隱身技術在飛行器上的應用

孫子杰,毛根旺,栗金平,胡 偉,黃先科

(西北工業大學 a.燃燒、流動和熱結構國家級重點實驗室;b.航天學院,西安 710072)

隨著航空電子技術的迅猛發展,未來戰場環境變得更加惡劣而復雜。各種新型雷達、先進探測器及精確制導武器的相繼問世,對各種軍事目標構成了極為嚴重的威脅。為了提高軍用武器的生存力和戰斗力,近年來世界各軍事強國都在加緊隱身技術的研究和投入,隱身技術獲得了很大的進展,并被廣泛運用于各種武器裝備中[1-4]。由于存在對未來戰爭實現“零傷亡”目標的強烈要求,對新的隱身機理的研究,以及對新的隱身材料的研發都已成為當今隱身技術領域的研究熱點。

1 隱身技術在飛行器上的應用

將隱身技術應用于軍用飛行器的過程中,往往不是單獨使用一種方法就能保證隱身飛行器具有躲避探測,或者減少其被探測的能力。只有適當綜合應用雷達、紅外線、可見光與聲學信號等的減弱技術,而且還要使用主動和被動電子對抗,才能使隱身飛行器在不被發現的情況下完成其使命,使它成為一種有效的軍事武器。

1.1 外形隱身技術在飛行器上的應用

外形隱身技術就是通過改變目標表面的形狀,將目標的強散射源減少到最低限度,從而大幅度減少可被敵方雷達接收機截獲的電磁波能量,使雷達對目標的探測距離縮短,并在一定角域范圍內顯著減小飛行器的RCS,使其在一定范圍內難以被敵方雷達識別和發現的技術[5-9]。外形隱身技術導致雷達跟蹤誤差增加的理論依據來自目標各個部件的電磁散射機理,由于不同形狀的物體具有不同的散射特性,而且其散射特性有不同的頻率依賴關系。對于不同的目標,RCS(雷達散射截面)隨視線角均會發生或多或少的變化,由于不同相位的若干反射之間的干涉,可導致散射中心偏離幾何中心。

美國典型的F-117A隱身戰斗機為獨特的三角形飛翼式前三點起落架布局。機翼下表面與機身上表面是由許多塊小平面組成一體的三角面錐,使雷達信號絕大部分偏離入射方向。機翼的前緣就是機身前緣線的延伸。機身與發動機系統被機翼遮擋著,不管是單基地雷達還是多基地雷達都很難捕捉到它。該機的發動機進氣口和機身頂部邊緣與機翼前緣平行;尾噴口邊緣與機翼外側后緣平行;機身邊緣與發動機短艙邊緣平行。這樣可盡力避免波束直接向前反射。如果從預警機雷達照射方向看,由于2種飛機的高度差不是很大,F-117A隱身戰斗機上表面不會出現垂直鏡面反射,并且使大面積的鏡面反射和強的邊緣繞射集中于水平面內的幾個窄波束,使機頭方向這一最重要的威脅區域獲得有效的RCS減縮。這種多面體外形對垂直和接近垂直的很窄角度范圍內的鏡面反射很強,但在其余很大的角度范圍內其鏡面后向散射很弱,它反射的雷達波以各種角度向飛機上半球的天空散射,使地面雷達很難接收到這些反射信號[10]。

1.2 材料隱身技術在飛行器上的應用

材料隱身技術是通過材料的各種物理化學變化來減弱、吸收、耗散和散射各種類型的電磁輻射。隱身材料的種類繁多,針對不同的探測儀器實現消除或減弱聲、光、電、熱、力學方面所產生的信號特征。按材料隱身機理的相近程度,將常用的隱身材料分為對比型、自減型和自調型。

1)對比型。采用能夠吸收或透過電磁波的涂料或復合材料,使入射電磁波在飛行器上總的回波強度顯著降低的一類功能材料。當電磁波穿過材料時,電磁波被吸收,從而使入射電磁波的能量耗損,實際上是將電磁能轉換為熱能并散失掉,或者利用干涉原理,利用吸波層表面反射波和底層反射波的振幅相等、相位相反進行干涉抵消[11]。同沒進行過功能材料處理前的飛行器反射信號對比,飛行器具有低可探測性,故稱此類功能材料為“對比型”隱身材料。雷達隱身材料和激光隱身材料均屬于此類型。在此需要說明一點,把雷達隱身材料歸為此類并不表示忽略了雷達吸波材料對電子艙周圍用于屏蔽泄漏的設備,可減少或消散發射泄漏的無線電頻率的用途,只是雷達隱身材料是更側重于一般雷達的工作原理所研發的。

視黃基席夫堿鹽[12]的吸收性能優于其他雷達吸波材料,它的質量僅為典型鐵氧體的1/10。對這種鹽進行改進后,使一種組合鹽能吸收全頻段的雷達波,能量將轉變為熱而耗散掉,而這些耗散掉的熱僅使飛行器蒙皮的溫度升高只有幾分之一度,從而實現很好的隱身效果。

據報道[13],國內激光隱身涂料對1.06μm波長的激光吸收率已高達95%以上,可以使激光測距機的測距能力降低近70%,起到了激光隱身的作用。

2)自減型。采用能夠吸收或阻隔的方式,顯著降低由于飛行器自身所產生的某種信號特征的涂料,使探測設備無法有效地檢測到此信號特征與背景的差別,從而實現隱身效果的一類功能材料,故稱此類功能材料為“自減型”隱身材料[14-17]。紅外隱身材料、聲波隱身材料和迷彩隱身材料均屬于此類型。

密致碳粒和超密致碳泡沫材料[18]具有很高的表面反射和體積反射,能很好地抑制目標的紅外輻射,使目標輻射的紅外線不能穿透。在發動機部位用密致碳粒和超密致碳泡沫來吸收發動機排氣的熱輻射。

美國橡樹嶺國家實驗室研制出了一種新型的吸聲材料碳石墨泡沫[19],此材料具有極好的各向異性導熱率和抗電磁干擾特性,并能很好地吸收目標所產生的噪音。對聲頻為1 000 Hz以上的聲波,吸收系數可達到80～90%。在溫度為-37℃～81℃,吸聲降噪能力并不降低。

3)自調型。采用能夠感知背景的變化、自動調節目標的信號特征,盡可能地降低目標和背景的可探測特征的差別的一類功能材料[20-21]。此類功能材料是一種能從自身表層或內部獲取關于環境條件及其變化信息,對感知的信息進行處理,可通過自我指令改變自身結構與功能,使其很好地與環境協調,具有自適應性的材料系統,故稱此類功能材料為“自調型”隱身材料。智能變色材料、紅外智能隱身材料和雷達智能隱身材料等智能隱身材料屬于此類型。

Irie等[22]合成的雜環基取代的二芳基乙烯類化合物在光致變色、熱穩定和耐疲勞等方面性能優異,在紫外光激發下,化合物旋轉閉環生成有色的閉環體,而閉環體在可見光照射下又能發生相反的變化,從而在不同波長和強度的光作用下引起對光的吸收峰值變化,使光的吸收峰處于入射光波頻段的相應反應,最終導致顏色改變為背景色的現象。

美國已研制出一種可見光智能隱身材料[23],在聚氨酯分子中嵌入高活性的丁二炔鏈段,在適當條件下,丁二炔聚合成聚丁二炔,形成具有自由電子的共軛結構,從而改變了整個材料的顏色和光強度,使之與環境的顏色和光強度快速達到一致或接近,從而達到隱身效果。

1.3 有源隱身技術在飛行器上的應用

有源隱身技術又稱主動隱身技術,是指利用有源手段使飛行器規避聲、光、電、熱等探測設備探測的一種技術。有源隱身技術主要利用光或電子干擾等手段隱蔽目標[24]。一是通過檢測探測敵方的探測信號判斷自身的信號散射特征,自適應地產生與入射探測信號幅度相近而相位相反的探測信號進行相干抵消,使敵方探測設備始終位于合成方向圖的零點,從而抑制探測設備對飛行器反射信號的接收;二是截獲并分析出敵方的探測信號后,以相應的頻率波段信號加以干擾,重新發射一個相似的滯后信號,使敵方的探測設備對定位做出錯誤判斷;三是增加目標的可探測信息特征,使敵雷達、紅外探測儀出現大面積虛假信號,以此達到隱身目的。

法國MBDA與Thales公司正合作研發有源隱身技術,首先用于改進“風影”/SCALP EP系列常規巡航導彈,然后擬用于未來的遠程打擊系統,并計劃在2010年內應用這種技術。MBDA通過所謂的“靈巧蒙皮”陣,用共形發射機/接收機檢測并改變這些雷達的射頻RF信號,此有源隱身技術能夠使飛行器的RCS顯著降低,其隱身效果優于當代的無源隱身技術。MBDA已經用這些有源隱身措施來降低飛行器機體上關鍵部位的RCS,如發動機的進氣道特征及導彈導引頭的RCS。對低、中、高頻率的地面雷達和機栽雷達都實現了令人滿意的隱身效果,尤其是對高頻雷達的探測具有更小的RCS,并且通過有源噪聲對消技術,顯著提高了飛行器對噪音的降噪能力。

1.4 等離子體隱身技術在飛行器上的應用

等離子體隱身技術是利用磁化或非磁化冷等離子體來規避雷達探測系統的一種新型技術。利用等離子體隱身就是在飛行器的周圍形成一種特殊的等離子云團,通過控制等離子體的特征參數(電離度、德拜長度、振蕩頻率、碰撞頻率和回旋頻率等),等離子云團對探測設備輻射的電磁波產生折射和吸收現象,使其返回電磁波的能量很少,因而使敵方的探測設備難以偵察和發現隱蔽在等離子云團中的飛行器,此外,等離子體還能通過改變反射電磁波的頻率,使探測設備測出錯誤的目標位置和速度數據,從而達到飛行器的隱身目的[25-27]。原則上等離子體隱身技術也屬于有源隱身技術,但由于其特殊性及國內外對它的重視程度,對等離子體隱身技術的優越性及在飛行器上的應用進行重點分析。

等離子體隱身技術的優越性在于無需改變飛行器的氣動外形,不會影響飛行器的飛行性能和戰術性能;利用等離子體隱身技術可以減少飛行器30%以上的飛行阻力;等離子體不僅可吸收微波,還能吸收紅外輻射,其吸波頻帶寬,吸收效率高;只需在飛行器上安置等離子體發生器或在其表面涂一層放射性同位素,成本低廉并且維護簡便;可以通過開關迅速地讓等離子體產生和消失,使用簡便快捷[28-30]。

美國著名的B-2隱身轟炸機率先在其結構上采用了等離子體隱身技術,當探測的雷達波發射到飛翼表面時,首先會被其表面的蒙皮吸收,其余進入六角蜂窩夾心被吸收,內襯壁采用六角形蜂窩夾心結構,其夾心內腔部分中空,空心部分被可吸收電磁波的易電離介質填充,通過電離介質產生等離子體來吸收和改變入射電磁波。在飛行上安置高壓靜電發生器,用于產生超過20萬伏的電壓差,這樣就可以產生足夠濃度要電離的等離子體來衰減入射電磁波的能量。B-2隱身轟炸機就是將封閉式等離子隱身技術用在機翼前緣、翼尖等雷達強回波處,來應對遠程長波雷達探測[31]。

俄羅斯國家科學研究院電磁理論與應用研究所為改變蘇-35飛機的35英寸雷達天線輻射特性,在雷達天線前方安置一個低溫等離子體控制屏,當其關閉時,雷達波可直接通過。此設備的主體單元由氖和氙等惰性氣體混合而成,在電脈沖激發下工作。當氖和氙等惰性氣體被激活時,該屏把接收到的一部分雷達輻射的電磁波吸收,而把余下的雷達輻射的電磁波散射和折射到安全方向,從而使所有經過該屏的雷達輻射的回波能量得到降低。

2 隱身技術在飛行器上的實現方法

面對多種探測設備的不同偵測手段,要想使飛行器達到理想的隱身效果,必須綜合應用各種隱身技術實行全方位、多功能的隱身。依據國內外公開發表的文獻資料及媒體報道,作者認為隱身技術在飛行器上的具體實現方法分為幾個方面:

1)改善飛行器的總體布局,使飛行器表面盡量光滑,沒有明顯的突變。由于使某個角度范圍內的RCS減小時,必然伴隨著另外一些角域內的RCS增加,這就要求我們要區分飛行器上的主要威脅區域和次要威脅區域,盡可能先降低最重要威脅區域的RCS,并利用CAD(計算機輔助設計)等設計手段,對飛行器以及其他裝備進行設計;

2)在外形設計時,應注意不能讓產生鏡面反射的表面正對著最主要的雷達探測方向,通過多棱面外形和融合外形技術來降低有效的RCS,使飛行器各個部位均由不規則的傾斜多面體組成,各個相交面做成圓弧狀,從而將探測的雷達波進行散射;

3)對于飛行器翼,要采用盡量小的展弦比和適當的后掠角;

4)對于發動機的進氣道和尾噴口,應安排在能被其他部件遮擋而不易被雷達直接探測的部位,進氣道整流罩用一種經聲學處理的內表面來改進,中心體用吸音材料制成,并在加力燃燒器內采用消聲襯墊和帶有尖端向內的角錐形結構的夾層組合蒙皮,以吸收發動機內部的噪聲,并采用隔熱材料對發動機重要熱部件進行隔熱;

5)采用鍍膜座艙,將座艙蓋用真空鍍膜的辦法鍍上一層金屬鍍膜,使雷達波不能透射入座艙內部;

6)應取消外掛物,將外掛武器統統隱藏在飛行器內部;

7)在飛行器的燃料箱中放入一定數量的堿金屬(如銫、鉀、鈉)的低電離電位物質,從而使飛行器的噴流產生弱電離等離子體,這些等離子體氣體在飛行器后面形成一個長長的等離子區,該等離子區使無線電信號強度減弱;

8)消除和避免產生角反射器效應,故應采用翼身融合體,并使其雙垂尾向內或向外傾斜;

9)采用閉合回路冷卻系統,將載荷設備產生的熱傳給燃油,以減少飛行器的熱輻射;

10)正確應用適合飛行器活動地區的偽裝色,使飛行器更好地與背景相融合;

11)在雷達吸波材料的上面涂敷一層紅外涂料,在一定的厚度范圍內,可以同時兼顧2種性能,如果在飛行器上再覆蓋一層等離子體,有效反射面積會進一步減小;

12)采用等離子體控制屏那樣工作模式的設備,對機載電子系統發射和泄漏無線電波進行控制。

3 結束語

目前,我國有關隱身技術的科技工作比較落后,尤其是對一些新型的隱身技術。隨著我國有源隱身技術、等離子體隱身技術和智能隱身材料的發展,可以通過這些技術和材料,使隱身效果進一步提高。也應注意到,在研究新型隱身技術的同時,也要重視常規隱身技術的發展,必須綜合運用各種隱身技術,多角度、全方位地減少各種可被敵方探測到的特征信號。

為了使我國隱身技術能走在世界前列,不應盲目地研仿軍事強國的隱身技術,而是走好自主創新的研究路線,加強對各種隱身機理的相關研究,探索新型隱身材料在飛行器中的應用,提高我國在飛行器隱身研究領域中的理論和技術水平,是我們今后主要的工作方向。

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