隱身技術(shù)
——逆向思維在物理技術(shù)上的應(yīng)用

陳田華

（臺州廣播電視大學(xué) 浙江 臺州 318000）

為了彌補(bǔ)科學(xué)文化與人文文化相脫離的缺憾，讓文科學(xué)生了解自然科學(xué)規(guī)律，分享現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成就，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新能力，擴(kuò)大學(xué)生的知識面、開闊視野，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，我校近幾年對文科類成人學(xué)生開設(shè)了科學(xué)普及選修課程.對于成人學(xué)員而言，不需要知道許多描寫現(xiàn)代物理學(xué)前沿問題的高等數(shù)學(xué)公式和推導(dǎo)這些公式的技巧，而是了解現(xiàn)代物理學(xué)知識帶來科學(xué)技術(shù)的變化.以前，沿用課堂開設(shè)，系統(tǒng)學(xué)習(xí)，教學(xué)效果不怎么理想；而采取系列講座的方式，將科學(xué)知識融入現(xiàn)實中的各個領(lǐng)域，在一次講座中穿插相關(guān)知識，以點帶面，逐漸深入，學(xué)生感興趣，教學(xué)效果更好.本次隱身技術(shù)講座，就涉及物理學(xué)中的力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等知識.

思維是人腦對客觀現(xiàn)實概括的、間接的反映，它反映事物的本質(zhì)和事物間規(guī)律性的聯(lián)系.逆向思維也叫求異思維，是思維中的一種技巧.人們習(xí)慣于沿著事物發(fā)展的正方向去思考問題并尋求解決辦法.其實，對于某些問題，尤其是一些特殊問題，讓思維朝著對立面的方向發(fā)展，從問題的反面深入地進(jìn)行探索，從結(jié)論往回推，逆向思考會使問題簡單化.平時，我們感知物體，是由于物體發(fā)出的信息被接收，如果逆向思維，外界接收不到物體發(fā)出的信息，物體就不被外界感知，這就是隱身.隱身，古今有之，即隱蔽自己，不被外界發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象在日常生活中無處不在，尤其在生物進(jìn)化、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.

1 外界接收到信息但對此信息不易辨別

1.1 戰(zhàn)場隱蔽

近代戰(zhàn)場，戰(zhàn)士頭戴植物織成的草帽，大炮、坦克等全身蓋上雜草隱蔽草叢中；現(xiàn)代戰(zhàn)場，軍人穿迷彩服，重型武器披掛迷彩外套等，目的均是使物體的顏色與周圍環(huán)境相近，達(dá)到隱身.

1.2 生物生存

在自然界中，有一種毒性很強(qiáng)的小蛇生活在竹林中，為了保護(hù)自己，迷惑他人，蛇身顏色進(jìn)化成竹葉的顏色，使人或其他動物無法發(fā)現(xiàn)，這種蛇稱為“竹葉青”.

上述例子，是利用物體反射信息與周圍景物的反射信息相似，使對方接收信息后不容易分辨，從而達(dá)到迷惑對方的目的.

2 外界接收到物體發(fā)出的微弱信息

2.1 人體隱身

古代俠士，晚上出去行俠仗義，穿上黑色的衣服（夜行衣），這樣衣服反射的光線很微弱，外人肉眼就不容易看到他了；如果遇上月黑風(fēng)高的夜晚，物體反射光線更弱，就更加發(fā)現(xiàn)不了.反之，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，為了避免肉眼直接觀察造成的困難，在夜晚能夠觀察到物體，采用紅外瞄準(zhǔn)儀（夜視儀），由于任何動物，都會發(fā)出紅外線，雖然紅外線肉眼感受不到，但紅外監(jiān)測儀可以接收，且溫度越高，輻射的紅外線能流密度越大，紅外監(jiān)測儀顯示越清晰.

2.2 飛機(jī)隱身

隱身飛機(jī)是能夠不被肉眼發(fā)現(xiàn)，不被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，不被紅外探測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，無法聽到聲音的飛機(jī).現(xiàn)在美國的隱身技術(shù)已經(jīng)用在偵察機(jī)、轟炸機(jī)、直升機(jī)等各種性能的飛機(jī)上.

二戰(zhàn)以前，當(dāng)敵機(jī)飛近時，山頂上的觀察哨才發(fā)現(xiàn)，往往來不及做好準(zhǔn)備，造成人員、財物的損失.1935年，英國著名的物理學(xué)家、國家物理研究所無線電研究室主任沃特森·瓦特發(fā)明了世界上第一臺雷達(dá)，成為英國空軍的眼晴，當(dāng)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離目標(biāo)后，采用高射炮群攔截，擊落敵機(jī)，在第二次世界大戰(zhàn)中給德國空軍造成極大的威脅.

圖1 雷達(dá)

雷達(dá)原理是從蝙蝠對獵物的定位得到啟發(fā)，雷達(dá)是一種既能發(fā)射無線電波，又能接收反射波的裝置（圖1）.當(dāng)雷達(dá)發(fā)射的無線電波，遇到空中的飛機(jī)被反射回來，雷達(dá)接收后根據(jù)時間差及反射波方位便可以計算出飛機(jī)的位置，同時屏幕上亦可顯示.飛機(jī)要想不被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，除了超低空飛行避開雷達(dá)波的探測范圍外，就得想辦法降低對雷達(dá)波的反射.

根據(jù)上述思路，如果飛機(jī)不反射雷達(dá)波或者反射的雷達(dá)波很弱，飛機(jī)就不會被雷達(dá)發(fā)現(xiàn).同時，減小噴氣式飛機(jī)尾部發(fā)出的紅外線，規(guī)避導(dǎo)彈的襲擊，這種飛機(jī)稱為“隱形飛機(jī)”.美國的F-117隱形戰(zhàn)斗轟炸機(jī)（圖2）就是最早裝備空軍的一種隱形機(jī)型.

圖2 F-117隱形戰(zhàn)斗轟炸機(jī)

隱形飛機(jī)主要采用以下幾種技術(shù).

2.2.1 隱身外形技術(shù)

改變飛機(jī)的外形結(jié)構(gòu)，外形設(shè)計上采用了非常規(guī)布局.發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口置于機(jī)身背部或機(jī)翼上面，采用矩形設(shè)計并朝上翻，2個垂直尾翼均向外斜置，機(jī)身與機(jī)翼融為一體.F-117幾乎全由直線構(gòu)成，連機(jī)翼和V型尾翼也都采用了沒有曲線的菱形翼型.此外，座艙框架、起落架艙門和炸彈艙的邊緣以及機(jī)身后部的平面形狀均做成鋸齒形.這些便構(gòu)成了F-l17的獨特的多面體外形，使飛機(jī)對所有雷達(dá)波形成鏡面反射，減少散射面積，從而減小雷達(dá)回波，使其在雷達(dá)上反射的能量幾乎能夠做到和一只麻雀的反射能量相同，因此通過雷達(dá)很難發(fā)現(xiàn).

2.2.2 隱身材料技術(shù)

采用寬波段吸波性輕質(zhì)耐熱復(fù)合材料，并在表面涂覆放射性同位素涂層，通過同位素放射高能粒子，使周圍空氣形成等離子屏障，在離子與電磁波相互作用過程中，吸收雷達(dá)波和紅外輻射.

2.2.3 紅外線抑制和聲波隱身技術(shù)

F-117隱形飛機(jī)的進(jìn)氣口高約0.6m，寬1.5m左右，這么大尺寸的進(jìn)氣口，一可以給發(fā)動機(jī)提供進(jìn)氣，二可以提供冷卻空氣.冷卻空氣從進(jìn)氣口旁路通過，在尾噴口處與發(fā)動機(jī)的排氣混合后排出去，可以降低發(fā)動機(jī)的排氣溫度，減少紅外特征，使紅外輻射降低90%，噪聲也大為減小.

2.2.4 微電子技術(shù)

隱形飛機(jī)裝備有高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、激光紅外探測系統(tǒng)及先進(jìn)的數(shù)字導(dǎo)航攻擊系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可為飛機(jī)提供導(dǎo)航、定位、攻擊等各方面的數(shù)據(jù)，所以，它在出航攻擊時可保持全程無線電靜默，從而大大降低被敵方偵知的概率.

2.2.5 干擾技術(shù)

隱形飛機(jī)裝備有先進(jìn)的電子干擾設(shè)備，主要任務(wù)是干擾敵方的雷達(dá)和通信系統(tǒng)，一般情況下不主動使用.攻擊時飛機(jī)不開雷達(dá)，而通過數(shù)據(jù)鏈接收預(yù)警機(jī)和友機(jī)的雷達(dá)探測信息.攻擊前，己方其他電子干擾系統(tǒng)要對敵方的地面防空系統(tǒng)實施大區(qū)域、高強(qiáng)度、多方向、長時間的電子干擾壓制，逃避對方防空火力的打擊.另外，F(xiàn)-22隱形飛機(jī)上安裝了ALR-94無源探測系統(tǒng)，可以引導(dǎo)F-22上的APG-77雷達(dá)精確指向目標(biāo)，在較近的距離上打開雷達(dá)，迅速捕獲目標(biāo)，這就避免了雷達(dá)在盲目的搜索過程中暴露自己的位置.

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隱身飛機(jī)的科技含量越來越高，造價也越來越貴.F-117隱形戰(zhàn)斗轟炸機(jī)在1981年6月15日試飛成功，1982年8月23日向美國空軍交付第一架飛機(jī)，造價4 500萬美元；B2隱形轟炸機(jī)是全天候隱形戰(zhàn)略轟炸機(jī)，1993年12月17日，美國空軍推出了第一架B2型飛機(jī)，單架造價近20億美元，是世界上最昂貴的飛機(jī)；F-22比F-117功能多，隱身效果更好，1997年9月F-22開始試飛，造價1.8億美元左右.

2.3 潛艇隱身

潛艇是在水下航行的攻擊艦艇（圖3），在第二次世界大戰(zhàn)中發(fā)揮了很大的作用，專門進(jìn)攻大型艦船.潛艇在水下活動，以海水作掩護(hù)，偵察飛機(jī)、偵察衛(wèi)星都難以發(fā)現(xiàn)它的行蹤.但是，潛艇航行時發(fā)動機(jī)和螺旋槳發(fā)出的聲音，龐大身軀對聲波的反射，使?jié)撏Ш苋菀壮蔀槁暭{捕捉的目標(biāo).

圖3 潛艇

聲納的原理：潛艇發(fā)動機(jī)工作、人員講話、物體移動等產(chǎn)生的聲音，從水下傳至水面被聲納接收，聲納系統(tǒng)就可知道潛艇的位置.所以，潛艇在水下隱身，要關(guān)閉發(fā)動機(jī)及禁止其他能產(chǎn)生聲音的動作，或者采用隱身技術(shù)讓聲納接收不到潛艇發(fā)出的聲音.

2.3.1 降低自身噪聲

只要控制潛艇自身發(fā)出的噪聲，就會取得顯著的隱身效果.例如，采用低噪聲發(fā)動機(jī)和傳動裝置，在艇殼和設(shè)備之間安裝彈性支座和吸音、隔音體，選用多槳葉螺旋槳或?qū)Ч苈菪龢越档吐菪龢肼?，或采用噴小推進(jìn)、磁流體推進(jìn)等先進(jìn)的推進(jìn)裝置；英國的“特拉法爾加”級和美國的“海狼”級核潛艇均采用噴小推進(jìn)技術(shù)，可降低噪聲10dB.

2.3.2 在艇體外粘吸聲層

在潛艇殼體外粘貼吸音材料，既可吸收自身的噪聲，又可吸收敵方主動聲納的聲波.好的吸音材料可使聲納探測能力降低50%～75%，是一種有效的降噪措施.俄羅斯的大多數(shù)潛艇貼有消聲瓦，只有幾種導(dǎo)彈核潛艇采用橡膠型護(hù)皮.英國的“特拉法爾加”級、美國的“洛杉磯”級攻擊型核潛艇上均采用了橡膠消聲瓦.近幾年，美國科學(xué)家研制出一種聲學(xué)隱形外罩，在一個特定空間中控制聲波并將其彎曲或扭曲，水下物體在這種聲學(xué)隱形外罩的遮擋下，甚至連聲納和其他各種超聲波都探測不到.

2.4 單向可視玻璃

汽車玻璃貼膜以后，乘客可從里面看到外面的情況，可外面的人看不清楚里面的乘客.在警察辦案時，當(dāng)事人辨認(rèn)嫌疑犯，為了保護(hù)當(dāng)事人安全，要做到當(dāng)事人隔著玻璃看到嫌疑犯，而嫌疑犯看不到當(dāng)事人.這種玻璃就是單向可視隱身玻璃.

單向可視玻璃原理：這種玻璃貼上或涂有很薄的銀膜或鋁膜后并非反射所有的入射光，而是能讓部分的入射光通過，如圖4所示.

圖4 單向可視玻璃原理

如果圓和三角形分別處于玻璃的兩側(cè)空間1和2，圓在強(qiáng)光的房間，三角形在弱光的房間.對于空間1的觀察者，圓的物體經(jīng)玻璃反射回來的光比三角形物體透射過來的弱光要強(qiáng)得多，因此空間1的觀察者看到圓的物體虛像比三角形實像清晰得多，即只看得見圓的物體.由于從圓的物體透射過來的光線要比三角形物體反射回來的光線強(qiáng)，則在空間2的觀察者看到的圓的實像要比三角形的虛像清楚，即可以看清楚圓的物體.所以，從空間1觀察，玻璃相當(dāng)于一面平面鏡，從空間2看，就是一塊普通玻璃.

單向可視玻璃分為正、反兩面.正面為玻璃鏡面，用來反射光線，安裝時應(yīng)把正面朝向被監(jiān)控室，把反面朝向監(jiān)控室所在位置，被監(jiān)控室的燈光強(qiáng)度應(yīng)保證足夠亮度，被監(jiān)控室光線越亮、越強(qiáng)，玻璃的單向可視效果越明顯.為使玻璃的單向可視性能達(dá)到最佳狀態(tài)，監(jiān)控室內(nèi)原則上不安裝天花頂燈，不允許有其他發(fā)光燈源存在.

3 外界接收不到物體發(fā)出的信息

超新星爆發(fā)殘留下來的核心，當(dāng)其質(zhì)量小于2MΘ，成為中子星；而大于2MΘ時，星體內(nèi)的中子簡并壓擋不住強(qiáng)大的引力收縮作用，星體將進(jìn)一步坍縮，成為一個體積無限小的奇點，密度無限大.此區(qū)域內(nèi)引力強(qiáng)大到任何光子都不能逃離出來，亦即當(dāng)任何光線經(jīng)過此區(qū)域，會被吸入，任何信息都不會傳出去，內(nèi)部漆黑一團(tuán)，故稱為黑洞，它是理想的隱身體.

4 結(jié)語

通過一次講座，聯(lián)系學(xué)生感興趣的現(xiàn)實生活及高科技領(lǐng)域中的各類現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生的求知欲望，讓學(xué)生由淺及深，系統(tǒng)全面地了解相關(guān)物理知識，提高理性判斷和創(chuàng)新思維的能力，真正體會物理學(xué)中認(rèn)真、求知和創(chuàng)新的精神，對于今后無論從事何種職業(yè)，都會有所啟發(fā)和幫助.

1 袁運開.20世紀(jì)物理學(xué)概觀.上海：上?？萍冀逃霭嫔纾?999

2 （韓）李鐘鎬.物理學(xué)之旅.南寧：接力出版社，2007

3 黃祖洽.現(xiàn)代物理學(xué)前沿選講.北京：科學(xué)出版社，2007

4 董長軍.聚焦隱身戰(zhàn)機(jī).北京：藍(lán)天出版社，2011

5 王勇.國外潛艇聲隱身技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向 .艦船電子工程，2010（1）