紅外隱身技術(shù)發(fā)展趨勢

摘要隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,紅外隱身技術(shù)在新式武器裝備上被廣泛應(yīng)用,是現(xiàn)代武器裝備的顯著特征。紅外傳感器誕生并應(yīng)用于導(dǎo)彈導(dǎo)引,已成為各類武器裝備的重大威脅,以紅外探測器為例尤為突出。通過對武器裝備的威脅分析,闡述了紅外隱身性能對各類武器裝備的重要性以及紅外隱身技術(shù)的發(fā)展情況;以固定翼飛行器為重點,同時也對直升機、水面艦艇及地面武器坦克裝備等加以分析,并分別簡述了各類武器裝備的紅外輻射源、紅外輻射強度控制技術(shù)措施及發(fā)展趨勢,通過試驗證明了紅外隱身技術(shù)的研究和應(yīng)用對于各類武器裝備的重要性。引言隨著科學(xué)技術(shù)的進步,傳感器和探測器(系統(tǒng))發(fā)展迅速。紅外傳感器誕生后,很快用于導(dǎo)彈的導(dǎo)引,成為各種武器裝備的直接威脅,從而對武器裝備的生存產(chǎn)生了巨大的影響。材料技術(shù)和芯片技術(shù)的不斷進步使紅外傳感器技術(shù)發(fā)展迅速,紅外探測器的探測距離已與機載雷達的探測距離相當甚至更遠,成為探測飛行器的重要手段之一,從而使飛行器的紅外隱身問題變得非常迫切。機載紅外搜索跟蹤系統(tǒng)(IRST)、機載前視紅外系統(tǒng)(FLIR)等探測系統(tǒng)隱蔽性好、角探測精度高、抗電磁干擾能力強、探測距離大,且探測波段涵蓋紅外中波(3~5μm)和紅外長波(8~14μm);同樣,該類紅外探測設(shè)備對艦艇、坦克等武器裝備的生存力也構(gòu)成越來越嚴重的威脅。為了應(yīng)對上述威脅,各種武器裝備都十分重視紅外隱身技術(shù)的研究和應(yīng)用,以便有效控制武器裝備的紅外特征信號,縮小敵方紅外探測系統(tǒng)的作用距離,以提高自身的生存能力、突防能力及作戰(zhàn)效能。紅外隱身技術(shù)在新式武器裝備上開始廣泛應(yīng)用,紅外隱身已成為現(xiàn)代武器裝備必須具備的重要性能和顯著特征。目前武器裝備紅外隱身技術(shù)發(fā)展有兩個顯著特點:其一是針對多波段(3~5、8~14μm)先進紅外探測器的出現(xiàn)和應(yīng)用,促使紅外隱身技術(shù)向全方位、多頻段發(fā)展;其二是要求與其他隱身性能進行平衡和綜合設(shè)計(如雷達、可見光隱身等)。根據(jù)斯蒂芬-波耳茲曼定律,目標紅外輻射能量與發(fā)射率、溫度的四次方成正比,因此武器裝備紅外隱身技術(shù)的核心是縮減或控制紅外輻射能量。紅外探測器對目標的探測距離與目標紅外輻射強度的平方根值成正比關(guān)系,如果目標的紅外輻射強度下降10dB(90%),則探測器作用距離下降68%。紅外輻射強度、亮度、與目標周圍背景的對比度是表征紅外隱身性能的重要參數(shù),不同的武器裝備可能有不同的要求和側(cè)重,但其最主要的技術(shù)措施都是通過遮擋、冷卻(降溫)和降低(調(diào)整)目標表面發(fā)射率等來實現(xiàn)紅外隱身技術(shù)要求。固定翼飛行器紅外隱身技術(shù)固定翼飛行器紅外隱身技術(shù)的主要內(nèi)容包括兩個方面:其一是3~5μm波段的紅外隱身技術(shù),主要解決發(fā)動機的紅外隱身問題,溫度高是技術(shù)實現(xiàn)的特點之一;其二是8~14μm波段紅外隱身技術(shù),主要解決大面積機體外表面的紅外隱身問題,主要技術(shù)措施的基本原理與發(fā)動機的紅外隱身技術(shù)原理相同,與雷達隱身技術(shù)的兼容是其技術(shù)實現(xiàn)的特點之一。固定翼飛行器紅外輻射源固定翼飛行器的紅外輻射源包括機體外表面、發(fā)動機腔體及尾噴流3部分。機體外表面的能量主要集中于8~14μm波段,而發(fā)動機噴管和尾噴流的紅外輻射能量主要集中于3~5μm波段。這3部分能量的總和,使固定翼飛行器的紅外輻射能量達到一個非常大的量級,對于大部分常規(guī)飛行器:3~5μm波段紅外輻射強度約在1500~20000W/sr量級,且隨發(fā)動機的工作狀態(tài)和觀察角度變化;8~14μm波段約為1000~3000W/sr量級,且隨飛行器的Ma數(shù)和觀測角度變化。另一方面,高空環(huán)境溫度較之于飛行器表面的溫度要低得多,因此飛行器紅外輻射特征在天空背景中顯得異常明顯。能量大、特征明顯是飛行器紅外輻射的重要特點。固定翼飛行器紅外隱身技術(shù)措施(1)遮擋技術(shù)。外形遮擋主要是利用飛機外形布局,如垂尾、后體邊條、腹鰭等,在某些扇區(qū)部分遮擋排氣系統(tǒng)的高溫?zé)岜诿?后體邊條和下遮擋板等對尾噴口腔體和尾噴流進行遮擋,對于抑制3~5μm波段的紅外輻射強度有明顯的效果;“S”彎噴管技術(shù)是遮擋技術(shù)的另一種表現(xiàn)形式,主要目的是遮擋發(fā)動機中心錐和熱噴流,從而阻止這部分輻射源輻射的紅外能量向紅外探測器方向傳輸。典型的原理試驗表明,設(shè)計良好的立尾對側(cè)后45°方位的紅外輻射強度有明顯的抑制效果,在3~5μm波段紅外輻射強度可降低20%~45%。遮擋技術(shù)可以有效遮擋發(fā)動機艙外相對較高區(qū)域的表面溫度,并且對現(xiàn)代隱身飛機8~14μm波段也同樣具有較好的紅外隱身效果。遮擋技術(shù)已在F-22、F-35和B-2等多款作戰(zhàn)飛機上得到成功應(yīng)用,特征是尾噴口內(nèi)縮,利用垂尾、平尾、支板和噴管側(cè)壁等熱端部件,例如B-2飛機采用了“S”彎噴管,有效降低了紅外輻射強度。(2)降溫技術(shù)。在發(fā)動機尾部腔體內(nèi)的中心錐、支板和噴管側(cè)壁等熱端部件上,采用氣膜冷卻技術(shù)可以有效降低發(fā)動機腔體的紅外輻射強度,典型的氣膜冷卻系統(tǒng),冷氣流量約占發(fā)動機主噴流的1.5%,使熱端部件表面的溫度降低35~80K,使發(fā)動機尾部3~5μm波段紅外輻射強度降低30%以上。渦輪風(fēng)扇發(fā)動機利用外涵道氣流冷卻尾噴管和燃氣射流,是一種有效冷卻發(fā)動機腔體的技術(shù)措施,這也是渦扇發(fā)動機紅外輻射強度明顯低于渦噴發(fā)動機的主要原因。噴流降溫措施主要包括強化噴管內(nèi)涵氣流與外涵氣流摻混,以及強化噴流與大氣的摻混,典型設(shè)計包括二元噴管設(shè)計、噴管出口鋸齒設(shè)計、S彎噴管設(shè)計、波瓣混合器等等。采用冷卻降溫技術(shù)降低機體外表熱點部位溫度,也可以有效降低飛行器表面8~14μm波段的紅外輻射強度。F-22采用了多項紅外隱身技術(shù),該飛機利用燃油對蒙皮和機翼前緣進行冷卻,均取得了較好的紅外隱身效果;在噴管擴張段及臨近機身部位設(shè)計了大量冷卻用的狹縫及氣膜孔;F-15B高速飛行試驗(Ma數(shù)1.4)結(jié)果表明層流區(qū)域的溫度顯著低于湍流區(qū)域。(3)紅外低發(fā)射率材料技術(shù)。對于尾噴管腔體,低發(fā)射率技術(shù)可以用于末級渦輪、中心錐、支板等高溫部件表面。在典型發(fā)動機的紅外抑制研究實驗中,在渦輪上采用低發(fā)射率材料,使其發(fā)射率由0.9降低到0.2以下,在尾部方向,可使腔體和噴流的紅外輻射強度降低30%以上;采用低發(fā)射率材料和降溫兩項技術(shù),可使尾向的3~5μm波段紅外輻射強度降低50%~80%。低發(fā)射率技術(shù)同樣可用于飛行器機體外表面,使飛行器在8~14μm波段紅外輻射強度大幅度下降。F-22飛機及其發(fā)動機上,均大量采用了紅外低發(fā)射率材料技術(shù),其基本涂層體系中,有一層紅外低發(fā)射率的隱身涂層,可有效抑制紅外輻射特性,有效控制了3~5μm和8~14μm波段紅外輻射強度。(4)二元噴管技術(shù)。常規(guī)發(fā)動機多采用軸對稱噴管,基于雷達、紅外隱身設(shè)計要求,采用典型的矩形和異形等非軸對稱噴管,以寬高比2:1的實驗噴口為例,可使正尾部方向的紅外輻射強度降低10%以上,其他方向可降低20%~60%。二元噴管的紅外隱身技術(shù)措施已在F22和B2等多型飛機上成功應(yīng)用。直升機紅外隱身技術(shù)及措施對于帶有旋翼的直升機,由于其飛行高度低,速度慢,作戰(zhàn)的時機和作戰(zhàn)的對象與固定翼飛行器有很大的差別,導(dǎo)致其隱身性能和要求不同。因為雷達探測不到被山丘、森林和建筑物遮擋的直升機;直升機貼地飛行或旋停時(這是固定翼飛行器辦不到的),地面的雜亂回波也將掩蔽直升機而使雷達失去作用,紅外和可見光探測器也是同樣的命運。在這些探測器發(fā)現(xiàn)直升機之前,通過直升機的聲響可探測和識別直升機,因此,聲隱身是直升機特有的,也是最重要的特點。但僅就紅外隱身而言,直升機紅外輻射源主要有發(fā)動機、滑油散熱器、主減速器及其他傳動齒輪的散熱裝置等[12]。其主要的紅外隱身技術(shù)措施包括:(1)遮擋技術(shù)遮擋熱表面,在暴露的發(fā)動機排氣管外加一層排氣管,兩管之間留有冷卻空氣流動的間隙,或采用隔熱材料對熱表面進行隔熱等方法。RAH-66“科曼奇”隱身武裝直升機在尾梁兩側(cè)設(shè)計了向下的狹長縫隙式排氣口,不僅能降低發(fā)動機的排氣噪聲,而且還能減少發(fā)動機排氣的紅外輻射特征。從而使直升機紅外輻射強度大幅度降低。(2)冷卻技術(shù)。冷卻技術(shù)就是使發(fā)熱的部位盡快降溫,紅外輻射強度可減小20%以上。美國AH-64阿帕奇直升機裝置一種紅外抑制器,可以有效降低發(fā)動機排氣系統(tǒng)溫度。獨特的長條形向下排氣設(shè)計,通過尾梁上方的第二個進氣口吸入的冷卻空氣與發(fā)動機熱排氣混合,經(jīng)尾梁兩側(cè)向下的縫隙排出,再由旋翼下冼流混合、擴散,使排氣溫度明顯降低。水面艦艇紅外隱身技術(shù)對于主要在水面作戰(zhàn)的大型艦船(包括航空母艦)而言,艦體巨大,其各種目標特征也極強。由于發(fā)動機功率強、艦體表面積大從而導(dǎo)致紅外輻射強度巨大。對于這種大型軍艦,各種雷達和紅外探測器是其最主要的威脅。各國為降低大型水面艦船目標特征投入了相當?shù)馁Y源,研究了大量艦船目標特征控制技術(shù),原理上采用了與飛行器相類似的各種隱身技術(shù),就紅外隱身而言,主要包括:艦船發(fā)動機排氣系統(tǒng)紅外抑制器技術(shù)、艦艇表面水霧噴淋降溫紅外抑制技術(shù)等。紅外輻射強度的明顯減小,可以有效減少干擾系統(tǒng)的復(fù)雜性及其尺寸、質(zhì)量等,還可能導(dǎo)致終端武器系統(tǒng)的失效。水面艦艇紅外輻射源水面艦艇的紅外輻射源主要包括兩部分。自身紅外輻射源,主要有發(fā)動機和其他動力設(shè)備的散熱、發(fā)動機的排放、通風(fēng)設(shè)備的排氣及艦船內(nèi)部艙室的熱損耗等。其中煙囪管壁和排氣煙羽溫度高(可達400~500℃)、面積較大,是艦艇最強的自身紅外輻射源;機艙兩側(cè)船體鋼板通信桅桿等也是重要自身紅外輻射源。外部紅外輻射源,主要由艦艇表面吸收、反射周圍環(huán)境熱輻射(如來自太陽、大氣和海水的輻射)產(chǎn)生。一般艦艇的表面溫度比煙道等其他內(nèi)部過熱區(qū)的溫度要低很多,但由于艦艇表面積很大,即便與環(huán)境有很小的溫差也會產(chǎn)生很強的信號。水面艦艇紅外隱身技術(shù)措施(1)煙囪噴射引射技術(shù)。利用燃氣輪機排氣量大、排氣流速高的特點,將廢氣引入多重冷卻排氣系統(tǒng),使高溫廢氣與外界低溫氣體充分混合并在煙囪內(nèi)管壁形成一薄層冷卻空氣,可使煙囪管壁溫度降低近250~300K、排氣煙羽溫度降低150~200K,并可以有效降低通信桅桿等煙囪附近設(shè)備的溫度,如美國“斯普魯恩斯”級驅(qū)逐艦采用該技術(shù)并輔之以水霧冷卻煙氣措施,可使3~5μm波段內(nèi)的紅外輻射能量可以降低95%以上。(2)艦體總體設(shè)計技術(shù)。將主排氣口設(shè)置在水線以下,利用海水和浪花降低煙囪管壁和排氣煙羽溫度,例如瑞典“維比斯”級輕型護衛(wèi)艦,煙囪出口設(shè)計在艦艇尾部,廢氣從船尾排除至海上冷卻,有效降低了艦艇的紅外輻射能量,采用該技術(shù)使紅外探測器的發(fā)現(xiàn)距離縮短了50%以上;又如美國洛克希德公司研制的“海影”號護衛(wèi)艦,采取將發(fā)動機和輻射設(shè)備的排氣管路安裝在水線下的設(shè)計,控制船體紅外輻射能量。(3)水霧遮蔽技術(shù)。在艦艇周圍噴射海水水霧,吸收艦體輻射出的紅外輻射能量,同時海水霧化還可降低艦體溫度,水霧遮蔽技術(shù)可使艦艇8~14μm波段內(nèi)的紅外輻射能量降低80%,俄羅斯“現(xiàn)代”級驅(qū)逐艦、美國“杜魯門”號航母和英國的“海幽靈”護衛(wèi)艦等,安裝了特制的噴霧自衛(wèi)系統(tǒng),噴霧自衛(wèi)系統(tǒng)噴出細密水霧,幾秒鐘內(nèi)便可把艦體全部籠罩在薄霧之中,并與海面和天空的背景渾然一體。由于該技術(shù)所需的設(shè)備成本低、便于隨時使用等優(yōu)點,是一種效費比較高的紅外隱身技術(shù)措施。(4)紅外隱身材料技術(shù)。紅外隱身材料的應(yīng)用廣泛,例如:在艦艇表面涂覆降低紅外輻射的絕熱涂料,減弱對太陽能的吸收和輻射,降低船體表面溫度;在機艙、舵機艙等發(fā)熱部位,以及煙囪內(nèi)壁吸排氣管道外表面粘貼絕緣隔熱層紅外輻射擋板,等等。典型的應(yīng)用實例有:法國海軍“拉斐特”級護衛(wèi)艦煙囪采用玻璃鋼,其表面涂了一種低輻射的隱身涂料,達到隔熱效果,同時發(fā)動機排氣口和玻璃鋼排氣管也做了精細的隔熱處理;美國海軍“阿利伯克”級導(dǎo)彈驅(qū)逐艦,其排氣管頂部等高溫部位均覆有可減少向外輻射熱量的屏蔽和絕熱材料;英國軍艦上的“飛魚”導(dǎo)彈發(fā)射裝置上就蓋有一種稱為“弗列克塔卡姆”的隔熱墊或熱屏蔽層,可反射95%的熱輻射。坦克紅外隱身技術(shù)在大多數(shù)情況下,到坦克參戰(zhàn)時,戰(zhàn)爭已經(jīng)進入第二階段。飛行器和水面艦船等擔(dān)當?shù)氖堑谝徊ü羧蝿?wù),其非終端威脅多是中遠距離的探測器,而陸戰(zhàn)裝備所面臨的大多數(shù)是近距離的探測器。因此,坦克等裝備所面臨的威脅與飛行器和水面艦船是有很大差別的(雖然也存在中遠距離的探測器對坦克集群等進行探測,但這種探測本身并不會在非常短的時間內(nèi)形成對坦克致命的威脅,就像探測器對機場的探測一樣)。另一方面,坦克裝備的作戰(zhàn)環(huán)境和背景與飛行器和水面艦船有很大的不同,飛行器和水面艦船的背景是天空和海洋,對于雷達、紅外探測器而言是相對干凈和冷的,而且是非常單一的。坦克裝備的背景可能是沙漠、叢林、山丘、城市等,結(jié)合目前主流的紅外探測器對陸戰(zhàn)裝備的威脅,終端武器形成了陸戰(zhàn)裝備的隱身特點———可見光、聲、毫米波和紅外隱身要求,并在不同的裝備上各有側(cè)重。但有一點是相同的,即都是針對近距離的探測,有時候可能還是近場的。坦克等裝備的隱身難度與飛行器也有很大的不同,如外形整形對坦克并不困難,沒有空氣動力問題,吸波材料使用量對坦克而言也不是太大的問題,不像飛行器為了減少每1g重量而進行的不懈的努力。坦克紅外輻射源發(fā)動機是坦克最大的熱源,其排氣口溫度超過600K,發(fā)動機外殼溫度也可達500~600K,是坦克紅外特征控制的重點。此外,坦克炮管在射擊時出現(xiàn)強烈閃光和升溫,典型的坦克火炮射擊后溫度可高達673K。履帶與主動輪和負重輪及路面摩擦產(chǎn)生的熱量較大。坦克紅外隱身技術(shù)(1)發(fā)動機溫度控制技術(shù)。坦克紅外隱身重點在于發(fā)動機和排氣口的防護。據(jù)報道,先進的第四代坦克動力裝置采用了燃氣輪機,以保持相對較低的部件溫度,在一