國外航空發動機隱身標準淺析

朱 瑾 于宏軍

（中航工業綜合技術研究所，北京 100028）

隱身技術又稱目標特征信號控制技術或低可探測技術，它研究如何控制或減縮飛機、發動機、導彈等武器平臺的雷達、紅外、聲、可見光和聲音等特征信號，大幅度縮小雷達、紅外、聲納、可見光等探測系統的作用距離及反應時間，從而大大提高武器系統的生存能力、突防能力及作戰效能。隱身性能是新一代航空發動機裝備必須具備的重要性能指標之一，隱身化是新一代航空發動機裝備的顯著特征。

隱身標準作為隱身技術經驗、成果的總結和沉淀，可為航空發動機隱身技術的發展提供強力支撐；同時，先進的隱身標準也可為航空發動機隱身技術發展提供牽引。本文通過對國外隱身標準中紅外線輻射、紫外線輻射、雷達橫截面、噪聲、排煙、氣體排放物、燃油流/油氣團的噴出和水蒸汽凝結尾流8方面重點要求進行對比分析，為我國航空發動機隱身技術發展及標準的研究與制定提供支撐。

1 國外標準總體情況

由于航空發動機隱身技術屬于一種直接的軍事應用技術，西方航空發達國家通常將其研究成果視為保密技術而不公開。目前，暫未收集到國外發動機完整、專業、詳細的隱身標準。有關航空發動機隱身的技術要求主要集中于國外發動機系統研制、采辦的頂層規范及指南中，具體見表1。本文將主要針對這些標準中的隱身要求進行對比分析。

2 國外發動機隱身標準要求分析

2.1 主要技術要求

在最新的美國軍用標準通用規范中，航空發動機隱身主要指其易感性（發動機不應超出由使用部門確定的可檢測特征和可觀測特性），其范圍已不再局限于傳統的雷達橫截面、紅外線輻射等內容，而是有了較大拓展，綜合國外航空發動機通用規范中對于隱身的要求，目前，主要包括紅外線輻射、紫外線輻射、雷達橫截面（RCS）、噪聲、排煙、氣體排放物、燃油流/油氣團的噴出和水蒸汽凝結尾流等8方面內容，如表2所示。

2.2 紅外線輻射

表1 國外航空發動機涉及隱身要求的標準

表2 國外航空發動機通用規范隱身要求項目

表3 國外發動機通用規范中對紅外線輻射要求對比

根據表3可以歸納出國外標準中針對紅外線輻射要素要求的演變過程。以方位角和俯仰角為例，在20世紀70～80年代，受紅外輻射理論及紅外探測技術等因素的限制，相對于發動機前向的紅外輻射，對發動機后向紅外輻射的要求更加嚴格,這是由于發動機后方存在高溫尾噴管及排氣尾焰，使其成為飛機的主要紅外輻射源；在20世紀80～90年代，紅外探測技術的提升使得紅外探測器在采用的探測器中的比重逐步增加，達到30%左右，同時可被跟蹤的輻射源也從單一的尾噴管逐漸發展為尾噴管、熱噴流與蒙皮等多種，這就對紅外隱身提出了更高的要求，此時，前向紅外輻射也成為使飛機受到紅外制導武器威脅的危險因素，不能再僅以后向紅外輻射指標作為評判發動機整體紅外輻射強度的唯一參考值，因此，在MILE-5007F及JSGS-87231A中將前向方位角和俯仰角的角度劃分得更加細致，增強了對發動機前向紅外輻射的要求；在2007系列標準中，更是將之前標準中以若干點的具體數值代表發動機整體紅外輻射強度的要求更改為根據多種因素（任務、威脅、驗證容易性和多角度的完全可達性）權衡得出，例如對于飛行高度較高的飛機可以僅要求5?、0?、-5?、-10?、-20?、-45?的俯仰角，使發動機紅外輻射測量值能夠最大限度地模擬飛機的實際使用條件。以上以方位角和俯仰角為例的美軍標紅外線輻射要求的變化生動反映出紅外探測理論、測試技術、發動機技術等在發展過程中的相互影響和作用。

2.3 紫外線輻射

在美軍標通用規范中，MIL-E-5007D及JSSG-2007系列標準中沒有提出對紫外線輻射的要求，僅在MIL-E-5007E、MIL-E-5007F及JSGS-87231A中有相關要求。與紅外線輻射要求相似，對紫外線輻射要求同樣集中在方位角、俯仰角、紅外線輻射帶通條件、高度、發動機工作狀態等方面，如表4所示。

由表4可以看出，紫外線輻射要求的演變過程與紅外線輻射要求相似。隨著紫外線輻射理論及探測技術的發展及成熟，紫外線輻射要求被寫入發動機通用規范中，并在一段時間內根據理論及技術的發展成果進行修改。但由于某些原因，紫外線輻射要求在2007系列標準中被取消，但在“尾噴管系統”中提及：“噴管設計過程中所用的數據應包括推力、重量、尺寸、阻力、穩定性、外部流場、低可見性、燃油噴出、紫外輻射、紅外輻射或其他可見信號和冷卻要求間的折中”，可見紫外線輻射仍舊是發動機隱身性中應考慮的因素之一。

2.4 雷達橫截面

雷達橫截面也稱“雷達截面”、“雷達回波面積”或“雷達散射截面”，用以表示雷達發現目標有效電子尺寸。雷達橫截面特征信息可用來供飛行器一體化、發動機和飛行器設計權衡以及戰斗戰術發展使用。在標準中，對雷達橫截面要求主要集中在頻率范圍、方位角和俯仰角等方面，如表5所示。

雷達橫截面要求是航空發動機隱身的基本指標之一，貫穿于航空發動機通用規范的發展過程。隨著雷達探測技術的發展，雷達探測頻率不斷拓寬，雷達定向威脅使得航空發動機必須在更寬的探測頻率范圍內滿足雷達橫截面要求，由表5中可以看出，從5007系列到87231A，雷達橫截面的頻率范圍從（2～18）kHz拓寬至800Hz～18kHz，在2007系列中，頻率范圍更是有具體數值要求變為根據威脅情況確定，使標準使用更加靈活。

表4 國外航空發動機通用規范中對紫外線輻射要求對比

表5 國外航空發動機通用規范中對雷達橫截面要求對比

2.5 噪聲

作為飛機噪聲主要組成部分之一，發動機噪聲直接影響飛機乘坐舒適性及軍用飛機任務成功率，必須予以規定。與其他要求相比，噪聲要求的變化相對較小。

對于噪聲要求，在5007系列標準中規定：“發動機工作時，在全部工作狀態下發動機噪聲等場強線圖的不連續頻率與帶寬的噪聲成分應減到最小。規范中應示出在最大、最小加力、中間、最大連續、90%最大連續、75%最大連續、最大反推力及慢車狀態下的發動機近場、遠場噪聲標志等場強線圖”。

在JSGS-87231A和2007系列標準中，對噪聲要求變為：“未安裝的發動機（帶矢量噴管或不帶矢量噴管）在海平面靜止工作的近場和遠場的噪聲水平，不應超過規定水平”，同時，隨著矢量推力在發動機中的廣泛使用，在JSGS-87231A和2007系列標準中要求：“對于帶矢量噴管的發動機，噪聲測量應包括按使用部門確定的從中心線以等于或少于5°的增量變化的所有矢量位置。這可能要求改變發動機在室外試車臺上的安裝。”

霧是由近似為球形的霧滴粒子組成，半徑通常在1～60 μm之間.由于霧的粒子半徑不全部相同，霧的消光特性是粒子群中全部粒子消光效果的疊加.因此在研究霧滴粒子的光散射問題時，特別是針對平流霧和輻射霧這兩種霧介質，采用基于Mie散射理論的多粒子散射研究方法，可以得到比較可靠的結果.

隨著噪聲檢測方法的不斷提高、對噪聲機理研究的不斷深入和發動機自身新技術的采用，通用標準中對噪聲的要求也隨之發生改變，除增加了需要進行噪聲檢測的發動機狀態，還增加了對帶矢量噴管發動機的噪聲要求。

2.6 排煙

煙尾跡是發動機排出的穩定的一連串的碳顆粒物質，是可見的，有統計表明，排煙可見度高的發動機，其戰斗時飛機損失可增加10倍，因此，有必要對其進行要求。影響排煙的參數主要包括燃油、工作狀態、測量方法等，如表6所示。

在美軍標中，一直采用APR 1179中的原理對排煙進行測量，期間發生了一些問題，隨著測量技術的發展和對這些問題解決過程進行總結，在20世紀90年代編寫2007系列標準時，不再規定要求使用APR 1179的測量方法，并且對仍采用該方法進行測量給出了說明：“使用APR 1179的原理進行的排煙測量偶爾會導致發動機排出的燃氣是不可見的錯誤結論。環境條件（濕度）和觀看角度產生了認為可見的排煙尾跡是沒煙的。需要良好的理解這種方法，以便防止得出錯誤的結論”。

另外，在2007系列標準中，要求至少應該確定包括中間狀態在內的發動機4個功率設定狀態的排煙量級，例如，慢車狀態、40%中間狀態、75%中間狀態、中間狀態。對于渦軸發動機，可使用慢車狀態、25%最大連續狀態、75%最大連續狀態、最大連續狀態、中間和最大狀態。這種改變再一次體現出了2007系列標準的廣泛適用性，對于一般情況，測試4個發動機典型工作狀態即可，在有要求的情況下，可以針對特定環境或條件選擇其他發動機狀態進行測試，使測量結果能夠最大程度地滿足使用要求。

2.7 氣體排放物

發動機氣體排放物主要包括一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HxCy）和氮氧化合物（NOx），會對人和環境造成危害，而這些排放物（包括二氧化碳和水）在某些條件下也是可看見的。因此，對于隱身性能要求較高的發動機和飛機，應該對氣體排放物進行規定。影響氣體排放物的參數主要包括發動機狀態、被測氣體成分、測量方法、測量狀態等，如表7所示。

表6 國外航空發動機通用規范中對排煙要求對比

隨著人們大氣環境保護意識的增強，對發動機氣體排放物的要求也越來越高，由表7可以看出，相應的要求由最初的只在發動機最大、中間和慢車狀態測量氣體排放物，逐漸發展成為對發動機各種功率狀態進行測量。

2.8 燃油流/油氣團的噴出

發動機出現燃油流和油氣團的噴出是由于燃油控制器和加力燃燒室的問題，一旦被觀測到，即會影響飛機隱身性能，因此，有必要在標準中對其進行要求。對燃油流/油氣團噴出的要求在5007系列標準中是沒有的，隨著發動機技術及性能的發展，這一問題逐漸產生，在JSGS-87231A和2007系列標準中對其進行了要求。

在JSGS-87231A和2007系列標準中，對于燃油流/油氣團的噴出規定：“發動機使用部門規定的任何主燃油或代用燃油，在任何過渡態或穩態工作過程中，在慢車或慢車以上任意功率設定狀態，不應排出可見的未燃燒燃油（燃油流/油氣團）”。

根據發動機實際使用情況來看，在加力接通期間，可能會出現油氣團。但通常在油門切斷加力工作過程中這一現象更為明顯。因此，該要求主要適用于帶加力發動機的飛機，但并不僅限于此，對于不帶加力發動機的飛機，這一要求仍可使用。

2.9 水蒸汽凝結尾流

在發動機排放物中會包含水蒸氣，由于水是燃燒的副產品，因此，抑制尾流是難以實現的，而水蒸氣凝結尾流可能在很長距離的范圍內被目視觀測到，對于高隱身性要求的飛機來說，這無疑增加了被攻擊的可能性，因此，需要在標準中對于水蒸氣凝結尾流進行要求。與燃油流/油氣團的噴出要求相同，對水蒸氣凝結尾流的要求在5007系列標準中也是沒有的，從JSGS-87231A開始對其進行要求。

在JSGS-87231A和2007系列標準中，對于水蒸氣凝結尾流規定：“發動機使用部門規定的任何主燃油或代用燃油，在任何過渡態或穩態工作過程中，不應排出水蒸汽凝結尾流”。

由于并不是所有任務都需要高隱身性，因此在進行飛行試驗時，在飛行包線的某些趨于觀察到凝結尾流是可以的，對于凝結尾流的要求應“聚焦在不可接受凝結尾流的任務情況”。

3 結束語

通過對紅外線輻射、紫外線輻射、雷達橫截面、噪聲、排煙、氣體排放物、燃油流/油氣團的噴出和水蒸汽凝結尾流等8個方面國外通用規范中相關要求的分析，可以清晰地看到各項隱身技術原理和探測技術發展對于標準內容的影響歷程，作為技術的沉淀和總結，標準對于要素的要求也由最初的以數值為代表的具體要求，逐漸變為可根據使用環境、任務情況、測試技術等諸多因素權衡得出，提升了標準的適用性和可操作性。

以國外航空發動機通用規范中的隱身要求為參考，我國的航空發動機隱身標準仍有大量工作需要開展，一方面，在進行隱身技術研究的過程中，及時將突破的關鍵成果和經驗形成標準，并隨技術提升不斷對標準進行修訂完善。同時，由于航空發動機隱身技術并不是單一學科，涉及到設計、材料、工藝等眾多領域，是一項綜合的系統工程，因此，在形成隱身標準時，也不能僅僅制定頂層要求，應按照標準對象進行細化，形成一整套標準，使頂層標準及支撐標準搭配合宜，實用適用。另一方面，充分發揮先進標準的牽引作用，在現有基礎上參考國外先進標準對我國標準進行適當補充，全面提升我國發動機隱身性能，提高我國航空發動機隱身標準水平。