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红外隐身技术


作为雷达探测的补充,红外探测器是远程探测飞行目标的另一种重要手段。随着光电技术的飞速发展,红外探测正得到越来越多军事强国的重视。而飞行器隐身技术的另一项重要工作就是提高自己反红外探测的能力,也就是红外隐身技术。所谓的红外隐身技术,就是利用屏蔽、低发射率涂料、热抑制等措施,降低或改变目标的红外辐射特征,即降低目标的红外辐射强度与特性,从而实现目标的低可探测性。这可通过改进结构设计和应用红外物理原理来衰减、吸收目标的红外辐射能量,使红外探测设备难以探测到目标。

目前,抑制飞行器红外辐射的方法主要有以下三个方面:首先,要改变飞行器本身的红外辐射特征,即改变本身的红外辐射波段,使飞行器辐射波段处于红外探测装置的探测频段之外,使其失效以达到隐身目的。

其次,模拟背景的红外辐射特征,使飞行器与背景的红外辐射分布状态相协调,成为整个背景红外辐射图像的一部分。或采用红外辐射变形技术,通过改变飞行器各部分红外辐射的相对值和相对位置,来改变飞行器易被红外成像系统所识别的特定红外图象特征,从而使敌方难以识别。

最后,降低飞行器红外辐射强度,即降低其与背景的热对比度。其主要是通过降低辐射体的温度和采用有效涂料来降低飞机的辐射功率,使敌方红外探测器接收不到足够的能量,减少被发现、识别和跟踪的概率。

目前,飞行器采用的红外隐身技术主要有:在飞机表面涂覆红外涂料,在涂料中加隔热和抗红外辐射成份,以抑制飞机表面温度和抗红外辐射。采用闭合回路冷却系统,这是在隐身飞机上普遍采用的措施。它能把座舱和机载电子设备等产生的热传给燃油,以减少飞机的红外辐射。此外,还可采用局部冷却或隔热的方法来降低蒙皮温度,或采用蒙皮温度预热燃油的方法,如美国SR-71高空侦察机,在马赫数大于3时,其壁面温度高达300 多度,通过钛合金表而对内部燃油进行预热并通过机体结构进行冷却,从而降低了飞机蒙皮温度。

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由于发动机的尾喷管和排气尾焰是红外探测器的主要红外源,因此要减小发动机尾喷管或排气口的红外辐射。目前已采用或正在研究的措施有以下几种:采用散热量小的发动机和红外特征小的结构布局。现代隐身飞行器大多采用无加力后燃室的涡轮风扇发动机,相对于涡喷发动机具有噪音小、排气温度低、尾焰红外辐射强度低、节约能耗等优点。在燃烧室设计上要不断完善燃烧技术,采用高效节能燃烧室(如分级燃烧室、旋流燃烧室和变几何燃烧室等)、采用燃烧充分、雾化良好的气动喷嘴或蒸发式喷嘴。采用金属石棉夹层材料以及铝塑纸等各种隔热材料对发动机进行隔热。采用全长加力筒体隔热屏及延长发动机尾喷管并采用热保护层、或者发动机深埋入机腹内等等,如美国B-2隐身轰炸机采用50%-60%的降温隔热复合材料,F-117则采用了超过30%的新型降温隔热复合材料。采用发动机废气出口遮蔽法,如纤维增强的碳/硼复合材料或陶瓷复合材料喷口,喷口安放在机体上方或喷管向上弯曲,用机体、发动机短舱遮蔽红外辐射,或用发动机排气口周围的环形罩遮蔽红外辐射;在喷口附近安装排气挡板或红外吸收装置,或使飞机采用大角度倾斜的尾翼遮挡红外辐射等。

美国研制的RAH-66“科曼奇”隐身武装直升机就是利用机身屏蔽红外辐射进行隐身的。该机通过背部上的两个细缝吸取外界空气,一部分空气用于发动机工作,另一部分与发动机排出的尾气相混合,经过多通道内部散热后,通过机身下面窄缝出口将冷却的混合气排出。这样巧妙的设计不但屏蔽了发动机和其产生废气的红外辐射,还有效利用了直升机尾部空间,同时还实现了红外隐身与雷达隐身双赢效果。

发动机采用不同于常规圆形轴对称出口的异形喷管,如二元矩形喷管、多路二元矩形喷管、椭圆形喷管和菊花瓣形喷管等异形喷管,均可以改善尾焰与外界环境空气的掺混,达到耗散尾焰动能、缩短尾焰轴向长度、降低尾焰温度的目的,从而大大减少尾焰的红外辐射。试验结果表明,宽高比为7的二元矩形喷管与同样出口面积的圆形喷管相比,尾焰的红外辐射强度降低了61%。

在采取异形喷管的基础上,在喷管内加装混合器可进一步降低尾焰的红外辐射强度,如带有12片花瓣形混合器的6片花瓣形喷管与没有强迫混合的简单收敛喷管相比,其尾焰红外辐射减少了大约 80% ,噪音也降低了许多。以F-22飞机采用的F-119发动机二元矢量推力喷管为例,该布局结构有力改善了排气尾焰与大气的掺混能力,使高温燃气的温度很决在大气中耗散,显著降低了红外辐射程度。另外,采用二元喷口易于和非圆截面的机身实现一体化设计,其结构布局也对雷达隐身有利,同时该结构设计还能有效降低气动阻力、提高飞机巡航能力,也易于实现推力矢量控制,增强飞机的机动性和敏捷性,实现短距起降。可谓一箭多雕、事半功倍。

在对发动机排气尾焰的处理上,可以用气溶胶屏蔽发动机尾焰的红外辐射,如将含金属化合物微粒的环氧树脂、聚乙烯树脂等可发泡高分子物质,随气流一起喷出。它们在空气中遇冷便雾化成悬浮泡沫塑料微粒,可有效阻挡红外辐射。或在飞机尾段受威胁时喷出液态氮,形成环绕尾焰的冷却幕。此外在飞行器的燃料中加入含有钠、钾、铅等元素的添加剂,可以改变尾焰的红外辐射频带峰值,避开探测器的敏感波段。如目前美国采用的一种特殊燃料,可使飞机尾焰辐射移到5-8微米之间的大气强损耗波段。另外,将含有钨、钠、钾、铯等易电离碱金属粉末喷入发动机尾焰,高温加热后形成等离子体区还能吸收、反射电磁波,实现对雷达有效干扰。

实践证明,通过采用上述各项技术措施,可把飞行器的红外辐射抑制掉90 %,使敌方红外探测器从飞机尾部探测的距离缩短为原来的30 %,甚至更小。从目前水平看,飞行器的红外隐身技术比较成熟,已达到实用阶段,而且已经开始应用于设计和制造中。如美国的F-117、B-2、F-22、 F-35等,都采用了先进的红外隐身技术。

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可见光隐身技术


随着飞行器雷达反射截面(RCS)和红外特征的降低,视觉特征成为飞机隐身设计中的主要问题,尤其是在近距格斗中。目前,要想实现飞行器对视觉完全隐身还不现实,但是在视觉隐身上至少做到了在一定的视距内不易被发现。

目前飞行器反可见光探测采取的隐身技术主要措施有:改变飞行器外形的光反射特性,用小水平面多向散射取代大曲面反射(效果与镜面反射相似);控制飞行器本身的亮度和色度,如在表面喷涂迷彩、使目标与背景色彩和亮度匹配;合理控制发动机尾焰和尾迹;控制照明和信标灯光以及运动部位闪光信号等。

另外,欧美等国在研还有三种视觉隐身材料:一种是热致色变材料,它根据温差以及所组成的颜料的性质可以很快由一种颜色改变成另一种颜色。这类材料虽然有多种改变色彩的能力,但是动态反应能力慢,因此优先用于移动速度慢的装备。

第二种是光致色变材料,它对光辐射敏感,能根据环境自动改变其颜色。当掺杂二氧化钒VO2)时,在接近20℃时会产生可逆的相转变,可从半导体转变成绝缘体,从而具有极微弱的滞后效应。在绝缘状态下,VO2 是透明的。在导电状态下,特别是在红外线作用下,它具有金属属性,起镜子作用。这种状态的转变可在10-7秒内完成。目前,这种材料可做为反激光的“盾牌”。当受到激光束照射时,VO2薄膜在强热作用下瞬时改变状态,使入射线向空间反射。至于电致色变材料,例如三氧化钨(WO3),可以极其迅速地从一种颜色改变成另一种,特别适用于飞机或巡航导弹的隐身。

美国彼音公司在上世纪90年代制造的“食肉鸟”隐身验证机,不但具有惊人的雷达隐身能力,还具有一定视觉隐身效果。该机的雷达反射截面积低到不足﹣70分贝平方米。此外,它独创的类似变色龙的光致色变材料蒙皮涂料以及进气道周围采取了反阴影设计,还具有很好的视觉隐身效果。该机无论是在空中和地面,俯视、仰视和侧视等各种方位角度以及不同光线条件下,都充分呈现了与周围环境背景色自然和谐地融为一体的颜色。无论是在漆黑夜里还是晴朗的白天,这种新型视觉隐身技术都能有效地融合在周围环境中,使飞行器在一定距离上很难被目视发现。

此外,美国现在正在研制一种新型主动反照射复合材料隐身技术。该材料就像超薄的等离子电视一样,覆盖在飞行器外表面,不但能实现对雷达隐身,还能根据周围的环境背景改变自身的颜色状态。

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飞行器的总体隐身设计

飞行器隐身设计是一项十分复杂的系统工程,涉及到许多方面技术:电磁学、空气动力学、结构力学、材料技术、机械与电气工程技术、工艺加工制造技术等学科。研究此项技术必须首先做好各学科之间的交叉、配合研究。

不同目标在不同作战环境下受到威胁的部位、方位、雷达、红外波长不同,进行外形气动结构设计的重点也应有所不同。不同的飞行器由于它们的发射方式、飞行高度、速度、外形尺寸、弹道、作战任务、威胁手段等有一定差别,因而其雷达反射截面(RCS)的缩减重点以及红外特征也会有所区别。敌方在远、中、近三个层次的防御体系中,对飞行器的探测手段是雷达,因此雷达隐身是提高发射初段、巡航中段生存能力和突防能力的主要措施。而在末段攻击时,则以红外隐身和战术隐身为重点。例如当飞行器在离地面很近的高度作超低空机动飞行时,地面防空雷达由于受地球曲率和雷达远角效应的限制,难以发现地平线以外的目标,这时敌方的空中监视雷达和机载俯视雷达将成为飞行器的主要威胁。所以作战环境分析对正确确定飞行器的隐身外形设计方案至关重要。

在某些情况下,飞行器的 RCS 与本身的红外辐射特征也有矛盾,例如采用无尾翼气动布局就比有尾翼屏蔽发动机喷口的红外特征大,但无尾翼布局的RCS就比有尾翼的小。因此,根据任务形式在外形布局上对飞行器RCS与红外辐射特征有所取舍。

在飞行器气动外形设计和布局中,低 RCS 与高气动性能之间具有相容性:例如在正面30°锥角雷达照射范围内,采用隐身设计布局与采用尖锥形机头、大后掠角机翼的飞行器超音速气动外形设计的要求相同。此外,采用无外挂(舱内式武器挂架)飞机就比带武器外挂同种型号的飞机在近距格斗时机动性高得多。当然还有许多是矛盾:一种单纯从隐身效果考虑是十分理想的气动和结构布局,往往会对飞行器的飞行性能和作战能力带来一些不利影响。按电磁理论设计观点来看相当有利的外形,从气动或其它要求来分析就不一定合理,因此飞行器的雷达散射截面缩减(RCSR)是一项极为复杂的综合技术。在对各部件(翼、身、进气道等) RCSR 机理研究的基础上,如何处理好两方面的矛盾,设计出达到双重效果的飞行器外形和布局形式,关键还在于设计者能否巧妙地利用各部件相互影响进行权衡和折衷。

对于隐身设计而言,B-2的气动外形是对常规翼身融合飞机布局的进一步进化,诺斯罗普的低 RCS 设计创意哲学导致了B-2这种奇异的外形。这种创意使飞机的隐身向两个不同的方向发展,平板RCS的原理是:RCS可以是最大的,也可以是最小的。而在B -2飞机上,实际上所有的表面都是曲面的,也能使雷达波散射达到最小。

B-2在隐身材料中应用了被动和主动雷达隐身技术,飞翼的前后缘采用玻璃纤维等混合织物,以六角形蜂窝夹心结构作内衬壁,其夹心内腔部分中空,封闭有可吸收电磁波的易电离介质。此外,在夹芯壁上涂覆铁氧体等吸波涂层材料,在前后缘外表面涂敷一层含少量镍钻铁氧体的雷达吸波涂料,可间接衰减电磁波。当雷达波照射到飞翼表面时,首先会被蒙皮吸收一部分,其余进入六角蜂窝夹心被吸收或改变原有特征、进一步减小雷达反射截面。

B-2还有可能对机腹起落架舱门和座舱等局部 RCS 反射较大的活动部位进行开式等离子隐身。B-2上大功率电源是采用电压差超过20 万伏的高压静电发生器,如范德格拉弗式发生器。这是一种靠对橡皮带摩擦产生电荷的机械装置,曾在 F-16 改型机上进行过试飞。装在机翼端的两台发生器可对机体结构充正电荷,而接地线(通向自由空气的导线)可获得电子,从而电离空气等介质产生等离子体云。


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另外,B-2采用的喷气发动机带有特殊装置,其装置可在发动机燃气流中掺入负离子以干扰火焰的静电平衡,同时向前缘充以正电荷。在尾喷管出口处安装电荷收集器时,还可同时回收一部分注入燃气流中的电子,结果得到两方面的效益:一是在燃气流中加入负离子,可以降低气动力加热;二是回收的电子可以重新注入燃气流。这一系统由一名美国物理学家汤姆斯•T• 布朗在1952年研制试验成功,1957年取得专利。

B-2隐身轰炸机所载的ZSR-63电子战设备也是一种主动有源对消系统,它主动发射电磁波来消除照射在其机体上的雷达能量,大大降低了自身的RCS。

除上述各种主/被等隐身技术外,B-2等隐身飞机还装备被动雷达等探测装置。该雷达在被动态工作,用来探测来自各个方位的辐射源,确定其位置和威胁范围,并在显示器上标出来,提醒飞行员采用合理的飞行航路飞行规避,减少被发现的概率。

由于隐身技术在现代高科技战争中具有巨大的军事优势和潜力,因此世界各国都十分注重发展隐身技术。美国从80年代初至今已经发展了三代准隐身飞机及其他各种准隐身飞行器(以 RCS 小于0.5 平方米为标准)。从80年代初采用吸波涂料和金字塔状多面体组合外形结构布局,以牺牲航程载荷及机动性而换取正前方±30°夹角低 RCS的第一代隐身攻击机F-117,到90年代初采用无尾飞翼气动布局,以多种主/被动复合隐身方式(包括外形隐身技术、材料隐身技术、主动有源对消技术、等离子隐身等多种隐身技术相结合的复合方式)实现大航载,全向隐身第二代远程重型战略轰炸机B-2;以及发展到今天的使隐身性能和机动性能较好的统一(隐身/气动一体化优化设计技术),同时向着低成本、易维护方向发展的先进的隐身战斗机 F-22、F-35。短短的二十多年的时间里,隐身技术及其相关领域技术就取得了飞速发展。

对隐身战机的思考

从西方到东方,在神话传说中,具有隐身魔法的刺客从来都颇受王族重用。究其原因,在于隐身刺客能够在无人察觉之间一举杀掉敌方的王或重臣,从而重创敌军的指挥中枢。在现代战争中,隐身战机充当的正是这一角色。


东征西讨,几度荣辱


在1989年美军入侵巴拿马的行动中,6架 F-117A 攻击机奉命出击,其中2架向巴拿马军营投下数枚千磅激光制导炸弹,揭开了隐身战机作战的序幕。无论从攻击目标还是整个入侵行动的最后战果上看,F- 117A的参战都有几分“杀鸡用牛刀”的意味。然而,一些敏锐的军事观察家随后大声疾呼:隐身战争即将来临!不错,以使用隐身战机为标志的新空中作战时代悄无声息地在20世纪80年代最后一个年头开启,并很快把“沙漠风暴”作为其登上辉煌顶峰的舞台。


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1991年1月17日凌晨多国部队空袭正式发动前9分钟,一架F-117A攻击机潜入伊拉克南部领空,投下两枚千磅激光制导炸弹,摧毁了一个防空指挥中心。而另一架F-117A以同样的方式攻击了伊西部的另一个防空指挥中心。两架战机均全身而退。在此后38天的空袭行动中,42架F- 117A攻击机以单架出击的形式穿梭在伊拉克夜空,轮番打击巴格达市内的重要目标。据统计,海湾战争期间F-117A承担了空中精确打击任务的40%,投弹2000余吨,无一受损。

战后,有好事者经过计算得出了这样一个有趣的公式:1架F-117A出击1次的作战效果=45架B-17出击100次的作战效果。很不幸,作为隐身战机,F-117A的作战能力被人为地“神话”了。一时间,美国人、美国的朋友,甚至美国的敌人都开始不断地重复这样一种“错觉”:隐身战机是不可战胜的。直到8年后的3月27日,北约一架空袭南联盟的F-117A被“神秘”击落(个中原因至今仍众说纷纭),人们才恍然大悟:隐身战机也不过如此。


潜在的威慑


就在世界媒体不断炒作“F-117A击落”事件的同时,很少有人注意到另一种更具威力的隐身战机——B-2的初露锋芒。行动中, B-2 隐身轰炸机从美国本土起飞,奔袭数千公里,在南联盟防空火力圈外投下“杰达姆”制导炸弹。显然,这样的打击比F-117A的“单刀赴会”更加安全,也令南联盟更难防范。如果不是因为B-2数量少且比较“娇贵”,其完全有能力成为空袭的主力。事实上,不要说南联盟这样的国家,即便是一贯以防空力量著称于世的俄罗斯,对付B-2亦比较吃力。而对于那些有可能成为美国对手的国家来说,B- 2的隐身能力和远程打击能力不仅是战术上的威胁,有时更可以上升到战略层面。为了应对B-2,这些国家往往要花费大量的财力、动用大量的人力物力去构筑和更新自身的防空网。这样的花费有可能超过B-2研制采购费用(445亿美元)的数倍,如果再遇上国内收支不平、经济状况不良等状况,无疑会被拖入高额军备竞赛的无底深渊,甚至重蹈苏联解体的覆辙。

如今,随着F-22的批量服役,美国开始逐步具备在战术打击层面上大规模使用隐身战机的能力。该机在综合性能上已非 F-ll7A 所能比及,应用上比 B-2 更加灵活。在空战中, F-22 可利用数据链保持电磁静默,以其优异的隐身能力大大压缩敌方战机的雷达探测距离,先敌攻击。美国空军曾宣称1架 F-22 顶15架 F-15,其自信可见一斑。在对地攻击时, F-22 的隐身性能配合超音速巡航、防区外武器投放等能力,足以对其他各国的防空系统也提出更加严峻的挑战。

再进一步说,无论各国怎样发展和构建具有反隐身能力的防空网,对于拥有隐身战机的一方来说,其始终掌握着进攻的主动权。面对这种不对称的潜在威慑,一味地防御显然不是最佳解决之道。唯有具备与对手相同或相近的隐身打击手段,才能真正保卫本国的领空安全。


路在何方


从F-117A到F-22,隐身战机至今已发展了三代。今后,随着等离子等新一代隐身技术的成熟以及隐身技术的门槛的降低,隐身战机将不再是美国的一家独有,欧洲、俄罗斯甚至印度等国有可能研制或装备具有相当隐身能力的作战飞机。那么,如果未来战争的双方都拥有隐身战机,空中和防空作战将会呈现怎样的一种情况?今天的军事专家们为此也做出了种种预测:有人认为,由于互相都无法在远距上发现对方,未来隐身战机之间的空战将由视距外攻击重归近距格斗;也有人认为,反隐身技术的进步将使隐身战机突入敌方重镇的外科手术式打击成为历史。但无论怎样,世界军事史上所发生的诸多事实都证明了这样一个真理:没有一种武器是无敌的,作为常规兵器的隐身战机亦不例外。破除对隐身战机的恐惧,正视隐身战机的威胁,同时加紧本国隐身战机技术的研发,也许这才是一个发展中大国的明智之举。


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