书城工业不可思议的新材料
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第58章 吸波材料

现代战争,特别是现代电子战中,飞机、军舰、导弹和坦克等都能用隐身术保护自己,以取得战斗的胜利。就拿飞机来说,它的主要对手是被称为“千里眼”的雷达。雷达能发射一种电磁波,当这种电磁波与入侵的敌机相遇时,电磁波便会反射回来,被雷达所接收,从而得到敌机的方位、距离等数据。如果飞机能将雷达发射来的电磁波大部分吸收掉,而反射回去的很少,那么雷达就会变成“睁眼瞎”了。由此可知,隐形飞机并不是对人的眼睛来说的,而是对雷达等探测装置来说的,其目的是让敌方的雷达难以发现和找到,从而保护了自身的安全。

网状泡棉微波吸波材料在1991年的海湾战争中,美国的F-117隐形战斗机以其高超的隐身本领大出风头,引人注目。这场战争的第一枚炸弹就是由一架这种飞机在漆黑之夜突袭到伊拉克首都巴格达市中心投下的,伊拉克的防空雷达压根儿就没发现,直到投弹45分钟后巴格达才实行灯火管制,可见其神出鬼没般的不凡身手了。此后,对巴格达的95%的空袭任务都是由F-117隐形战斗机完成的。它既能在茫茫黑夜中将激光制导炸弹投入到伊拉克防空司令部的烟囱中,又能将炸弹准确地投向海洋安放原油的油管。更使人惊奇的是,参加海湾战争的44架F-117隐形战斗机前后共执行1600架次空袭任务,本身却无一架飞机损失。这不能不归功于它出色的隐形本领。

隐形飞机能隐形的秘密,主要在于飞机上使用了能吸收雷达电磁波的隐形材料,因而人们也将隐形材料叫做“吸波材料”。被称为黑鸟的美国sR-71高空侦察机和u-2高空侦察机,就是因为在机身上涂了一种黑色的隐形材料,使它来去难以觅踪迹,有时竟在雷达的“眼皮”底下漏掉了。隐形飞机除了使用吸波材料和吸波涂层外,通常还将飞机外形设计成特殊的形状,以便将雷达的电磁波向四面八方反射掉,使敌方雷达难以接收到返回的电磁波。例如,F-117隐形战斗机的外形就很独特,像一个堆积起来的复杂多面体,大部分表面都往后倾斜,并具有大后掠机翼和v字形双垂尾。这种外形能使雷达波改变反射方向产生散射,结果敌方雷达就捕捉不到这些微弱的反射信号了。

在F-117隐形战斗机的机身、机翼和垂尾的结构中,采用了各种雷达吸波材料。通常,高分子材料的吸波和透波能力大大优于金属材料。因此,在这种飞机的结构中使用了许多玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等高分子复合吸波材料。飞机的蒙皮也使用复合材料和导电塑料制成,避免使用钛合金和铝合金,以降低雷达波反射。通常,对飞机除了用雷达探测外,还利用红外探测器通过飞机发动机工作时放出的红外线来发现和捕捉飞机的踪迹,所以在飞机上还采用红外隐形技术,以提高飞机的隐形本领。例如,F-117隐形战斗机的发动机使用扁而宽的喷口,并在喷口装有红外挡板,改变喷口方向,以及在喷管周围加隔热层,降低排气温度,使飞机不易被敌方红外探测器发现。

现在常用的隐形材料,由导电材料或磁性材料与黏合剂制成。导电材料有碳粉、导电纤维和导电塑料等,它们能将电磁波转换成热能;磁性材料有陶瓷铁氧体、磁化粒子等,也能将电磁波变成热能,从而使雷达的电磁波大部分被吸收掉。

吸波材料在飞机上的应用不仅扩大到轰炸机和战斗机上,而且所占的比重越来越大。例如,在F-117隐形战斗机和B-2隐形战略轰炸机上,各种玻璃纤维、碳纤维复合材料、蜂窝和夹层结构、吸波薄板和吸波涂层的用量,已占全机结构重量的25%,而在下一代的隐形飞机上预计达到45%~50%。由此可见,隐形材料所具有的重要作用。

吸波材料成为材料科学的一大课题

随着现代科学技术的发展,电磁波辐射对环境的影响日益增大。在机场,飞机航班因电磁波干扰无法起飞而误点;在医院,移动电话常会干扰各种电子诊疗仪器的正常工作。因此,治理电磁污染,寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料——吸波材料,已成为材料科学的一大课题。

所谓吸波材料,指能吸收投射到它表面的电磁波能量的一类材料。在工程应用上,除要求吸波材料在较宽频带内对电磁波具有高的吸收率外,还要求它具有质量轻、耐温、耐湿、抗腐蚀等性能。

早在第二次世界大战期间,美、英、德等国出于各自的军事目的,针对雷达电子侦察和反侦察,开始对电磁波吸收材料进行了大量探索性工作。美国于20世纪60年代开始把吸波材料应用于空军的F-14,F-15,F-18战斗机和F-117隐形飞机上。20世纪80年代以来,世界各国投巨资加大对吸波材料研究的力度。随着电信业务的迅速发展,吸波材料也被应用到通信、环保及人体防护等诸多领域。

将吸波材料应用于各类电子产品,如电视、音响、VCD机、电脑、游戏机、微波炉、移动电话中,可以使电磁波泄露降到国家卫生安全限值(10微瓦/平方厘米)以下,确保人体健康。将其应用于高功率雷达、微波医疗器、微波破碎机,能保护操作人员免受电磁波辐射的伤害。

知识点:F-117隐形战斗机

F-117是美国前洛克希德公司研制的隐身攻击机。是世界上第一种可正式作战的隐身战斗机。设计始于70年代末,1981年6月15日试飞成功,次年8月23日开始向美国空军交付,共向空军交付59架。单机造价1.33亿美元。

F-117有一套整合精密导引和攻击系统的数位化飞航控制装置。为了降低电磁波的发散和雷达截面积,F-117没有配备雷达。导航系统主要由GPS和高精确性的惯性导航装置组成。自动任务规划系统可以协调所有的攻击任务,计划出攻击路线,并且自动执行,包含武器的释放。目标可借由红外线热影像仪确认,并利用激光测量距离和标定激光导引炸弹的目标。

F-117自装备部队以来参加了入侵巴拿马、海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争、伊拉克战争等多次实战行动,战果显著。2008年退出现役,改由F-22与无人机取代。