飛機(jī)隱身措施

飛機(jī)隱身措施

1飛機(jī)紅外隱身技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀隨著紅外成像技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和跟蹤紅外制導(dǎo)武器的能力越來(lái)越強(qiáng)，生產(chǎn)效率越來(lái)越高，工作能力越來(lái)越強(qiáng)。受紅外制導(dǎo)武器的威脅也越來(lái)越嚴(yán)重。為了提高飛機(jī)在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的生存能力,必須綜合采取多種隱身措施。從20世紀(jì)80年代中期以來(lái),紅外隱身的重要性日益突出,主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:一是在導(dǎo)彈采用的探測(cè)方法中,紅外約占30%,因?yàn)榧t外制導(dǎo)具有隱蔽性好、精度高、抗干擾能力強(qiáng)和可晝夜工作等優(yōu)點(diǎn),軍事實(shí)力雄厚的國(guó)家都在爭(zhēng)相發(fā)展性能先進(jìn)的紅外成像制導(dǎo)或雙模制導(dǎo)導(dǎo)彈,目前已經(jīng)有性能先進(jìn)的紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈裝備部隊(duì);二是在對(duì)空作戰(zhàn)尤其是近距格斗中,紅外制導(dǎo)空空導(dǎo)彈具有大過(guò)載和大離軸發(fā)射能力,甚至是越肩發(fā)射能力,紅外導(dǎo)彈正成為空戰(zhàn)戰(zhàn)場(chǎng)上飛機(jī)的主要威脅。在20世紀(jì)80年代發(fā)生的幾次空戰(zhàn)中,被紅外導(dǎo)彈擊落的飛機(jī)占被導(dǎo)彈擊落飛機(jī)總數(shù)的70%~80%。因此,減弱飛機(jī)的紅外輻射特征,降低被紅外導(dǎo)引頭及紅外告警系統(tǒng)探測(cè)和跟蹤的概率,對(duì)提高飛機(jī)生存能力具有重大意義。美國(guó)在飛機(jī)紅外隱身技術(shù)的研究及應(yīng)用上優(yōu)勢(shì)明顯,目前已有多個(gè)型號(hào)的隱身飛機(jī)裝備部隊(duì)。此外,俄、法、德、英等國(guó)也在積極研發(fā)紅外隱身飛機(jī)。2飛機(jī)環(huán)境輻射因素飛機(jī)的紅外輻射主要來(lái)源于機(jī)身自身的輻射和對(duì)環(huán)境的反射。機(jī)身自身的輻射主要來(lái)自四個(gè)方面:一是發(fā)動(dòng)機(jī)噴管;二是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣尾焰;三是飛機(jī)蒙皮的氣動(dòng)加熱;四是機(jī)身其他發(fā)熱部件。飛機(jī)對(duì)環(huán)境的輻射主要來(lái)自三個(gè)方面:一是對(duì)直射陽(yáng)光的反射和散射;二是大氣輻射;三是地球輻射。飛機(jī)紅外隱身技術(shù)主要研究如何降低飛機(jī)自身的輻射,下面著重探討飛機(jī)自身的輻射特性。2.1空腔內(nèi)熱輻射發(fā)動(dòng)機(jī)噴管熱輻射來(lái)源有兩處:(1)空腔黑體輻射,包括噴管腔內(nèi)熱部件和燃?xì)庑纬傻臒彷椛?(2)固體輻射,包括噴管的部件如調(diào)節(jié)片、外罩等形成的熱輻射。理論分析及試驗(yàn)研究表明,空腔內(nèi)熱輻射主要集中在3~5μm波段內(nèi),只是在波長(zhǎng)4.2μm的附近,由于大氣吸收較強(qiáng)而呈現(xiàn)凹陷,如圖1所示。將發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管及其熱部件看作灰體(ε=0.90)的情況下,在3~5μm波長(zhǎng)范圍內(nèi),發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射強(qiáng)度在1000~1500W/Sr之間,并且集中在一個(gè)較小的角度范圍之內(nèi),噴管輻射沿ue788角方向(ue788角為觀測(cè)方向與發(fā)動(dòng)機(jī)噴管軸線正后方向的夾角)呈余弦規(guī)律減小,如圖2所示。2.2外來(lái)噴流輻射排氣尾焰輻射其成份主要為CO2和H2O。由于CO2的輻射比H2O大得多,所以熱噴流的輻射可看作是噴流中CO2的輻射。這種輻射集中在以4.3μm為中心的很窄的波段內(nèi),處在第2個(gè)大氣窗口范圍。有資料表明,噴管外的噴流紅外特征是發(fā)動(dòng)機(jī)紅外特征的10%左右,但噴管的紅外輻射僅限于飛機(jī)的后半球,而排氣尾焰可以向后噴出幾十米甚至上百米,其紅外輻射可以從飛機(jī)的前半球觀測(cè)到。對(duì)敏感波段在3~5μm的紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈來(lái)說(shuō),排氣尾焰的熱噴流輻射是進(jìn)行導(dǎo)彈迎頭攻擊的唯一導(dǎo)引信息。2.3蒙皮溫度和ma飛機(jī)在大氣中作高速運(yùn)動(dòng)時(shí),氣流的動(dòng)能使蒙皮發(fā)熱。蒙皮溫度與飛機(jī)的氣動(dòng)外形、速度、高度和大氣條件等因素有關(guān)。飛行器在飛行時(shí),附面層內(nèi)阻滯氣流的恢復(fù)溫度Tr可按式(1)確定:式中,T1為計(jì)算點(diǎn)附面層外邊界的空氣參數(shù);Ma為飛機(jī)飛行的馬赫數(shù);k為比熱比,對(duì)于空氣,k=1.4;r為恢復(fù)系數(shù),層流時(shí),r=0.85,紊流時(shí),r=0.88~0.90。飛機(jī)蒙皮溫度的計(jì)算是一個(gè)瞬態(tài)熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱的過(guò)程,在熱平衡的情況下,蒙皮溫度與恢復(fù)溫度接近。在11km高空(同溫度)航行的飛機(jī),Ma=2時(shí),恢復(fù)溫度為370K;Ma=4時(shí),恢復(fù)溫度高達(dá)840K。在機(jī)頭、機(jī)翼、尾翼前緣部分由于紊流作用溫度會(huì)比以上計(jì)算溫度略高。對(duì)于典型的超音速戰(zhàn)斗機(jī)而言,飛機(jī)機(jī)體蒙皮溫度在300~400K之間,峰值波長(zhǎng)在7.3~10μm之間,位于第3個(gè)大氣窗口之內(nèi)。飛機(jī)蒙皮的溫度雖然比噴管及尾噴流的溫度低得多,但由于有效輻射面積大,輻射強(qiáng)度仍然相當(dāng)可觀,一般在500~800W/sr變化,有時(shí)甚至超過(guò)噴管輻射強(qiáng)度。2.4發(fā)動(dòng)機(jī)噴管溫度飛機(jī)上的其他發(fā)熱部件主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生的高溫通過(guò)噴管傳給機(jī)身附近的蒙皮。由于渦噴和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)噴管溫度差別較大,另外發(fā)動(dòng)機(jī)是否工作在加力狀態(tài)及尾噴管的形式等因素也會(huì)影響尾噴管的溫度,因此尾噴管傳導(dǎo)到機(jī)身上的熱量無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算。一般在討論飛機(jī)的紅外隱身措施時(shí),通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用隔熱材料,將問(wèn)題歸結(jié)為發(fā)動(dòng)機(jī)紅外輻射的抑制問(wèn)題。3羅馬不是真的3.1輻射率的測(cè)定從紅外物理學(xué)可知,物體紅外輻射能量由斯蒂芬-玻耳茲曼定律決定:式中,M為物體總輻射出射度;ε為物體的輻射率;T為物體的熱力學(xué)溫度;σ為斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)。因此,凡是溫度大于0K的物體都會(huì)不斷向外輻射紅外能量。對(duì)于實(shí)際物體,輻射率ε<1,可以看做灰體。不同溫度的物體所發(fā)射的紅外輻射的波長(zhǎng)和強(qiáng)度是不同的,溫度越高,所發(fā)射的紅外輻射強(qiáng)度越大,紅外輻射光譜中最強(qiáng)部分的波長(zhǎng)越短。3.2大氣對(duì)紅外輻射的影響在實(shí)際紅外對(duì)抗中,物體發(fā)出的紅外輻射都要通過(guò)大氣傳播才能到達(dá)紅外光學(xué)系統(tǒng)。紅外波段從可見(jiàn)光的紅光邊界開(kāi)始一直擴(kuò)展到微波區(qū)。由于空氣中水汽、二氧化碳等氣體對(duì)紅外輻射會(huì)產(chǎn)生選擇性吸收和散射作用,紅外輻射會(huì)因波長(zhǎng)不同而有不同程度的衰減。大氣對(duì)紅外輻射是有選擇性的,通常把大氣對(duì)某些紅外波段吸收少、近乎透明的波長(zhǎng)區(qū)域稱為大氣窗口。一般認(rèn)為大氣窗口有三個(gè),分別是1~2.5μm,3~5μm和8~14μm三個(gè)區(qū)域,紅外系統(tǒng)所使用的波段限于以上三個(gè)大氣窗口。紅外成像制導(dǎo)空空導(dǎo)彈目前所用探測(cè)器多采用銻化銦敏感材料,工作波段在3~5μm區(qū)域,其對(duì)應(yīng)的機(jī)體溫度在500~1000K之間。這個(gè)溫度只有目標(biāo)尾后的發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管和尾焰溫度或速度為3馬赫以上時(shí)機(jī)體蒙皮溫度可以達(dá)到,因此即便采用了復(fù)雜的成像技術(shù)還是難以在同一高度目標(biāo)正前方±15°~30°范圍內(nèi)探測(cè)到目標(biāo)。工作在8~14μm的紅外成像系統(tǒng)的敏感溫度200~350K之間,可以探測(cè)到飛機(jī)蒙皮的氣動(dòng)加熱,但由于碲鎘汞陣列的工藝技術(shù)及均勻性等限制因素,在空空導(dǎo)彈上應(yīng)用尚有難度。3.3抑制飛機(jī)紅外輻射的方法飛機(jī)紅外隱身的任務(wù)在于通過(guò)降低和控制飛機(jī)自身的紅外輻射特征信號(hào),使得飛機(jī)難以被紅外制導(dǎo)武器發(fā)現(xiàn)、跟蹤、識(shí)別和攻擊,從而有效地提高飛機(jī)的突防能力和生存能力。抑制飛機(jī)紅外輻射的方法主要有以下三個(gè)方面:一是降低目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度,通過(guò)降低輻射源的溫度和輻射率,達(dá)到降低輻射強(qiáng)度的目的;二是改變目標(biāo)的紅外輻射特征,使飛機(jī)的主要紅外輻射能量處于紅外制導(dǎo)武器的響應(yīng)波段之外;三是調(diào)節(jié)紅外輻射的傳輸過(guò)程,改變紅外輻射的方向,增強(qiáng)機(jī)體對(duì)紅外輻射的散射、反射和吸收。4實(shí)現(xiàn)飛機(jī)紅外偽裝的主要技術(shù)措施4.1發(fā)動(dòng)機(jī)的紅外抑制技術(shù)4.1.1燃?xì)鈬娚涞耐屏陌l(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)看,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)與渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)有很大不同,它可使高壓氣流流過(guò)風(fēng)扇后一分為二。內(nèi)涵道的高壓空氣和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)一樣,在燃燒室與燃油混合燃燒,在提高內(nèi)能后推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)做功,然后在尾噴管中將燃?xì)鈬姵霎a(chǎn)生推力。外涵道的氣流一般不加熱,直接向后噴出,顯然外涵道的氣流具有冷卻尾噴管和尾焰的作用。在相同的推力下,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)由于采用外涵道氣流來(lái)降低噴氣流溫度和尾焰溫度,使排氣溫度有所降低。特別是大涵道渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),由于多一個(gè)風(fēng)扇級(jí),排氣的溫度和速度均有較大降低,尾焰也明顯縮短。一般的,渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的溫度為900K左右,而渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管溫度可下降到540K左右。4.1.2尾噴管與私家車的接觸面積二元噴管其可促進(jìn)尾焰同自由流動(dòng)的外部空氣快速混合,使噴口后尾焰芯子長(zhǎng)度縮短,降低輻射強(qiáng)度。采用矢量推力二元噴管、S形二元噴管等,加大了尾噴管與冷空氣的接觸面積,為噴管的散熱和燃?xì)饬鞯幕旌咸峁┍憷?增加了高溫排氣與周圍冷空氣之間的能量和質(zhì)量交換,大大降低了噴管和尾焰的溫度,提高了飛機(jī)紅外隱身能力。試驗(yàn)表明,采用寬高比為7的二元矩形噴管與同樣出口面積的圓形噴管相比,尾焰的紅外輻射強(qiáng)度降低了61%。具有同樣的出口面積,寬高比越大,紅外抑制效果越好,一般降幅可達(dá)30%~80%。該技術(shù)已在美軍的B-2,F-117,F-22等隱身飛機(jī)上成功采用。4.1.3降低飛機(jī)紅外輻射在噴管外涂覆熱障涂層或其他復(fù)合涂層,降低噴管外部部件的溫度和發(fā)射率,可以降低飛機(jī)紅外輻射。用金屬-石棉-金屬夾層材料作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的襯里,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行隔熱,減少發(fā)動(dòng)機(jī)傳給機(jī)身的熱量,可以降低飛機(jī)的紅外特征。4.1.4空氣可顯著控制熱壓利用噴氣流高速流動(dòng)的隱射作用或飛行器高速飛行時(shí)的沖壓作用,從大氣中引入大量空氣來(lái)迅速?zèng)_淡、冷卻高溫尾噴流或燃燒室及噴管出口的熱壁面,達(dá)到抑制其紅外輻射能力的作用。F-22飛機(jī)所用的F119渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上的噴管調(diào)節(jié)片采用雙層結(jié)構(gòu),采用內(nèi)冷和外冷復(fù)合冷卻方案,這也是降低尾噴管紅外輻射的關(guān)鍵技術(shù)之一。4.1.5防止更高高度的紅外傳感器探測(cè)采用發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)身一體化設(shè)計(jì)技術(shù),將發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置在機(jī)翼上面,使噴口隱蔽在機(jī)翼背面并安裝排氣擋板遮擋噴氣流,可有效地減小探測(cè)視角并減弱輻射。低空的飛機(jī)可在發(fā)動(dòng)機(jī)的上表面上設(shè)計(jì)蓋板,以防止更高高度的紅外傳感器探測(cè)到這些特征。而在高空中的飛機(jī)則可利用設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)下側(cè)的蓋板來(lái)防止從下方探測(cè)。同時(shí),使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)軸與機(jī)體縱軸平面向下成一定傾角安裝,可提高對(duì)于后上方探測(cè)的遮擋效果。典型的第三代戰(zhàn)斗機(jī)普遍采用發(fā)動(dòng)機(jī)噴管外露的方式,從飛機(jī)尾向、側(cè)向、甚至前向較大范圍內(nèi),都可以直接觀測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)噴口或外露熱部件,這些都是紅外導(dǎo)彈探測(cè)跟蹤的重點(diǎn)部位。F-22飛機(jī)采用向外傾斜的雙垂尾設(shè)計(jì),使用尾翼遮擋噴管,使噴管的紅外輻射更具有方向性,紅外導(dǎo)彈只能在尾向較小的角度內(nèi)探測(cè)到噴管的紅外輻射,其他方位紅外輻射被明顯遮擋。4.2降低尾氣紅外輻射發(fā)動(dòng)機(jī)的熱噴流是飛機(jī)的一個(gè)重要紅外輻射源,特別是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于加力飛行狀態(tài)時(shí),將成為導(dǎo)彈前半球探測(cè)的主要輻射源。為降低尾噴流紅外輻射,可在燃油中加入特殊的添加劑,將高溫燃?xì)饬鬏椛涞募t外光譜移到易于被大氣吸收的波段,起到衰減紅外輻射的作用。據(jù)稱在排氣口中注入適量的碳微粒、N2O氣體或聚苯鄰聚二甲酸二乙酯有機(jī)高聚物,可以加強(qiáng)大氣對(duì)尾氣紅外輻射的吸收,大大降低尾噴流的紅外輻射。另外,對(duì)于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)而言,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于加力工作狀態(tài)時(shí),燃燒室處于缺氧狀態(tài),從燃燒室中噴出的燃油未能進(jìn)行充分燃燒,這些燃油會(huì)隨噴流噴出,在大氣中繼續(xù)燃燒,形成溫度高達(dá)1800~2200K的尾焰,紅外輻射十分強(qiáng)烈。為降低噴流的溫度和芯子長(zhǎng)度,應(yīng)盡量減少或避免使用加力燃燒室。4.3蒙皮紅外隱私涂料飛機(jī)蒙皮紅外輻射主要是由兩個(gè)因素造成的,一是飛機(jī)高速飛行時(shí)由于氣動(dòng)加熱引起的紅外輻射,二是發(fā)動(dòng)機(jī)熱傳導(dǎo)造成其附近蒙皮發(fā)熱,從而導(dǎo)致蒙皮紅外輻射。針對(duì)上述原因,一般在飛機(jī)蒙皮表面涂紅外隱身涂料,在材料中加入隔熱或抗紅外成分,以抑制飛機(jī)表面溫度,降低發(fā)射率。飛機(jī)蒙皮部位不同,對(duì)紅外隱身材料的要求也不同。用在飛機(jī)腹部的材料應(yīng)能減少飛機(jī)蒙皮與天空的對(duì)比度,而用在背部的材料,需要具有自然環(huán)境背景的光譜特性。為減少發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)對(duì)蒙皮的熱傳導(dǎo),一般通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壁四周使用隔熱材料抑制熱傳導(dǎo),減少發(fā)動(dòng)機(jī)傳給機(jī)身的熱量。4.4機(jī)體的紅外輻射改進(jìn)飛機(jī)的氣動(dòng)外形以減少機(jī)體與空氣的摩擦,可降低蒙皮的溫度,從而減弱機(jī)體的紅外輻射。采用外傾斜雙垂尾設(shè)計(jì),兩個(gè)水平尾翼在尾噴管的兩側(cè)且向尾后伸出比噴管更長(zhǎng)的距離,這一措施主要是針對(duì)同一水平高度的側(cè)向紅外探測(cè)器具有較好的遮蔽作用,使垂尾和平尾對(duì)噴管及尾噴流根部的遮擋作用有所提升。5飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展方向紅外隱身技術(shù)經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展,已進(jìn)入實(shí)用階段,國(guó)外現(xiàn)役或在研的隱身飛機(jī)與非隱身飛機(jī)相比,紅外輻射信號(hào)下降了10~15dB,基本實(shí)現(xiàn)了紅外隱身的目標(biāo),紅外隱身技術(shù)已經(jīng)逐漸進(jìn)入工程應(yīng)用階段。綜合分析現(xiàn)有的紅外隱身技術(shù),可以看出紅外隱身技術(shù)具有如下發(fā)展趨勢(shì):(1)全波段隱身技術(shù)。當(dāng)今飛機(jī)紅外隱身技術(shù)主流方向是研究全波段隱身技術(shù),即重點(diǎn)考慮紅外隱身和雷達(dá)隱身,同時(shí)兼顧可見(jiàn)光隱身和激光隱身。飛機(jī)作為一種軍用裝備在戰(zhàn)場(chǎng)上可能同時(shí)面臨雷達(dá)、毫米波、紅外、可見(jiàn)光、紫外等多種探測(cè)系統(tǒng)、多波段偵察設(shè)備的威脅,因此,對(duì)抗多種儀器、探測(cè)多波段的兼容隱身材料是隱身技術(shù)發(fā)展的重要方向;(2)新型隱身材料的研究。涂料型紅外隱身材料使用方便,可以在不改變現(xiàn)有裝備的形狀、結(jié)構(gòu)等情況下實(shí)現(xiàn)隱身功能。近年