艦艇紅外隱身技術(shù)的探討*

周軍龍，呂相銀，周元璞

(電子工程學(xué)院安徽省紅外與低溫等離子體重點實驗室，安徽合肥 230037)

0 引言

隨著紅外探測技術(shù)和紅外制導(dǎo)系統(tǒng)的迅速發(fā)展，水面艦艇面臨著越來越嚴(yán)重的紅外威脅。由于排熱量大，海上背景環(huán)境相對較冷且一致性較好，水面艦艇的紅外特征很容易被探測與識別，再加上紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈只要接收一定強度的熱輻射信號就能有效命中目標(biāo)，紅外輻射特征已成為水面艦艇防御中的一個突出問題?，F(xiàn)代軍事技術(shù)已經(jīng)達到了“目標(biāo)只要被發(fā)現(xiàn)，就能被命中;只要被命中，就能被摧毀”的水平。因此，設(shè)法降低水面艦艇紅外特征已引起各國海軍的高度重視，成為提高水面艦艇生存能力的主要措施之一。

1 艦艇的紅外輻射源

處于海洋環(huán)境中的艦艇無時無刻不在產(chǎn)生著紅外輻射。按照產(chǎn)生來源的不同，艦艇紅外輻射可分為內(nèi)生紅外輻射和外生紅外輻射。

1.1 內(nèi)生紅外輻射源

艦艇內(nèi)生紅外輻射源的熱量主要來自發(fā)動機和其他動力設(shè)備的散熱、發(fā)動機的排放、通風(fēng)設(shè)備的排氣及艦艇內(nèi)部艙室的熱損耗等。其中屬煙囪管壁和排氣煙羽的紅外輻射最烈，是不可忽視的紅外輻射源。煙囪管壁的可見金屬面積一般在2～5 m2，溫度一般在400～500℃，溫度高，所處位置也高，是艦艇最強的內(nèi)生紅外輻射源，最容易被敵方紅外探測器發(fā)現(xiàn)。發(fā)動機排氣煙羽與煙囪管壁的溫度相當(dāng)，由它產(chǎn)生的紅外輻射同樣強烈。另外，排氣煙羽后面的桅桿、排氣煙道附近表面的暖流區(qū)域、圍阱和機艙區(qū)、主推進系統(tǒng)的熱終端部件等也會不同程度地產(chǎn)生紅外輻射。

1.2 外生紅外輻射源

艦艇的外生紅外輻射源于艦艇表面對外部環(huán)境輻射的吸收和反射，比如太陽、天空、海面、大氣等，且屬太陽的影響最為關(guān)鍵。當(dāng)煙囪管壁和排氣煙羽等小范圍高強度的紅外輻射源被有效控制后，艦艇紅外輻射就來源于艦體表面的熱輻射，包括船體、甲板和上層建筑。通常，艦艇表面的溫度比煙囪管壁和排氣煙羽的溫度低得多，與所處背景的溫差小，但它的有效輻射面積大，仍會產(chǎn)生明顯的紅外輻射特征，在太陽加熱條件良好的情況下尤其如此，極易成為紅外制導(dǎo)武器攻擊的目標(biāo)。

圖1所示為加拿大Davis公司用NTCS軟件計算出的某護衛(wèi)艦艇體不同表面與環(huán)境的溫差隨太陽高度的變化情況?？梢姡?dāng)太陽逐漸升起時，艦艇表面與環(huán)境的溫差迅速增大，10°的太陽高度角將引起10℃溫差，艦艇甲板的溫度變化尤為劇烈，即使在冬天也是如此。因此，艦艇表面也是艦艇重要的紅外輻射源之一［1］。

圖1 艦艇表面與環(huán)境的溫差隨太陽高度的變化Fig.1 Temperature differences between surface of naval vessels and environment varies with altitude of the sun

2 艦艇和背景輻射的理論分析

水面目標(biāo)和背景的輻射由2部分構(gòu)成:自身的輻射和反射環(huán)境的輻射。具體到艦艇而言，其表現(xiàn)的輻射亮度應(yīng)該為自身的直接輻射亮度與反射環(huán)境輻射亮度之和［2］:

式中:εr為艦艇發(fā)射率;ρr為艦艇反射率;Lbo為與艦艇等溫度的黑體輻射亮度，下標(biāo)b代表黑體;Le為環(huán)境輻射亮度。

由電磁輻射傳播規(guī)律可知，當(dāng)電磁輻射傳播到物體表面時，將發(fā)生反射、吸收和透射，滿足

式中:ρ，α，τ分別為反射率、吸收率、透過率。不透明的物體，可以忽略透過率，有

由基爾霍夫定律，物體的方向光譜發(fā)射率等于方向光譜吸收率，即α=ε，式(3)變?yōu)?/p>

于是，式(1)變?yōu)?/p>

對于艦艇，式(5)中環(huán)境輻射亮度來自于2個方面:天空背景的輻射和水面背景的輻射，空中的探測器探測艦艇時，其接收艦艇反射環(huán)境的輻射情況為上表面反射來自天空的輻射，側(cè)面反射來自水面背景的輻射。對于鏡面來說，光的反射服從菲湦爾定律;對于漫射表面，反射服從朗伯定律。對于絕大部分目標(biāo)來說，其表面介于兩者之間，反射具有一定的方向性，方向強弱取決于目標(biāo)表面的粗糙度。晴朗天空背景的紅外輻射在3 μm以下為散射的太陽光線，在3 μm以上是熱輻射，其熱輻射主要是由8～14 μm波段大氣窗口兩側(cè)吸收帶引起的，天空的輻射亮度與大氣溫度和視線仰角有關(guān)。

黑體輻射能量可由普朗克公式計算選出。黑體的總輻射出射度為［3］

式中:σ為斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)，σ=5.670 32×10-8W·m2·K-4;T為物體的絕對溫度。

黑體在波段λ1～λ2內(nèi)的輻射出射度為

式中:Mbλ為黑體的光譜輻射出射度;

式中:λm為峰值波長，b=(2 897.8 ±0.4)μm·K。黑體光譜輻射出射度峰值對應(yīng)的波長由維恩位移定律確定。

設(shè)某一水面目標(biāo)溫度為T=300 K，為灰體，發(fā)射率為0.8，由式(6)～(8)經(jīng)過計算可知，輻射的峰值波長約為9.6 μm，該目標(biāo)的總輻射出射度約為367 W/m2，在8～14 μm波段的輻射出射度為175 W/m2，由上式可以看出常溫物體的紅外輻射在大氣窗口占有相當(dāng)大的比例，現(xiàn)在反艦導(dǎo)彈的紅外成像導(dǎo)引頭多工作在這一波段。研究抑制艦艇在這一波段的紅外輻射具有重要的現(xiàn)實意義。

同艦艇表觀輻射亮度類似，可以得出背景的表觀輻射亮度。

式中:εB為背景的發(fā)射率;LB為與背景等溫度的黑體輻射亮度。

對于水面背景，式(7)中的環(huán)境輻射亮度是來自天空的輻射，式(9)可以改寫為

式中:LA為天空輻射亮度。

3 艦艇紅外隱身的相關(guān)要求

水面目標(biāo)與背景輻射的對比度是探測系統(tǒng)從背景中發(fā)現(xiàn)水面目標(biāo)的基礎(chǔ)。水面目標(biāo)與背景的絕對輻射對比度定義為［4］

對于目標(biāo)上表面情況，式(5)中 Le=LA，式(5)，(10)代入式(11)，可得:

實現(xiàn)隱身的最終目標(biāo)是水面目標(biāo)與環(huán)境的絕對反差CA為0，于是可以得到進行隱身所需的目標(biāo)發(fā)射率:

從式(11)中可以看出，水面目標(biāo)上表面隱身所需發(fā)射率由4個因素決定:目標(biāo)的溫度、背景的溫度、背景的發(fā)射率和環(huán)境的輻射亮度。根據(jù)式(13)，可以計算出達到目標(biāo)隱身所需發(fā)射率與目標(biāo)背景之間的關(guān)系。目標(biāo)與背景溫差越大，所需目標(biāo)發(fā)射率越低。采取措施降低水面艦艇的溫度，從而在不降低水面艦艇發(fā)射率的情況下達到隱身的效果。

對于水面目標(biāo)側(cè)面情況，水面目標(biāo)反射的輻射是水面背景的輻射，此時有:

于是，目標(biāo)與背景的絕對反差:

由式(15)可以看出，對于目標(biāo)側(cè)面，若要絕對反差為0，目標(biāo)本身發(fā)射率就要為0，這時目標(biāo)側(cè)面是鏡面，完全反射水面背景的輻射，這就意味著光滑的表面可以更好地使目標(biāo)隱藏于背景之中。式(15)指明了降低水面艦艇與背景絕對反差的方法:一是降低水面艦艇側(cè)面的發(fā)射率，使之盡量光滑;二是降低Lbo，即降低水面艦艇表面的溫度，水面艦艇的溫度低到一定程度時，可以造成水面艦艇與背景絕對反差為0。

從以上分析可知，水面目標(biāo)輻射紅外能量不僅決定于水面目標(biāo)的溫度，還決定于水面目標(biāo)的發(fā)射率。溫度相同的物體，由于發(fā)射率的不同，而在紅外探測器上顯示出不同的紅外圖像。鑒于艦艇的輻射都強于背景，所以采用低發(fā)射率的涂料可顯著降低艦艇的紅外輻射能量。另一方面，為降低艦艇表面的溫度，熱紅外偽裝涂料在可見光和近紅外還具有較低的太陽能吸收率和一定的隔熱能力，以使艦艇表面的溫度盡可能接近背景的溫度，從而降低艦艇和背景的輻射對比度，減小艦艇的被探測概率［5］。

4 艦艇的紅外隱身技術(shù)措施

艦艇隱身并不是要求實現(xiàn)目標(biāo)的“不可視”，而是要抑制艦艇的紅外輻射，降低艦艇的被探測系數(shù)，并盡量減少電子信號特征，其目的就是降低艦體特別是其熱點的溫度，使其接近于周圍環(huán)境的溫度，從而使紅外探測系統(tǒng)難以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)而達到隱身［6］。

目前，艦艇的紅外隱身技術(shù)包括3方面內(nèi)容:①改變艦艇的紅外輻射特性，即改變艦艇表面各處的輻射率分布;②降低艦艇的紅外輻射強度，即通常所說的熱抑制技術(shù);③調(diào)節(jié)紅外輻射的傳播途徑(包括光譜轉(zhuǎn)換技術(shù))［7］。

4.1 改變艦艇的紅外輻射特性

主要有以下幾項技術(shù):

(1)改變紅外輻射波段

改變紅外輻射波段，一是使艦艇的紅外輻射波段處于紅外探測器的響應(yīng)波段之外;二是使艦艇的紅外輻射避開大氣窗口而在大氣層中被吸收和散射掉。

(2)模擬背景的紅外輻射特征技術(shù)

模擬背景紅外輻射特征是通過改變艦艇的紅外輻射分布狀態(tài)，使艦艇與背景的紅外輻射分布狀態(tài)相協(xié)調(diào)，從而使艦艇的紅外圖像成為整個背景紅外輻射圖像的部分，使敵方難以識別。

(3)調(diào)節(jié)紅外輻射的傳輸過程

通常采用在結(jié)構(gòu)上改變紅外輻射的輻射方向技術(shù)。結(jié)構(gòu)上改變紅外輻射特性的方法有很多，目前也在研究探索中。如避免艦艇紅外熱源的集中;設(shè)計穿浪艦首的嶄新船體;改變上層建筑特別是煙囪的形狀;降低主機排氣口距水面的高度等;盡量將裝備內(nèi)置，盡量減少外露設(shè)備像武器系統(tǒng)、救生艇、電子設(shè)備等等原來艦上外置的東西，只要能內(nèi)置的就絕不外露。

(4)紅外隱身涂料

利用低發(fā)射率的熱紅外隱身涂料涂敷在機艙等機器處所的船體板上，加強隔熱和絕熱效果，以達到降低其遠(yuǎn)紅外波段輻射的目的。

(5)紅外隱身材料

在船體上廣泛選取復(fù)合紅外隱身材料，其隱身功能由紅外低發(fā)射率、高漫反射率、低比重的鋁粉作填料及低發(fā)射率的鈦酸丁酯為粘接劑的復(fù)合涂層提供。如英國的“海幽靈”護衛(wèi)艦艦體上廣泛采用復(fù)合材料，以降低艦艇的紅外信號特征。

4.2 降低艦艇的紅外輻射強度

降低艦艇的紅外輻射強度也就是降低艦艇與背景環(huán)境因素的熱對比度，使敵方紅外探測器接收不到足夠的能量，減少艦艇被發(fā)現(xiàn)、識別和跟蹤的概率。它主要是通過降低輻射體的溫度和采用有效的涂料來降低艦艇的輻射功率。其原理主要包括減熱、隔熱、吸熱、散熱和降熱等等。

具體可采用以下幾項技術(shù)手段:

(1)減少艦艇散熱源

盡量減少散熱源，采用散熱量小的設(shè)計和部件，采用閉環(huán)輕型冷卻系統(tǒng)，改善氣動力特性，減少氣動力摩擦。

(2)熱屏蔽技術(shù)

采用熱屏蔽技術(shù)，以隔阻艦艇內(nèi)部發(fā)出的熱量，使之難以外傳。一是在整機布局上考慮熱屏蔽手段，以求降低艦艇的紅外輻射強度;二是對噴管等重要部位進行紅外遮擋。

(3)噴涂涂料

在艦體表面涂敷降低紅外輻射的絕熱涂料，減弱對太陽能的吸收和輻射，從而降低艦體表面的溫度，達到降低輻射功率的目的。

(4)空氣對流散熱技術(shù)

空氣的輻射集中在大氣窗口以外的波段上，是一種能對紅外輻射進行自遮蔽的散熱器。所以紅外探測系統(tǒng)只能探測熱目標(biāo)，而不能探測熱空氣?？諝鈱α魃峒夹g(shù)充分利用空氣的這一特性，將熱能從艦艇表面或涂層表面?zhèn)鹘o周圍空氣。

(5)熱廢氣冷卻技術(shù)

艦艇所排放的熱廢氣也是艦艇主要的紅外輻射源，為了降低其紅外輻射強度，主要有2種方法:①將廢氣通過排氣管中注入海水使之冷卻到60～80℃后，在船尾稍高于水線的部位排放;②改變煙囪設(shè)計，使廢氣從煙囪中排放出來之前，經(jīng)過冷空氣或者冷水的冷卻，從而降低其廢氣的紅外特征信號。

(6)噴淋水霧系統(tǒng)

1)噴淋系統(tǒng)

噴淋系統(tǒng)主要借助海水對艦艇表面的過熱區(qū)域進行冷卻。這可以使艦艇在各種大氣環(huán)境下大大降低紅外特性，理想情況下，噴淋系統(tǒng)能夠?qū)⒄麠l船表面與周圍環(huán)境之間，以及船體各表面之間的溫差降低到5℃。

2)噴霧系統(tǒng)

水霧對紅外輻射的衰減主要是由于水霧對紅外輻射的吸收和散射作用。水霧對紅外輻射具有選擇性吸收作用，水分子在 3.17，4.63，4.81，11.80 μm等波長處具有很強的吸收作用。水霧粒子的半徑大部分在0.5～5.0 μm之間，與紅外輻射的波長差不多，因此水霧對紅外輻射會產(chǎn)生米氏散射。如英國的“?；辍碧柧脱b備了獨特的噴霧系統(tǒng)，需要時可在幾秒種內(nèi)產(chǎn)生細(xì)水霧，將全艦罩起來，大大降低紅外輻射［8］。

4.3 光譜轉(zhuǎn)換技術(shù)

光譜轉(zhuǎn)換技術(shù)就是利用一些隱身涂料吸收艦艇在3～5，8～14 μm這2個大氣窗口內(nèi)的紅外輻射，同時發(fā)射這2個大氣窗口以外的中遠(yuǎn)紅外輻射，這樣艦艇輻射落在大氣窗口以外，完全被大氣吸收和散射掉，從而減小艦艇被探測的概率。

5 艦艇紅外隱身技術(shù)的發(fā)展趨勢

目前隱身技術(shù)的發(fā)展趨勢有以下特點:①全波段隱身，既要兼顧紅外隱身、可見光隱身和激光隱身，也要考慮雷達隱身;②目標(biāo)全方位隱身;③多功能紅外技術(shù)隱身;④低成本紅外隱身措施;⑤智能化隱身技術(shù)［9］。

隨著人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，在不久的將來，艦艇必將具備智能隱身的功能。屆時，如果艦艇感應(yīng)到被探測，那么智能隱身系統(tǒng)將會自動識別敵方反艦武器的制導(dǎo)方式，同時通過控制器使艦艇在外形、隱身材料的性能上發(fā)生相應(yīng)改變以干擾敵方探測，從而降低被探測的概率。

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