灯泡，逆向照明与光学超材料，视觉隐身魔法75年

源济

灯泡，逆向照明与光学超材料，视觉隐身魔法75年

原创 布雷特·廷利 空军之翼 2020-03-12

原载The War Zone

　　从神奇女侠的隐身喷气机到星际迷航宇宙中罗慕兰人和克林贡人的隐身装置，科幻小说和大众文化中都充斥着完全能够视觉隐身的飞行器。尽管隐身概念起源于小说，但从军事航空诞生之日开始，使飞机肉眼看不见的研究就一直在或明或暗地进行者。

神奇女侠的隐身喷气机（1977年电影）

　　躲避雷达系统、红外传感器和其他传感器的探测是现代隐身飞机背后的主要研发目的，但即使在综合化防空系统日益先进的现在，避免或推迟被敌人目视发现仍处于战略航空技术发展清单的顶部。

　　对于现代军用飞机来说，可以做到不被敌方雷达发现，甚至不被敌人听到，但要做到不被敌人看见仍然很困难。现代战争严格的交战规则以及隐身战斗机和电子战飞机需要渗透到敌方空域长时间作战，意味着能被看见仍是现代战斗机的主要致命弱点。因此，仍然需要使飞机尽可能地具有视觉隐身能力。

被高空航迹出卖的飞翼飞行器

　　目前全球尚未出现肉眼看不见的飞机，或者接近这一目标的先进自适应迷彩涂装，但有迹象显示此类技术正在变成现实。像B-2“幽灵”这样隐身飞机已经拥有通过最小化凝结尾迹来降低视觉特征的系统，文献显示其他视觉隐身技术的研发甚至可以追溯到上世纪上半叶，这表明现在视觉隐身技术至少在一定程度上是确实存在的。

神秘的耶胡迪灯

　　从机械化战争早期开始，世界各地的军队就将五花八门的迷彩涂在建筑物、地面车辆、飞机和海军舰船上，以缩短被肉眼发现和识别的距离。近年来，计算机生成的更复杂迷彩图案已经得到广泛应用，但迷彩涂装的实际隐身效果仍受到很多因素的影响，如照明和天气条件，以及观察者的观看角度等 。

斯洛伐克米格-29复杂的数码迷彩

　　为了解决这个问题，航空研究人员在第二次世界大战中测试了借助光线来伪装飞机的方法，无论是通过哑光涂料来控制飞机反射回的光线，还是通过一种被称为逆向照明的技术来帮助飞机与周围环境融为一体，这些早期研究奠定了视觉隐身技术的基础。

　　逆向照明概念非常简单，当明亮的光线被投射到飞机的蒙皮上时，就很难在白天的天空中看到该机，因为它不再是一个黑色的轮廓，而是与明亮的天空融为一体。

萤火虫鱿鱼是逆向照明伪装术的大师，捕食者从下方看时，发光的鱿鱼能将自己的轮廓隐藏在上方海面中

　　从1943年开始，美国和加拿大开始测试一种有点粗糙的逆向照明技术，将灯泡直接安装在飞机的机头和机翼前缘以破坏其独特的黑色轮廓。这个概念要求将灯光的亮度和色温设置得尽可能接近白天的天空背景，使敌人从迎头角度难以目视发现和识别飞机。

“耶胡迪灯”安装示意图

　　这种伪装技术名为“耶胡迪灯”，可以有效缩短人类肉眼发现飞机的距离。美国海军随后开始了一项计划，在格鲁曼TBF“复仇者”鱼雷攻击机上测试了“耶胡迪灯”的功效，以缩短被浮在水面上的德国U艇发现的距离，以更好地实施攻击，同时也提高飞机生存能力。根据美国国防研究委员会（NDRC）科学研究与发展办公室委托在1943年撰写的一份题为“可见性研究和伪装领域的某些应用”的报告，“耶胡迪灯”在许多情况下都相当有效。

机翼尾翼前缘和发动机罩上装满灯泡的TBF“复仇者”

　　报告指出：“没有伪装的飞机可以在19公里的距离山过久被目视发现，而装有‘耶胡迪灯’的飞机能接近到2700米的距离后才被发现，即使旁边有未伪装飞机在伴飞。”

　　这份报告还用了整整一章专门介绍了“人类观察者的感知能力”，详细说明了NDRC为确定“耶胡迪灯”和其他发光伪装系统有效性而进行的广泛测试，还概述了陆军海军科学研究与发展办公室（ANOSRD）视觉委员会执行的众多研究计划，其中包括人眼如何感知和检测亮度和颜色的微小变化，以及在相似背景下发现发光物体的长期研究。

被高高挂起的B-24测试模型

　　NDRC在该领域进行了广泛测试，研究人员自行开发了定制光谱仪来测量自然环境的亮度和颜色，并架设了一座30米高的塔架，悬挂安装了各种实验性发光伪装系统的模型飞机进行测试。最终，研究人员使用B-24“解放者”轰炸机来测试“耶胡迪灯”系统。

被用于测试“耶胡迪灯”的B-24轰炸机

　　尽管这些研究发现发光伪装系统确实可以缩短飞机被目视发现的距离，但这些基于灯泡的系统高度依赖飞机飞行的环境，并且只在某些视角和距离下才完全有效。大气条件或天气的轻微变化都可能严重影响发光伪装的效果，灯泡重量以及空气动力损失和电力要求都使“耶胡迪灯”变得不实用。

　　现在仍然不知道“耶胡迪灯”再二战中的使用范围有多广泛，1943年的NDRC报告指出，尽管马里兰州的帕塔克森河海军航空站被要求对其飞机进行必要改装以安装这种灯光系统，但该项目在报告发布时仍未完成。

B-24的灯泡安装方式

发光伪装系统的战后应用

　　显然，“耶胡迪灯”和其他发光伪装技术在白天最有效，但在夜间也有同样有办法对飞机进行伪装。1943年NDRC的同一份报告讨论了几种不同黑色涂料，这些涂料要么是哑光的，要么被设计出来帮助飞机与融入夜空，类似方法一直使用到现在。F-117“夜鹰”攻击机和B-2“幽灵”轰炸机等现代隐身飞机被涂成哑光黑色或深灰色，就是为了在夜间飞行时降低其视觉特征。

F-117“夜鹰”攻击机

　　目前尚不清楚二战结束后美国军方对发光伪装系统进行了哪些研究，但是在越南战争期间，美国空军测试了一种类似于“耶胡迪灯”的发光伪装系统，用于缩短飞机被目视发现的距离。一架F-4“鬼怪II”战斗机在腹部和侧面安装了照明灯，飞机表面被漆成天蓝色和白色，在“罗盘幽灵”项目（Compass Ghost）中进行了视觉隐身测试。

　　F-4体形很大，两台通用电气J79涡喷发动机尾烟浓重，使该机很容易被目视发现，因此迫切需要采用视觉隐身措施。虽然“罗盘幽灵”证明发光伪装系统能将F-4被目视发现的距离缩短三分之一，但由于苏联雷达技术的进步和该系统的局限性使该系统从未得到广泛使用。

尾烟怪F-4

　　几十年后的上世纪90年代初，波音公司的“幻影工厂”开始秘密测试“捕食鸟”（Bird of Prey）隐身验证机，该机被设计为尽可能地降低雷达、红外、声学和视觉特征。这架飞机在整个90年代一直停留在黑色世界中，直到2002年才公开。

　　也许是该机的名字来自《星际迷航》中罗幕伦人的视觉隐身战舰，所以出现了很多关于“捕食鸟”视觉伪装的谣言，其中之一就是该机使用了逆向照明技术，但至今没有得到证实。不过“捕食鸟”在机身设计上的确专门采用了视觉隐身技术，该机看起来与任何传统飞机都不一样，失去了飞机的许多正常特征，或比例大幅降低，这有助于降低其视觉特征。该机的机身设计还减少或消除了飞机本身的一些阴影，至少在某种程度代表了视觉隐身的革命。

“捕食鸟”（Bird of Prey）隐身验证机

发光伪装技术的最新进展

　　尽管这些早期的发光伪装系统未能实用化，但是在过去75年中，发光、图像生成和光学传感器技术取得的进步意味着，今天的发光伪装系统已经无需将灯泡悬挂在机翼上或者将白炽灯散布在机身周围。通过使用LED系统、电致发光涂料和面板，或者其他照明技术，以更大规模和更复杂的形式来应用发光伪装系统成为了可能。

　　近年来发光二极管（LED）、电致发光涂料和面板、超薄LCD屏幕和其他发光元器件在功率需求、亮度、图像清晰度、尺寸和自动控制方面都有长足进步，更是推动了这种可能性的发展。

电致发光面板除了用作战斗机编队灯外，还被客机用于显示商标

　　早在1997年，《大众科学》就刊登了标题为“消失在飞机瞄准具中”的文章，描述了将发光聚合物薄片安装在实验飞机上的视觉隐身测试，即使在白天天空下，该系统也能起到良好效果。系统工作方式与“耶胡迪灯”十分相似，但光源通过蒙皮上的狭缝发出光线。

文中使用发光蒙皮聊欺骗红外制导导弹的F-35视觉隐身技术设想

　　一位在托诺帕试验场从事该系统测试的技术人员说：“试图在晴朗的蓝天下发现飞机几乎是不可能的，只有当飞机产生意外尾迹时，我们才能看见它。”这篇文章继续描述了在美国一些最秘密设施上测试过的更先进的发光伪装系统：

　　“国防承包商告诉《大众科学》，在内华达州高度保密的格鲁姆湖空军基地（51区），两架隐形飞机正在测试一种更加奇特的蒙皮。蒙皮由自电磁导电的聚苯胺基雷达吸收复合材料制造，这种材料通电时是透明的，非常类笔记本电脑用的LCD。

　　这种新材料具有吸引力的原因在于，它可以瞬间改变亮度和颜色。安装在飞机各表面的感光器读取环境光以及天空和地面的颜色，机载计算机会就能自动调整蒙皮的亮度、颜色和纹理，以匹配飞机上方的天空和下方的地景。”

　　该文章发表之后的20年中，出现了类似系统的更多测试列子。在2008年和2009年，Flight Global报道了在小型无人机上使用电致发光面板以及更新的一种LED发光伪装系统，后者使用与上文相同的光感测和投影原理。该报道写道：“传感器和照明技术的最新发现有望彻底改变人们对视觉隐身的旧观念。现在，当飞机在空中飞行时，嵌入蒙皮的传感器可以精确测量天空背景的亮度。”类似系统正在世界各地的实验室中进行测试。

使用逆向照明技术后消失在天空中的无人机

　　2015年，几家初创公司开始测试使用商用电子墨水显示器显示与周围天空相似的颜色和亮度来对小型无人机进行主动伪装。测试已经进展到确定无人机整个机身或机翼结构是否都能装上电子墨水面板，从而使其在某些情况下把整架飞机变成半透明效果。

　　洛克希德·马丁公司在2015年发布的一份新闻稿可能与F-35“闪电II”战斗机的视觉隐身技术有关，新闻稿透露罗切斯特大学和劳伦斯伯克利国家实验室双双制造出一种可扩展的隐身设备，使用光学超材料将3D物体变得不可见。所谓超材料，就是自然界中不存在的具有特殊性质的工程材料。

　　尽管超材料研究已经成为隐身技术的常见话题，但如何使用在视觉隐身领域尚不得而知。有意思的是在这份新闻稿中，洛马公司一再称F-35为“隐身战斗机”，而没有详细区分是雷达隐身还是视觉隐身，也许是暗示该机已经采用了光学超材料。

超越逆向照明的光学超材料

　　虽然降低飞机视觉特征的方法已经存在多年，但光学超材料可能是使飞机真正实现视觉隐身的关键。超材料的设计和应用已成为一个被广泛应用的重要研究领域，不局限于飞机光学伪装。

　　美国国防情报局国防预警办公室的先进航空武器系统应用项目（AAWSA）在2010年编写的题为“视觉隐身：理论与实验”的国防情报研究文档（DIRD），概述了从理论到实践的多种视觉隐身方法，讨论了可以操纵或吸收可见光的各种超材料。但该报告得出的结论是，尽管在实验室中有可能制造出过滤特定波长光线的超材料，但这些材料从根本上仍然无法有效掩盖暴露在整个可见光谱中的物体。

　　不过该报告指出：“视觉隐身从一个想法变成可行硬件，最大的挑战不是技术，而是想象力！”

　　完美视觉隐身装置是不可能的，因为这需要能将光速变得接近无穷大的超材料。人们可能会制造出不完美的隐形装置，并且合适飞机的弯曲几何形状。对于电磁波隐身的硬件已经成为现实，尚不清楚在可见光谱范围内的隐身是否将成为现实。最有可能的是，这将更多取决于新理论研究而不是新材料的进步，此外还有数学，直觉和想象力的应用。

　　同样，美国空军研究实验室在2011年至2016年之间资助了其他研究，尝试了各种光学超材料和“变形光学”甚至“隐身斗篷”装置的制造方法。空军研究实验室2013年的报告得出结论：“超材料研究的最新进展已经通过转换光线将光学隐身变为可能，创造了一种能够通过转移周围电磁辐射来有效掩盖内部空间的壳体。”但报告也承认说：“理想与现实之间任然存在很大差距。”

　　尽管如此，科学家们已经模仿章鱼和其他头足类动物皮肤发表了成功的研究结果，使“薄薄的薄片可以保形包裹在物体上以调节其视觉外观”，类似于章鱼控制皮肤色素细胞来适应周围环境。从美国空军资助的研究数量以及最近私人实验室在材料和光学技术的进步来看，使用这种材料来实现某种程度上的视觉隐身是合理的。

　　但是再一次，这种自适应伪装无法使飞机完全或几乎完全不可见，而是从整体上降低其视觉特征，缩短被目视发现的距离，能否实用化还要看其成本和对飞机性能的影响。尽管完全视觉隐身仍是一项学术和理论研究，但大幅降低视觉特征仍很有现实意义。

对看不见的飞机的需求

　　自适应伪装对执行各种各样任务的飞机都有明显的好处，尤其是对于打算在敌方领空上长期盘旋的隐身侦察机。像RQ-170“哨兵”这样的隐身无人机已经具有很低的红外特征，并能通过雷达隐身外形、严格的辐射排放控制、电子战以及动态任务计划来躲避雷达，但视觉隐身能力仍对该机的生存至关重要。

RQ-170“哨兵”

　　与有人驾驶战斗机相比，侦察无人机要长时间深入敌境获得高质量情报，更容易受到各种形式的探测，特别是视觉探测。此类飞机是亚音速飞机，并依靠自身的雷达和红外隐身能力来避免被发现，但无法避免被看见。换句话说，一旦被看见，它们无法像战斗机一样逃跑，也无法通过剧烈机动来躲避敌人的攻击。

　　由于存在这些独特挑战，因此这些穿透力很强飞机，包括RQ-170和尚未正式公开的RQ-180，以及即将推出的B-21“袭击者”（该机实际上是一个多任务平台，不仅仅是轰炸机）将是采用视觉隐身技术的最佳平台。

　　美国空军特种作战司令部（AFSOC）等组织也在继续为其下一代特种作战飞机探索低可观察性技术，特别是运输机和短距起降（STOL）飞机。AFSOC的一份报告对MC-130H/J“新魔法”升级的成本效益进行了分析，该文件讨论了针对特种作战的隐形STOL飞机的既定需求，以及应用主动光学迷彩的潜力。

　　报告中提到了基于碳纳米管的涂料、使用激光表面结构化制成的吸光蒙皮以及光学超材料。从理论上讲，所有这些方法都能降低或改变飞机在可见光谱中的外观，并使敌人更难在远距离甚至白天识别飞机。

　　研究发现，内衬垂直碳纳米管的表面实际上可以通过将光线“捕获”在这些微观非反射管中来吸收所有波长的管线。飞秒激光表面结构化可以通过创建微观纹理来达到相似结果，这些纹理可以改变材料散射或吸收各种波长光线的方式。

利用碳纳米管的黑洞效应可以制造出不反射任何光线的涂料

　　考虑到最近十年时间里照明和图像技术的进步，突破性的光学伪装技术的实用化已经初现曙光。