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联参39|战场新科技:隐身衣、壁虎手套走向现实

2018-10-19 14:21:21 凤凰网军事 猴子的救兵

电影《哈利.波特》中的“隐身衣”美梦成真。这样一来,一个人如果穿上这种材料制成的神奇“隐身衣”,旁边的人只能看到他身后的情景,却看不到他本人。

不久前,军事博物馆举办了军民融合成就展,展出了在新技术、新材料领域取得的突出成就,引起广泛关注。

新材料新技术的突飞猛进将使未来军事行动的面貌焕然一新,目前各国在这一领域已投入大量人力物力,积极研制各种新型材料,其中相当一部分将首先应用于国防领域。

早在1967年,苏联物理学家维谢拉高就预测了可以制造负折射角材料,但直到今天也出现了具有这一特性的首批现实结构样品。由于是负折射角,光线绕过物体,电影《哈利.波特》中的“隐身衣”美梦成真。这样一来,一个人如果穿上这种材料制成的神奇“隐身衣”,旁边的人只能看到他身后的情景,却看不到他本人。

为了获得战场上的优势,各国武装力量努力实现各种技术突破,例如,运输工具先进的贴身防护、装甲,新型纳米迷彩,新型电子设备,超级蓄电池,为平台、人员提供“智能”、反应式防护。军事系统变得愈发复杂,因此,正在研制新型多用途材料,微型化、超坚固、柔性电子设备发展迅速。

未来可以自我修复的材料,先进的复合材料,功能陶瓷,电铬材料,能够抵御电磁干扰的“超防护”材料如雨后春笋。据预测,它们将成为技术突破的基础,毫无疑问,将显著改变未来战场和军事行动的面貌。

下一代先进材料,如异变材料、仿生材料,已引起广泛兴趣,并已投入大量研发资金,因为它们具备天然材料不具备的特点、功能。非常适合在国防领域、极端、对抗空间中遂行任务。由于纳米技术使用纳米级(10的负九次方)材料,可以在原子、分子水平显著改变结构,制造各种面料、设备或系统。这些新材料前途远大,将显著影响作战效能。

一、异变材料

首先,什么是异变材料?这是一种新型复合材料,其特点不取决于构成元素,而是取决于人工合成的周期结构。是人工专门合成的结构体,具备天然材料不具备的复杂电磁、声学或技术特性。

Kymeta公司,作为Intellectual Ventures专利集团的子公司,于2016年向国防市场推出了mTenna异变材料制成的天线。据公司总经理称,这种收发便携式天线重约18千克,功率10瓦。异变材料天线设备的尺寸和一本书、一个笔记本差不多,没有移动部分,制造方式跟使用薄膜晶体管技术的液晶显示器或手机屏幕很相似。

异变材料具备亚波微结构,即微结构的尺寸小于所要控制电磁波的波长,这些结构可以使用非磁性材料制造,例如,在印刷电路板玻璃纤维底层蚀刻铜。

异变材料可以影响电磁波的主要特性(介电穿透性、磁穿透性)。该公司发明的、使用异变材料制成的天线,将使网络通信高塔,地面电话线路,同轴、光纤电缆逐渐退出历史舞台。

传统天线的构造为了截获具体波长的受控能量,能量激励天线中的电子,生成电流。这些编码信号可以代表一定的信息。

目前许多天线系统尺寸庞大,因为对于不同的频率,需要有专用的天线。而对于异变材料制成的天线,其表面可以改变电磁波折射的方向。异变材料可以产生负的介电穿透性、磁穿透性,因此,可以具有负的折射系数。这一负折射系数,目前在任何一种天然材料中都没有发现,在两种不同介质的界面可以改变电磁波的传播方向。这样一来,异变材料天线接收机可以用电子方式(而不是传统的物理方式)进行设置,可以接收不同频率的信号,因此研制者可接收信号的频带很宽,并可以显著减小天线元件的尺寸。

天线内部的异变材料集合成个别单元密集打包的扁平矩阵和一个与之相平行的矩形波导扁平矩阵,用软件控制电磁波的辐射,这样一来,天线可以控制辐射的方向。

异变材料天线的主要优势就在于,在舰艇、飞机、无人机和其他移动系统上,天线的物理孔径将更加接近,网络连接更加可靠。

今天我们发射的每一颗新型通信卫星的容量超过几年前的一个卫星群。卫星网络无线通信领域具备巨大的潜力,但是地面与卫星进行通信的唯一方式就是使用碟型卫星天线,目前大部分尺寸巨大,很重,安装、维护费用高。如果将来使用异变材料制造天线,就可以制成能够控制波束,直接瞄向卫星的扁平面板天线。

目前百分之五十的时间里,天线实际上没有对准卫星,处于断网状态。海洋环境下,异变材料制成的天线特别管用,现在为了使碟型天线朝向卫星,舰艇有时不得不改变航向,经常被迫在波涛汹涌的海浪中上下颠簸,将来根本不需要。

二、仿生材料

目前具备仿生特性的无人平台突飞猛进。可以模仿动植物的自然运动,很适合在战场上遂行侦察、隐蔽任务。

新材料的研制向下列方向发展:制造具有复杂外形的灵活多功能系统。在技术设备、系统中,运用自然界组织、特点、功能、结构原理的应用科学地位十分重要。仿生学可使人类基于自然界思想制造出独特的技术系统,模拟其技术流程。

美国海军水下作战科研中心正在试验利用仿生学原理、模拟海洋生物运动的自主水下搜雷潜航器。“剃须刀”潜航器长3米,可由2人携带。其电子设备可以使4个挥动的鳍和尾部2个推进螺旋桨协调工作。挥动运动模仿某些生物,如鸟、海龟。自主潜航器可以悬浮,低速完成准确的机动,也可以提高速度。这一机动性可使“剃须刀”潜航器在水中迅速改变位置,在目标附近游动,获取三维图像。

美国海军科研局为Pliant Energy Systems公司拨款,用于研制Velox自主潜航器,使用多向稳定、非线性、弯曲纸片形的鳍取代推进螺旋桨,可以产生重复的波状运动,很像水中的鳐。系统可以将电动、波形、灵活聚合鳍的运动转化为平移运动,可以在水下、激浪、沙滩、海面、地面植被、湿滑的岩石、冰上自由穿梭。

Pliant Energy Systems的代表称,通过波状运动前进最好不要进入茂密的植被,因为无法返回,会给植被、沉积岩造成微小损失。潜航器噪声很小,由锂电池供电,为了在冰下保持状态,可以提高浮力,而且可以遥控。主要任务是:通信,包括GPS、WiFi、无线电或卫星信道; 侦察,搜集情报; 搜救; 扫描和识别水雷。

纳米技术和微结构对于仿生学十分重要,可以向自然界学习,模拟物理过程或优化新材料的生产。

透明装甲不仅可以防护人员、运输工具,也可以防护电子设备、高能激光器的透镜、需要加强的图像生成系统、防护面罩、无人机,以及其他对重量敏感的平台。

美国海军科研试验室正在研制透明聚合防护材料,具有类似于角质甲壳多层水生贝类的微结构,由塑料制成。可使材料在温度、负载大幅变化的情况下保持形状,可用于人员、固定平台、运输工具和飞行器的防护。

该试验室光学材料、设备处处长认为,目前市场上现有的防护材料由三种塑料制成,不可能100%抵御1-2米射出的、速度高达335米/秒的9毫米子弹。

该试验室研制的透明装甲在保持良好抗打击性的同时,重量减轻了40%,可以吸收68%的子弹能量。这类装甲很适合用于军事,如防雷车,两栖战车,补给车辆和飞行器座舱舷窗。

他认为,试验室计划基于现有的研究成果制造具备可承受多次打击的轻型保形透明装甲,重量将再减轻20%,保证抵御7.62毫米步枪子弹的打击。

美国未来国防研究局也在研制具备独特性能的“尖晶石”透明装甲。这种材料具备抵御多次打击的优异性能,十分坚固,抗腐蚀,可抵御外部因素的影响; 可以透过更宽频段的中波红外辐射,显著提高夜视装备的能力,而且重量只有传统防弹玻璃的一半。

这些活动属于美国未来国防研究局名为“Atoms to Product”(A2P)的计划。在其框架内“研究至少是毫米级系统、元件或材料中纳米单元组合所需的技术、过程”。

美国未来国防研究局A2P计划负责人说,近八年来,在保持坚固性的同时,该局已经将基础透明装甲的厚度从18厘米减至6厘米。装甲由许多层构成,“并非所有都是陶瓷、塑料或玻璃”,可以粘在材料底层,用于防止裂痕的产生。“您可以认为这是一种防护系统,而不是一整块材料”。

由“尖晶石”制成的玻璃安装在美军FMTV试验型卡车上,用于在装甲坦克科研中心进行评估。

在A2P计划框架内,美国未来国防研究局与Voxtel公司、俄勒冈州纳米材料与微电子研究所签署了价值5900万美元的合同,用于纳米至宏观层次生产过程的研究。这一仿生项目包括研制可复制壁虎能力的合成粘合剂。大家还记得电影《碟中谍》中,阿汤哥在迪拜摩天大楼外光滑的玻璃表面攀爬时戴得手套吧?

“壁虎的脚掌上有类似细茸毛(长约100微米)的大量分叉物……,每个小茸毛的末段有约10纳米的微小薄膜。与墙壁或天花板接触时,这些薄膜可使壁虎牢牢地粘在墙壁或天花板上”。

之前生产商无法复制这种能力,因为无法制造这种纳米分支结构。

“Voxtel公司正在研制可以复制类似结构的生产技术,可以获得这一生物特性。使用新型碳纳米管,可以制造复杂的3D结构,并以特殊的、新型方式加以使用”。

Voxtel试图研制先进的辅助生产方法,可以获得可自主组合成功能终端模块、然后生成复杂异质系统的材料。这一方法基于对自然界中基因编码、化学反应的模拟,可以使分子组成能够自我补给能量的大型自主结构。

美国专家称:“我们想研制可重复使用的新型粘性材料,具有环氧胶的特性,但不是一次性,也不会弄脏表面,壁虎材料的卓越之处就在于,不会留下丝毫的痕迹,瞬间发挥作用”。

责编:刘畅 PN012

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