智能热伪装:武器装备的“隐身变色衣”

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本原创新闻发布具体时间:2022-05-27 22:12 Friday
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  ●从动物习性上获得灵感,进而成为一种新技术

  ●功能可谓不凡,能灵活应对各种红外辐射侦察

  ●具有很大的应用潜力,正呈现出方兴未艾之势

  国防科技大学教授杨俊波为您讲述——

  智能热伪装:武器装备的“隐身变色衣”

  ■解放军报记者 王握文 通讯员 毛元昊 姜鑫鹏

智能热伪装:武器装备的“隐身变色衣”

  为武器装备“量身定制”的智能热伪装示意图。

  伪装是为了不让人看到真实面目而采取的装扮,即假装、假作。在军事上,它是为保护自己、欺骗和迷惑敌人而采取的一种措施。

  在现代战争中,红外热伪装技术是为了不让敌红外侦察仪器发现、不被敌热红外制导武器击中而实施的一种主要伪装手段。然而时至今日,随着侦察手段的进步,这种热伪装技术已不像当初那样“得心应手”。因为它们大多都是“静态伪装”,在作战环境变化过程中极易暴露。一旦被敌侦察系统发现,往往成为精确制导武器打击的目标。在高温条件下,还会导致装备散热困难,影响装备效能的稳定性。

  热伪装技术面临的挑战与窘境,迫切需要最新科技手段的介入和加持。于是,一种能动态调控热辐射功能、适应复杂战场环境变化的新型伪装技术应运而生——它,就是智能热伪装。

  从动物习性上获得创新灵感

  红外热伪装技术的“静态伪装”弱点,已不适应未来战争对高技术武器装备的伪装要求,怎样才能实现新的技术跨越呢?科学家在探索中,对自然界中几种动物的奇特功能产生了好奇:

  位于非洲北部的撒哈拉沙漠,白天地表温度高达70℃以上,在这种高温环境中,非洲银蚁却能负载超过自身体重15~20倍的食物,在滚烫的沙土上自由穿行;在深不可测的海底,乌贼和章鱼身处四周一片漆黑的世界,却能够随心所欲地捕食猎物并躲避天敌的追杀。

  经过仔细观察和研究,科学家发现,银蚁耐高温的奥秘在于它能通过甲壳反射阳光和辐射进行散热;乌贼和章鱼则具有调控自身接受红外辐射“剂量”大小的本领,从而能够自动适应严酷的外部环境变化,无论是面对猎物还是天敌,都能做到“你在明处,我在暗处”。

  动物成为伪装高手,关键原因是其伪装手段具备“自适应”能力,而且这种能力,还延伸到了红外辐射领域。受此启发,科学家决定将人工智能引入热伪装技术。他们以特定应用目标为牵引,运用微纳光学和热辐射等原理,对热伪装进行全过程智能化设计和调控,以实现对热伪装材料红外光谱的精准调控。

  经过多年探索与创新,科学家运用智能算法,设计制造出一种“一维光子晶体结构”,能在抑制长波热辐射的同时,实现对红外激光雷达的隐身,大幅增强热伪装技术的伪装多元性。在此基础上,再将智能化算法、先进隐身材料、机械设计制造技术进行集成融合,一种先进的智能热伪装技术便呼之欲出,有望成为未来战场上应用于作战人员和武器装备的新一代伪装技术。

智能热伪装:武器装备的“隐身变色衣”

  多功能热伪装策略概念图。

  智能加持使其具有非凡本领

  在光学领域,红外光波可分为近红外、中红外、远红外等多个区域。正因为如此,如今的探测手段也呈现出多元化趋势。如类似于人眼观察的热成像被动探测手段,以及类似于微波雷达的红外激光主动探测手段。智能热伪装因为有了智能加持,使它拥有了应对多元化红外探测手段的“金钟罩”,呈现出许多非凡本领。

  智能设计,手段多样。传统静态热伪装有着天然缺陷:平时在可见光探测情况下具有很好的隐秘性,但在红外激光照射下便会暴露无遗。智能热伪装得益于遗传算法、神经网络等智能化算法,可分门别类地对整个红外光谱进行点对点结构设计,通过优化热伪装材料红外光谱选择,满足各类战场红外伪装需求。

  智能调控,随机应变。大自然中的许多动物,具备实时变化自身表皮颜色的本领,以适应周围环境。智能热伪装亦是如此,它具有灵活变换的特性:通过引入相变材料、二维材料等新型材料,根据外部环境变化和自我反馈机制,自适应调控目标辐射率,可让热目标披上“变色外衣”,从而适应不同区域的温度变化,为热欺骗、热信息防伪等技术开辟新的途径。

  智能散热,冬暖夏凉。在红外波段,人体就像一个已被打开开关的白炽电灯泡一样,不断向外辐射热量。这种辐射有时是人们需要的,如在炎热夏天,需要增强辐射散热,以保持人体舒适;有时又是我们所不希望的,如在寒冷冬天,人们希望尽可能减少辐射热散失,以保持温暖。智能热伪装可对红外辐射的需求“量身定制”,即利用对不同红外波长辐射和吸收的控制,从而实现高效灵活的环境温度管理。因此,兼容热管理的智能热伪装技术不仅是“伪装色”,更是一种“保护色”,从而能有效应对高温、极寒、强辐射等极端工作环境。

  将给军事领域带来变革性影响

  智能热伪装主要通过智能化算法设计超材料、超结构,来实现对红外光波的“量身定制”,因而同时具有自适应热伪装、高效热管理等多种功能。随着智能热伪装技术研究的逐步深入和投入应用,必将给相关军事领域带来变革性影响。

  灵活应对多种红外成像手段,推动热伪装技术变革。红外波段具有较宽的波长范围,那么,与之相对应的红外探测手段也就更多,如利用综合光波的频率、振幅以及热信息等多种因素捕捉红外目标,来应对层出不穷的红外探测手段。在这些方面,智能热伪装技术基本能够做到“面面俱到”。特别是智能化算法催生出的全新热伪装微结构设计方法,能同时从红外光波波长、振幅、相位等多个角度出发,设计出满足多目标优化需求的热伪装超材料、超结构,从而实现“全方位无死角”热伪装。

  精准调控红外特性,研制新一代热伪装材料。在自然界,目标的热信息一般由物体表面温度和表面热辐射特性所决定。如普通金属材料,在不同温度下会呈现出不同的表观温度。人作为一种具有高红外发射率的恒温动物,其表观温度大致为36℃。智能热伪装通过智能调控红外辐射特性,就能并实现热目标热信息的动态伪装。如目前比较成熟的“操控金属”技术,利用电压调控材料表面金属沉积厚度,能使材料展现出动态变化的红外成像图案,并具有稳定性好、灵敏度高、切换速度快等优势。未来,如果用于智能可穿戴设备等武器装备伪装上,其伪装效果将大放异彩。

  融入热管理,提高热伪装装备的通用性。研究表明,当喷气战斗机在超音速状态下飞行时,其蒙皮温度将高达100~600℃,而尾喷管表面温度将会超过800℃。目前,对武器装备在高温条件下的热管理已成为红外隐身领域迫在眉睫的关键技术。近年来,科学家利用智能化算法,通过优化多层结构设计工艺,已能实现选择性热辐射。同时,利用非大气窗口散热降低目标表面温度,也能大幅提升应对多元化红外探测手段的伪装能力,在军事应用上显示出很大的发展潜力。

  制图:张国强、纪小勇

 

[ 责编:李伯玺 ]

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