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高科技的隱形術–「有形無影」的新武器時代

今日的戰爭,為了減少己方人員傷亡和經費支出,新武器不僅要火力強大,也要重視隱形技術的開發,未來,進入奈米和生物科技的時代,「看不見的武器」不再只是生化武器的代名詞。
 
 
 
二次大戰後,無線傳訊技術的發展可說是突飛猛進,尤其在軍事偵查方面的競爭,各國無所不用其極地希望能在探測技術上領先,同時,在匿蹤的隱形技術(stealth technology)方面也普遍受到重視。

基本上隱形技術並不是一種「不能被觀測到」的技術,而是透過降低武器裝備的信號特徵,使其難以被發現、識別、追蹤和攻擊的技術,其中包括了雷達隱形、紅外線隱形、雷射和聲納的隱形。以上各種隱形技巧的偵測方法各有不同,另就信號發射源、目標物、信號接收體而言也有所不同,此外在材料的運用上亦有所區分,加上信號頻率的高低變化,使得此一技術在運用上變化多端。

本文針對電磁波吸收體、紅外線抑制材料和可用於偽裝技術的材料做一報導,希望能使讀者了解隱形材料的吸收原理與未來可能的應用方向。

電磁波吸收體

雷達發出的電磁波在前進時,遇到不同的介質,可能發生的行徑有反射、繞射、散射、穿透或在介質內產生共振吸收等現象。一般而言,電磁波遇到金屬材料時,金屬表面會把入射的電磁波完全反射,而無穿透現象產生,故隱形技術和信號抑制並沒有考慮穿透的電磁波部分,而是著重於與金屬材質共振所產生的能量損失,和如何將電磁波「引入」吸收體的傳輸原理等問題。

電磁波在材料裡因共振所損失的能量,就是入射波在材料內部轉換成的熱量。電磁波在材料中的能量損耗方式,因材料的差異,可分為電阻性、磁性、介電性三種,以下就針對這三種吸收材料分別加以說明。

電阻性吸收材料就如同在鎳線上通入電流使其產生熱一樣,其原理是材料中傳導帶的自由電子,在電磁波電場的加速作用下,衝撞到電阻性材料內的原子,電子的運動就會受到阻礙,此時電子的運動動能就會轉換成熱能,此一熱量就是電磁波在材料中所損失的能量。以上是以微觀的材料性質來解釋。

另外在巨觀的共振效果中,則是利用吸收體材料本身有限的導電率與較小的自由電子密度,形成阻抗體或阻抗體薄膜,以多層的電阻性金屬護幕使電磁波在多層吸收體內產生共振,而消耗電磁波的能量,其中可以使用導電性金屬纖維或蒸鍍金屬氧化物、金屬氮化物薄膜製作多層電磁波吸收體的護幕。

當電磁波的磁場與磁性材料作用時,會使材料內部的磁偶矩(magnetic moment)順著磁場方向排列,當電磁波的磁場方向隨著頻率轉換時,磁場隨之改變,由於材料的矯頑力,發生磁滯現象,以致於消耗了電磁波的能量,所以材料的吸收特性會隨著電磁波頻率增加而有所改變。磁性吸收體的重量比其他材料重,但是厚度可以比較薄,一般是由彈性膠體,如異戊烯橡膠、月青基橡膠、矽硐橡膠等添加磁性鐵氧磁粉,如尖晶鐵氧體、平板狀鐵氧體或軟磁性金屬粉,混煉成薄片。

由於電阻性材料自由電子密度很高,會使得電磁波產生反射現象,所以在介電性吸收材料中,可利用降低材料中的電子密度,來幫助電磁波的吸收,例如石墨粒子分散在發泡的聚乙烯中,本身的電阻與石墨粒子間的電容會形成複雜的結構,使得電磁波在材料間產生微觀的共振,以消耗電磁波的能量。

電磁波吸收體的應用

讓雷達「看」不到的隱形技術主要在提高反雷達偵測的能力,雷達偵測的能力決定於目標物的雷達散射截面積(radar cross section, RCS)的大小,RCS是指飛機對雷達波的有效反射面積,反雷達偵測的方法便是採用各種手段來減小飛機的RCS。

例如美國B-52轟炸機的RCS大約是一千平方公尺,很容易被雷達發現,然而與B-52轟炸機同一機型,但採用隱身技術的B-2轟炸機,其RCS僅0.01平方公尺左右,一般雷達很難偵測到它。目前用來減小飛機RCS的主要途徑有兩種:一是改變飛機的外形和結構,二是採用吸收雷達波的塗敷材料和結構材料,在武器的匿蹤材料中多以蒙皮和塗料為主。

雷達和電磁波吸收體的應用,早期是為了軍事的目的,但是由於近來各種電機電子設備的數位化、高頻化,使得電磁波的干擾問題也越來越嚴重,所以電磁波吸收體在多數3C產品中是不可或缺的。例如將電磁波吸收材料直接貼附在IC晶片、傳輸線、電纜線、電路板或機殼上,其目的即是在避免電磁波干擾到儀器的正常運作。當電子產品運作時電磁波的相互干擾,可能會造成機器的故障或是訊號的失真,目前各國都已明文規定:在飛機上或醫院中不可使用手機,主要的用意即在於避免電磁波的干擾。

另外因為多路徑效應所產生的雷達假象,也可以利用電磁波吸收體加以克服。目前日本Takenaka公司,特別研究開發出可以吸收電磁波的瀝青和混凝土,希望運用在電子收費站、隧道內、大型橋梁甚至是大廈建築上,來防止船舶或者是車輛上所裝置的雷達受到多路徑干擾。

隨著科技的快速發展,材料也邁入了奈米時代,在奈米碳管開發出來之後,科學家便不斷地尋找奈米材料的發展契機,其中發現某些奈米級粉體或是其特殊結構,在雷達波吸收上有令人意想不到的功效。例如塗有奈米碳管或奈米鐵氧磁體的蒙皮,可以有效地降低戰鬥機被雷達偵測到的機會,在重量和厚度上也可大幅地降低。

此外,塗層技術的發展,在反雷達探測上也是非常重要的一環,以俄國新式戰鬥機蘇凱-47(SU-47)為例,它就使用了多層的匿蹤塗料。二○○○年以後,俄國即開發出多層塗料的塗層技術,可以在很小的厚度中鋪上多層材料,每一層都有不同頻率的電磁波吸收範圍,因而可以大幅增加適用頻寬。

美國的B-2A隱形轟炸機已改用碳纖、環氧樹脂和陶瓷材料來替代金屬結構,此外更利用第四代奈米塗料,以奈米塗層技術包覆機體表面,使得雷達波的吸收率達到99%,而厚度僅有數微米,不像以往的塗料由於使用了大量的鐵氧磁體而使機體重量增加不少。

仿生技術的應用和電漿匿蹤,也是未來隱形技術的研究方向之一。科學家發現某些生物雖然體積大小不同,但是以雷達掃瞄時,顯現出來的資料卻剛好相反,例如蜜蜂的體積遠比麻雀小,不過它的雷達反射截面積反而比麻雀要大上16倍,科學家也正在研究這些現象,試圖利用仿生科技,尋求更新的隱形技術。

而所謂電漿匿蹤的構想,是來自某次蘇聯太空船返回地球途中一度失聯,事後研究發現,歸因於當時太空船在回程時因高溫而產生的電漿等離子效應。於是俄國開始在飛機的某些部分製造電漿,藉由外部氣流使電漿包覆於飛機外表,利用控制電漿的離子濃度,達到吸收雷達波和折射的效果,未來此一方面的發展空間也非常大。

反紅外線探測技術與材料

一八○○年,英國天文學家赫謝爾發現了紅外線,而紅外線技術在軍事上的實際應用,則是在二次世界大戰期間,當時德國研製了一些紅外線裝備,其中最典型的是紅外線通信設備和紅外線夜視儀,戰後由於紅外線探測器和紅外線光學材料的迅速發展,更引起了軍事部門的重視。

紅外線是一種人眼看不見的光波,在自然界中一切溫度高於絕對零度(攝氏零下273度)的物體都不斷地輻射著紅外線,這種現象稱為熱輻射。它是由物質內部的分子、原子運動所產生的電磁輻射,是電磁頻譜的一部分,其波段介於可見光與微波波段之間,只要被測物體溫度和環境溫度差距大時,就非常容易偵測到。在以往的匿蹤技術中多半以冷卻內燃機的排熱系統為主,由於材料科技的進步,現代化的武器也漸漸走向用水霧、煙幕、塗料和遮蔽材,來減少武器運作時所產生的熱輻射,降低被偵測到的可能性。

以煙幕為例,施放方式有許多種,有煙霧彈、油霧發煙機和煙霧迫擊炮等,如瑞典FFV公司研製的FFV266式迫擊炮彈所形成的煙幕,能有效干擾工作波長在14微米的紅外線傳感器材。而美軍的油霧發煙機可發射直徑2~20微米,厚度0.3微米的鋁箔,形成鋁箔油霧,以此干擾15微米工作波長的紅外光器材。

一般而言,紅外線抑制塗料可分為吸收型與轉換型二種。吸收型塗料是利用材料本身或某些結構,讓吸收的能量在塗層內部不斷消耗或轉換,避免引起明顯的溫升,減少物體熱輻射。而轉換型塗料,其主要的作用是使吸收後再釋放出來的紅外線輻射,向長波長方向偏移,使得處於紅外線工作波長的探測系統無法有效地運作,而達到隱身的目的。如今更有利用複合抽絲法,將奈米氧化鈦、氧化鋅、氧化矽等粉末包覆於纖維中製成軍服,這種衣服對人體釋放的紅外線不僅有良好的遮蔽效果,同時兼具保暖作用。

也有科學家希望未來可以利用儲能的方法,製作防紅外線探測塗料,其原理是利用化學上的吸熱反應把熱能轉換成化學能,以降低運作時產生的高溫,在無安全顧慮時再行可逆反應,把化學能轉為熱能發散出去。

變色材料發展與應用

以往戰地的偽裝技術多採用迷彩塗料和布料為主,它需要依不同的戰地地形、地貌和植被來做不同的選擇,一旦進入一個未經事先考量設計的戰場背景下作戰,偽裝過的軍事武器反而成了明顯的目標。這時我們一定會想到武器如果可以和動物一樣,可以隨環境改變自身的保護色,必可降低被攻擊的機會,並方便不同戰場上軍事武器的調度。

在變色材料的分類中,大致可分為光致變材料和電致變材料兩種。這兩種變色材料的變色原理可說是大同小異,主要是利用光或電來改變材料的氧化和還原的狀態,或改變順反異構物分子的排列,以達到材料對於不同光譜選擇性的吸收能力。科學家更進一步發現,當材料的顆粒大小進入了奈米尺寸後,有一部分的物理現象已無法再用巨觀的理論加以解釋。

以光致變材料為例,東京大學工學系的藤昭教授及生產技研所的立間徹助教授等人發現,附著在氧化鈦載體上的銀奈米粒子,在藍光照射下會氧化成透明的銀離子,但在照射紫外線後,銀離子可還原回原先的銀奈米粒子,其中又可依粒徑大小呈現不一樣的顏色,遂將此一特殊功能應用在太陽眼鏡、戶外玻璃、光線感應器和戰鬥機的機艙玻璃罩上。未來,科學家更計劃把此一特性應用在高容量的光學記憶體中。

而電致變材料,目前以氧化鎢、氧化鈦和氧化鋯混合物的技術較為成熟。以氧化鎢為例,它是利用電子束蒸鍍或濺鍍的方法,以鍍有氧化鎢(WO)薄膜的導電玻璃(ITO glass)為基板,把含鋰原子的電解質鍍在基板上,當有電流通過時,會使其產生鋰化效應,依據鎢和鋰原子數量的比值x,會呈現不同的顏色。當x從0到0.25時,薄膜呈深淺不同的藍色;x從0.25到0.3時,呈藍棕色;x大於0.3時,呈棕色。且發現在x小於0.25時,材料的可逆性和穩定性表現都非常好,也就是說材料的耗損度很低,所以美國在很早以前就將電致變材料應用在軍事設備上了。

若不考慮材料的耐候性、強度、硬度等破壞因子,我們必須承認許多生物的偽裝欺敵本能,的確是現今科技所不及。如今就有生物科學領域的專家,正在研究如何複製含不同色素的皮層細胞,如果可以控制色層的轉變,相信不久的將來士兵在偽裝皮衣的保護下,可以隨著周遭的環境改變偽裝裝備的顏色,藏匿在敵軍陣營中伺機而動,恐怕連眼尖的敵人也未必能夠發現其蹤影。

當然,我們希望未來的科學發展,不是為了持續地研究製造更尖端的武器,但是不可否認的,各國在武器上的競爭,無非是想讓區域性的武力可以相互制衡,就維持和平的角度思考,若代表正義的一方可以握有更精銳的軍事設備,對一些比較激進的國家能夠產生嚇阻作用的話,未來軍事科技的進步,在人類的發展史上會是重要的一環。
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