn)化成熱能或其他能量;另一種將入射太赫茲波與反射太赫茲波的位相反、振幅相同,使入射波和反射波相消。

在太赫茲波段的隱身原理有散射相消原理、保角變換原理和變換光學(xué)原理。Engheta等根據(jù)散射相消原理,在亞波長實(shí)現(xiàn)隱身結(jié)構(gòu)。Leonhardt等提出保角變換原理,研制出微波波段的保角變換隱身器件。在簡化隱身結(jié)構(gòu)的折射率參數(shù)時(shí),Li等[19]研究了反射式隱身/毯式隱身,并在三維空間實(shí)現(xiàn)太赫茲隱身。

4.3 激光隱身材料

激光隱身材料有光學(xué)干涉光譜吸收涂料、半導(dǎo)體材料、光學(xué)變波變色材料、高透射材料、高導(dǎo)光材料和吸收為主反射為輔的高效率吸波材料。

1987年Yablonovitch提出光子晶體概念。目前光子晶體已經(jīng)在中紅外、遠(yuǎn)紅外、激光、雷達(dá)、太赫茲波等方面實(shí)現(xiàn)隱形性能。光子晶體具有高反射光子帶隙,可以實(shí)現(xiàn)寬帶熱紅外、紅外和激光的兼容隱身[20]。Wang等[21]設(shè)計(jì)、制造了紅外、雷達(dá)隱形兼容材料;基于摻雜理論,Miao等[22]使用一個(gè)光子晶體實(shí)現(xiàn)兼容中、遠(yuǎn)紅外波段和激光在波長10.6 lm的隱身。Zhang等[23]摻雜一維光子晶體結(jié)合雷達(dá)吸收材料,實(shí)現(xiàn)8～14 lm、10.6 lm激光和高頻雷達(dá)波段的兼容隱身。

4.4 仿生自適應(yīng)隱身材料

仿生光子晶體隱形材料源于變色龍皮膚表面的蛋白石狀納米結(jié)構(gòu),環(huán)境溫度發(fā)生變化,納米結(jié)構(gòu)顏色改變達(dá)到隱形[24]。圣安德魯斯大學(xué)使用魚網(wǎng)元原子制造柔性超材料,研究出一種仿生自適應(yīng)超材料。

仿生材料可制備出自動(dòng)變色的新型熱敏和光敏纖維。使用電子模擬技術(shù),熱敏和光敏變色纖維在紫外光或可見光下變色,并變化圖案。智能迷彩材料使用電致變色薄膜,經(jīng)過微型智能處理和環(huán)境傳感器系統(tǒng),自適應(yīng)改變薄膜圖案。

4.5 電磁波隱身材料

傳統(tǒng)電磁波吸波材料吸收頗帶較窄,僅適用于消除窄帶干擾。多性能新的寬帶電磁材料主要有納米磁性電磁波吸收材料、左手材料、電磁隱身超材料和等離子體隱身材料等[25]。

納米電磁材料是指:至少有一維是納米尺寸的材料,能吸收或衰減電磁波能量。目前納米電磁材料有納米金屬與合金吸收劑、納米鐵氧體及復(fù)合物吸收劑、納米石墨吸收劑、納米碳化硅吸收劑等類型。左手材料通過控制材料的介電常數(shù)磁尋率來實(shí)現(xiàn)隱身,操縱改變電磁波的幅度、相位、極化、波態(tài)、方向,進(jìn)行廣義反射和折射[26]。電磁隱身超材料通過設(shè)計(jì)材料參數(shù),實(shí)現(xiàn)變換光學(xué)和擬保角映射理論[27],需要人工加工或合成,具有結(jié)構(gòu)輕薄、損耗較小、加工容易等優(yōu)點(diǎn)。Engheta等[28]將魚鱗狀金屬浸泡在介質(zhì)液中,改變金屬尺寸、密度和介質(zhì)液的介電常數(shù),減小75%的微波散射。Alu等進(jìn)一步設(shè)計(jì)出對電磁波斜入射有效的隱身外殼,并縮減外殼厚度實(shí)現(xiàn)超薄隱身。

4.6 量子隱身材料

量子隱形技術(shù)通過折射周圍光線實(shí)現(xiàn)隱形,通過各向異性負(fù)折射率的超材料實(shí)現(xiàn)量子隱形,超材料可以隱藏視覺、紅外、熱能和目標(biāo)陰影。

伊利諾伊大學(xué)、桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室和光子學(xué)公司[29]使用納米轉(zhuǎn)印技術(shù)制造三維負(fù)折射率材料,在柔性襯底上交替鋪設(shè)銀和介電層,沉積獲得量子隱身材料。UCF專家[30]使用納米打印制造金屬/介電復(fù)合薄膜,吸收和發(fā)射不同波長/顏色的光。Hyperstealth公司研發(fā)出量子隱形偽裝材料[31],彎曲目標(biāo)周圍光線,在近紅外/夜視、短波紅外、紫外光和可見光光譜和熱信號實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)隱身。

4.7 智能隱身材料

智能隱身材料具有感知功能和信息處理功能,可通過自我指令對信號自動(dòng)調(diào)節(jié)電磁特性功能的材料,具有自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境變化的優(yōu)點(diǎn)[32]。

智能纖維增強(qiáng)導(dǎo)電聚合物、動(dòng)態(tài)適應(yīng)雷達(dá)吸波材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波智能隱身;導(dǎo)電高分子電致變色材料屬于紅外智能隱身材料,能夠進(jìn)行全天候的裝甲戰(zhàn)車、艦船、飛機(jī)等的紅外偽裝和可見光迷彩偽裝。智能隱身采用智能學(xué)習(xí)模型通過硬件手段實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)隱身調(diào)控[33]。陳紅勝等研發(fā)了一種多光譜段多邊形隱身斗篷,使用六邊形的玻璃狀面板和電磁場陣列彎曲三維空間目標(biāo)周圍光線,實(shí)現(xiàn)隱身。

5 裝甲戰(zhàn)車隱身技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢

5.1 紅外隱身技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢

波蘭與英國BAE公司聯(lián)合研制第一款隱形PL-01主戰(zhàn)坦克,采用多塊獨(dú)立六邊形電熱板拼接成裝甲外層,通過外部傳感器和車體電腦,改變車體紅外特征,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、紅外、激光、視覺隱身。BAE公司和FMV公司合作研發(fā)的自適應(yīng)紅外隱身系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)隱身和偽裝變換。以色列Eltix公司研發(fā)出黑狐自適應(yīng)紅外隱身技術(shù),利用多個(gè)主動(dòng)偽裝板和目標(biāo)特征管理系統(tǒng),達(dá)到與BAE公司系統(tǒng)同樣的隱身效果。美國MILSPRAY公司開發(fā)的eXV-1TM超輕型隱形多功能車,使用Tough CoatTM涂層和160 kW電動(dòng)機(jī),降低聲學(xué)和熱學(xué)特征,隱身效果極佳。

紅外隱身技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)紅外波段隱身,未來的發(fā)展趨勢是探索新的紅外隱身材料,兼顧聲波、雷達(dá)毫米波、紅外、可見光、紫外等各頻段的隱身技術(shù)。

5.2 太赫茲隱身技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢

太赫茲屏蔽和隱身材料的研究取得很大進(jìn)展, 其中超材料、三維石墨烯宏觀體材料以及新興的MXenes等納米材料或結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力[34]。作為試驗(yàn)研究階段,太赫茲屏蔽及隱身材料還存在以下問題:材料受限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),不能在超寬頻范圍獲得高效吸收;隱身斗篷反射后的太赫茲波仍會(huì)干擾其他電子儀器,不能完全消除。

太赫茲隱身技術(shù)目前還不能應(yīng)用在裝甲戰(zhàn)車上,但開發(fā)超輕、超薄、多種結(jié)構(gòu)適用的太赫茲屏蔽和隱身是未來的發(fā)展方向,突破材料結(jié)構(gòu)限制后很快會(huì)應(yīng)用于軍事裝備。

5.3 激光隱身技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢

激光隱身材料的低反射率和紅外隱身材料的低發(fā)射率有沖突,光子晶體與其他材料復(fù)合,作為目標(biāo)涂層實(shí)現(xiàn)激光與紅外的兼容性隱身。理論研究證實(shí),光子晶體在紅外抑制和多波段或?qū)拵щ[身方面具有明顯優(yōu)勢[35]。美國西點(diǎn)軍校建立了光子晶體研究中心。DAPA也增加這一領(lǐng)域的投入。三維光子晶體很難制造較大尺寸,實(shí)際利用率不高,一維光子晶體具備三維光子晶體同樣的隱身性能,目前研究和應(yīng)用較多[36]。時(shí)家明團(tuán)隊(duì)研制出光子晶體柔性復(fù)合隱身材料,同時(shí)防御可見光、紅外、激光等多個(gè)波段偵察。

激光隱身技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)可見光、紅外、激光和雷達(dá)隱形。一維光子晶體復(fù)合材料具有多頻段隱身性能,是未來主導(dǎo)研究材料。

5.4 仿生自適應(yīng)隱身技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢

目前開發(fā)的仿生變色結(jié)構(gòu)有環(huán)境變色和熱致變色涂料[37],變色涂層由特殊感光的物質(zhì)制成,隨著環(huán)境變化光致變色自動(dòng)改變。德國和加拿大的研究人員開發(fā)了一種變色龍?zhí)箍?表面有一層薄膜,隨著環(huán)境的變化調(diào)整外觀特征。法國CAMELEON?偽裝多光譜車輛系統(tǒng),利用像素化屏幕,通過算法對可見光和紅外線進(jìn)行自適應(yīng)偽裝隱藏。俄羅斯勇士單兵作戰(zhàn)系統(tǒng),將小型電致變色板覆蓋裝甲車體,通過攝像機(jī)掃描環(huán)境,改變電致變色板顏色和透明度創(chuàng)建偽裝圖像。美國陸軍將電致變色材料用在士兵服裝、艦船、裝甲戰(zhàn)車上,使裝備表面涂層呈現(xiàn)可見光迷彩偽裝顏色,實(shí)現(xiàn)全天候紅外偽裝。

仿生自適應(yīng)隱身技術(shù)在士兵服裝、艦船、裝甲戰(zhàn)車等多軍事裝備領(lǐng)域都有應(yīng)用,在不同環(huán)境不同溫度實(shí)現(xiàn)隱身,但成本較高,研發(fā)、生產(chǎn)周期長,變色涂層和變色板各有利弊,但研究前景依然廣闊。

5.5 電磁波隱身技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢

在超材料電磁隱身技術(shù)方面,基于散射相消理論,完美吸波材料、人工磁導(dǎo)體復(fù)合材料[38]、地幔斗篷、梯度型人工電磁表面都有了不同程度的應(yīng)用和發(fā)展[39]。在電磁隱身超材料,美國已研制出一種稱作超黑粉的納米吸波材料,可吸收99%的雷達(dá)波。英軍的QinetiQ ACAVP全塑料步兵戰(zhàn)車,是首輛大幅應(yīng)用全玻璃纖維復(fù)合材料車體的裝甲車輛,雷達(dá)幾乎偵察不到其行蹤。

電磁波隱身技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用緩慢,目前通過有源設(shè)備可以改變體積較小、靜止物體的電磁波周邊傳播路線,屏蔽可見光并使運(yùn)動(dòng)車輛實(shí)現(xiàn)隱身是未來研究的關(guān)注點(diǎn)。

5.6 量子隱身技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢

曲光量子技術(shù)偽裝也叫超性能材料偽裝,旨在利用負(fù)折射率材料、量子材料制備出柔性功能薄膜材料,引導(dǎo)光波繞過目標(biāo)彎曲轉(zhuǎn)向[40]。美國在2001年啟動(dòng)負(fù)折射率材料研究計(jì)劃。HyperStealth公司研制量子隱身光彎曲、多光譜自適應(yīng)偽裝裝備,利用背靠背定位雙凸透鏡,用于直升機(jī)和無人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)。量子隱身彎曲材料有效距離為15英寸,可以彎曲近紅外/夜視和短波紅外、紫外光和可見光,阻擋熱和紅外輻射。

量子隱身技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)隱藏人體、裝甲戰(zhàn)車、停止飛機(jī)和整個(gè)軍事基地,量子隱形材料在可見光和紅外波譜實(shí)現(xiàn)隱身,未來發(fā)展將突破微波及其他電磁波譜隱蔽。

5.7 智能隱身技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢

裝甲戰(zhàn)車噴涂智能材料后,可以自動(dòng)檢測并根據(jù)外界環(huán)境改變車體溫度,控制紅外輻射特征。英國和以色列開發(fā)出具有融合背景、變換熱圖功能的自適應(yīng)智能偽裝系統(tǒng),使用輕質(zhì)高強(qiáng)度金屬模塊,采用材料溫控技術(shù)使車輛與背景融合。 Next公司研發(fā)自適應(yīng)性迷彩系統(tǒng),通過表面?zhèn)鞲衅鞑杉h(huán)境數(shù)據(jù),經(jīng)車載計(jì)算機(jī)智能消除車體反光,具備紅外隱身效果。

智能隱身技術(shù)利用可控像素改變車輛外形,還不能突破太赫茲波段隱身,結(jié)合超材料、納米材料等材料和智能算法是未來研究的重點(diǎn)。

5.8 裝甲戰(zhàn)車未來隱身技術(shù)發(fā)展趨勢

完美隱身是人類實(shí)現(xiàn)對電磁波自由控制的終極目標(biāo)。裝甲戰(zhàn)車從外形隱身、材料隱身、無源隱身向智能隱身發(fā)展的過程中,裝甲戰(zhàn)車外形、結(jié)構(gòu)一直處于改進(jìn)狀態(tài);不同結(jié)構(gòu)組成的超材料仍然是研究的重點(diǎn);仿生自適應(yīng)隱身技術(shù)已經(jīng)是裝甲戰(zhàn)車隱身領(lǐng)域前沿科技,智能隱身材料具有自檢測、自監(jiān)控、自校正、自適應(yīng)等功能,將廣泛應(yīng)用于武器平臺。

不同環(huán)境不同用途的裝甲戰(zhàn)車需要適配相應(yīng)的隱身技術(shù)和隱身材料。自適應(yīng)結(jié)構(gòu)和智能材料是軍事裝備隱身需求的主要研究材料,全波段兼容智能隱身是未來發(fā)展的主要方向。

6 結(jié)論

基于裝甲戰(zhàn)車分類、特征及散射機(jī)理,根據(jù)隱身機(jī)制,對裝甲戰(zhàn)車目前在紅外隱身技術(shù)、太赫茲隱身技術(shù)、激光隱身技術(shù)、仿生自適應(yīng)隱身技術(shù)、電磁波隱身技術(shù)、量子隱身技術(shù)、智能隱身技術(shù)和隱身材料及應(yīng)用等方面進(jìn)行歸納,分析當(dāng)前研究所面臨的重難點(diǎn)及未來發(fā)展趨勢。裝甲戰(zhàn)車各種隱身技術(shù)正在迅猛發(fā)展,目前作戰(zhàn)領(lǐng)域的隱身技術(shù)仍以單一隱身技術(shù)為主,超材料的發(fā)展正在逐步替代傳統(tǒng)隱身材料,隱身新材料的多樣性和精度不斷更新提高,然而裝甲戰(zhàn)車的隱身手段及隱身材料依然面臨以下諸多挑戰(zhàn):

1) 結(jié)構(gòu)外形優(yōu)化有待改善。外形隱身是最直接、最有效的方法,將來的裝甲戰(zhàn)車結(jié)構(gòu)需要兼容乘員的舒適性、不同環(huán)境的作戰(zhàn)性、快速反應(yīng)的機(jī)動(dòng)性、高效安全的隱藏性,并能合理布局、配置智能處理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、車的協(xié)調(diào)發(fā)展。

2) 融合多頻譜的復(fù)合材料有待更新。截止目前,已經(jīng)分別研發(fā)使用覆蓋紅外、雷達(dá)、激光等光波的隱身光子晶體、超材料和納米材料,但這些材料不具備兼容性,不能將光學(xué)、電磁和人工智能兼容。未來隱身材料應(yīng)該兼容多頻譜、多波段性能,實(shí)現(xiàn)全天候、全地形、全波段、全溫度隱身目的。