張曉忠,徐 戎,吳 曉

(湖南文理學院機械工程學院,湖南 常德 415000)

1 引 言

現(xiàn)代信息化作戰(zhàn)條件下,面對多頻譜多波段集成化探測,被發(fā)現(xiàn)即意味著被摧毀,因此單一波段的偽裝材料已不能滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的需求,多譜段偽裝材料,尤其是雷達與紅外、可見光兼容偽裝材料是偽裝技術發(fā)展的必然趨勢。雷達與紅外、可見光兼容偽裝材料指的是同時具有雷達與紅外、可見光三種偽裝性能的偽裝材料。一方面,它的表面材料應具有可調(diào)節(jié)的可見光反射率,以使目標的可見光反射系數(shù)與背景環(huán)境的可見光反射系數(shù)盡量接近,達到可見光偽裝效果；另一方面,它要具有較低的紅外輻射性能,以控制目標與背景之間的紅外輻射能量差,使紅外探測與成像系統(tǒng)不能夠識別目標的性狀特征,從而實現(xiàn)紅外偽裝目的；同時,它要具有良好的吸波性能,可大幅減少雷達回波,以實現(xiàn)雷達偽裝目標[1-8]。

目前對多波段偽裝材料的報道還不是很多。俞科靜等[9]采用金屬鋁粉和摻錫氧化銦粉末作為紅外吸收劑,與聚丙烯進行熔融混合,制備了紅外偽裝材料,并發(fā)現(xiàn)當摻錫氧化銦粉末與鋁粉的比例為2∶1時,透過率最小,偽裝效果最好。吳春等[10]結合人體紅外輻射特征,制備了一種新型可見光/熱紅外兼容偽裝復合材料,性能測試結果表明:材料的有關性能均符合可見光與熱紅外偽裝的要求,可用做單兵偽裝織物面料。顧紅軍等[11]采用來源廣、價格低廉、偽裝效果好的普通材料,制作了一種新型多層復合偽裝器材,性能測試表明該偽裝器材在紅外到雷達波波段內(nèi)都有良好的偽裝隱身效果。楊玉杰等[12]利用植物單葉光譜模型分析了植物葉片結構和組分對其反射光譜的影響,并據(jù)此設計了一種由粗糙透明防水表面、 葉綠素、 水和多孔材料四層構成的新型仿生偽裝材料。驗證實驗表明,該偽裝材料與植物葉片光譜相似度高,耐候性好,有望成為對抗高光譜偵察的有效手段。高永芳等[13]基于其光子禁帶的高反射特性設計了一種新型人工結構功能材料,該結構光子晶體較好地滿足了中遠紅外雙波段兼容偽裝的要求,但入射角度增大會降低偽裝效果。易怡等[14]通過構建由碲化鉛和氟化鋇組成的一維光子晶體復合結構,研究了實現(xiàn)近、中、遠紅外光與波長為1.060 μm 和 10.600 μm 的激光兼容偽裝的可行性。結果表明,正入射時兼容偽裝效果良好,但入射角增大會降低激光偽裝效果和縮小紅外波段偽裝頻譜范圍。

從現(xiàn)有文獻來看,各個波段單一功能的偽裝材料已達到應用階段,但是能真正兼容可見光、近紅外、熱紅外、厘米波、毫米波等多個波段的偽裝材料還比較少見。有些兼容材料最多也僅僅能兼容到兩三個波段,但兼容效果并不太理想,還未進入實用階段,對于能兼容三個波段的,其偽裝效果還不能滿足使用要求。

本論文的研究目的是針對現(xiàn)有技術的不足,提供一種能滿足多頻譜兼容要求、偽裝效果好、價格相對低廉、制作工藝簡單、適應多應用場景的新型仿形復合偽裝材料及制備方法。

2 偽裝材料結構

為滿足多頻譜兼容偽裝的需求,本論文采用多種材料合理匹配與多功能層結構合理組合的思路,研究設計多種功能層結構的復合材料,既能較有效模擬特定目標外部形狀與色彩等參數(shù),又能滿足對雷達波及紅外等的有效衰減,還能形成與環(huán)境近似的漫反射。該偽裝材料共分為七層,從內(nèi)到外依次為防水層、里層基體、紅外反射層、過渡層、外層基體、仿形吸波層和迷彩層,如圖1所示。其中,主要功能層包括紅外反射層、仿形吸波層和迷彩層,其余四層為輔助功能層。各功能層的具體功能和材料選用如下。

圖1 新型仿形多頻譜復合偽裝材料結構示意圖

2.1 反紅外偽裝功能層

根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律,物體的紅外輻射特性主要取決于它的溫度和發(fā)射率。偽裝材料要實現(xiàn)紅外偽裝,不僅要盡量使目標與環(huán)境的溫差小,而且還要盡量使目標的發(fā)射率與背景的發(fā)射率相近,即達到“同溫同譜”。本研究中,主要通過紅外反射層和仿形吸波層來減少目標的紅外可探測率。紅外反射層選用單面鋁箔紙,并將其有鋁面朝向遮障目標放置。有鋁面具有較高的紅外線反射能力,可以隔絕目標向背景環(huán)境散發(fā)的紅外輻射。仿形吸波層選用聚氨酯發(fā)泡材料,厚度在50～150 mm之間。聚氨酯泡沫的隔熱和隔音性能非常優(yōu)異,是極佳的保溫隔熱材料,加之厚度足夠大,仿形吸波層的隔熱效果可以滿足紅外偽裝需求。

2.2 仿形吸波功能層

仿形吸波功能層主要作用包括模擬特定目標外部形狀與色彩等參數(shù)和吸收雷達波。偽裝技術不僅包括遮蔽偽裝技術,也包括示假偽裝技術。本功能層選用聚氨酯泡沫,既可利用預制模型快速大批量制備各類假目標偽裝,也可配合其他功能層實現(xiàn)與周圍環(huán)境的融合。同時,在聚氨酯泡沫中添加吸波材料,可以實現(xiàn)雷達波偽裝效果。雷達波吸波材料一般分為吸收型和干涉型,后者一般只能對某特定波長的雷達波實現(xiàn)偽裝,而吸收型吸波材料通常需要具備較高的電導率和磁導率[9]。石墨精粉具有較高的電導率,鐵氧體粉具有較高的磁導率,因此二者組成的混合物是理想的吸波材料。本研究中仿形吸波層包含聚氨酯發(fā)泡劑、鐵氧體粉、石墨精粉和偽裝顏料,各組分質量百分比約為:聚氨酯發(fā)泡劑50 %,鐵氧體粉32 %,石墨精粉11 %,偽裝顏料7 %。其中,聚氨酯泡沫起仿形作用,鐵氧體粉和石墨精粉及偽裝顏料起吸波作用,偽裝顏料起到一定的可見光偽裝效果。

2.3 反可見光偽裝功能層

可見光探測技術主要是通過人眼目視、儀器照相和攝像等觀測手段,對比目標與背景環(huán)境間的包括亮度和色度等視覺信號參數(shù)的特征值,通常目標的可見光暴露特征主要表現(xiàn)在其尺寸的大小、外形的特征以及與背景的光譜反射差別等方面[4]。本研究中,主要通過最外層的迷彩層和仿形吸波層來實現(xiàn)可見光偽裝效果。仿形吸波層中的偽裝顏料可隨背景環(huán)境的變化而選取不同的顏色,達到基本的可見光偽裝效果。迷彩層選用長度規(guī)格為6～12 mm的高強度抗裂玄武巖纖維,可吸收和散射電磁波,不僅有可見光偽裝功能,還可有效抑制聚氨酯發(fā)泡材料因收縮變形量較大而開裂的傾向,以確保其隔熱和吸波作用。

2.4 輔助功能層

輔助功能層主要包括里外層基體、防水層和過渡層。里外層基體選用彩條布或化纖紡織布,主要起承力和載體作用,并有一定的耐磨和防水作用。防水層主要包括丙烯酸防水涂料、魚珠膠和偽裝顏料,主要起防水止裂的作用。過渡層主要包含鐵氧體粉、石墨精粉、魚珠膠、偽裝顏料,主要在紅外反射層和仿形吸波層之間起過渡作用,可在一定程度上吸收雷達波,減少雷達回波。

3 偽裝性能測試及結果分析

3.1 雷達波偽裝效果

為測試偽裝材料的雷達波反偵測能力,對其進行了吸波性能測試實驗和反射率測試實驗。

3.1.1 雷達波吸波性能測試實驗

為考核偽裝材料對雷達波吸波性能的影響,利用微波暗室對其進行了屏蔽效能測試,并研究了主要吸波材料中碳含量和鐵含量對整體吸波性能的影響。屏蔽效能測試廣泛采用的測試頻率為14 kHz、100 kHz、1 MHz、400 MHz、1 GHz、10 GHz和18 GHz,在這些典型測試頻率點上的測試結果基本可以代表9 kHz～18 GHz整個頻段的屏蔽效能[15]。據(jù)此,本研究選取10 GHz和18 GHz兩個測試頻率,測試結果基本可以代表偽裝材料在常用機載雷達主要工作頻段10 GHz～18 GHz的屏蔽效能。針對吸波材料中碳含量和鐵含量,共設計了15種不同配方,其具體配比及屏蔽效能測試結果如表1所示。由表1中的1-4號樣品可知,只添加石墨精粉的情況下,隨碳含量增加,低頻(10 GHz)的屏蔽效能增大,高頻(18 GHz)的屏蔽效能減小,而整體屏蔽效能(高頻與低頻屏蔽效能之和)變化不大。

表1 雷達波屏蔽效能測試實驗結果

由表1中的5-10號樣品可知,只添加鐵氧體粉的情況下,隨鐵含量增加,高頻的屏蔽效能振蕩上升,低頻的屏蔽效能先降低后升高,9號樣品的整體屏蔽效能最佳。由表1中的1、11-14號樣品可知,碳含量為25 g時,隨鐵含量增加,整體屏蔽效能先增大后減小,11號樣品的整體屏蔽效能最佳,此時碳含量與鐵含量的質量比為1∶2。由表1中的2、15號樣品可知,碳含量為50 g時,15號樣品的整體屏蔽效能較佳,此時碳含量與鐵含量的質量比為1∶2。綜合分析可知,碳含量與鐵含量的質量比為1∶2時,偽裝材料表現(xiàn)出更好的整體屏蔽效能。

3.1.2 雷達波反射率測試實驗

采用弓形法對偽裝材料雷達波反射率進行測試,掃頻測試頻率范圍為 30 MHz～6 GHz,在此頻率范圍內(nèi)均勻選取81個測試點,根據(jù)上節(jié)分析,選取7組樣品進行測試,實驗結果如表2所示。由表2可知,除4號樣品外,其余6組樣品反射率在-5 dB以下的頻段范圍均較寬,尤以9、11、13號樣品較為突出,其反射率峰值都在-20 dB以下,-5 dB以下的吸收頻寬高達3.1～4.7 GHz,有良好的雷達波衰減特性。

表2 雷達波反射率測試實驗結果

由雷達波屏蔽效能和反射率實驗結果可知,9、11、15號樣品在兩次性能測試中表現(xiàn)較好,結合考慮吸波材料比重對目標的有效載荷量和機動性等的影響,11號樣品具有最佳的綜合性能,因此將其作為后續(xù)可見光和紅外性能試驗檢測的對象。

3.2 可見光與紅外偽裝效果

采用數(shù)碼照相機、數(shù)碼攝像機、紅外輻射測溫儀、紅外熱像儀和藍綠紅三種濾光片,利用成像法檢測了偽裝材料面層的可見光,藍、綠、紅三段光譜和熱紅外圖像情況。測試環(huán)境均為室外,氣溫22～30 ℃。本研究共對偽裝材料進行了三類檢測試驗:①單塊偽裝材料可見光、藍濾光、綠濾光、紅濾光和熱紅外成像；②多塊偽裝材料可見光、藍濾光、綠濾光、紅濾光和熱紅外成像；③偽裝材料隔熱性能測試。相關試驗結果如圖2～圖4和表3所示。

圖2 單塊仿形偽裝材料的成像照片

圖3 多塊仿形偽裝材料的可見光成像照片

圖4 多塊仿形偽裝材料不同時間點熱紅外成像照片及表面溫度

表3為采用新型仿形復合偽裝材料對汽車頭部實施遮擋前后的輻射溫度測試結果。由表3可知,偽裝前后汽車頭部溫差9.6 ℃,隔熱效果比較明顯。圖2是單塊偽裝材料可見光、藍濾光、綠濾光、紅濾光和熱紅外成像照片,圖3是多塊偽裝材料可見光、藍濾光、綠濾光、紅濾光成像照片,圖4是多塊偽裝材料不同時間點熱紅外成像照片及表面溫度。由圖2和圖3可以看出,無論是單塊還是多塊偽裝材料,其面層紋理、顏色與亮度都與背景較為接近,均有良好的可見光偽裝效果。由圖4可知,不同時間點多塊偽裝材料與環(huán)境溫度差均在3 ℃以內(nèi),具有良好的紅外偽裝效果。

表3 偽裝前后汽車頭部輻射溫度測試結果

4 結 論

(1)采用聚氨酯發(fā)泡材料、鋁箔紙、鐵氧體粉、石墨精粉、魚珠膠、偽裝顏料等常見價廉材料,研制了一種新型仿形復合偽裝材料；

(2)對15種配方吸波材料層及其構成的仿形偽裝材料樣品進行了雷達波屏蔽效能和反射率測試實驗,結合考慮吸波材料比重對目標的有效載荷量和機動性等的影響,含碳25 g、含鐵50 g的11號樣品具有最佳的綜合性能；

(3)利用成像法檢測了偽裝材料的可見光和熱紅外圖像情況,結果表明其在可見光波段和紅外波段均有良好的偽裝效果。

(4)制備的偽裝材料不僅可實現(xiàn)可見光、紅外和雷達多頻譜兼容的偽裝效果,還具有較好的仿形偽裝功能,此外還具有制作工藝簡單、重量輕便于搬運和使用、防水和耐老化性能好、適合野外多場景偽裝等優(yōu)點,有較為廣闊的應用前景。