無(wú)人機(jī)動(dòng)力進(jìn)排氣系統(tǒng)隱身設(shè)計(jì)分析

■ 鄭偉連/中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所

發(fā)動(dòng)機(jī)的隱身能力是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)整體隱身效果的關(guān)鍵，主要體現(xiàn)在進(jìn)排氣系統(tǒng)的隱身設(shè)計(jì)，對(duì)此進(jìn)行分析和歸納，可為無(wú)人機(jī)動(dòng)力的隱身設(shè)計(jì)提供參考。

作戰(zhàn)裝備的無(wú)人化是航空武器裝備發(fā)展的重要方向，無(wú)人機(jī)（UAV）呈現(xiàn)出多樣化、系列化發(fā)展趨勢(shì)，主要包括無(wú)人偵察機(jī)（URAV）、無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)（UCAV）和長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)（HALE UAV）[1]。無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)場(chǎng)中發(fā)揮的作用也由過(guò)去的空中偵察、信息中繼、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視等，轉(zhuǎn)變?yōu)閿撤交鹆褐?、?duì)地攻擊、對(duì)空作戰(zhàn)等。無(wú)人機(jī)成為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的核心武器裝備的關(guān)鍵是需要保證高的生存率，而提高無(wú)人機(jī)的隱身性能是提高無(wú)人機(jī)戰(zhàn)場(chǎng)生存率的關(guān)鍵。無(wú)人機(jī)動(dòng)力的隱身能力對(duì)無(wú)人機(jī)整機(jī)的隱身能力具有舉足輕重的意義，主要體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)。

進(jìn)氣系統(tǒng)隱身技術(shù)

無(wú)人機(jī)動(dòng)力進(jìn)氣系統(tǒng)由于處于低溫條件下，隱身設(shè)計(jì)主要考慮雷達(dá)隱身。雷達(dá)隱身的本質(zhì)就是使敵方雷達(dá)無(wú)法準(zhǔn)確地探測(cè)到目標(biāo)回波信號(hào)，而雷達(dá)截面積(RCS)是表征目標(biāo)返回到雷達(dá)的回波信號(hào)幅度。所以，要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身，核心就是降低目標(biāo)RCS，主要是通過(guò)改變外形、材料結(jié)構(gòu)和電磁特征來(lái)實(shí)現(xiàn)。

無(wú)人機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)在無(wú)人機(jī)隱身設(shè)計(jì)中占有非常重要的比重。有資料顯示，在飛機(jī)正前方±30°范圍內(nèi)對(duì)雷達(dá)波的強(qiáng)散射源中，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道與風(fēng)扇占據(jù)了雷達(dá)波散射的40%[2]。目前，無(wú)人機(jī)動(dòng)力進(jìn)氣系統(tǒng)雷達(dá)隱身主要包括以下3種措施。

藏起來(lái)

“藏起來(lái)”是指將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道通過(guò)設(shè)計(jì)布局避免和雷達(dá)波的正面接觸，主要采用埋入式進(jìn)氣道、背負(fù)式進(jìn)氣道、后傾半下凹式進(jìn)氣道等形式。

在各種進(jìn)氣道形式中，埋入式進(jìn)氣道（又稱(chēng)融合式進(jìn)氣道）的雷達(dá)隱身效果最好。埋入式進(jìn)氣道是將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口以下凹的方式，埋入機(jī)體常規(guī)氣動(dòng)外形之中，在飛機(jī)機(jī)體上無(wú)凸起的進(jìn)氣口，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣氣流沿著機(jī)體的型面流經(jīng)一個(gè)傾斜的長(zhǎng)斜板通道引入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口；該斜板初始段狹窄，其擴(kuò)散的尖緣側(cè)壁一直連到進(jìn)口展向的末端。這種結(jié)構(gòu)充分利用進(jìn)口兩側(cè)的棱產(chǎn)生具有三維效應(yīng)的渦結(jié)構(gòu)，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供必要的流量，由渦卷吸空氣進(jìn)入進(jìn)氣道[3]。比較有代表性的是美國(guó)的AGM-129和AGM-158巡航導(dǎo)彈（見(jiàn)圖1），埋入式進(jìn)氣道位于機(jī)體下表面。該結(jié)構(gòu)存在進(jìn)氣效率和總壓比恢復(fù)不足的缺點(diǎn)，不適用于需要做劇烈機(jī)動(dòng)的有人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)，但適用于對(duì)機(jī)動(dòng)性要求不高的無(wú)人機(jī)和導(dǎo)彈。

圖1 AGM-129（左）和AGM-158（右）巡航導(dǎo)彈

考慮到不需要設(shè)置飛行員駕駛艙的特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)相對(duì)于有人機(jī)在結(jié)構(gòu)布局方面更加靈活。空中偵察和空中打擊用的無(wú)人機(jī)大多采用背負(fù)式進(jìn)氣方式，將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道背在飛機(jī)上方，并通過(guò)機(jī)頭外廓進(jìn)行前向遮擋，這種進(jìn)氣方式也具有較好的前向隱身效果。美國(guó)的“全球鷹”等高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)就采用了背負(fù)式進(jìn)氣口，利用衛(wèi)星通信天線(xiàn)罩對(duì)進(jìn)氣口進(jìn)行前向遮擋，一方面提高了無(wú)人機(jī)的前向雷達(dá)隱身能力，另一方面還有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率，如圖2所示。

美國(guó)的X-45A無(wú)人機(jī)、X-47B無(wú)人機(jī)、歐洲的“神經(jīng)元”無(wú)人機(jī)均采用了后傾半下凹式進(jìn)氣口技術(shù)，如圖3所示。機(jī)身前部正上方有一個(gè)近似三角形的進(jìn)氣口，這樣設(shè)計(jì)的好處是使得發(fā)動(dòng)機(jī)艙的高度獲得了降低，減小無(wú)人機(jī)前向發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口RCS，從而提升雷達(dá)隱身能力。

彈出去

“彈出去”是指將無(wú)人機(jī)前向來(lái)的雷達(dá)電磁波反射到雷達(dá)無(wú)法接收的方向上。主要采用的措施有外形技術(shù)和進(jìn)氣道格柵技術(shù)。

圖3 X-45A和X-47B無(wú)人機(jī)

外形技術(shù)是通過(guò)對(duì)裸露在外面的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行幾何形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小或消除鏡面反射和角反射效應(yīng)，進(jìn)而減少雷達(dá)反射波的反射角度范圍，獲得較好的雷達(dá)隱身效果。飛機(jī)進(jìn)氣道唇口也是強(qiáng)散射源，通過(guò)進(jìn)口邊緣斜掠的措施可以降低RCS。通過(guò)將上、下唇口做成鋸齒形，減少唇口反射雷達(dá)波的強(qiáng)度，可起到減少雷達(dá)探測(cè)主方向的RCS的作用。在發(fā)動(dòng)機(jī)方面，通常的做法是修改發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口整流罩的形狀，采用尖錐形的進(jìn)口整流罩代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓弧形進(jìn)口整流罩，可降低RCS，提高發(fā)動(dòng)機(jī)前向雷達(dá)隱身性能。

飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道通常為大口徑空腔結(jié)構(gòu)，當(dāng)進(jìn)入到空腔的電磁波被腔體內(nèi)壁和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口支板或葉片反射后，在雷達(dá)波的入射方向形成一定的RCS。進(jìn)氣道格柵技術(shù)是進(jìn)氣道隱身的典型措施之一。早在20世紀(jì)60年代初，美國(guó)就在部分Q-2無(wú)人機(jī)上使用了金屬絲網(wǎng)罩住發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道。典型的成功案例為RQ-170飛翼布局無(wú)人機(jī)，其設(shè)計(jì)原理為：一方面，通過(guò)進(jìn)氣道格柵將電磁波進(jìn)行散射，散射后的電磁波基本不會(huì)回到雷達(dá)接收的方向；另一方面，進(jìn)氣道格柵和進(jìn)氣道腔體使得進(jìn)入的電磁波經(jīng)過(guò)多次反射后的能量大大衰減，進(jìn)而減小了回波強(qiáng)度，提高了進(jìn)氣道前向雷達(dá)隱身特性[4]。

吸收掉

“吸收掉”是指通過(guò)多次反射衰減雷達(dá)波，或者是通過(guò)雷達(dá)吸波材料吸收衰減雷達(dá)波，進(jìn)而減少雷達(dá)波反射。主要技術(shù)手段包括：S彎進(jìn)氣道+吸波導(dǎo)流體和涂覆雷達(dá)吸波涂層。

圖4 S彎進(jìn)氣道

S彎進(jìn)氣道（見(jiàn)圖4）能夠避免雷達(dá)波直接照射在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口支板、葉片等零組件上，通過(guò)S形進(jìn)氣彎道對(duì)電磁波的多次反射，最終降低雷達(dá)反射回波。進(jìn)氣吸波導(dǎo)流體是在進(jìn)氣道內(nèi)布置吸波導(dǎo)流片（環(huán)）并通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善進(jìn)氣道隱身性能。當(dāng)雷達(dá)波長(zhǎng)大于管道寬度的2倍時(shí), 雷達(dá)波不能進(jìn)入管道，在進(jìn)氣口被散射；當(dāng)波長(zhǎng)為管道寬度的1～2倍時(shí)，管道變成波導(dǎo)管，雷達(dá)波可沿其S 形管道有效傳播, 但波長(zhǎng)不能進(jìn)入作為隱身裝置的導(dǎo)流葉片的間隙, 吸波導(dǎo)流體吸收了大部分能量；當(dāng)波長(zhǎng)明顯小于管道寬度時(shí), 雷達(dá)波類(lèi)似于光波束在S 形管道內(nèi)壁進(jìn)行多次反射，大部分被吸波材料吸收，少量通過(guò)吸波導(dǎo)流體葉片的短波經(jīng)過(guò)管道、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的多次反射而消耗能量, 同時(shí)還要受到導(dǎo)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]?！安妒痴摺盋無(wú)人機(jī)、“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈和“全球鷹”無(wú)人偵察機(jī)等都采用S彎進(jìn)氣道，大大降低了發(fā)動(dòng)機(jī)雷達(dá)信號(hào)特征。

雷達(dá)隱身吸波材料是一種重要的隱身材料，它能吸收雷達(dá)波，使反射波減弱甚至不反射雷達(dá)波。具體原理是通過(guò)材料的介質(zhì)損耗將電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式的能量。相比于通過(guò)外形來(lái)提高雷達(dá)隱身能力，雷達(dá)隱身吸波材料具有更廣泛的應(yīng)用范圍，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)許多結(jié)構(gòu)件為了保證氣動(dòng)性能無(wú)法采用外形隱身。在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道唇口、吸波導(dǎo)流葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣錐、進(jìn)氣機(jī)匣支板、可調(diào)葉片、風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片等位置涂敷雷達(dá)吸波涂層，有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口雷達(dá)隱身能力。

排氣系統(tǒng)隱身技術(shù)

無(wú)人機(jī)動(dòng)力排氣系統(tǒng)溫度較高，因此發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的隱身主要為紅外隱身，同時(shí)還要兼顧雷達(dá)隱身。實(shí)現(xiàn)紅外隱身的關(guān)鍵是要減小發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的紅外(熱) 信號(hào)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(fā)射率成正比，因此降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)表面溫度和紅外輻射率是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)紅外隱身的關(guān)鍵[5]。目前實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)動(dòng)力排氣系統(tǒng)紅外隱身的手段有：降低溫度、進(jìn)行遮擋和采用低發(fā)射率技術(shù)。

降溫

降溫主要是降低發(fā)動(dòng)機(jī)噴管溫度。主要包括噴管腔體的降溫和噴流降溫。

通過(guò)氣膜冷卻技術(shù)或沖擊冷卻技術(shù)降低發(fā)動(dòng)機(jī)噴管腔體的中心錐、渦輪后機(jī)匣支板和噴管側(cè)壁等高溫部件的表面溫度，實(shí)現(xiàn)降低排氣系統(tǒng)紅外輻射的目的。

噴流降溫主要通過(guò)加強(qiáng)噴管內(nèi)涵氣流與外涵氣流或噴管?chē)娏髋c大氣的摻混，來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)整體溫度，最終達(dá)到減少紅外輻射的目的。

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的改進(jìn)設(shè)計(jì)，例如采用二維噴管或S彎噴管，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)饬靼催x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(zhǎng), 實(shí)現(xiàn)對(duì)噴管內(nèi)涵和外涵氣流以及噴流和大氣摻混的強(qiáng)化，加快燃?xì)獾睦鋮s速度。因此采用二維噴管或S彎噴管，并對(duì)噴管出口鋸齒和波瓣混合器等進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的紅外輻射強(qiáng)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(jìn)尾噴流與周?chē)諝饪焖倩旌?，從而加快尾噴流的散熱速度及與燃?xì)馍淞鞯幕旌纤俣?，使尾噴流長(zhǎng)度縮短，降低輻射強(qiáng)度。采用波瓣混合噴管或合理的后機(jī)體設(shè)計(jì)形成的通道，加速外涵的冷氣與高溫燃?xì)獾膿交旎蛞洵h(huán)境空氣進(jìn)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(jié)構(gòu)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(shí)，對(duì)二維噴管的擴(kuò)張調(diào)節(jié)片進(jìn)行修形，實(shí)現(xiàn)和無(wú)人機(jī)整體布局的統(tǒng)一，降低雷達(dá)散射強(qiáng)度，也能提高戰(zhàn)斗機(jī)整機(jī)的雷達(dá)隱身能力。

遮擋

排氣系統(tǒng)紅外遮擋技術(shù)是指在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)紅外隱身設(shè)計(jì)時(shí)，將紅外輻射強(qiáng)度較強(qiáng)的部件用紅外輻射強(qiáng)度較弱的部件進(jìn)行遮擋或代替，實(shí)現(xiàn)降低排氣系統(tǒng)紅外輻射的目的。排氣系統(tǒng)的遮擋技術(shù)主要應(yīng)用于噴管的遮擋和噴流的遮擋。

發(fā)動(dòng)機(jī)在無(wú)人機(jī)整體布局上常常采用背負(fù)式和內(nèi)縮安裝。利用飛機(jī)機(jī)體、尾翼或其他結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管進(jìn)行遮擋，改變噴管的紅外輻射方向，避免了地面紅外探測(cè)器從飛機(jī)的下方或側(cè)面探測(cè)到飛機(jī)的紅外輻射信號(hào)，從而起到紅外隱身的作用。“捕食者”C無(wú)人機(jī)（見(jiàn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的遮擋，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的紅外輻射信號(hào)特征，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)探測(cè)信號(hào)的偏轉(zhuǎn)反射。

RQ-4A/B“全球鷹”無(wú)人機(jī)也采用巨大的V形尾翼對(duì)噴管進(jìn)行有效的遮擋，以降低其紅外輻射。

在發(fā)動(dòng)機(jī)噴管設(shè)計(jì)方面，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件遮擋設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部高溫部件的遮擋，降低紅外輻射特征，避免紅外探測(cè)器直接探測(cè)到高溫噴管出口。對(duì)噴管外罩采用復(fù)合材料隔熱結(jié)構(gòu)，以屏蔽內(nèi)部的熱輻射，降低外罩溫度，以降低紅外輻射特征。

低發(fā)射率

低發(fā)射率技術(shù)是指通過(guò)降低固體部件表面的紅外發(fā)射率來(lái)降低紅外輻射。具體包括在無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管腔體內(nèi)的末級(jí)渦輪葉片、中心錐、支板等高溫部件表面涂敷低紅外發(fā)射率的紅外吸波涂層，以提升發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)紅外隱身能力。

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的雷達(dá)隱身措施主要包括：S彎噴管對(duì)雷達(dá)波的衰減；采用噴管鋸齒化結(jié)構(gòu)、尾錐尖錐修形、噴管涂覆雷達(dá)吸波涂層等形式，降低無(wú)人機(jī)動(dòng)力的后向雷達(dá)散射特性。

無(wú)人機(jī)動(dòng)力排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往綜合考慮紅外隱身和雷達(dá)隱身措施。例如“捕食者”C無(wú)人機(jī)采用S彎二維噴管。該噴管一方面形狀上采用隱身噴口設(shè)計(jì)，有效降低雷達(dá)散射，提升雷達(dá)隱身能力；另一方面通過(guò)二次引氣設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣的有效冷卻，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的紅外信號(hào)特征，減小了地面紅外探測(cè)設(shè)備對(duì)其發(fā)現(xiàn)的概率。

結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)動(dòng)力的進(jìn)氣、排氣系統(tǒng)的隱身設(shè)計(jì)需要開(kāi)展飛發(fā)一體化設(shè)計(jì)。

一方面，由于無(wú)人機(jī)相對(duì)于有人機(jī)在外形和布局上具有較高的靈活性，背負(fù)式進(jìn)氣道、背負(fù)式噴管、噴管紅外輻射遮擋設(shè)計(jì)，在無(wú)人機(jī)動(dòng)力隱身設(shè)計(jì)中被廣泛采用。

另一方面，在無(wú)人機(jī)動(dòng)力隱身設(shè)計(jì)過(guò)程中，還要考慮將紅外和雷達(dá)隱身技術(shù)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的外表面涂敷兼容雷達(dá)和紅外隱身的吸波涂層，在噴管的外形設(shè)計(jì)上兼顧降低紅外輻射和雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)。

此外，無(wú)人機(jī)動(dòng)力的進(jìn)氣、排氣系統(tǒng)隱身設(shè)計(jì)還需要綜合權(quán)衡發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性。例如，遮擋型的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口方式需要考慮進(jìn)氣流量、進(jìn)氣畸變等因素，二維噴管設(shè)計(jì)需要綜合考慮冷卻氣流量以及噴管質(zhì)量等因素。

圖5 “捕食者”C無(wú)人機(jī)