２０１１年４月第３９卷第２期现代防御技术ＭｏＤＥＲＮＤＥＦＥＮＣＥＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹＡｐｒ．２０１０Ｖ０１．３９Ｎｏ．２

凹导弹技术韧

超电磁材料与未来隐身技术＋

许占显，孔立堵

（空军第一航空学院，河南信阳４６４０００）

摘要：阐述传统隐身技术的理念和超电磁材料的基本概念与基本特性，超电磁材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，其性质往往不主要决定于构成材料的成分与本征性质，而决定于其中的人工结构。分析、说明了超电磁材料隐身技术的基本原理、

设计思路与理解方法。指出了目前超电磁材料隐身技术的研究进展，最后得出未来超电磁材料应用于隐身技术具有良好潜在应用前景的结论。

关键词：超电磁；隐身技术；负折射；电磁吸收；介质

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－０８６ｘ．２０１０．０５．００９中图分类号：ＴＭ２５；ＴＭ２７；ＴＢ３４；ＴＪ７６５．５文献标志码：Ａ文章编号：１００９－０８６Ｘ（２０１０）－０５－００４５－０５

ＭｅｔａｍａｔｅｒｉａｌａｎｄＦｕｔｕｒｅＳｔｅａｌｔｈＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＸＵＺｈａｎ－ｘｉａｎ，ＫＯＮＧＬｉ—ｄｕ

（ＦｉｒｓｔＡｖａｔｉｏｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆｔｈｅＡｉｒＦｏｒｃｅ，ＨｅｎａｎＸｉｎｙａｎｇ４６４０００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｒａｄｉｔｉｏｎｉｄｅａｏｆｓｔｅａｌｔｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｂａｓｉｃｃｏｎｃｅｐｔａｎｄｓｐｅｃｉａｌｔｙｏｆｔｈｅｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ

ｅｘｐａｔｉａｔｅｄｈｅｒｅｉｎ，ａｎｄｍｅｔｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｉｓｆｒｏｍｉｔｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｒａｔｈｅｒｔｈａｎｉｎｈｅｒｉｔｉｎｇｔｈｅｍｄｉｒｅｃｔｌｙｆｒｏｍｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｓｉｔｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆ．Ｉｔｉｓｋｉｎｄｏｆａｒｔｉｆｉｃｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｍｐｏｕｎｄｍａｔｅｒｉａｌｈａｓｕｎｏｒｄｉ－

ｎａｒｙｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｎｏｔｆｏｕｎｄｉｎｎａｔｕｒａｌｌｙｆｏｒｍｅｄｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ．Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｔｅａｌｔｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｄｅ—

ｓｉｇｎｔｈｏｕｇｈｔａｎｄｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｅｘｐｌａｉｎｅｄ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｍｅｔａｍｔｅｒｉａｌ

ｓｔｅａｌｔｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｔｐｒｅｓｅｎｔ；ｌａｓｔｌｙ，ａｂｅｔｔｅｒｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｉｓｒｅａｃｈｅｄｔｈａｔｂｅｔｔｅｒｐｏｔｅｎｔｉａｌａｐ—ｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｅｔａｍｔｅｒｉａｌｅｘｉｓｔｓｉｎｓｔｅａｌｔｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｅｔａｍｔｅｒｉａｌ；ｓｔｅａｌｔｈｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｎｅｇａｔｉｖｅｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ；ｍｅｄｉｕｍ

Ｏ引言

对电磁波隐身的效果取决于３个方面，即高明

的空气动力学设计、优秀的吸波材料和周到而先进的电子学装备，多年来人们遵循“隐身不是无形，而

是难于探测和跟踪”的隐身理念。传统的吸波材料是电阻性或磁阻性的无源电磁波吸收原理，电磁波

在介质中转换为热能，而达到波的吸收目的，如Ｓａｌｉｓｂｕｒｙ吸收屏，Ｊｕａｍａｎｎ多层吸收器以及基于磁

性材料的微波吸收体¨叫ｏ。在平面吸收技术方面，多层金属薄膜、多层结构、铁氧体技术及其综合、阻抗加载技术等相继得到研究与不同程度的应用；应

用金属薄膜的电阻特性与多层复合结构，采用频率选择表面等技术设计出多工作频率或特定工作频段

的微波吸收体。自１９８０年起，美国人产生了使用

“飞翼”的思想，即既无机身也无机尾，由于去掉了

·收稿日期：２０１０—１１—１０；修回日期：２０１１一０１一０８作者简介：许占显（１９６４一），男，山东鄄城人。教授，博士，从事无损检测与电磁隐身方面的研究。

通信地址：４６４０００河南信阳市航空路２３号３号院３１栋Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｘｕｙ＠１６３．ｃｏｒｎ

万方数据·４６·现代防御技术２０１１年第３９卷第２期

反射雷达波的边、角、突出表面，并配合使用碳化纤

维与塑料合成的复合材料，雷达散射截面ＲＣＳ可大大降低。１９９７年Ｔｅｎｎａｎｔ提出了一种新的方法来减小电磁波从平面表面的反射，称为相位开关屏

（ｐｈａｓｅ．ｓｗｉｔｃｈｅｄｓｃｒｅｅｎ）技术旧ｏ；将微波器件引入微

波吸收器的设计中，开创了可控吸收设计的思路，得到了很有吸引力的研究结果，微波吸收器件的小型

化技术、集成化技术和自适应技术是其发展特点。

近年来，俄罗斯、美国也不同程度地研究和应用等离子体隐身技术。目前研究人员争相研究超电磁材料，开发、利用其负折射等一些特性来进行隐身理论研究与设计。在西方电影《哈利波特》里，主角有一

个可以用来隐身的斗篷，穿上后躲在里面，肉眼将无法看到。预计在不久的将来，人们将可能应用超电

磁材料制作出这种隐身斗篷，并应用到飞机、军舰等

军事等领域。

１超电磁材料ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ的基本

概念

“ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ”是本世纪物理学领域出现的一

个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学文献。

拉丁语“ｍｅｔａ一”，可以表达“超出…、亚…、另类”等含义。对于ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ一词，目前尚未有一个严格的、权威的定义，各种不同的文献上给出的定义也各

不相同。但一般文献中都认为超电磁材料是一种

“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。从定义中，可以看到该类材

料具有重要的３个特征：①通常是具有新奇人工结

构的复合材料；②具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不具备的）；③其性质往往不主要

决定于构成材料的成分与本征性质，而决定于其中

的人工结构。关于ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ本身算不算“材料”，物理界还有分歧，但并不影响在工程界的应

用。目前人们已经发展出的这类“超电磁材料”包括光子晶体、左手材料、以及超磁性材料等。

２超电磁ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ材料与负折

射率

在经典电动力学中，介质的电磁性质可以用介

电常数８和磁导率弘２个宏观参数来描述。正弦时变电磁场的波动方程（Ｈｅｌｍｈｏｈｚ方程）为ｙ２Ｅ＋ｋ２Ｅ＝０，（Ｉ）甲２Ｂ＋ｋ２Ｂ＝０，（２）式中：ｋ２＝ｔ０２舻。∞２肛泓。占，占ｏ．（３）由于电磁波能流的方向取决于玻印廷矢量ｓ的

方向，而Ｓ＝Ｅ×日，即层，日，Ｓ始终构成右手螺旋关系。因此在左手材料中，Ｋ（它的方向代表电磁波相

速的方向）和ｓ的方向相反。ｋ＝一∞缸ｓ为负数，介

质的折射率凡：三：竺也为负数，所以这种介质也被∞

称为“负折射率物质”，其概念最早由Ｖｅｓｅｌａｇｏ提出口１。物质介电常数占和肛磁导率象限图如图１所示。

ｐ。

ｓ＜０，灿＞０ｓ＞０，肚＞０

等离子体及金属一般材料

ⅡＩ

‘．。．‘．。－‘．‘．‘．。．‘．‘．：肝’Ⅳ

‘．‘．‘ｚ＜．０７ＦｆＯ’．‘．‘．。．‘ｓ＞０，肛＜０

图ｌ物质介电常数和磁导率象限图Ｆｉｇ．１Ｑｕａｄｒａｎｔｄｉａｇｒａｍｏｆｍａｔｅｒｉａｌｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙａｎｄｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ

超电磁左手材料中，电磁波的相速度和群速度

方向相反，从而呈现出许多新颖的光学特性，如折射

仍然满足Ｓｎｅｌｌ定律，但具有负的折射，反多普勒效

应，反常的切伦可夫效应、光压和完美透镜效应。由

于自然界不存在这种性质特异的物质，故在其原始理论提出后近３０年内，该类材料的发展几乎处于停

滞状态，直到１９９０年代，受到光子晶体研究的启发，

Ｐｅｎｄｒｙ教授提出了分别实现负磁导率和负介电常数的理论模型，重新开启了该领域的研究Ｈｏ。２００１年，Ｓｍｉｔｈ等根据上述理论模型进行了有开创性意义的左手材料微波负折射实验。自此，超电磁材料的

研究工作成为科学界关注的焦点。２００６—０４—１０，

英国ＪＢＰｅｎｄｒｙ和美国ＤＳｃｈｕｒｉｇ，ＤＲＳｍｉｔｈ研究人

员发明的一种材料可以控制光线以及物体周围其他

形式的电磁辐射线¨１，声称在１８个月内就能研制出

万方数据Ｈ自＆ｎｉ镕Ⅻ自＆＃＃自女ｍｍ日＆￥

能够掩饰微波和其他形式的电磁射线的材料。

２００６—１０—２０，黄园材克大学研制ｍ种“二维隐

身”的过验城置，被、ｑ‘Ｆ美国《科学》杂忐评选为２００６年度ｒ大科学进腱之一。

３超电磁材料隐身技术

々各目军事部门备感兴趣的是超材料有ｎＴ能用于电＿教波隐身。¨时各同的隐身挂术，土要是使＂ｊ各种啦波、透波材料．实现对甫造的隐肜．采用打外遮挡与衰减牲崔涂敷红外掩饰涂料等ｕ降低缸

外辐射强Ｊ皇，寅现对红外搛测器的隐身；ｎ：可见光隐

形上，只是靠涂抹趟彩业歪曲兵器的外形等衬级射片法小发光物质之所眦ａＩ见．就是吲为Ｅ反射和

敞射的光线超电磁柑料制造的兵器可能将光线或甫选泼滑过物体散射Ｈ｛击．使得从ＩＩ面接收不到厦

射的光线或微波，从ｎ】蛮现隐身目前．研究与没计‘隐身斗篷”成为世界戈注的热点。

３１“隐身斗篷”的基本原理

通过隹物体表而包覆一层肄有特殊蹬计的、具

何一定介电常敬和磁导章分布的材料使＾射光或

电磁被将破弯曲，并且绕过乜豫屡．从ｌｍＨ１现隐身的结果’“。其原理如图２所币。

＠∞

目２自《＆＊Ⅱ∞＃

Ｆｉｇ２Ｅｌｅｃｌｒｕｍ８９ｎｃｔｌｃ…ＰＨＩＩｄｌ“Ｅ‘，１¨ｅｃｔ

然而，什么样的非均匀电醴材料才能实现“隐

身斗篷”呢＇这种复杂的计算和设计的要求已经不能用ｄ接想像的方法槌『建。嘲此．就会从电磁空问．

兄外一个角度看待电磁材料的意义例如，对于光

密材料，知道光走的速度会慢．波长会蜥其实从另一十角度，也就是说．电磁渡在这种媒质耻断传播

时，看到的空问似乎娃被爪缩，一样。同佯，用电磁材料扭曲电磁渡传播时所糈到的卒问，当然．真正

的空间扭曲．如果还希望从自南空间作为变换的起

点，不慢要求折射率有一定的比例关系，还要要求阻抗始终保持样，因此需要同时壹换舟电常数和碰导牢

根据Ｍａｘｗｅｌｌ打科．有口一Ｅｍ。ＯＨ／？，ｔ（４）口ｘＨ＝船。ｇ，Ｅ／Ｏｔ，（５１

式中：ｓ和Ⅳ路佗置的※牧进行台适的变换，崔为口。一Ｅｐ。＃３Ｈ／Ｏｔ，（６）

Ｆ。×Ｈ＝Ｆ。ｅ３Ｅ／ｏｔ．（７）式中：Ｆ为变化后的喑密顿箅符。变换后州格畸峦与电瞄波传播如图３．ｓｔ州１１＾Ｃ…１ｅｒＢｏｇｄａｎ－【ｏａｎＰｏｐａ．【】ｎｖＩｄＳｅｈｕｒｉｇ“ｒ１１１ｎｎ－

ｒｉｄＲＳｔｎｉｌｈ应用ＣＯＭＳＯＬＭｕｏｉｐｈｙｓｉｅｓ软ｆ１．埘理想导体球乜疆超ｌＵ磁介质球壳（内径０２ｍ约Ｉ３３波

长．外径０４ｉｎ约２６７渡Ｋ）．采用２ＧＨｚ横电隘波ＴＥ＾射，进行仿真仆析，分布电场的结果如罔４ｆＷ

Ⅲ”。

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Ｆｂｇ３Ｍｅｓｈｄｉｓｌｏｒｌｉｏｎ“ｎｄｃｌｃ…ｎ＃ｎ“Ｉｃ

ｗａｖｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ

３．２“隐身斗篷”材料与设计的理解超电磁材料是人Ｉ材料屉将具冉特定几何形状的宏观毖率单元周期性或非周期性地排刊．或者

植入材料体内．｜而材料内部的牡本单元结构．直接

决定了这种电磁材料的特忡．＾们Ｒ垂人为地馈计材料内部的这些结构．就能控制它的属性、这种物

质的重要特点是埘电磁波的鲍折射率，硝此也就意

味昔该材料一』“引导光线“透过”、‘滑过’物体丰身．达到“隐身”效果，电磁波进＾‘隐身！Ｉ篷“后就

＾：其中弯帅行走，绕过所包斑的物体．原样不峦地射Ｈ｛，如同所包鞋的物体不存在一样：通俗地蜕，“隐