隱身技術(shù)在飛行器上的應(yīng)用

孫子杰,毛根旺,栗金平,胡 偉,黃先科

(西北工業(yè)大學(xué) a.燃燒、流動(dòng)和熱結(jié)構(gòu)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.航天學(xué)院,西安 710072)

隨著航空電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,未來戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境變得更加惡劣而復(fù)雜。各種新型雷達(dá)、先進(jìn)探測(cè)器及精確制導(dǎo)武器的相繼問世,對(duì)各種軍事目標(biāo)構(gòu)成了極為嚴(yán)重的威脅。為了提高軍用武器的生存力和戰(zhàn)斗力,近年來世界各軍事強(qiáng)國(guó)都在加緊隱身技術(shù)的研究和投入,隱身技術(shù)獲得了很大的進(jìn)展,并被廣泛運(yùn)用于各種武器裝備中[1-4]。由于存在對(duì)未來戰(zhàn)爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)“零傷亡”目標(biāo)的強(qiáng)烈要求,對(duì)新的隱身機(jī)理的研究,以及對(duì)新的隱身材料的研發(fā)都已成為當(dāng)今隱身技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1 隱身技術(shù)在飛行器上的應(yīng)用

將隱身技術(shù)應(yīng)用于軍用飛行器的過程中,往往不是單獨(dú)使用一種方法就能保證隱身飛行器具有躲避探測(cè),或者減少其被探測(cè)的能力。只有適當(dāng)綜合應(yīng)用雷達(dá)、紅外線、可見光與聲學(xué)信號(hào)等的減弱技術(shù),而且還要使用主動(dòng)和被動(dòng)電子對(duì)抗,才能使隱身飛行器在不被發(fā)現(xiàn)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(shù)在飛行器上的應(yīng)用

外形隱身技術(shù)就是通過改變目標(biāo)表面的形狀,將目標(biāo)的強(qiáng)散射源減少到最低限度,從而大幅度減少可被敵方雷達(dá)接收機(jī)截獲的電磁波能量,使雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)距離縮短,并在一定角域范圍內(nèi)顯著減小飛行器的RCS,使其在一定范圍內(nèi)難以被敵方雷達(dá)識(shí)別和發(fā)現(xiàn)的技術(shù)[5-9]。外形隱身技術(shù)導(dǎo)致雷達(dá)跟蹤誤差增加的理論依據(jù)來自目標(biāo)各個(gè)部件的電磁散射機(jī)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(guān)系。對(duì)于不同的目標(biāo),RCS(雷達(dá)散射截面)隨視線角均會(huì)發(fā)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(dǎo)致散射中心偏離幾何中心。

美國(guó)典型的F-117A隱身戰(zhàn)斗機(jī)為獨(dú)特的三角形飛翼式前三點(diǎn)起落架布局。機(jī)翼下表面與機(jī)身上表面是由許多塊小平面組成一體的三角面錐,使雷達(dá)信號(hào)絕大部分偏離入射方向。機(jī)翼的前緣就是機(jī)身前緣線的延伸。機(jī)身與發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)被機(jī)翼遮擋著,不管是單基地雷達(dá)還是多基地雷達(dá)都很難捕捉到它。該機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口和機(jī)身頂部邊緣與機(jī)翼前緣平行;尾噴口邊緣與機(jī)翼外側(cè)后緣平行;機(jī)身邊緣與發(fā)動(dòng)機(jī)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(yù)警機(jī)雷達(dá)照射方向看,由于2種飛機(jī)的高度差不是很大,F-117A隱身戰(zhàn)斗機(jī)上表面不會(huì)出現(xiàn)垂直鏡面反射,并且使大面積的鏡面反射和強(qiáng)的邊緣繞射集中于水平面內(nèi)的幾個(gè)窄波束,使機(jī)頭方向這一最重要的威脅區(qū)域獲得有效的RCS減縮。這種多面體外形對(duì)垂直和接近垂直的很窄角度范圍內(nèi)的鏡面反射很強(qiáng),但在其余很大的角度范圍內(nèi)其鏡面后向散射很弱,它反射的雷達(dá)波以各種角度向飛機(jī)上半球的天空散射,使地面雷達(dá)很難接收到這些反射信號(hào)[10]。

1.2 材料隱身技術(shù)在飛行器上的應(yīng)用

材料隱身技術(shù)是通過材料的各種物理化學(xué)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(duì)不同的探測(cè)儀器實(shí)現(xiàn)消除或減弱聲、光、電、熱、力學(xué)方面所產(chǎn)生的信號(hào)特征。按材料隱身機(jī)理的相近程度,將常用的隱身材料分為對(duì)比型、自減型和自調(diào)型。

1)對(duì)比型。采用能夠吸收或透過電磁波的涂料或復(fù)合材料,使入射電磁波在飛行器上總的回波強(qiáng)度顯著降低的一類功能材料。當(dāng)電磁波穿過材料時(shí),電磁波被吸收,從而使入射電磁波的能量耗損,實(shí)際上是將電磁能轉(zhuǎn)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(jìn)行干涉抵消[11]。同沒進(jìn)行過功能材料處理前的飛行器反射信號(hào)對(duì)比,飛行器具有低可探測(cè)性,故稱此類功能材料為“對(duì)比型”隱身材料。雷達(dá)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(diǎn),把雷達(dá)隱身材料歸為此類并不表示忽略了雷達(dá)吸波材料對(duì)電子艙周圍用于屏蔽泄漏的設(shè)備,可減少或消散發(fā)射泄漏的無線電頻率的用途,只是雷達(dá)隱身材料是更側(cè)重于一般雷達(dá)的工作原理所研發(fā)的。

視黃基席夫堿鹽[12]的吸收性能優(yōu)于其他雷達(dá)吸波材料,它的質(zhì)量?jī)H為典型鐵氧體的1/10。對(duì)這種鹽進(jìn)行改進(jìn)后,使一種組合鹽能吸收全頻段的雷達(dá)波,能量將轉(zhuǎn)變?yōu)闊岫纳⒌?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(shí)現(xiàn)很好的隱身效果。

據(jù)報(bào)道[13],國(guó)內(nèi)激光隱身涂料對(duì)1.06μm波長(zhǎng)的激光吸收率已高達(dá)95%以上,可以使激光測(cè)距機(jī)的測(cè)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(chǎn)生的某種信號(hào)特征的涂料,使探測(cè)設(shè)備無法有效地檢測(cè)到此信號(hào)特征與背景的差別,從而實(shí)現(xiàn)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(biāo)的紅外輻射,使目標(biāo)輻射的紅外線不能穿透。在發(fā)動(dòng)機(jī)部位用密致碳粒和超密致碳泡沫來吸收發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的熱輻射。

美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(dǎo)熱率和抗電磁干擾特性,并能很好地吸收目標(biāo)所產(chǎn)生的噪音。對(duì)聲頻為1 000 Hz以上的聲波,吸收系數(shù)可達(dá)到80～90%。在溫度為-37℃～81℃,吸聲降噪能力并不降低。

3)自調(diào)型。采用能夠感知背景的變化、自動(dòng)調(diào)節(jié)目標(biāo)的信號(hào)特征,盡可能地降低目標(biāo)和背景的可探測(cè)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(nèi)部獲取關(guān)于環(huán)境條件及其變化信息,對(duì)感知的信息進(jìn)行處理,可通過自我指令改變自身結(jié)構(gòu)與功能,使其很好地與環(huán)境協(xié)調(diào),具有自適應(yīng)性的材料系統(tǒng),故稱此類功能材料為“自調(diào)型”隱身材料。智能變色材料、紅外智能隱身材料和雷達(dá)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(huán)基取代的二芳基乙烯類化合物在光致變色、熱穩(wěn)定和耐疲勞等方面性能優(yōu)異,在紫外光激發(fā)下,化合物旋轉(zhuǎn)閉環(huán)生成有色的閉環(huán)體,而閉環(huán)體在可見光照射下又能發(fā)生相反的變化,從而在不同波長(zhǎng)和強(qiáng)度的光作用下引起對(duì)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(yīng)反應(yīng),最終導(dǎo)致顏色改變?yōu)楸尘吧默F(xiàn)象。

美國(guó)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(dāng)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(jié)構(gòu),從而改變了整個(gè)材料的顏色和光強(qiáng)度,使之與環(huán)境的顏色和光強(qiáng)度快速達(dá)到一致或接近,從而達(dá)到隱身效果。

1.3 有源隱身技術(shù)在飛行器上的應(yīng)用

有源隱身技術(shù)又稱主動(dòng)隱身技術(shù),是指利用有源手段使飛行器規(guī)避聲、光、電、熱等探測(cè)設(shè)備探測(cè)的一種技術(shù)。有源隱身技術(shù)主要利用光或電子干擾等手段隱蔽目標(biāo)[24]。一是通過檢測(cè)探測(cè)敵方的探測(cè)信號(hào)判斷自身的信號(hào)散射特征,自適應(yīng)地產(chǎn)生與入射探測(cè)信號(hào)幅度相近而相位相反的探測(cè)信號(hào)進(jìn)行相干抵消,使敵方探測(cè)設(shè)備始終位于合成方向圖的零點(diǎn),從而抑制探測(cè)設(shè)備對(duì)飛行器反射信號(hào)的接收;二是截獲并分析出敵方的探測(cè)信號(hào)后,以相應(yīng)的頻率波段信號(hào)加以干擾,重新發(fā)射一個(gè)相似的滯后信號(hào),使敵方的探測(cè)設(shè)備對(duì)定位做出錯(cuò)誤判斷;三是增加目標(biāo)的可探測(cè)信息特征,使敵雷達(dá)、紅外探測(cè)儀出現(xiàn)大面積虛假信號(hào),以此達(dá)到隱身目的。

法國(guó)MBDA與Thales公司正合作研發(fā)有源隱身技術(shù),首先用于改進(jìn)“風(fēng)影”/SCALP EP系列常規(guī)巡航導(dǎo)彈,然后擬用于未來的遠(yuǎn)程打擊系統(tǒng),并計(jì)劃在2010年內(nèi)應(yīng)用這種技術(shù)。MBDA通過所謂的“靈巧蒙皮”陣,用共形發(fā)射機(jī)/接收機(jī)檢測(cè)并改變這些雷達(dá)的射頻RF信號(hào),此有源隱身技術(shù)能夠使飛行器的RCS顯著降低,其隱身效果優(yōu)于當(dāng)代的無源隱身技術(shù)。MBDA已經(jīng)用這些有源隱身措施來降低飛行器機(jī)體上關(guān)鍵部位的RCS,如發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道特征及導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的RCS。對(duì)低、中、高頻率的地面雷達(dá)和機(jī)栽雷達(dá)都實(shí)現(xiàn)了令人滿意的隱身效果,尤其是對(duì)高頻雷達(dá)的探測(cè)具有更小的RCS,并且通過有源噪聲對(duì)消技術(shù),顯著提高了飛行器對(duì)噪音的降噪能力。

1.4 等離子體隱身技術(shù)在飛行器上的應(yīng)用

等離子體隱身技術(shù)是利用磁化或非磁化冷等離子體來規(guī)避雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的一種新型技術(shù)。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(tuán),通過控制等離子體的特征參數(shù)(電離度、德拜長(zhǎng)度、振蕩頻率、碰撞頻率和回旋頻率等),等離子云團(tuán)對(duì)探測(cè)設(shè)備輻射的電磁波產(chǎn)生折射和吸收現(xiàn)象,使其返回電磁波的能量很少,因而使敵方的探測(cè)設(shè)備難以偵察和發(fā)現(xiàn)隱蔽在等離子云團(tuán)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(cè)設(shè)備測(cè)出錯(cuò)誤的目標(biāo)位置和速度數(shù)據(jù),從而達(dá)到飛行器的隱身目的[25-27]。原則上等離子體隱身技術(shù)也屬于有源隱身技術(shù),但由于其特殊性及國(guó)內(nèi)外對(duì)它的重視程度,對(duì)等離子體隱身技術(shù)的優(yōu)越性及在飛行器上的應(yīng)用進(jìn)行重點(diǎn)分析。

等離子體隱身技術(shù)的優(yōu)越性在于無需改變飛行器的氣動(dòng)外形,不會(huì)影響飛行器的飛行性能和戰(zhàn)術(shù)性能;利用等離子體隱身技術(shù)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(fā)生器或在其表面涂一層放射性同位素,成本低廉并且維護(hù)簡(jiǎn)便;可以通過開關(guān)迅速地讓等離子體產(chǎn)生和消失,使用簡(jiǎn)便快捷[28-30]。

美國(guó)著名的B-2隱身轟炸機(jī)率先在其結(jié)構(gòu)上采用了等離子體隱身技術(shù),當(dāng)探測(cè)的雷達(dá)波發(fā)射到飛翼表面時(shí),首先會(huì)被其表面的蒙皮吸收,其余進(jìn)入六角蜂窩夾心被吸收,內(nèi)襯壁采用六角形蜂窩夾心結(jié)構(gòu),其夾心內(nèi)腔部分中空,空心部分被可吸收電磁波的易電離介質(zhì)填充,通過電離介質(zhì)產(chǎn)生等離子體來吸收和改變?nèi)肷潆姶挪?。在飛行上安置高壓靜電發(fā)生器,用于產(chǎn)生超過20萬伏的電壓差,這樣就可以產(chǎn)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(jī)就是將封閉式等離子隱身技術(shù)用在機(jī)翼前緣、翼尖等雷達(dá)強(qiáng)回波處,來應(yīng)對(duì)遠(yuǎn)程長(zhǎng)波雷達(dá)探測(cè)[31]。

俄羅斯國(guó)家科學(xué)研究院電磁理論與應(yīng)用研究所為改變蘇-35飛機(jī)的35英寸雷達(dá)天線輻射特性,在雷達(dá)天線前方安置一個(gè)低溫等離子體控制屏,當(dāng)其關(guān)閉時(shí),雷達(dá)波可直接通過。此設(shè)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(fā)下工作。當(dāng)氖和氙等惰性氣體被激活時(shí),該屏把接收到的一部分雷達(dá)輻射的電磁波吸收,而把余下的雷達(dá)輻射的電磁波散射和折射到安全方向,從而使所有經(jīng)過該屏的雷達(dá)輻射的回波能量得到降低。

2 隱身技術(shù)在飛行器上的實(shí)現(xiàn)方法

面對(duì)多種探測(cè)設(shè)備的不同偵測(cè)手段,要想使飛行器達(dá)到理想的隱身效果,必須綜合應(yīng)用各種隱身技術(shù)實(shí)行全方位、多功能的隱身。依據(jù)國(guó)內(nèi)外公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料及媒體報(bào)道,作者認(rèn)為隱身技術(shù)在飛行器上的具體實(shí)現(xiàn)方法分為幾個(gè)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(gè)角度范圍內(nèi)的RCS減小時(shí),必然伴隨著另外一些角域內(nèi)的RCS增加,這就要求我們要區(qū)分飛行器上的主要威脅區(qū)域和次要威脅區(qū)域,盡可能先降低最重要威脅區(qū)域的RCS,并利用CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))等設(shè)計(jì)手段,對(duì)飛行器以及其他裝備進(jìn)行設(shè)計(jì);

2)在外形設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)注意不能讓產(chǎn)生鏡面反射的表面正對(duì)著最主要的雷達(dá)探測(cè)方向,通過多棱面外形和融合外形技術(shù)來降低有效的RCS,使飛行器各個(gè)部位均由不規(guī)則的傾斜多面體組成,各個(gè)相交面做成圓弧狀,從而將探測(cè)的雷達(dá)波進(jìn)行散射;

3)對(duì)于飛行器翼,要采用盡量小的展弦比和適當(dāng)?shù)暮舐咏?

4)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道和尾噴口,應(yīng)安排在能被其他部件遮擋而不易被雷達(dá)直接探測(cè)的部位,進(jìn)氣道整流罩用一種經(jīng)聲學(xué)處理的內(nèi)表面來改進(jìn),中心體用吸音材料制成,并在加力燃燒器內(nèi)采用消聲襯墊和帶有尖端向內(nèi)的角錐形結(jié)構(gòu)的夾層組合蒙皮,以吸收發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的噪聲,并采用隔熱材料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)重要熱部件進(jìn)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(dá)波不能透射入座艙內(nèi)部;

6)應(yīng)取消外掛物,將外掛武器統(tǒng)統(tǒng)隱藏在飛行器內(nèi)部;

7)在飛行器的燃料箱中放入一定數(shù)量的堿金屬(如銫、鉀、鈉)的低電離電位物質(zhì),從而使飛行器的噴流產(chǎn)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(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的等離子區(qū),該等離子區(qū)使無線電信號(hào)強(qiáng)度減弱;

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

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

10)正確應(yīng)用適合飛行器活動(dòng)地區(qū)的偽裝色,使飛行器更好地與背景相融合;

11)在雷達(dá)吸波材料的上面涂敷一層紅外涂料,在一定的厚度范圍內(nèi),可以同時(shí)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(huì)進(jìn)一步減小;

12)采用等離子體控制屏那樣工作模式的設(shè)備,對(duì)機(jī)載電子系統(tǒng)發(fā)射和泄漏無線電波進(jìn)行控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前,我國(guó)有關(guān)隱身技術(shù)的科技工作比較落后,尤其是對(duì)一些新型的隱身技術(shù)。隨著我國(guó)有源隱身技術(shù)、等離子體隱身技術(shù)和智能隱身材料的發(fā)展,可以通過這些技術(shù)和材料,使隱身效果進(jìn)一步提高。也應(yīng)注意到,在研究新型隱身技術(shù)的同時(shí),也要重視常規(guī)隱身技術(shù)的發(fā)展,必須綜合運(yùn)用各種隱身技術(shù),多角度、全方位地減少各種可被敵方探測(cè)到的特征信號(hào)。

為了使我國(guó)隱身技術(shù)能走在世界前列,不應(yīng)盲目地研仿軍事強(qiáng)國(guó)的隱身技術(shù),而是走好自主創(chuàng)新的研究路線,加強(qiáng)對(duì)各種隱身機(jī)理的相關(guān)研究,探索新型隱身材料在飛行器中的應(yīng)用,提高我國(guó)在飛行器隱身研究領(lǐng)域中的理論和技術(shù)水平,是我們今后主要的工作方向。

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