從一道普通物理題到現(xiàn)代隱身術(shù)

1、從一道普通物理題到現(xiàn)代隱身術(shù)統(tǒng)(1)邱臧庚媛(清華大學(xué), 北京 100084)( 收稿日期: 19970519)摘要本文介紹了三種現(xiàn)代隱身術(shù).式中的 z 為媒質(zhì)的特性阻抗, 它為媒質(zhì)的密度 與其中的波速 u 的乘積, 即 z = u. 當(dāng) z 11引言日常生活中我們欲感受到某些物體的存在, 必須接受到這些物體所發(fā)出的信號(hào), 通過 對(duì)這些信號(hào)的分析來確定它們的狀態(tài). 例如:我們能看見物體是因?yàn)檫@些物體發(fā)出的或散 射的光進(jìn)入人眼后, 經(jīng)過視網(wǎng)膜成像等一系 列信息處理, 最 終 我 們 感 知 到 它 的 位 置、形 狀、大小等性質(zhì); 又如音叉振動(dòng)激發(fā)空氣形成 聲波, 傳入人耳內(nèi)形成聽覺, 最終我們

2、感受到 音叉的存在. 注意這里物體發(fā)出信號(hào)是至關(guān)重要的, 否則物體將不會(huì)被感知。再如: 宇宙 中的黑洞, 由于它周圍強(qiáng)大的引力場(chǎng), 它不能 發(fā)光也不能反射光, 因?yàn)楣庠谄渲車鷷?huì)被捕 獲. 對(duì)于這樣的情況我們當(dāng)然不能通過光學(xué) 望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)黑洞了 ( 通過其它方法可以探測(cè)到黑洞).根據(jù)這個(gè)道理, 如果我們要想使物體隱 身 (不被人感知) 就得設(shè)法減小物體發(fā)出的信 號(hào)強(qiáng)度. 飛機(jī)要想躲避雷達(dá)的探測(cè), 達(dá)到隱身 的目的, 就必須減弱機(jī)身反射雷達(dá)波的強(qiáng)度.本文要用到電磁波在兩種媒質(zhì)界面上的 反射規(guī)律和透射規(guī)律及媒質(zhì)對(duì)電磁波的吸收 規(guī)律, 今將這些結(jié)論先交待如下.如圖1 所示, 入射波為 1 , 其振幅為

3、a 1 ,反射波為 1 , 其振幅為 a 1; 透射波為 2 , 其振 幅為 a 2. a 1 , a 2 與 a 1 的關(guān)系為a 1>> z 2 時(shí), 則0, 這表明反射波 1 與入射a 1波 1 在界面上振動(dòng)的位相差為零; 當(dāng) z 1 < z 2a 1時(shí), 則< 0, 這表明反射波 1 與入射波 1 在a 1界面上振動(dòng)的位相差為 . 因?yàn)闊o論 z 1 和 z 2a 2誰大總有> 0, 所以透射波 2 與入射波 1a 1在界面上振動(dòng)的位相差恒為零.反射比 r 和透射比 t 的規(guī)律為2z 1 - z 2 4z 1 z 2 r =,t =2z 1 + z 2(z 1

4、 + z 2 )當(dāng) z 1 與 z 2 相差很大時(shí), 則 r 1, t 0; 當(dāng) z 1與 z 2 相差很小時(shí), 則 r 0, t 1.媒 質(zhì) 對(duì) 電 磁 波 的 吸 收 規(guī) 律 遵 從 布 給(bo u gu e r) 定律, 為- xi = i 0 e2一道題的啟示一平面簡(jiǎn)諧波垂直入射到涂有均勻涂層的媒質(zhì)表面, 已知 z 空氣 < z 涂層 > z 媒質(zhì) , 求使反 射波最弱的涂層厚度. 如圖2所示: 入射波 1 入射到涂層 s1 面上時(shí)將會(huì)形成反射波 1 與 透射波 2. 2 傳到 s2 面時(shí)又會(huì)發(fā)生反射與折 射, 形成反射波 2 與透射波 3. 兩列反射波1 與 2 在其傳

5、播的公共區(qū)域?qū)?huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象, 如果l|i 區(qū)中任一點(diǎn) p 由兩列反射波引起 的位相差正好等于2k + , 顯然此種情況下 反射波疊加后強(qiáng)度最弱.a 1 z 1 - z 22z 1a 2a 1 = z 1 + z 2 ,a 1 = z 1 + z 2(1) 邱統(tǒng), 清華大學(xué)水工52班學(xué)生.圖1如圖2中, 以原點(diǎn) o 為參照點(diǎn), 選取適當(dāng) 的時(shí)間零點(diǎn)使 o 點(diǎn)振動(dòng)方程為 = a 1 co st. 設(shè)簡(jiǎn)諧波在空氣中波速為 u 1 , 涂層中波速為 u 2 , 則入射波 1 的表達(dá)式為圖2的波長. (2) 引言中講到的波射到媒質(zhì)交界面時(shí) 發(fā)生反射和折射現(xiàn)象, 能量將會(huì)重新分配, 所以 波 1 , 1

6、 , 2 , 2 的振幅并不等. 另一方面因?yàn)?1 與 2 的振幅不等, 所以盡管滿足 = ( 2k + 1) , 反射波的總能量仍不全為零.x1 = a 1 co st -(x l)u 1因?yàn)?s1 面上入射波反射時(shí)有半波損失, 所以反射波 1 的表達(dá)式為3現(xiàn)代隱身術(shù)通過這道題我們可以看出在物體表面涂上一層合適的涂層, 當(dāng)波傳播到物體上時(shí), 這 層涂層可以極大地消弱反射波的強(qiáng)度. 例如在鏡頭表面涂上一定厚度的 m gf 2 增 透 膜,當(dāng)光線照到增透膜上時(shí), 反射光的強(qiáng)度減弱,使入射光的大部分能量透射. 這種技術(shù)如果 運(yùn)用到軍事領(lǐng)域, 則便成為一種現(xiàn)代隱身術(shù). 如果在飛機(jī)、艦船上涂上適當(dāng)材料

7、和厚度的 涂層, 通過這層涂層可以降低飛機(jī)、艦船的雷達(dá)反射波強(qiáng)度, 減小自身被雷達(dá)探測(cè)到的概 率, 從而達(dá)到隱身的目的.早在第二次世界大戰(zhàn)后期, 德國潛艇的潛 望鏡上就涂敷了吸收材料, 這就是雷達(dá)隱身的 初步嘗試. 雷達(dá)探測(cè)的過程是這樣的: 雷達(dá)工作站發(fā)出的電磁波向四面八方搜索, 遇到目標(biāo)后 產(chǎn)生反射回波. 它們就在雷達(dá)熒屏上留下了目 標(biāo)的蹤跡, 這就是主動(dòng)探測(cè). 而目標(biāo)隱身的目的就是盡可能地減少回波強(qiáng)度, 通稱雷達(dá)截面(r ada r c ro ss sec t io n , 簡(jiǎn)稱 r c s ). 通常目標(biāo) 的 r c s 用定標(biāo)體來進(jìn)行標(biāo)定, 其量綱為平方米, 計(jì)算各種目標(biāo)的 r c s

8、, 研究 r c s 和雷達(dá)接 收功率的關(guān)系 雷達(dá)距離方程, 就是雷達(dá)隱身研究的一個(gè)重要內(nèi)容.上面那道題所啟示的僅是減小 r c s 的l - xl1 = a 1 co st -+ u 1u 1(x l)透射波 2 的表達(dá)式為lx -l2 = a 2 co st -u 1u 2( l x l +s2 面反射波 2 在l|i 區(qū)的表達(dá)式為d )l2dl - x2 = a 2 co st -u 1 u 2u 1(x l)1 與 2 的位相差為l l - x = - +u 1u 1 l + 2d l - 2dx+=+ u 1 u 2u 1u 2反 射 波 最 弱 的 條 件 為 = 2k + , 所

9、 以 2d + = 2k + , 由此得 d = k r 2 u 2 , dr2u 2> 0, r 只能為正整數(shù) (k = 1, 2,) 所以d = k 涂層2注意: (1) 因?yàn)橥涣胁▊鞑サ讲煌劫|(zhì)中時(shí)波長并不等, 本題中 d = k u 2rt , 因 u 2 t 為涂層2中的波速乘波的周期, 顯然得出的應(yīng)是涂層中一個(gè)側(cè)面, 減小 r c s 通常有三種途徑: ( 1) 外形技術(shù), (2) 材料技術(shù), ( 3) 阻抗加載技術(shù). 例 如對(duì)一架飛機(jī)而言, 人們可以通過遮蓋進(jìn)氣 道, 改變尾噴管位置, 采用大圓弧均勻過渡的單一的材料不能勝任一定工作頻帶的要求.阻抗加載技術(shù)就是人為地在目標(biāo)

10、表面上 刻槽留縫, 甚至加一些裝置. 阻抗加載可以是 無源的, 不發(fā) 散 任 何 電 磁 波; 也 可 以 是 有 源 的、激勵(lì)的. 目的都在于使產(chǎn)生的附加電磁場(chǎng)與 原 來 未 加 載 時(shí) 的 電 磁 場(chǎng) 相 消, 以 減 小r c s. 在有源阻抗加載技術(shù)中, 如能自動(dòng)地根 據(jù)目標(biāo)接收到的雷達(dá)波方向、強(qiáng)度、頻率來調(diào)整自身發(fā)射的電磁波, 這就是自適應(yīng)技術(shù). 這 是一種十分理想、先進(jìn)然而也是十分艱難的技術(shù)了.從雷達(dá)波吸收機(jī)理看, 目前多以干涉作 用為依據(jù)來設(shè)計(jì)和研究材料, 尤其是薄型吸 波材料. 在設(shè)計(jì)和研究雷達(dá)吸波材料時(shí), 關(guān)鍵 的工作是選擇和調(diào)整吸波材料 (又稱填料) 的介質(zhì)參數(shù) (, )

11、, 以滿足吸波材料要求的電特 性, 如 工 作 頻 段、反 射 系 數(shù) ( 或 回 波 衰 減 分貝)、頻寬等.材料吸收電磁波的基本條件是: ( 1) 電磁 波入射到材料上時(shí), 它能最大限度地進(jìn)入材料內(nèi)部 ( 匹配特性). 由前面的引言知, 這要求 z 1 z 2 , 透射比 t 1. 實(shí)現(xiàn)第一個(gè)條件的方法是 通過采用特殊的邊界條件來達(dá)到. (2) 進(jìn)入材料的 電磁波能迅速地幾乎全部衰減掉 ( 衰減特 性). 這則要求材料有很高的電磁損耗.當(dāng)然, 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 人們對(duì)隱身 技術(shù)的要求越來越高, 現(xiàn)在正發(fā)展紅外隱身 術(shù), 聲隱身術(shù)等, 這些技術(shù)的機(jī)理已超過本文 的范圍, 這里就不一一介紹

12、了.最后向成文過程中一直給予熱心幫助的指導(dǎo)老師臧庚媛女士表示最誠摯的謝意.機(jī)身、機(jī)翼等手段來減小 r c s.但出于空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械力學(xué)以及其它多方面的考慮, 不可能一味地用改變外形的辦法來減小 r c s.對(duì)于已定型的飛機(jī), 材料技術(shù)就更為重要了.為減少目標(biāo)對(duì)電磁波的反射, 雷達(dá)吸波材料(ram ) 的應(yīng)用就是獲得隱身效果的重要途 徑. 所謂吸波材料, 即當(dāng)電磁波穿過這種材料時(shí), 電磁波能被其吸收, 從而使入射電磁波的 能量耗損, 實(shí)際上是將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能并 散失掉, 類似電流通過電阻時(shí)所引起的能量 耗消. 這就是說, 凡能使電磁波穿過其表面,并對(duì)電磁波的能量具有高耗損特性的材料,就能夠吸

13、收雷達(dá)波, 簡(jiǎn)稱之為吸波材料.按吸波材料的吸收原理, 又可以分為吸 收 型和干涉 ( 諧振) 型兩類. 吸收型吸波材料 對(duì)某一頻率的電磁波具有20 分 貝 以 上 的 衰減. 此 類 材 料 一 般 很 厚. 由 布 給 定 理 i =i 0 e- x 知, 電磁波強(qiáng)度隨入射的厚度呈指數(shù)形 式衰減, 所以這類材料理論上說應(yīng)有一定的厚度. 同時(shí)要求波能最大限度地進(jìn)入涂層, 即要求透射比 t 越大越好.干涉 (諧振) 型材料的作用是將入射的電 磁波分成兩部分, 一部分從吸收層表面反射,另一部分透過吸收層后, 經(jīng)底層反射再穿過吸收層反射回來. 若底層反射波與表面反射 波相位正好相反, 這兩列波便可發(fā)生干涉減 弱. 若要最大程度的減弱, 需使兩列反射波的振幅相近, 所以吸收層材料應(yīng)具有合適的反 射比、透射比. 此類吸波材料的吸收特性與材 料厚度、施工 精 度、成 型 結(jié) 構(gòu) 等 因 素 密 切 相 關(guān), 其吸收頻帶非常窄. 為什么會(huì)這樣呢? 如 前面引題的結(jié)論所指出的那樣, 只有當(dāng)涂層的厚度與電磁波波長滿足一定關(guān)系時(shí), 反射 的電磁波才會(huì)被減弱. 所以當(dāng)涂層一定時(shí), 它 工作所要求的波長就確定了, 因而其吸