無人機動力進排氣系統隱身設計分析

■ 鄭偉連/中國航發動力所

發動機的隱身能力是實現無人機整體隱身效果的關鍵，主要體現在進排氣系統的隱身設計，對此進行分析和歸納，可為無人機動力的隱身設計提供參考。

作戰裝備的無人化是航空武器裝備發展的重要方向，無人機（UAV）呈現出多樣化、系列化發展趨勢，主要包括無人偵察機（URAV）、無人作戰飛機（UCAV）和長航時無人機（HALE UAV）[1]。無人機在戰場中發揮的作用也由過去的空中偵察、信息中繼、戰場監視等，轉變為敵方火力壓制、對地攻擊、對空作戰等。無人機成為未來戰爭的核心武器裝備的關鍵是需要保證高的生存率，而提高無人機的隱身性能是提高無人機戰場生存率的關鍵。無人機動力的隱身能力對無人機整機的隱身能力具有舉足輕重的意義，主要體現在發動機的進氣和排氣系統。

進氣系統隱身技術

無人機動力進氣系統由于處于低溫條件下，隱身設計主要考慮雷達隱身。雷達隱身的本質就是使敵方雷達無法準確地探測到目標回波信號，而雷達截面積(RCS)是表征目標返回到雷達的回波信號幅度。所以，要實現雷達隱身，核心就是降低目標RCS，主要是通過改變外形、材料結構和電磁特征來實現。

無人機進氣系統的雷達隱身設計在無人機隱身設計中占有非常重要的比重。有資料顯示，在飛機正前方±30°范圍內對雷達波的強散射源中，發動機進氣道與風扇占據了雷達波散射的40%[2]。目前，無人機動力進氣系統雷達隱身主要包括以下3種措施。

藏起來

“藏起來”是指將發動機進氣道通過設計布局避免和雷達波的正面接觸，主要采用埋入式進氣道、背負式進氣道、后傾半下凹式進氣道等形式。

在各種進氣道形式中，埋入式進氣道（又稱融合式進氣道）的雷達隱身效果最好。埋入式進氣道是將發動機進氣口以下凹的方式，埋入機體常規氣動外形之中，在飛機機體上無凸起的進氣口，發動機的進氣氣流沿著機體的型面流經一個傾斜的長斜板通道引入發動機進口；該斜板初始段狹窄，其擴散的尖緣側壁一直連到進口展向的末端。這種結構充分利用進口兩側的棱產生具有三維效應的渦結構，為發動機提供必要的流量，由渦卷吸空氣進入進氣道[3]。比較有代表性的是美國的AGM-129和AGM-158巡航導彈（見圖1），埋入式進氣道位于機體下表面。該結構存在進氣效率和總壓比恢復不足的缺點，不適用于需要做劇烈機動的有人駕駛戰斗機，但適用于對機動性要求不高的無人機和導彈。

圖1 AGM-129（左）和AGM-158（右）巡航導彈

考慮到不需要設置飛行員駕駛艙的特點，無人機相對于有人機在結構布局方面更加靈活。空中偵察和空中打擊用的無人機大多采用背負式進氣方式，將發動機進氣道背在飛機上方，并通過機頭外廓進行前向遮擋，這種進氣方式也具有較好的前向隱身效果。美國的“全球鷹”等高空長航時無人機就采用了背負式進氣口，利用衛星通信天線罩對進氣口進行前向遮擋，一方面提高了無人機的前向雷達隱身能力，另一方面還有助于提高發動機的進氣效率，如圖2所示。

美國的X-45A無人機、X-47B無人機、歐洲的“神經元”無人機均采用了后傾半下凹式進氣口技術，如圖3所示。機身前部正上方有一個近似三角形的進氣口，這樣設計的好處是使得發動機艙的高度獲得了降低，減小無人機前向發動機進口RCS，從而提升雷達隱身能力。

彈出去

“彈出去”是指將無人機前向來的雷達電磁波反射到雷達無法接收的方向上。主要采用的措施有外形技術和進氣道格柵技術。

圖3 X-45A和X-47B無人機

外形技術是通過對裸露在外面的結構件進行幾何形狀的優化設計，減小或消除鏡面反射和角反射效應，進而減少雷達反射波的反射角度范圍，獲得較好的雷達隱身效果。飛機進氣道唇口也是強散射源，通過進口邊緣斜掠的措施可以降低RCS。通過將上、下唇口做成鋸齒形，減少唇口反射雷達波的強度，可起到減少雷達探測主方向的RCS的作用。在發動機方面，通常的做法是修改發動機進口整流罩的形狀，采用尖錐形的進口整流罩代替傳統的圓弧形進口整流罩，可降低RCS，提高發動機前向雷達隱身性能。

飛行器的發動機進氣道通常為大口徑空腔結構，當進入到空腔的電磁波被腔體內壁和發動機進口支板或葉片反射后，在雷達波的入射方向形成一定的RCS。進氣道格柵技術是進氣道隱身的典型措施之一。早在20世紀60年代初，美國就在部分Q-2無人機上使用了金屬絲網罩住發動機進氣道。典型的成功案例為RQ-170飛翼布局無人機，其設計原理為：一方面，通過進氣道格柵將電磁波進行散射，散射后的電磁波基本不會回到雷達接收的方向；另一方面，進氣道格柵和進氣道腔體使得進入的電磁波經過多次反射后的能量大大衰減，進而減小了回波強度，提高了進氣道前向雷達隱身特性[4]。

吸收掉

“吸收掉”是指通過多次反射衰減雷達波，或者是通過雷達吸波材料吸收衰減雷達波，進而減少雷達波反射。主要技術手段包括：S彎進氣道+吸波導流體和涂覆雷達吸波涂層。

圖4 S彎進氣道

S彎進氣道（見圖4）能夠避免雷達波直接照射在發動機進口支板、葉片等零組件上，通過S形進氣彎道對電磁波的多次反射，最終降低雷達反射回波。進氣吸波導流體是在進氣道內布置吸波導流片（環）并通過優化設計，改善進氣道隱身性能。當雷達波長大于管道寬度的2倍時, 雷達波不能進入管道，在進氣口被散射；當波長為管道寬度的1～2倍時，管道變成波導管，雷達波可沿其S 形管道有效傳播, 但波長不能進入作為隱身裝置的導流葉片的間隙, 吸波導流體吸收了大部分能量；當波長明顯小于管道寬度時, 雷達波類似于光波束在S 形管道內壁進行多次反射，大部分被吸波材料吸收，少量通過吸波導流體葉片的短波經過管道、發動機葉片的多次反射而消耗能量, 同時還要受到導流體吸波材料的吸收使能量大幅衰減, 所以反射回波具有很小的能量[3]。“捕食者”C無人機、“戰斧”巡航導彈和“全球鷹”無人偵察機等都采用S彎進氣道，大大降低了發動機雷達信號特征。

雷達隱身吸波材料是一種重要的隱身材料，它能吸收雷達波，使反射波減弱甚至不反射雷達波。具體原理是通過材料的介質損耗將電磁波能量轉化為熱能或其他形式的能量。相比于通過外形來提高雷達隱身能力，雷達隱身吸波材料具有更廣泛的應用范圍，因為發動機許多結構件為了保證氣動性能無法采用外形隱身。在發動機進氣道唇口、吸波導流葉片、發動機進氣錐、進氣機匣支板、可調葉片、風扇轉子葉片等位置涂敷雷達吸波涂層，有效提高發動機進口雷達隱身能力。

排氣系統隱身技術

無人機動力排氣系統溫度較高，因此發動機排氣系統的隱身主要為紅外隱身，同時還要兼顧雷達隱身。實現紅外隱身的關鍵是要減小發動機排氣系統的紅外(熱) 信號特征。由斯忒潘-玻耳茲曼定律可知，紅外輻射能量與其溫度的4次方和表面發射率成正比，因此降低發動機排氣系統表面溫度和紅外輻射率是發動機排氣系統紅外隱身的關鍵[5]。目前實現無人機動力排氣系統紅外隱身的手段有：降低溫度、進行遮擋和采用低發射率技術。

降溫

降溫主要是降低發動機噴管溫度。主要包括噴管腔體的降溫和噴流降溫。

通過氣膜冷卻技術或沖擊冷卻技術降低發動機噴管腔體的中心錐、渦輪后機匣支板和噴管側壁等高溫部件的表面溫度，實現降低排氣系統紅外輻射的目的。

噴流降溫主要通過加強噴管內涵氣流與外涵氣流或噴管噴流與大氣的摻混，來降低發動機排氣系統整體溫度，最終達到減少紅外輻射的目的。

通過對發動機噴管的改進設計，例如采用二維噴管或S彎噴管，可以使發動機的燃氣流按選定的方向排出, 并且容易與外界空氣摻混而增加尾焰的周長, 實現對噴管內涵和外涵氣流以及噴流和大氣摻混的強化，加快燃氣的冷卻速度。因此采用二維噴管或S彎噴管，并對噴管出口鋸齒和波瓣混合器等進行設計，可以降低發動機排氣系統的紅外輻射強度。

采用二維噴管有利于加大噴管與冷空氣的接觸面積，促進尾噴流與周圍空氣快速混合，從而加快尾噴流的散熱速度及與燃氣射流的混合速度，使尾噴流長度縮短，降低輻射強度。采用波瓣混合噴管或合理的后機體設計形成的通道，加速外涵的冷氣與高溫燃氣的摻混或引射環境空氣進入排氣流中，降低尾噴流溫度。給二維矢量噴管的冷卻提供足夠的冷氣，改變外涵道結構形式和沿途冷卻氣流的分配，可確保二維矢量噴管的冷卻效果；同時，對二維噴管的擴張調節片進行修形，實現和無人機整體布局的統一，降低雷達散射強度，也能提高戰斗機整機的雷達隱身能力。

遮擋

排氣系統紅外遮擋技術是指在發動機排氣系統紅外隱身設計時，將紅外輻射強度較強的部件用紅外輻射強度較弱的部件進行遮擋或代替，實現降低排氣系統紅外輻射的目的。排氣系統的遮擋技術主要應用于噴管的遮擋和噴流的遮擋。

發動機在無人機整體布局上常常采用背負式和內縮安裝。利用飛機機體、尾翼或其他結構對發動機噴管進行遮擋，改變噴管的紅外輻射方向，避免了地面紅外探測器從飛機的下方或側面探測到飛機的紅外輻射信號，從而起到紅外隱身的作用。“捕食者”C無人機（見圖5）采用V形大尾翼布局，兩片尾翼前后緣平行且相互垂直，實現了對發動機噴管的遮擋，降低了發動機排氣系統的紅外輻射信號特征，同時還可以實現對雷達探測信號的偏轉反射。

RQ-4A/B“全球鷹”無人機也采用巨大的V形尾翼對噴管進行有效的遮擋，以降低其紅外輻射。

在發動機噴管設計方面，對發動機高溫部件遮擋設計須采取以下措施：采用S彎噴管、二維噴管或者具有遮擋功能的噴管，實現對內部高溫部件的遮擋，降低紅外輻射特征，避免紅外探測器直接探測到高溫噴管出口。對噴管外罩采用復合材料隔熱結構，以屏蔽內部的熱輻射，降低外罩溫度，以降低紅外輻射特征。

低發射率

低發射率技術是指通過降低固體部件表面的紅外發射率來降低紅外輻射。具體包括在無人機發動機噴管腔體內的末級渦輪葉片、中心錐、支板等高溫部件表面涂敷低紅外發射率的紅外吸波涂層，以提升發動機排氣系統紅外隱身能力。

發動機排氣系統的雷達隱身措施主要包括：S彎噴管對雷達波的衰減；采用噴管鋸齒化結構、尾錐尖錐修形、噴管涂覆雷達吸波涂層等形式，降低無人機動力的后向雷達散射特性。

無人機動力排氣系統的結構設計往往綜合考慮紅外隱身和雷達隱身措施。例如“捕食者”C無人機采用S彎二維噴管。該噴管一方面形狀上采用隱身噴口設計，有效降低雷達散射，提升雷達隱身能力；另一方面通過二次引氣設計實現對排氣的有效冷卻，降低了發動機排氣系統的紅外信號特征，減小了地面紅外探測設備對其發現的概率。

結束語

無人機動力的進氣、排氣系統的隱身設計需要開展飛發一體化設計。

一方面，由于無人機相對于有人機在外形和布局上具有較高的靈活性，背負式進氣道、背負式噴管、噴管紅外輻射遮擋設計，在無人機動力隱身設計中被廣泛采用。

另一方面，在無人機動力隱身設計過程中，還要考慮將紅外和雷達隱身技術進行一體化設計，例如在發動機噴管的外表面涂敷兼容雷達和紅外隱身的吸波涂層，在噴管的外形設計上兼顧降低紅外輻射和雷達隱身設計。

此外，無人機動力的進氣、排氣系統隱身設計還需要綜合權衡發動機的性能和可靠性。例如，遮擋型的發動機進口方式需要考慮進氣流量、進氣畸變等因素，二維噴管設計需要綜合考慮冷卻氣流量以及噴管質量等因素。

圖5 “捕食者”C無人機