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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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