红外隐身技术发展趋势

摘要随着科学技术的不断发展,红外隐身技术在新式武器装备上被广泛应用,是现代武器装备的显著特征。红外传感器诞生并应用于导弹导引,已成为各类武器装备的重大威胁,以红外探测器为例尤为突出。通过对武器装备的威胁分析,阐述了红外隐身性能对各类武器装备的重要性以及红外隐身技术的发展情况;以固定翼飞行器为重点,同时也对直升机、水面舰艇及地面武器坦克装备等加以分析,并分别简述了各类武器装备的红外辐射源、红外辐射强度控制技术措施及发展趋势,通过试验证明了红外隐身技术的研究和应用对于各类武器装备的重要性。引言随着科学技术的进步,传感器和探测器(系统)发展迅速。红外传感器诞生后,很快用于导弹的导引,成为各种武器装备的直接威胁,从而对武器装备的生存产生了巨大的影响。材料技术和芯片技术的不断进步使红外传感器技术发展迅速,红外探测器的探测距离已与机载雷达的探测距离相当甚至更远,成为探测飞行器的重要手段之一,从而使飞行器的红外隐身问题变得非常迫切。机载红外搜索跟踪系统(IRST)、机载前视红外系统(FLIR)等探测系统隐蔽性好、角探测精度高、抗电磁干扰能力强、探测距离大,且探测波段涵盖红外中波(3~5μm)和红外长波(8~14μm);同样,该类红外探测设备对舰艇、坦克等武器装备的生存力也构成越来越严重的威胁。为了应对上述威胁,各种武器装备都十分重视红外隐身技术的研究和应用,以便有效控制武器装备的红外特征信号,缩小敌方红外探测系统的作用距离,以提高自身的生存能力、突防能力及作战效能。红外隐身技术在新式武器装备上开始广泛应用,红外隐身已成为现代武器装备必须具备的重要性能和显著特征。目前武器装备红外隐身技术发展有两个显著特点:其一是针对多波段(3~5、8~14μm)先进红外探测器的出现和应用,促使红外隐身技术向全方位、多频段发展;其二是要求与其他隐身性能进行平衡和综合设计(如雷达、可见光隐身等)。根据斯蒂芬-波耳兹曼定律,目标红外辐射能量与发射率、温度的四次方成正比,因此武器装备红外隐身技术的核心是缩减或控制红外辐射能量。红外探测器对目标的探测距离与目标红外辐射强度的平方根值成正比关系,如果目标的红外辐射强度下降10dB(90%),则探测器作用距离下降68%。红外辐射强度、亮度、与目标周围背景的对比度是表征红外隐身性能的重要参数,不同的武器装备可能有不同的要求和侧重,但其最主要的技术措施都是通过遮挡、冷却(降温)和降低(调整)目标表面发射率等来实现红外隐身技术要求。固定翼飞行器红外隐身技术固定翼飞行器红外隐身技术的主要内容包括两个方面:其一是3~5μm波段的红外隐身技术,主要解决发动机的红外隐身问题,温度高是技术实现的特点之一;其二是8~14μm波段红外隐身技术,主要解决大面积机体外表面的红外隐身问题,主要技术措施的基本原理与发动机的红外隐身技术原理相同,与雷达隐身技术的兼容是其技术实现的特点之一。固定翼飞行器红外辐射源固定翼飞行器的红外辐射源包括机体外表面、发动机腔体及尾喷流3部分。机体外表面的能量主要集中于8~14μm波段,而发动机喷管和尾喷流的红外辐射能量主要集中于3~5μm波段。这3部分能量的总和,使固定翼飞行器的红外辐射能量达到一个非常大的量级,对于大部分常规飞行器:3~5μm波段红外辐射强度约在1500~20000W/sr量级,且随发动机的工作状态和观察角度变化;8~14μm波段约为1000~3000W/sr量级,且随飞行器的Ma数和观测角度变化。另一方面,高空环境温度较之于飞行器表面的温度要低得多,因此飞行器红外辐射特征在天空背景中显得异常明显。能量大、特征明显是飞行器红外辐射的重要特点。固定翼飞行器红外隐身技术措施(1)遮挡技术。外形遮挡主要是利用飞机外形布局,如垂尾、后体边条、腹鳍等,在某些扇区部分遮挡排气系统的高温热壁面,后体边条和下遮挡板等对尾喷口腔体和尾喷流进行遮挡,对于抑制3~5μm波段的红外辐射强度有明显的效果;“S”弯喷管技术是遮挡技术的另一种表现形式,主要目的是遮挡发动机中心锥和热喷流,从而阻止这部分辐射源辐射的红外能量向红外探测器方向传输。典型的原理试验表明,设计良好的立尾对侧后45°方位的红外辐射强度有明显的抑制效果,在3~5μm波段红外辐射强度可降低20%~45%。遮挡技术可以有效遮挡发动机舱外相对较高区域的表面温度,并且对现代隐身飞机8~14μm波段也同样具有较好的红外隐身效果。遮挡技术已在F-22、F-35和B-2等多款作战飞机上得到成功应用,特征是尾喷口内缩,利用垂尾、平尾、支板和喷管侧壁等热端部件,例如B-2飞机采用了“S”弯喷管,有效降低了红外辐射强度。(2)降温技术。在发动机尾部腔体内的中心锥、支板和喷管侧壁等热端部件上,采用气膜冷却技术可以有效降低发动机腔体的红外辐射强度,典型的气膜冷却系统,冷气流量约占发动机主喷流的1.5%,使热端部件表面的温度降低35~80K,使发动机尾部3~5μm波段红外辐射强度降低30%以上。涡轮风扇发动机利用外涵道气流冷却尾喷管和燃气射流,是一种有效冷却发动机腔体的技术措施,这也是涡扇发动机红外辐射强度明显低于涡喷发动机的主要原因。喷流降温措施主要包括强化喷管内涵气流与外涵气流掺混,以及强化喷流与大气的掺混,典型设计包括二元喷管设计、喷管出口锯齿设计、S弯喷管设计、波瓣混合器等等。采用冷却降温技术降低机体外表热点部位温度,也可以有效降低飞行器表面8~14μm波段的红外辐射强度。F-22采用了多项红外隐身技术,该飞机利用燃油对蒙皮和机翼前缘进行冷却,均取得了较好的红外隐身效果;在喷管扩张段及临近机身部位设计了大量冷却用的狭缝及气膜孔;F-15B高速飞行试验(Ma数1.4)结果表明层流区域的温度显著低于湍流区域。(3)红外低发射率材料技术。对于尾喷管腔体,低发射率技术可以用于末级涡轮、中心锥、支板等高温部件表面。在典型发动机的红外抑制研究实验中,在涡轮上采用低发射率材料,使其发射率由0.9降低到0.2以下,在尾部方向,可使腔体和喷流的红外辐射强度降低30%以上;采用低发射率材料和降温两项技术,可使尾向的3~5μm波段红外辐射强度降低50%~80%。低发射率技术同样可用于飞行器机体外表面,使飞行器在8~14μm波段红外辐射强度大幅度下降。F-22飞机及其发动机上,均大量采用了红外低发射率材料技术,其基本涂层体系中,有一层红外低发射率的隐身涂层,可有效抑制红外辐射特性,有效控制了3~5μm和8~14μm波段红外辐射强度。(4)二元喷管技术。常规发动机多采用轴对称喷管,基于雷达、红外隐身设计要求,采用典型的矩形和异形等非轴对称喷管,以宽高比2:1的实验喷口为例,可使正尾部方向的红外辐射强度降低10%以上,其他方向可降低20%~60%。二元喷管的红外隐身技术措施已在F22和B2等多型飞机上成功应用。直升机红外隐身技术及措施对于带有旋翼的直升机,由于其飞行高度低,速度慢,作战的时机和作战的对象与固定翼飞行器有很大的差别,导致其隐身性能和要求不同。因为雷达探测不到被山丘、森林和建筑物遮挡的直升机;直升机贴地飞行或旋停时(这是固定翼飞行器办不到的),地面的杂乱回波也将掩蔽直升机而使雷达失去作用,红外和可见光探测器也是同样的命运。在这些探测器发现直升机之前,通过直升机的声响可探测和识别直升机,因此,声隐身是直升机特有的,也是最重要的特点。但仅就红外隐身而言,直升机红外辐射源主要有发动机、滑油散热器、主减速器及其他传动齿轮的散热装置等[12]。其主要的红外隐身技术措施包括:(1)遮挡技术遮挡热表面,在暴露的发动机排气管外加一层排气管,两管之间留有冷却空气流动的间隙,或采用隔热材料对热表面进行隔热等方法。RAH-66“科曼奇”隐身武装直升机在尾梁两侧设计了向下的狭长缝隙式排气口,不仅能降低发动机的排气噪声,而且还能减少发动机排气的红外辐射特征。从而使直升机红外辐射强度大幅度降低。(2)冷却技术。冷却技术就是使发热的部位尽快降温,红外辐射强度可减小20%以上。美国AH-64阿帕奇直升机装置一种红外抑制器,可以有效降低发动机排气系统温度。独特的长条形向下排气设计,通过尾梁上方的第二个进气口吸入的冷却空气与发动机热排气混合,经尾梁两侧向下的缝隙排出,再由旋翼下冼流混合、扩散,使排气温度明显降低。水面舰艇红外隐身技术对于主要在水面作战的大型舰船(包括航空母舰)而言,舰体巨大,其各种目标特征也极强。由于发动机功率强、舰体表面积大从而导致红外辐射强度巨大。对于这种大型军舰,各种雷达和红外探测器是其最主要的威胁。各国为降低大型水面舰船目标特征投入了相当的资源,研究了大量舰船目标特征控制技术,原理上采用了与飞行器相类似的各种隐身技术,就红外隐身而言,主要包括:舰船发动机排气系统红外抑制器技术、舰艇表面水雾喷淋降温红外抑制技术等。红外辐射强度的明显减小,可以有效减少干扰系统的复杂性及其尺寸、质量等,还可能导致终端武器系统的失效。水面舰艇红外辐射源水面舰艇的红外辐射源主要包括两部分。自身红外辐射源,主要有发动机和其他动力设备的散热、发动机的排放、通风设备的排气及舰船内部舱室的热损耗等。其中烟囱管壁和排气烟羽温度高(可达400~500℃)、面积较大,是舰艇最强的自身红外辐射源;机舱两侧船体钢板通信桅杆等也是重要自身红外辐射源。外部红外辐射源,主要由舰艇表面吸收、反射周围环境热辐射(如来自太阳、大气和海水的辐射)产生。一般舰艇的表面温度比烟道等其他内部过热区的温度要低很多,但由于舰艇表面积很大,即便与环境有很小的温差也会产生很强的信号。水面舰艇红外隐身技术措施(1)烟囱喷射引射技术。利用燃气轮机排气量大、排气流速高的特点,将废气引入多重冷却排气系统,使高温废气与外界低温气体充分混合并在烟囱内管壁形成一薄层冷却空气,可使烟囱管壁温度降低近250~300K、排气烟羽温度降低150~200K,并可以有效降低通信桅杆等烟囱附近设备的温度,如美国“斯普鲁恩斯”级驱逐舰采用该技术并辅之以水雾冷却烟气措施,可使3~5μm波段内的红外辐射能量可以降低95%以上。(2)舰体总体设计技术。将主排气口设置在水线以下,利用海水和浪花降低烟囱管壁和排气烟羽温度,例如瑞典“维比斯”级轻型护卫舰,烟囱出口设计在舰艇尾部,废气从船尾排除至海上冷却,有效降低了舰艇的红外辐射能量,采用该技术使红外探测器的发现距离缩短了50%以上;又如美国洛克希德公司研制的“海影”号护卫舰,采取将发动机和辐射设备的排气管路安装在水线下的设计,控制船体红外辐射能量。(3)水雾遮蔽技术。在舰艇周围喷射海水水雾,吸收舰体辐射出的红外辐射能量,同时海水雾化还可降低舰体温度,水雾遮蔽技术可使舰艇8~14μm波段内的红外辐射能量降低80%,俄罗斯“现代”级驱逐舰、美国“杜鲁门”号航母和英国的“海幽灵”护卫舰等,安装了特制的喷雾自卫系统,喷雾自卫系统喷出细密水雾,几秒钟内便可把舰体全部笼罩在薄雾之中,并与海面和天空的背景浑然一体。由于该技术所需的设备成本低、便于随时使用等优点,是一种效费比较高的红外隐身技术措施。(4)红外隐身材料技术。红外隐身材料的应用广泛,例如:在舰艇表面涂覆降低红外辐射的绝热涂料,减弱对太阳能的吸收和辐射,降低船体表面温度;在机舱、舵机舱等发热部位,以及烟囱内壁吸排气管道外表面粘贴绝缘隔热层红外辐射挡板,等等。典型的应用实例有:法国海军“拉斐特”级护卫舰烟囱采用玻璃钢,其表面涂了一种低辐射的隐身涂料,达到隔热效果,同时发动机排气口和玻璃钢排气管也做了精细的隔热处理;美国海军“阿利伯克”级导弹驱逐舰,其排气管顶部等高温部位均覆有可减少向外辐射热量的屏蔽和绝热材料;英国军舰上的“飞鱼”导弹发射装置上就盖有一种称为“弗列克塔卡姆”的隔热垫或热屏蔽层,可反射95%的热辐射。坦克红外隐身技术在大多数情况下,到坦克参战时,战争已经进入第二阶段。飞行器和水面舰船等担当的是第一波攻击任务,其非终端威胁多是中远距离的探测器,而陆战装备所面临的大多数是近距离的探测器。因此,坦克等装备所面临的威胁与飞行器和水面舰船是有很大差别的(虽然也存在中远距离的探测器对坦克集群等进行探测,但这种探测本身并不会在非常短的时间内形成对坦克致命的威胁,就像探测器对机场的探测一样)。另一方面,坦克装备的作战环境和背景与飞行器和水面舰船有很大的不同,飞行器和水面舰船的背景是天空和海洋,对于雷达、红外探测器而言是相对干净和冷的,而且是非常单一的。坦克装备的背景可能是沙漠、丛林、山丘、城市等,结合目前主流的红外探测器对陆战装备的威胁,终端武器形成了陆战装备的隐身特点———可见光、声、毫米波和红外隐身要求,并在不同的装备上各有侧重。但有一点是相同的,即都是针对近距离的探测,有时候可能还是近场的。坦克等装备的隐身难度与飞行器也有很大的不同,如外形整形对坦克并不困难,没有空气动力问题,吸波材料使用量对坦克而言也不是太大的问题,不像飞行器为了减少每1g重量而进行的不懈的努力。坦克红外辐射源发动机是坦克最大的热源,其排气口温度超过600K,发动机外壳温度也可达500~600K,是坦克红外特征控制的重点。此外,坦克炮管在射击时出现强烈闪光和升温,典型的坦克火炮射击后温度可高达673K。履带与主动轮和负重轮及路面摩擦产生的热量较大。坦克红外隐身技术(1)发动机温度控制技术。坦克红外隐身重点在于发动机和排气口的防护。据报道,先进的第四代坦克动力装置采用了燃气轮机,以保持相对较低的部件温度,在一