紅外隱身原理與應用研究

高 峰 陳繼亮 周 維 胡貴鵬

(北京科技大學天津學院 天津 301830)

得益于現代科學技術快速深發展，信息技術，通訊手段、基礎材料制備工藝達到較高水平，光電技術、熱成像技術隨之達到較高科技水平。現代戰爭更是具備科技戰爭特點，眾多科技成果在軍事裝備列裝中得到較大應用。其中，由于飛機、坦克、導彈等軍事裝備在應用中作業溫度較高，具有高紅外輻射特征，造成與背景極大的反差，非常容易被紅外探測設備偵查，對己方造成致命打擊。因此利用紅外隱身技術降低目標可探測性，提高武器裝備生存能力與縱深打擊能力引起各國高度重視。本文就紅外隱身原理、紅外隱身技術與應用開展探究工作。

一、紅外隱身原理

通常，實際物體表面溫度高于絕對零度，其組成粒子一直進行無規則熱運動。熱輻射是帶電粒子伴隨無規則熱運動發生能級躍遷，以電磁波形式向外釋放能量。根據基爾霍夫定律，當物體受到來自其他物體投來的輻射（能量為Q）時，其中被吸收并轉為熱能的部分為Qα，被反射的部分為Qρ，透過物體的部分為Qτ，可以看出，這些部分與總能量之間存在下式所示關系：Qα+Qρ+Qτ=Q如果把α=Qα/Q稱為吸收率，ρ=Qρ/Q，稱為反射率，τ=Qτ/Q稱為穿透率，則有：α+ρ+τ=1。若物體的α=1，ρ=τ=0，即到達該物體表面的熱輻射的能量完全被吸收，此物體稱為絕對黑體，簡稱黑體。若ρ=1，α=τ=0，即到達該物體表面的熱輻射的能量全部被反射；當這種反射是規則的，此物體稱為鏡體；如果是亂反射，則稱為絕對白體。如果τ=1，α=ρ=0，即到達物體表面的熱輻射的能量全部透過物體，此物體稱為透熱體。在實際中沒有絕對黑體和絕對白體，僅有些物體接近絕對黑體或絕對白體。例如：沒有光澤的黑漆表面接近于黑體，其吸收率為0.97-0.98；磨光的銅表面接近于白體，其反射率可達0.95以上。影響固體表面的吸收和反射性質的，主要是表面狀況和顏色，表面狀況的影響往往比顏色更大。固體和液體一般是不透熱的。熱輻射的能量穿過固體或液體的表面后只經過很短的距離（一般小于1mm，穿過金屬表面后只經過1μm），就被完全吸收。而氣體對熱輻射能幾乎沒有反射能力的。

另外，熱輻射通過大氣層較少被反射、吸收和散射，而那些透射率高的波段稱為大氣窗口，通常把太陽光透過大氣層時透過率較高的光譜段稱為大氣窗口。在實際的紅外探測過程中，物體發出的紅外輻射也是通過大氣傳輸才能到達紅外探測器。在大氣傳輸過程中紅外輻射會因波長不同而有不同程度的衰減，通常把大氣衰減較少的波長區域稱為大氣窗口。大氣的紅外窗口有以下3波段：短波1-2.5μm、中波3-5μm、長波8-14μm，紅外輻射在這3個波段以外基本上是不透明的，目前使用的紅外探測器大都工作在這3個波段內。根據這一特點，可以采用合適的材料作為表面涂層，調節己方軍事目標的紅外輻射波段至大氣窗口之外，使得對方紅外探測器無法探測到己方目標的紅外輻射能量。

二、紅外隱身技術

在探測過程中，紅外探測器必須將探測目標與它們之間的任何背景輻射或路徑輻射區分開來，比如飛機主要的紅外信號發射源部位包括發動機的熱部件、噴口的排氣羽流和飛機的機身，以及陽光、天空和地面的反射。因此隱身飛機通過遮蓋發動機的發熱部件、冷卻排氣、縮小羽流及采用低輻射的表面涂層抑制紅外信號。

而紅外隱身技術是通過改變或者降低探測目標的紅外輻射特征，來實現對目標的低可探測性。比如，通過改變結構設計和應用紅外物理原理進行衰減，吸收目標的部分紅外輻射能量，使紅外探測設備難以探測到目標。目標的紅外隱身技術，主要包括：一是改變目標的紅外輻射特性；二是熱屏蔽降低紅外輻射強度；三是進行紅外光譜轉換。

（一）改變探測目標紅外輻射特性

通過對目標結構的特殊設計，做到最大限度地減少目標與外部環境的熱對比度或改變紅外輻射的波段，使其不被敵方偵察單位所捕獲。這些在載具設計上都較為常見，主要手段可以通過設計結構改變紅外傳輸路徑，更改易于被大氣環境吸收的目標紅外輻射波段，減少目標對外部的紅外輻射。通過尾口等結構優化設計，遮擋紅外信號的暴露，同時促進尾氣與氣流融合，加快冷卻溫度，降低紅外信號。另外，改變目標主要紅外輻射波段，一則使得目標主要紅外輻射在對方探測器的工作波段以外，二來使己方目標的主要紅外輻射集中在大氣強損耗波段。另外，模擬背景輻射特性即紅外圖形迷彩，通過在探測目標各部分使用不同發射率的材料來改變表面紅外輻射分布狀態，使得目標與背景的紅外輻射分布狀態相一致，使目標顯示的紅外圖像成為整個背景紅外圖像的一部分，令敵方探測器難以識別[1]。例如目前采用的紅外光區四色變形迷彩涂料等。前西德軍隊使用的歪曲車輛陰影圖案以及瑞典采用的角形結構碎片迷彩，都起到了很好的效果。

（二）熱屏蔽，降低輻射強度

據斯特潘-波爾茲曼定律，降低目標的紅外輻射強度主要是通過降低物體表面的發射率和物體表面的溫度來實現的[2]。主要方法通常采用在目標表面涂覆發射率較低的材料或者設計時減少結構件之間摩擦以減少散熱源；也可以采用隔熱材料使目標內部熱量難以外傳，另外在對發動機噴管等重要部位進行降。比如，對機上最強的熱輻射源——尾噴管采取措施，如降低發動機的排氣溫度。為此，可以采用矩形二元尾噴管，加大尾噴管和冷空氣的接觸面，以利于尾噴管散熱以及燃氣射流與冷空氣的混合，降低紅外輻射。另一常用方法是在燃料中加添加劑，也可使尾噴流溫度降低。

（三）調節紅外輻射途徑

該方法是通過采用特殊材質或者涂料，使目標只能傳播特定的會被大氣層窗口大部分吸收殆盡的特殊波段紅外輻射。這樣一來使大氣層成了自身最為堅固的保護屏障，目標就很難被敵方紅外技術偵測手段所捕。實際上目的是實現光譜的轉換，主要方法就是制備一種特殊的功能性涂料，該涂料能夠在3-5μm和8-14μm這兩個波段大氣窗口有較低的發射率，而在這兩個大氣窗口外的中遠紅外波段上有較高的發射率[3]。將其涂敷在目標表面，形成隱身涂層，通過這樣的方法使輻射的能量集中在大氣窗口以外波段，盡可能被大氣吸收或者散射掉，從而使得探測目標難以被發現。

三、在裝備中的應用

戰斗機的紅外輻射主要來自發動機的熱部件、噴口的排氣羽流以及飛機機身。F-117作為第一款投入實戰中的隱身戰斗機，其在駕駛艙上方設計出名為“鴨嘴獸”的奇特造型，有效屏蔽了戰機的熱輻射。這種通過改進飛行器裝備的結構設計，盡量減小紅外輻射的輻射方向，同樣是實現紅外隱身的有效方法。美國在設計隱身飛機時，通常通過遮蓋發動機發熱部件、冷卻排氣、用機身結構遮擋尾噴管等方式達到一系列“降溫”目的。F-22和F-35戰機則通過將水平尾翼延伸到尾噴口之后等設計，努力抑制發動機和噴管的紅外輻射。

借助涂層對目標實施保護，也是一種有效的技術手段。能顯著降低目標表面溫度的泡沫保溫材料和硅橡膠，就可用于坦克等地面裝備的表面隔熱。艦艇上的發熱部分也可以使用熱絕緣材料和玻璃鋼排氣煙囪減少紅外特征信號。美國空軍目前正在為F-35戰斗機測試新涂層。這將顯著提升涂層表面的耐久性、黏合性并降低紅外輻射值。此前，F-16和F-22等戰機上就已經使用了紅外涂層表面實現機體的“降溫”。

波蘭最新研制的PL-01主戰坦克，車身設計酷似飛碟，能有效利用環境物體的遮擋，全身投影面積大大減小。能隱身的原理，關鍵在于其外表鋪設的六邊形的硅材料。這種外表酷似“瓷磚”的高科技材料可實時調節坦克殼體以及周圍環境的溫度，基本可以做到與背景的溫度相當，實現紅外隱身。在該系統工作時，車載傳感器可捕獲坦克周圍的環境參數，比如溫度、濕度等，計算出坦克殼體需要保持多少的溫度才能與周圍環境“融為一體”，在移動過程中，傳感器可以隨時捕捉周圍環境的情況，同時對車輛外殼溫度進行調節，士兵只要觸碰一個按鈕就可以實現“隱身”，并模擬出其他車輛的紅外信號，從而變成“小汽車”。

人們還不斷通過各類技術革新找尋紅外隱身的新方法。美國威斯康星大學研究人員研發的超薄紅外隱身薄板，主要用于確保士兵及其裝備在戰場上的安全。這種厚度不足1毫米的新型材料的主要成分為太陽能電池中常用的黑硅材料，約94%的紅外光都被黑硅吸收以實現隱身效果。研究人員還發現可在超薄紅外隱身薄板中置入電熱元件，進而發出可迷惑紅外探測器的虛假熱信號，讓坦克等武器裝備與公路上護欄的紅外光輻射相差無幾。

四、結束語

紅外隱身在海灣海爭與伊拉克戰爭中大放異彩，在實戰中得到很強的應用，日益成為各國軍方發展的重點與難點。目前，各國對紅外技術以及紅外隱身技術都處于保密階段，技術交流較少。未來，紅外隱身技術還將向著全波段隱身、全方位隱身、多功能隱身以及低成本等方向加速發展。其中，全波段隱身是紅外隱身研究的主流方向，兼顧聲波、雷達毫米波、可見光以及紫外等頻段的綜合隱身技術，或將成為未來戰場真正的“隱身衣”。