飞机的隐形技术

作者：南京航空航天大学 张靖周

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, ... 飞机实现隐形的途径 飞机的隐形技术主要体现在雷达和红外等目标信号的控制上。采用雷达隐形的飞机从外形上很容易识别，这类飞机主要通过优化外形设计来减小雷达反射截面，如美国的F－117A，整架飞机几乎由直线和平面组成，从而使雷达反射波集中于水平面内的几个窄波束，让敌方雷达不能得到足够的连续回波信号以确定其是否是一个实在目标。再加上发动机进气日、尾喷口、座舱盖接缝、起落架等部位的特别隐形设计，使其在雷达屏幕．L显示的信号比一只鸟在雷达屏幕上显示的信号还小。此外，美国的F－22、B－2、“科曼奇”等飞机都采用了“整形手术”。雷达反射截面极小。 雷达隐形与飞机的气动布局密切相关，而气动布局又直接影响到飞机的机动性 鱼与熊掌不可兼得，（飞机）要想具备真正的隐形能力，必须部分损失机动性；而要想具备真正的超机动性，必须损失一定的隐形能力。因此，设计师在设计时必须根据其具体的作战用途未确定选择何种设计。另外，也可采取折衷的办法，既具备一定的隐形能力，又具备一定的机动性。 在未来空战中，机动性与隐形化哪个更重要？ 对于作战飞机而言，机动性与隐形性都很重要。至于哪一个性能更为重要，要现飞机的作战使命和面临的作战环境来加以权衡。 等离子体隐形技术 等离子体隐形技术对缩减飞机的雷达散射面积还是很有作用的，特别是对长波而言。但是，等离子体隐形技术也存在其自身的一些弊端，如增加了机载设备的重量，在低空飞行时由于和空气的复合影响较大而降低了隐形效能等。我个人认为，等离子体隐形技术和其他隐形技术综合互补，会取得更好的隐形效果。 红外隐形 红外隐形主要是指抑制、削弱目标的红外辐射能量，从而使敌方导弹无法探测到。 从理论上讲，红外辐射实质上是波长从0．76－100微米范围内的热辐射，只要物体表面的温度高于绝对零度（-273度），总是存在将能量不断地从物体表面向外释放的这种热辐射现象。因此红外辐射是各类军事目标的固有特征，特别是飞机、火箭等飞行器一均具有很强的红外辐射源。红外辐射常按照波长分成四个区域，即近红外（波长范围0．76－3微米）、中红外（波长范围3－6微米）、中远红外（波长范围6－20微米）和远红外（波长范围20－100微米）。在前三个区域中都包含有对大气相对透明的波段，分别为 2－26微米、3－5微米和8－14微米三个大气窗口。所谓红外大气窗口是指对于红外辐射的传输而言，只有在对应于大气窗口的波段中的红外辐射才能透过，而在大气窗口之外的波段，相当一部分的红外辐射是难以透过大气的，这是因为构成大气的一些成份对某些波段的红外辐射有强烈的吸收作用，同时大气中悬浮的各种微粒的散射也使得红外辐射在传输过程中衰减。因此在红外制导导引装置中，红外探测器的工作波段必须落在大气窗口内。 在现代战争中，对飞机构成威胁的主要是各式导弹。那么是不是说红外制导的导弹，只要其工作波段在大气窗内就能打下飞机？ 当然不是，工作波段在大气窗口内只是一个前提条件。要想打下飞机，还必须看导弹探测器对 飞机红外辐射能量的探测能力。从 红外制导导弹的发展来看，20世纪50年代开始研制的第一代红外制导导弹（如美国的“响尾蛇” AIM－gB、英国的“天空闪光”等）均采用非制冷的硫化铅探测器，工作波段在l.3微米，作用距离近，在10－15公里高空对米格一29一类目标的作用距离一般为7－8公里，而且只能探测飞机的喷气发动机尾喷管的红外辐射。第二代红外制导导弹（1967年以后）扩大了全向攻击能力，可从目标的前方或侧向攻击目标，如美国的“响尾蛇”AIM- gL，法国‘马特拉”R550等，该类导弹的红外制导系统普遍采用制冷的锑化铟光敏元件，工作波段在3－5微米，其探测的目标主要是发动机尾喷管排出的高温燃气尾焰。第三代红外制导导弹采用红外焦平面阵列探测器的成像制导，探测元件为锑镉汞，可探测8－14微米的红外辐射，典型产品有美国的AGM－65D‘小牛”空地导弹，AGM－114A“海尔法”空地导弹等。红外成像制导技术具有在”各种复杂战术环境下自主搜索、捕获、识别和跟踪目标的能力。代表了当代红外制导技术的发展趋势。红外成像探测真正实现了对飞机的全向攻击，因为这时机身蒙皮的气动加热辐射将成为不可忽视的辐射源。机身蒙皮的气动加热辐射的特点是辐射面积大，与环境的辐射对比度较小，以点源热点制导为模式的第一、二代导弹对其几乎构不成任何威胁，但目标与背景间微小的温差或自辐射率引起的热辐射分布图像却很适合红外成像探测。随着红外制导技术从点源制导到成像制导的迅速发展，以及飞机推重比和速度的不断提高，使得飞机推进系统的红外辐射强度和机身蒙皮的红外辐射信号给飞机在战争环境中的生存力造成日益突出的威胁。在这一严峻的背景之下，红外对抗的发展已显得日趋激烈。 红外对抗的方式 红外对抗的方式可分为主动和被动两种。主动对抗的目的是主动地干扰、欺骗或破坏来袭导弹的红外制导系统，使导弹不能命中目标。其主要手段有红外诱饵弹、红外干扰机和高能激光器等，前两者已在一些飞机上获得了应用，高能激光器具有烧毁红外制导导引头的能力，但目前只能在地面装备使用，尚没有达到机载的实用阶段。被动对抗的目的是抑制消弱目标的红外辐射能量，使敌方导弹不能或只能在尽可能近的距离内探测到目标，从而使导弹在短距离内难以机动攻击，降低命中概率。被动对抗的效果归根结底取决于红外辐射能量的高低。 减小红外辐射可采取哪些措施？ 抑制飞机红外辐射的方法大致包含三个方面：首先是改变目标的红外辐射特征，主要是改变目标的红外辐射波段，使飞机的红外辐射波段处于红外制导导弹的响应波段范围之外，从而使敌方的红外探测器失效，以达到红外隐形的目的。例如在机体外部采用新的复合材料制作或采用有选择性的涂料涂层。可以改变目标的红外辐射特征，将大部分辐射能量从大气窗口以外的‘有区”内辐射出去。其次是降低目标的红外辐射强度，主要是通过降低目标的温度和辐射率，达到降低飞机的辐射功率。对于外露固体壁面可用空气冷却的方法降低温度，对于燃气尾焰，引人冷空气进行混合，既可达到降温的目的，也可冲淡二氧化碳浓度，减小气体辐射率。第三种方法是调节红外辐射的传输过程，主要在结构上采取一定的技术手段，改变红外辐射的方向，例如可以采取专门设计的红外挡板对喷管的红外辐射进行遮挡，改变排气喷管的形状与方向等。 目前具有红外隐形能力的飞机主要有哪些？它们是怎样实现红外隐形的？ 目前具有红外隐形性能的飞机主要是美国的 F－ 117A、F－22、B－2等飞机，其红外隐形手段主要是采用二元喷管技术、尾喷管一遮挡技术、内外函气流强化及排气套路引射混合技术和低辐射率涂层技术等。低红外辐射二元喷管是在先进推进系统技术中出现的能满足飞机技战术要求的高性能排气喷管。采用低红外辐射的二元喷管，有利于改善尾焰与大气的掺混结构， F－ 117A采用大宽高比（高15厘米，宽1．83米）的二元喷管，极大地提高了尾焰的降温速度，缩短了尾焰核心长度。另外二元喷管局于和非圆形截面的机身实现一体化设计，有利于减少气动阻力，提高巡航能力，也易于实现推力转向和推力反向，增强了飞机的机动性能和短距起降能力，在隐形飞机上得到广泛应用。遮挡技术是指利用后机身、垂尾等对喷管内腔及尾焰核心进行有效遮挡，可以取得很好的红外抑制效果。F－117A将喷口放在机身上部，机身后缘向后延伸，并在喷口内布置了11个排气导流片，使喷口看上去是口琴状，大大地缩减了红外探测的视角。隐形飞机的动力必须是涡扇发动机，利用外函风扇冷气与内函热气流实施强迫掺混，同时可利用排气时引射冷气掺混作用，进一步降低排气的温度。F－117A就装有排气／旁路空气的波瓣混合器，其进气道喉道面积约为装同样发动机的F／A- 18的过气道喉道面积的4倍，这样大的进气口面积可以吸入更多的冷气进入旁路引射器喷管。 由于直升机不需要利用发动机的排气动量产生推力，其红外抑制相对固定翼飞机而言，是不是容易得多？ 确实如此。直升机的红外抑制技术相对于固定翼飞机而言取得了较大的进展，到目前已发展了三代红外抑制器。第一代红外抑制器应用于越南战争时期。主要是为了遮挡热金属件的高温辐射，避免l－3微米波段红外导弹的威胁。第二代红外抑制器与第一代红外抑制器以减少发动机尾部后半球的热金属件辐射为目的不同，它的红外对抗波段范围为3－5微米，除了要减少热金属件的红外辐射之外，还要求降低排气尾焰的温度，降低尾焰的红外辐射，使红外导弹失去全向攻击的目标。因此它要求利用发动机的排气动量从环境中抽吸进大量的冷空气，并在很短的混合管内强化均匀混合，如美法联合研制的“海豚”SA365直升机上，采用了波瓣喷管引射式红外抑制器。第二代红外抑制器仍属于发动机的附加物或选装件，在外形和尺寸上所受制约过多，进一步消除发动机排气装置的红外辐射影响非常困难。从最新资料分析，美国波音／西科斯基公司为其新世纪直升机 RAH－66“科曼奇”设计的利用尾机身的整体式红外抑制概念无疑代表了第三代红外抑制技术的发展方向。它通过直升机脊背上的两个狭缓进口，吸入外界空气（包括旋翼下洗的空气），并将其与发动机的排气相混合，然后用尾机身下腹两侧边的狭缝出口将混合气体排出。这种～体化的红外抑制方案，至少有三个方面突出的优点：一是完全遮挡了发动机排气装置的高温部件，有利于改善排气尾焰的核心结构，避免尾焰对屠机身壁面的加热，以致可最大限度地消除排气系统的红外辐射。不仅可以将3－5微米波长范围的红外辐射降低到一个可观的水平（其红外辐射比AH－64“阿帕奇”直升机低25倍）。而且还对8－14微米波长范围的红外辐射有显著的抑制作用。二是将排气导入尾机身可以最大限度地利用直升机的有效空间，有利于直升机的气动布局设计。三是有利于实现与雷达隐形的综合作用。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/11/2004)