红外隐身原理与应用研究

高 峰 陈继亮 周 维 胡贵鹏

(北京科技大学天津学院 天津 301830)

得益于现代科学技术快速深发展，信息技术，通讯手段、基础材料制备工艺达到较高水平，光电技术、热成像技术随之达到较高科技水平。现代战争更是具备科技战争特点，众多科技成果在军事装备列装中得到较大应用。其中，由于飞机、坦克、导弹等军事装备在应用中作业温度较高，具有高红外辐射特征，造成与背景极大的反差，非常容易被红外探测设备侦查，对己方造成致命打击。因此利用红外隐身技术降低目标可探测性，提高武器装备生存能力与纵深打击能力引起各国高度重视。本文就红外隐身原理、红外隐身技术与应用开展探究工作。

一、红外隐身原理

通常，实际物体表面温度高于绝对零度，其组成粒子一直进行无规则热运动。热辐射是带电粒子伴随无规则热运动发生能级跃迁，以电磁波形式向外释放能量。根据基尔霍夫定律，当物体受到来自其他物体投来的辐射（能量为Q）时，其中被吸收并转为热能的部分为Qα，被反射的部分为Qρ，透过物体的部分为Qτ，可以看出，这些部分与总能量之间存在下式所示关系：Qα+Qρ+Qτ=Q如果把α=Qα/Q称为吸收率，ρ=Qρ/Q，称为反射率，τ=Qτ/Q称为穿透率，则有：α+ρ+τ=1。若物体的α=1，ρ=τ=0，即到达该物体表面的热辐射的能量完全被吸收，此物体称为绝对黑体，简称黑体。若ρ=1，α=τ=0，即到达该物体表面的热辐射的能量全部被反射；当这种反射是规则的，此物体称为镜体；如果是乱反射，则称为绝对白体。如果τ=1，α=ρ=0，即到达物体表面的热辐射的能量全部透过物体，此物体称为透热体。在实际中没有绝对黑体和绝对白体，仅有些物体接近绝对黑体或绝对白体。例如：没有光泽的黑漆表面接近于黑体，其吸收率为0.97-0.98；磨光的铜表面接近于白体，其反射率可达0.95以上。影响固体表面的吸收和反射性质的，主要是表面状况和颜色，表面状况的影响往往比颜色更大。固体和液体一般是不透热的。热辐射的能量穿过固体或液体的表面后只经过很短的距离（一般小于1mm，穿过金属表面后只经过1μm），就被完全吸收。而气体对热辐射能几乎没有反射能力的。

另外，热辐射通过大气层较少被反射、吸收和散射，而那些透射率高的波段称为大气窗口，通常把太阳光透过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口。在实际的红外探测过程中，物体发出的红外辐射也是通过大气传输才能到达红外探测器。在大气传输过程中红外辐射会因波长不同而有不同程度的衰减，通常把大气衰减较少的波长区域称为大气窗口。大气的红外窗口有以下3波段：短波1-2.5μm、中波3-5μm、长波8-14μm，红外辐射在这3个波段以外基本上是不透明的，目前使用的红外探测器大都工作在这3个波段内。根据这一特点，可以采用合适的材料作为表面涂层，调节己方军事目标的红外辐射波段至大气窗口之外，使得对方红外探测器无法探测到己方目标的红外辐射能量。

二、红外隐身技术

在探测过程中，红外探测器必须将探测目标与它们之间的任何背景辐射或路径辐射区分开来，比如飞机主要的红外信号发射源部位包括发动机的热部件、喷口的排气羽流和飞机的机身，以及阳光、天空和地面的反射。因此隐身飞机通过遮盖发动机的发热部件、冷却排气、缩小羽流及采用低辐射的表面涂层抑制红外信号。

而红外隐身技术是通过改变或者降低探测目标的红外辐射特征，来实现对目标的低可探测性。比如，通过改变结构设计和应用红外物理原理进行衰减，吸收目标的部分红外辐射能量，使红外探测设备难以探测到目标。目标的红外隐身技术，主要包括：一是改变目标的红外辐射特性；二是热屏蔽降低红外辐射强度；三是进行红外光谱转换。

（一）改变探测目标红外辐射特性

通过对目标结构的特殊设计，做到最大限度地减少目标与外部环境的热对比度或改变红外辐射的波段，使其不被敌方侦察单位所捕获。这些在载具设计上都较为常见，主要手段可以通过设计结构改变红外传输路径，更改易于被大气环境吸收的目标红外辐射波段，减少目标对外部的红外辐射。通过尾口等结构优化设计，遮挡红外信号的暴露，同时促进尾气与气流融合，加快冷却温度，降低红外信号。另外，改变目标主要红外辐射波段，一则使得目标主要红外辐射在对方探测器的工作波段以外，二来使己方目标的主要红外辐射集中在大气强损耗波段。另外，模拟背景辐射特性即红外图形迷彩，通过在探测目标各部分使用不同发射率的材料来改变表面红外辐射分布状态，使得目标与背景的红外辐射分布状态相一致，使目标显示的红外图像成为整个背景红外图像的一部分，令敌方探测器难以识别[1]。例如目前采用的红外光区四色变形迷彩涂料等。前西德军队使用的歪曲车辆阴影图案以及瑞典采用的角形结构碎片迷彩，都起到了很好的效果。

（二）热屏蔽，降低辐射强度

据斯特潘-波尔兹曼定律，降低目标的红外辐射强度主要是通过降低物体表面的发射率和物体表面的温度来实现的[2]。主要方法通常采用在目标表面涂覆发射率较低的材料或者设计时减少结构件之间摩擦以减少散热源；也可以采用隔热材料使目标内部热量难以外传，另外在对发动机喷管等重要部位进行降。比如，对机上最强的热辐射源——尾喷管采取措施，如降低发动机的排气温度。为此，可以采用矩形二元尾喷管，加大尾喷管和冷空气的接触面，以利于尾喷管散热以及燃气射流与冷空气的混合，降低红外辐射。另一常用方法是在燃料中加添加剂，也可使尾喷流温度降低。

（三）调节红外辐射途径

该方法是通过采用特殊材质或者涂料，使目标只能传播特定的会被大气层窗口大部分吸收殆尽的特殊波段红外辐射。这样一来使大气层成了自身最为坚固的保护屏障，目标就很难被敌方红外技术侦测手段所捕。实际上目的是实现光谱的转换，主要方法就是制备一种特殊的功能性涂料，该涂料能够在3-5μm和8-14μm这两个波段大气窗口有较低的发射率，而在这两个大气窗口外的中远红外波段上有较高的发射率[3]。将其涂敷在目标表面，形成隐身涂层，通过这样的方法使辐射的能量集中在大气窗口以外波段，尽可能被大气吸收或者散射掉，从而使得探测目标难以被发现。

三、在装备中的应用

战斗机的红外辐射主要来自发动机的热部件、喷口的排气羽流以及飞机机身。F-117作为第一款投入实战中的隐身战斗机，其在驾驶舱上方设计出名为“鸭嘴兽”的奇特造型，有效屏蔽了战机的热辐射。这种通过改进飞行器装备的结构设计，尽量减小红外辐射的辐射方向，同样是实现红外隐身的有效方法。美国在设计隐身飞机时，通常通过遮盖发动机发热部件、冷却排气、用机身结构遮挡尾喷管等方式达到一系列“降温”目的。F-22和F-35战机则通过将水平尾翼延伸到尾喷口之后等设计，努力抑制发动机和喷管的红外辐射。

借助涂层对目标实施保护，也是一种有效的技术手段。能显著降低目标表面温度的泡沫保温材料和硅橡胶，就可用于坦克等地面装备的表面隔热。舰艇上的发热部分也可以使用热绝缘材料和玻璃钢排气烟囱减少红外特征信号。美国空军目前正在为F-35战斗机测试新涂层。这将显著提升涂层表面的耐久性、黏合性并降低红外辐射值。此前，F-16和F-22等战机上就已经使用了红外涂层表面实现机体的“降温”。

波兰最新研制的PL-01主战坦克，车身设计酷似飞碟，能有效利用环境物体的遮挡，全身投影面积大大减小。能隐身的原理，关键在于其外表铺设的六边形的硅材料。这种外表酷似“瓷砖”的高科技材料可实时调节坦克壳体以及周围环境的温度，基本可以做到与背景的温度相当，实现红外隐身。在该系统工作时，车载传感器可捕获坦克周围的环境参数，比如温度、湿度等，计算出坦克壳体需要保持多少的温度才能与周围环境“融为一体”，在移动过程中，传感器可以随时捕捉周围环境的情况，同时对车辆外壳温度进行调节，士兵只要触碰一个按钮就可以实现“隐身”，并模拟出其他车辆的红外信号，从而变成“小汽车”。

人们还不断通过各类技术革新找寻红外隐身的新方法。美国威斯康星大学研究人员研发的超薄红外隐身薄板，主要用于确保士兵及其装备在战场上的安全。这种厚度不足1毫米的新型材料的主要成分为太阳能电池中常用的黑硅材料，约94%的红外光都被黑硅吸收以实现隐身效果。研究人员还发现可在超薄红外隐身薄板中置入电热元件，进而发出可迷惑红外探测器的虚假热信号，让坦克等武器装备与公路上护栏的红外光辐射相差无几。

四、结束语

红外隐身在海湾海争与伊拉克战争中大放异彩，在实战中得到很强的应用，日益成为各国军方发展的重点与难点。目前，各国对红外技术以及红外隐身技术都处于保密阶段，技术交流较少。未来，红外隐身技术还将向着全波段隐身、全方位隐身、多功能隐身以及低成本等方向加速发展。其中，全波段隐身是红外隐身研究的主流方向，兼顾声波、雷达毫米波、可见光以及紫外等频段的综合隐身技术，或将成为未来战场真正的“隐身衣”。