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超声速飞行器隐身技术发展趋势分析

摘要:介绍了美国超声速飞行器发展现状及趋势,并针对超声速飞行器对突防能力的需求,分析了超声速飞行器对隐身技术的使用需求。根据超声速飞行器的自身特点,以及现代隐身技术的发展趋势,对未来可应用于超声速飞行器的隐身技术及其发展趋势进行了总结。

超声速飞行器隐身技术发展趋势分析

F-22战斗机引言

作为现代飞行器发展的一个重要方向,超声速飞行器以其速度优势以及明显的军事应用价值,早已受到了世界各国的重视。相比于传统亚声速飞行器,超声速飞行器往往可拥有飞行速度快、突防能力强、打击精度高、反应迅速等优点,既可以应用于对高价值军事目标的快速打击任务,又可以很好地应用于对时敏目标快速精确打击任务。随着气动外形设计技术、材料技术、发动机技术、控制技术等技术的不断发展,超声速飞行器在最近几十年发展迅速,并已取得了一系列成果。

同样地,随着近年超声速飞行器的研制与装备,作为攻防对抗中的另一方,超声速飞行器防御技术也已受到了各主要军事大国的高度重视。随着防御技术的发展,部分国家已逐步建立起对超声速飞行器具有拦截能力的防空反导体系,并已通过一系列试验验证了其对超声速飞行器的拦截能力。因此,随着现代防御技术的持续发展,超声速飞行器的安全突防也必将受到越来越严重的挑战与威胁,必须着眼于现在及未来潜在的拦截威胁,采取必要的技术措施,尽可能地提升其突防能力,而隐身技术则是其中一项极为重要且效果显著的技术手段。

2超声速飞行器发展现状

二战结束后,美苏等国就已开始了对超声速飞行器的研究,但由于战略发展方向的偏重有所不同的原因,美苏等国超声速飞行器的研制与装备现状有着较大的差异。下文将主要从超声速飞航式导弹及超声速军用飞机方面进行介绍。

,由于在20世纪70年代之前偏重于对战略弹道导弹的研制与装备,所以对巡航导弹的研制项目起步较晚,且基本为亚声速巡航导弹,并未装备超声速巡航导弹。20世纪末至21世纪初,美国虽然启动了一些超声速巡航导弹研制计划,但最终因研究成本或技术风险等方面的原因,不得不予以放弃,比如JSSCM[1],LRASM-B[2] 等。尽管如此,美国在超声速飞航式导弹方面的技术基础仍是十分雄厚,于20世纪四五十年代就已研制并装备了超声速面空导弹,比如黄铜骑士舰空导弹[3]等。而在军用飞机方面,美国先后研制并装备了SR-71高空高速侦察机、F-22战斗机等多型具备超声速巡航能力的著名军用飞机。其中,SR-71具有一定的隐身能力,F-22则采用了大量先进隐身技术,具备优异的隐身性能。 二战结束后,苏联(俄罗斯)海军战略是优先发展战略核潜艇,以潜艇和超声速反舰导弹对付美国航母。因此,苏联(俄罗斯)经过几十年的努力,研制并装备了多个系列超声速飞航式反舰导弹,比如玄武岩、花岗岩、白蛉、宝石等[4]超声速反舰导弹。虽然由于苏联解体等原因,超声速导弹项目基本被中止,但随着21世纪初俄罗斯经济的复苏,其超声速导弹研制进程得以继续,并开始在其中应用隐身技术,进一步提升其突防能力。在军用超声速巡航飞机方面,俄罗斯则要落后于美国,其第五代战机T-50,不仅在研制进程上明显落后于美国,而且在战机的整体性能以及隐身性能方面,从外界的评价来看,很有可能也要逊色于美国的F-22。此外,世界其他军事大国也都有超声速飞行器研制计划,或者已装备有超声速飞行器。比如,法国独立研制的中程超声速空对地导弹ASMP-A,其飞行速度可达马赫数3,射程可达600km;在宝石超声速反舰导弹基础上,俄印联合研制的布拉莫斯超声速反舰导弹,能够实现从陆、海、舰、空多种平台发射,并能够实现掠海突防,是一种性能先进的现代超声速反舰导弹;欧洲MBDA公司2011年对外公布的英仙座超声速巡航导弹项目[1],预计将于2030年左右问世。

超声速飞行器隐身技术应用需求分析

随着超声速飞行器技术的发展与日益成熟,超声速飞行器防御技术早已受到了各国的重视。经过数十年的发展,世界主要军事强国特别是美国,已逐步具备了对超声速飞行器的拦截能力,甚至是对超低空突防超声速巡航导弹的超视距拦截能力。比如,美国的THAAD系统、爱国者系列地空导弹、标准系列舰空导弹,俄罗斯的S-400防空导弹系统等等,均具有一定的对超声速飞行器拦截能力。据新华美通2015年6月17日报道,美国海军陆上模拟舰发射了1枚雷锡恩公司的标准-6导弹,对一视距之外的超低空突防中程超声速目标进行拦截,并成功击中该模拟超视距威胁的目标。

超声速飞行器隐身技术发展趋势分析

标准-6作战示意图

针对现代以及未来防御系统拦截威胁,如何继续保持超声速飞行器突防能力优势,已成为各国在发展超声速飞行器过程中共同关注的问题。而隐身技术作为一项重要的突防技术手段,已逐渐应用到超声速飞航导弹以及超声速飞机的研制之中,可以大大缩短防御系统的预警时间,提升其拦截难度,降低其拦截概率。

相比于亚声速飞行器,超声速飞行器在受到雷达或者红外探测器的探测时,其目标特征信号以及被发现距离、被识别概率、被跟踪稳定性等存在着不同程度的差异。由于飞行速度快,超声速飞行器的雷达目标回波信号有着更为明显的多普勒频移,一方面会更有利于雷达从杂波信号中识别出目标回波信号,使得雷达对其发现概率增大;另一方面则会导致窄带雷达信号出现频谱展宽,宽带雷达信号匹配滤波速度失配,从而对目标探测造成一定障碍。同时,较大的飞行速度和较强的机动性也会对探测系统对目标飞行轨迹的预测、稳定跟踪产生不利影响。但从目前探测技术水平及发展趋势来看,解决这些探测技术问题的难度并不太大,未来探测器必然能够具备对非隐身超声速飞行器足够的探测、跟踪能力。

此外,对于高空突防的超声速飞行器,地面或舰载雷达对其视距较远,最远可达数百公里;由于飞行速度快,气动加热比较显著,超声速飞行器往往会有着比较明显的红外辐射特征,很可能在较远的距离被红外探测器捕获。因此,对于远程超声速飞行器,如果不采取隐身措施,在其突防过程中,很可能会受到严重的预警探测威胁,在足够远的距离被对方探测器发现,从而受到对方防御系统的拦截威胁。

因此,现代以及未来用于实战的超声速飞行器除了足够快的速度和足够高的机动性外,很可能还需拥有足够高的隐身性能。从目前已有的超声速飞行器外形来看,特别是外露式进气道截面尺寸较大的超声速飞行器,其前向RCS有可能达到5m2以上,而现代先进远程预警雷达对其探测距离则可达450km左右。但如果采取隐身措施,使其RCS降低10~20dB,那么,超声速飞行器可被雷达发现的距离将降低为140~250km,被发现范围大大减小,突防效能将大大增加。此外,当超声速飞行器采取隐身措施时,还会使得防御方的探测、拦截成本大大增加,从而取得更为丰厚的“效益”。总之,隐身技术应用于超声速飞行器,不仅可以大幅提升飞行器自身突防效能,还能够增加防御方的防御难度和成本,具有很高的军事应用价值。

表1 RCS减缩对雷达探测效能影响

对于防御系统,从发现目标到发射防空导弹拦截目标,必须需要一定的预警时间,且可用的预警时间越短,拦截难度越大,甚至无法对目标实施拦截。对于超声速飞行器,可以通过降低RCS和增大飞行速度来减小防御系统预警时间,2 目标探测距离为450km,忽略飞行器飞行高度、环境温度等因素的影响,该雷达对飞行器预警时间随RCS、飞行马赫数变化的主要趋势关系如图1所示。从图中可以发现,当RCS降低时,防御系统的预警时间会明显地减少。特别是对超声速飞行器常用的马赫数2~4的巡航速度范围,如果不采取隐身设计,防御系统的预警时间可能高达500s以上,超声速飞行器有受到多次拦截的可能;如果采取隐身技术使其RCS达到0.01m2,防御系统的预警时间将会降至150s甚至75s以下,超声速飞行器可能因此而并不会受到有效拦截。因此,隐身技术可以大大提升超声速飞行器的突防能力,且在超声速飞行器的设计过程中,必须综合考虑实际作战使用需求与飞行器自身的速度性能等因素,合理确定隐身性能指标,以期达到最佳突防效果。超声速飞行器隐身技术发展趋势分析

预警时间(单位:s)随RCS、马赫数变化主要趋势关系 未来超声速飞行器隐身技术发展趋势

国外超声速飞行器为提高突防能力,已经陆续采用包括外形和材料隐身技术在内的雷达隐身设计技术,隐身化已经成为国外超声速飞行器的一个重要发展方向。比如,美国的先进超声速隐身战斗机F-22,其外形采用了隐身外形技术,机身表面、进气道内部、发动机尾喷管采用了吸波涂层技术,天线罩采用了FSS天线罩技术等;法国20世纪90年代开发的ASMP超声速空对地导弹,弹体表面采用了耐高温吸波涂层技术,弹翼和一些雷达波强反射部位采用了吸波材料技术;俄印联合研制的布拉莫斯导弹基本型,其弹体表层涂有新型雷达吸波隐身材料,增强了导弹的隐身性能。

与亚声速飞行器相比,超声速飞行器对气动外形要求相对比较苛刻,气动加热更为明显,气动载荷也有明显的区别,这就导致超声速飞行器与亚声速飞行器在应用隐身技术方面也有着明显的区别,使得超声速飞行器很难直接广泛采用现有隐身技术。随着超声速飞行器的发展及其对隐身技术需求的提出,超声速飞行器隐身技术已成为隐身技术发展的一大重要方向。近年来,国外虽然已开展了超声速飞行器隐身技术的研究,并取得了一定的研究成果,但仍然还存在着很多问题有待解决。根据超声速飞行器本身特点、隐身技术体系以及隐身设计需求,可应用于未来超声速飞行器的隐身技术很可能会包含以下几个方向。

4.1隐身外形技术

隐身外形技术在很大程度上决定了超声速飞行器的隐身性能。隐身外形设计的难点主要在于解决与气动、结构、动力等之间的矛盾,需要予以必要的取舍并进行必要的综合优化设计。

对于超声速飞行器乃至高超声速飞行器,简洁、流畅的气动外形设计,机翼以及弹翼的大后掠角设计,翼身融合、边条翼布局设计,为减小气动阻力而采取的尖劈或者尖锥外形设计等等,刚好与隐身外形设计“不谋而合”,而隐身外形技术中合理的非圆截面设计也并不会对气动性能产生严重的不利影响。因此,在超声速飞行器上应用隐身外形技术是存在很大可行性的,并有取得优异隐身性能的潜能。

超声速飞行器隐身技术发展趋势分析 SR-72外形

但需要指出的是,超声速飞行器的进气道设计将会是气动设计与隐身外形设计过程中需要重点解决的一大难题。超声速飞行器一般多采用外露式进气道,以保证足够的进气效率,而外露式进气道往往会在前向产生很强的散射波峰,必须要对其采取隐身设计。但由于超声速飞行器的流场特征以及较为苛刻的推力要求,采用隐身外形设计中的埋入式进气道或者S型进气道的技术难度较大,因此,超声速隐身进气道设计很可能将会是超声速飞行器隐身外形设计技术中的一个重要研究方向。

4.2

吸波材料和吸波结构是隐身设计技术中的另一种重要技术手段,常常是在隐身外形设计的基础上进一步降低RCS散射强度的必要措施,也是对一些强散射源的必要控制手段。比如翼类前缘等结构的边缘绕射、进气道等的腔体散射、机身或弹身表面的行波散射等等,都有可能需要用吸波材料或吸波结构进行控制。

由于超声速飞行器的表面温度很高,甚至可达到600℃以上,且气动载荷相对较大,因此除了要求吸波材料与吸波结构必须具备良好的吸波性能之外,还需拥有足够的耐高温性能和力学性能,以保证不被高温气体烧蚀,以及在高温条件下良好的吸波性能。目前,国外耐高温吸波材料研究的主流方向是SiC陶瓷基雷达吸波材料,其耐受温度最高可达1000℃。

国外对耐高温吸波材料与吸波结构的研究起步较早,发展较为成熟,已在多型飞机和导弹上进行了应用,且RCS减缩效果良好。比如美国研制的隐身/防热/承载一体化功能的陶瓷基雷达吸波材料,在8GHz~18GHz频段内材料反射率可达-10dB,并可耐受1000℃高温。

超声速飞行器隐身技术发展趋势分析

应用陶瓷基耐高温吸波材料的F-35尾喷管4.3耐高温隐身天线罩技术

无论是对于亚声速还是超声速飞行器,雷达舱都是一个十分重要的散射源,很可能会对飞行器的前向RCS产生十分显著的影响。一方面,由于雷达天线收发电磁波的需求,要求天线罩必须具有良好的透波性能;另一方面,为避免防御方雷达发射的电磁波透过天线罩进入雷达舱,产生明显的后向回波散射,要求天线罩能够尽可能地屏蔽或者吸收电磁波。因此,应用于超声速飞行器的天线罩不仅需要解决耐高温问题,还需要解决透波性能与屏蔽或吸收电磁波性能之间的矛盾。

超声速飞行器隐身技术发展趋势分析

目前国外相对比较成熟的一项先进隐身天线罩技术是在天线罩结构中应用频率选择表面(Frequency Selective Surfaces,FSS),比如F-22战斗机的雷达天线罩等。频率选择表面是具有空间滤波特性的新型功能薄膜材料,在雷达工作频带内高效透过雷达波,实现雷达的正常探测、制导功能;在工作频带外反射雷达波,利用雷达头罩的外形特征将雷达波偏离主要威胁方向,实现雷达舱带外隐身。

另外一种实现天线罩隐身的技术途径是可控天线罩技术,即通过一定的控制手段,使得天线罩能够在透波状态和屏蔽或吸收电磁波状态之间自由转换,从而实现在雷达不工作情况下的雷达舱隐身。实现天线罩可控的技术途径有很多,但在超声速飞行器上应用过程中,除了需保证天线罩的转换效率、透波状态下的透波率、隐身状态下的隐身效果、天线罩的重量增加外,还必须保证相关材料与设备拥有足够的耐高温性能和力学性能。

超声速飞行器隐身技术发展趋势分析

某频率选择表面对不同频率电磁波透过率曲线[5]4.4等离子体隐身技术

研究发现,等离子体具有良好的吸收和偏转电磁波的性能,可以大幅降低电磁波的后向散射,即大幅降低目标RCS。因此,可以利用等离子体发生器,在超声速飞行器主要雷达散射源部位产生等离子体,实现RCS的大幅减缩。比如对雷达舱、外露的发动机进气道腔体等强散射源的RCS减缩等,且在高空条件下,当飞行马赫数较高时,等离子体的产生和维持也更为容易,对等离子体隐身技术的应用也更为有利。

等离子体发生器产生的等离子体可以很容易地实现控制,而且可以比较方便地根据实际需求对某些重要散射源RCS进行减缩。但使用等离子体发生器所带来的重量、体积增加问题,目前还是比较难以接受的,这也是现阶段各国在等离子体应用技术研究过程中重点解决的问题。

目前俄罗斯在等离子体隐身技术方面的研究处于相对领先的地位,并已成功的在其战斗机上进行了验证,并取得了很好的RCS减缩效果。

4.5超材料隐身技术

超材料是通过远小于波长的电磁谐振单元构成具有任意等效电磁参数的人工材料或结构。超材料的电磁属性可以通过改变基本电磁谐振单元灵活地控制,即可以通过人工设计来决定超材料的电磁特性,具有很多常规隐身材料与结构所无法拥有的性能。比如,电磁波反常反射的特性,超材料可以通过设计人为决定对入射电磁波的反射方向,从而能够在不改变飞行器外形的情况下,减小电磁波的后向散射;对不同频率电磁波的选择性透过性能,前文提到的隐身天线罩中应用的频率选择表面实际上就是这一种超材料;优异的宽带吸波性能,相对于传统吸波材料,超材料吸波材料可以拥有更宽的吸波带宽以及更好的吸波效果,特别是在低频频段仍可以实现良好吸波效果;优异的宽带透波性能,超材料透波结构能够实现在宽频段上的高电磁波透过率,可以很好地应用于透波部件或吸波结构的设计。

超声速飞行器隐身技术发展趋势分析 非镜面反射超材料表面示意图

超材料隐身技术的研究最先于本世纪初由美国DARPA局启动,经过十多年的发展,已取得了一定的研究成果,并已初步应用到了现代作战飞行器上。作为一项新兴的且有着巨大发展潜力的隐身技术,超材料技术逐渐受到了各国的重视,其优异的电磁性能可以很好地满足未来作战飞行器隐身设计要求。而超声速飞行器相对比较苛刻的使用要求,也有可能通过超材料技术的发展得以实现。比如,在超声速飞行器气动外形难以改变的情况下,超材料技术的应用就可以使得其外形同时满足气动与隐身的双重需求等。

4.6红外隐身技术

由于自身气动热现象比较明显,发动机尾焰温度较高,特别是采取高空突防时,红外背景相对比较干净,红外衰减较小,超声速飞行器很可能会受到来自天基或者空基红外探测器的严重探测威胁。如果不对超声速飞行器的红外辐射特征进行控制,那么很可能会使其在较远的距离被红外探测器发现,从而使得雷达隐身设计失去其意义。

超声速飞行器红外隐身的实现技术途径有很多种,比如层流控制技术、主动冷却技术、红外隐身材料技术、红外隐身外形技术等。由于超声速飞行器在突防过程中,面临的主要红外探测威胁是前向和上方,也有可能在侧向,因此,在超声速飞行器的红外隐身设计过程中,可以对发动机尾喷管进行适当的遮挡,以降低喷管对前向及侧向红外辐射强度的影响;研制并选择新型燃料,采取内外流掺混等措施降低尾焰温度,以降低尾焰对侧向红外辐射强度的影响;采取层流控制技术减小阻力的同时较少气动热的产生,并结合主动冷却技术、红外隐身材料技术等,降低飞行器外表面对各个方向红外辐射强度的影响。

超声速飞行器隐身技术发展趋势分析

低辐射喷管实物图结束语

综上所述,超声速飞行器技术在近些年早已受到各国的重视,取得了迅速的发展,早已形成实战能力,且性能更为先进的超声速飞行器也正在研制之中。同时,超声速飞行器防御技术的研究也已受到了世界主要军事强国的重视,并逐渐对超声速飞行器具备了一定的拦截能力,在未来战场环境下超声速飞行器必然会受到更为严峻的预警探测以及拦截威胁。因此未来超声速飞行器很可能需要根据实际需求采取一定的隐身措施,以保证并提高其突防能力。

由于超声速飞行器在飞行参数、飞行环境等方面与亚声速飞行器有着比较明显的差异,超声速飞行器隐身技术与传统隐身技术有着比较明显的差异。虽然适用于未来超声速飞行器隐身技术的研究起步较晚,取得的研究成果并不多,并不能满足现在及未来超声速飞行器隐身设计需求,但从目前多方面的技术手段以及超声速飞行器发展现状来看,超声速飞行器隐身技术的实现与广泛应用并不是不可能的,采取隐身技术也必然会是未来超声速飞行器发展的一个重要趋势。

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