高速飞行器的隐身技术现状及其发展

作者：海军大连舰艇学院 刘振兴 姜宁

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 摘要：探讨了等离子体隐身技术基本特征、技术途径以及战术运用等，介绍了雷达隐身、红外隐身等几种常见的隐身技术，简要分析了未来隐身技术的发展趋势及其对未来战争的影响。 关键词：等离子体飞行器隐身 在现代战争中，为了提高武器系统的生存和突防能力，隐身技术成了最关键的技术之一。隐身是用于描述"减少目标特征信号"的一个专用术语，飞行器的隐身主要是减缩目标的雷达散射截面和降低发动机排气口的红外辐射等，它不仅决定了作战飞行器的生存能力，而且还是确保战争中先敌发现、先敌攻击的重要条件。隐身技术的出现和应用对各种防空探测系统和防空武器系统是一个严峻的挑战，也是航空和电子战领域中的一大突破。随着隐身技术的发展，新的隐身材料以及新的隐身机理的提出更为隐身技术指出了更广阔的发展空间。 一 、等离子体隐身技术 所谓等离子体就是指任何不带电的普通气体在受到外界高能作用后，部分原子中的电子吸收的能量超过原子电离能后脱离原子核束缚而成为自由电子，同时原子因失去电子而成为带正电的离子，这样原中性气体因电离将转变成由大量自由电子、正电离子和部分中性原子组成的与原气体具有不同性质的新气体，但在整体上仍表现为近似中性，称这种气体为等离子体。等离子体是继物质存在固体、液体和气体三种状态之后出现的第四态物质。它是一种非平衡（即不太稳定，低温下较稳定）的物质存在状态。它的产生和运动主要受电磁场力的作用和支配。 等离子体隐身技术是利用等离子体对电磁波具有绕射和吸收能力的特性，回避雷达探测系统的一种技术。实验证明，应用该技术可使一个13cm长的微波反射器的雷达散射截面在4~14GHz频率范围内平均减小20dB，即雷达获取的回波能量减少到原来的1%。等离子体技术的关键是在飞行器的飞行环境下在其周围产生等离子云团，且对等离子体能量、电离度、振荡频率和碰撞频率等特征参数进行设计，使其能满足对雷达波的吸收和绕射的特定要求。 自20世纪60年代起，美国和俄罗斯等军事强国就开始了等离子体吸收电磁波性能的研究。20世纪80年代，俄罗斯最早开始进行等离子体在高空超声速飞行器上的潜在应用研究。近几年来，俄罗斯在等离子体技术方面取得了突破性的进展，已经领先于美国。 等离子体隐身技术作为一种全新的隐身手段和方法，一出现就显现出了强大的生命力，与传统的被广泛采用的外形和材料隐身技术相比，等离子体隐身技术具有如下独特的优点： （1）改变了常规隐身技术的被动实现手段，采取了主动控制方法实现隐身，使隐身系统便于维护。 （2）无需改变飞机等装备的气动外形设计，由于没有吸波材料和涂层，维护费用大大降低。既能延长现役的老装备的服役周期，又能基本满足现代战争要求。 （3）俄罗斯的实验证明，利用等离子体隐身技术不但不会影响飞行器的飞行性能，还可以减少30%以上的飞行阻力。 （4）使用简便，等离子体可做成能快速开、关的隐身系统，在通信或雷达系统尚未发送或接收时，通过快速打开等离子体，将能覆盖电磁波传输系统。 （5）等离子体的隐身效果随雷达波波长的增加而增加，而涂层隐身材料的隐身效果随波长的增加而降低。这种隐身技术不仅解决了吸波涂层厚度和质量方面的局限性，具有吸波频带宽，吸收率高，隐身因素多且效果好等优点，而且能满足高反射局部需求，尤其适用于导弹的隐身。 （6）使用周期长，造价相对低廉，维护费用低。 另外，当有磁场存在时（即使很弱，如地磁场），在等离子体中传播的电磁波只要在磁场方向上有分量，则电磁波的极化方向就会产生所谓的法拉第旋转，从而使敌方雷达接收到的回波与其发射波的极化方向不一致，导致极化失真。等离子体的这种特性可用来对威胁雷达实施无源电子干扰。 存在的主要问题：一是飞行器安装等离子体发生器的部位无法隐身；二是所需电源功率很高，设备庞大；三是很难控制。因此，在满足对等离子体包层厚度的要求下，必须降低等离子体发生器的电源功率和减小设备体积。 二、 隐身技术发展的现状及几种常见的隐身技术 随着军事高技术的迅猛发展，世界各国防御体系的探测、跟踪、攻击能力越来越强，陆、海、空各兵种地面军事目标的生存能力以及武器系统的突防能力日益受到严重威胁。为了提高国防体系中军事目标的生存力与武器系统的突防和纵深打击能力，发展和应用隐身技术成为国防体系发展的重要方向。以美国为首的各军事强国都在积极研究隐身技术，并取得了长足的进展。 现有的隐身技术以雷达隐身为主，以红外、光学和声波隐身为辅。 1. 雷达隐身 雷达隐身是目前隐身飞行器采取的主要措施。它通过外形设计和采用吸波材料或吸波结构材料来大大降低飞行器的雷达散射截面积。 （1）外形隐身 飞行器的外形对飞行器的雷达散射截面积影响最大，所以隐身飞机的外形设计是隐身的主要措施，并被证实确实有显著的效果。任何一架隐身飞行器都是一个复杂的形体，虽然可将其分解成十多个主要的和几十个甚至上百个较小的形体，先分别计算出它们每个形体的雷达散射截面积，再进一步得出整个飞行器的雷达散射截面积，但每个典型形体的雷达散射截面积都随着雷达波的入射方向、波长和极化方向变化而变化，且各个小形体之间还存在雷达波的相互干扰。所以整个飞行器的雷达散射截面积的计算过程十分复杂。 计算机技术的飞速发展，使得这种复杂的计算能够在较短时间内完成。现在美国、俄罗斯等一些国家已能够模拟和评价各种各样的隐身外形，从而研究出和不断完善减缩雷达散射截面积的各种方法，并建立一定的设计规范。 （2）材料隐身 雷达吸波材料的应用是实现隐身的主要技术性措施之一，也是隐身技术中研究的主要内容。由于气动方面的限制，飞行器的许多部件无法采用外形隐身，只能在这些部件上采用雷达吸波材料来减缩雷达散射截面积。雷达吸波材料主要有两种：涂敷型雷达吸波材料和雷达吸波结构材料。其应用形式有：索尔慈波里屏蔽层、蜂窝和开放式网状结构、梯度多层吸波、达伦巴奇层、电路模拟吸波、乔曼吸波和导电高分子吸波等。 2. 红外隐身 各种导弹的制导、红外预警机的侦察及高能束拦截器的瞄准等都离不开红外探测。军用红外探测系统可分为主动式和被动式两类。前者与雷达相似，首先必须用辐射源照射目标，然后探测反射回来的辐射；后者本身不发出辐射，只是接受由目标产生的辐射。目前各国军用红外探测系统主要为被动式，因此，针对被动式红外探测系统的反红外探测技术是当前红外隐身技术的重点。红外隐身技术隐的信号是目标的相对辐射能量和红外辐射特征，为达到这一目的，红外隐身技术主要采取降低辐射强度、改变辐射特征及调节红外辐射的传输过程3条技术途径。 任何高速飞行器都有强红外辐射，一般情况下主要存在3种强红外辐射源： （1）发动机尾喷口及其热部件。发动机尾喷口是飞机上最强的辐射源，它是第一代红外制导的空-空导弹所追逐的主要目标。发动机尾喷口温度在900~950K左右，发动机部位蒙皮的局部温度也高达500~700K。 （2）发动机尾喷流。发动机尾喷流是高温的燃气，其主要成分是二氧化碳和水蒸气，辐射波段为2~3Lm和4~5Lm。其中二氧化碳在波长4.3Lm处有一强烈的窄带辐射，是第二代红外制导的空-空导弹所追逐的目标。 （3）飞行器蒙皮由于气动加热而引起的红外辐射。对于高速飞行器来讲，其飞行速度越快，飞行器蒙皮产生的红外辐射强度越高，当马赫数高于2时，蒙皮温度高达500K以上，其红外辐射峰值处于3~5Lm。该辐射是现代近距格斗型红外制导空-空导弹追逐的目标。 因此针对高速飞行器的红外隐身技术主要用于控制其发动机、尾喷流及蒙皮上的热辐射。针对以上三种飞行器的强红外辐射源，目前采取相应的红外隐身措施主要有： 采用气溶胶屏蔽发动机尾烟的红外辐射，即将含有金属化合物微粒（一般直径为1～100*9滋m）的环氧树脂、聚乙烯树脂、氨基甲酸乙酯树脂和硅硐树脂等发泡高分子物质的物流随发动机尾喷流一起喷到外部空间，遇到冷空气后雾化凝合成蒸气，在空中形成悬浮状泡沫塑料微粒。 采用有源自适应冷却系统，使飞行器蒙皮温度随环境温度变化，并保持两者的温度差恒为零，以使红外探测系统无法探测到目标。目前该系统尚未应用，是今后的重要发展方向。采用新型雾化喷嘴，改进燃烧室设计，使燃油充分燃烧，减少发动机排烟量，从而减弱排气的红外辐射。 加装发动机红外抑制器（一般只用于直升机），或引入冷空气与发动机排气掺杂以降低排气温度。 采用隔热、吸热材料，抑制飞行器表面温度的升高，从而减弱机体的红外辐射。 在燃油中加入特殊的添加剂，以减弱排气的红外辐射或改变红外波长。 采用二元喷管，可以有效地滤除90%的红外辐射。 尾喷管处采用遮挡结构，遮挡或屏蔽红外辐射。 采用红外辐射弱的涡轮风扇发动机。 三 、 隐身技术的发展趋势 1．未来的隐身材料 传统的隐身材料以强吸收为主要目标，新型的隐身材料要求满足"薄、轻、宽、强"，而未来的隐身材料则应满足多频谱隐身、环境自适应、耐高温、耐海洋气候、抗核辐射等更高要求，以适应未来战场的需要。其中多频谱隐身材料与智能型隐身材料将成为隐身材料的两个主要发展方向。 （1）多频谱隐身材料 迄今为止的隐身材料都是针对厘米波雷达（2~18GHz），而先进的红外探测器、米波雷达、毫米波雷达等先进探测设备的问世，要求隐身材料在不久的将来要发展成为能够兼容米波、厘米波、毫米波、红外、激光等多波段电磁隐身的多频谱隐身材料。单波段隐身材料在未来将不再具有实战意义。在同一目标上使用的材料不应该再是单功能多层结构，而希望采用多功能材料，实现四个或五个波段的多功能隐身材料一体化设计。 （2）智能型隐身材料 智能型隐身材料是一种具有感知功能、信息处理功能、自我指令并对信号做出最佳响应的功能的材料系统或结构。目前这种新兴的智能材料和结构已在军事和航空航天领域得到了越来越广泛的应用。同时这种根据环境变化调节自身结构和性能，并对环境做出最佳响应的概念，也为隐身材料和结构的设计提出了一个崭新的思路，使智能隐身目标的实现成为可能。 2. 应用微波传播指示技术 微波传播指示技术是利用计算机预测雷达波束在不同大气条件下传播发生畸变所产生的"空隙"和"波道"，使突防飞行器在雷达覆盖区的"空隙"、"盲区"和"波道"外飞行，以避开敌方雷达的探测，从而顺利地实现突防。美国海军航空兵司令部和英国费兰蒂计算机有限公司对微波指示技术进行了深入的研究。 3. 应用仿生技术 实验证明，海鸥虽与燕八哥的形体大小相近，但海鸥的雷达散射截面积比燕八哥大200倍。蜜蜂的形体小于麻雀，但它的雷达散射截面积比麻雀大16倍。有关科学家正在研究这些现象，试图采用仿生技术，寻求新的隐身技术。 四 、结束语 目前，世界上许多国家和地区都在研究和发展飞行器的隐身技术，研制隐身或部分隐身飞行器，对现役的非隐身飞行器进行隐身改装等。隐身技术的出现打破了世界各国现有的攻防平衡，显著地提高了作战平台（进攻平台和防护平台）的效能，增强了电子作战能力，提高了目标的生存和突防能力，是当今世界各国重点发展的国防高科技。隐身技术正在向着综合运用、权衡隐身性能和其他性能、扩展频率范围和应用范围、降低成本等方向发展。我国在飞行器隐身技术的预研工作上已进行了多年探索，取得了一定成果，有的方面已达到实用水平。从现在周边环境的发展趋势来看，我国的军用飞行器在未来的作战环境中将面临严峻的挑战。因此，必须加大力度研究发展高性能的隐身飞行器。 参考文献 1谭显裕.电光与控制,1997,1 2方绍强.飞行器等离子体隐身技术. 现代防御技术,2005,4 3美国AD报告.The IR Missile Counter measures,AD-A286117 (end)

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