国外红外隐身技术的发展*

2010-01-16乐洪宇

舰船电子工程 2010年10期

高颂乐洪宇

(空军驻锦州地区军事代表室锦州 121000)

1 引言

随着军用光电技术的迅速发展,各种先进的光电侦察设备和光电制导的空空、地空、巡航、反舰导弹等,都能以其高精度攻击,使其目标难以逃脱。因此,要提高自身目标的生存能力,就要降低被探测和发现的概率,这就促使了红外隐身技术的飞速发展。本文就红外隐身技术、红外隐身涂料、军用装备的红外隐身、发展动向、发展分析等,作进一步的研究和探讨[1]。

2 红外隐身技术

红外隐身技术是通过降低或改变目标的红外辐射特征,实现对目标的低可探测性的。例如,通过改变结构设计和应用红外物理原理来衰减,吸收目标的红外辐射能量,使红外探测设备难以探测到目标。目标的红外隐身技术,主要包括:一是改变红外辐射特性;二是降低红外辐射强度;三是光谱转换[2]。

2.1 改变红外辐射特性

改变红外辐射特性,主要是改变目标的红外辐射波段。大气的红外窗口有以下三个波段:1～2.5μ m、3～ 5μ m 和8～ 14μ m 。红外辐射在这三个波段外基本上是不透明的。根据这个特点,可采用改变己方的红外辐射波段至对方红外探测器的工作波段之外,使对方的红外探测器探测不到己方的红外辐射。

1)改变红外辐射波段,一是使飞机的红外辐射波段处于红外探测器的响应波段之外;另外是使飞机的红外辐射避开大气窗口而在大气层中被吸收和散射掉。具体技术手段可采用可变红外辐射波长的异型喷管、在燃料中加入特殊的添加剂来改变红外辐射波长。

2)调节红外辐射的传输过程:通常采用在结构上改变红外辐射的辐射方向。对于直升机来说,由于发动机排气并不产生推力,故其排气方向可任意改变,从而能有效抑制红外威胁方向的红外辐射特征;对于高超音速飞机来说,机体与大气摩擦生热是主要问题之一,可采用冷却的方法,吸收飞机下表面热,再使热向上辐射。

3)模拟背景的红外辐射特征。模拟背景红外辐射特征是通过改变飞机的红外辐射分布状态,使飞机与背景的红外辐射分布状态相协调,从而使飞机的红外图像成为整个背景红外辐射图像的一部分。

4)红外辐射变形。红外辐射变形就是通过改变飞机各部分红外辐射的相对值和相对位置,来改变飞机易被红外成像系统所识别的特定红外图像特征,从而使敌方难以识别。目前主要采用涂料来达到此目的。

2.2 降低红外辐射强度

降低目标表面的辐射系数和表面温度是降低目标红外辐射强度的主要手段。它主要是通过在目标表面涂敷一种低辐射系数的材料和覆盖一层绝热材料的方法来实现的。

1)尽量减少目标的散热。如减少目标中部件的摩擦;目标的部件采用低散热量材料。

2)采用热屏蔽的方法来遮挡目标内部发出的热量。尽可能地降低目标的红外辐射强度。

3)采用隔热层和空气对流的方法,降低目标发动机中的排气管的温度。同时将热量从目标表面传给周围的空气。

2.3 光谱转换

光谱转换技术就是采用在3～5μ m和 8～14μ m波段这两个大气窗口辐射率低,而在这两个波段外的中远红外上用高辐射率的涂料将其涂敷在飞行器的部件上,以改变飞行器的红外辐射的相对值和相对位置,或使飞行器的红外图像成为整个背景红外图像的一部分,或使飞行器的红外辐射位于大气窗口之外而被大气吸收,从而使对方无法识别,达到隐身的效果。

3 红外隐身涂料

红外隐身涂料是指用于减弱武器系统红外特征的信号已达到隐身技术要求的特殊功能涂料,其主要针对红外热像仪的侦察,旨在降低飞机在红外波段的亮度,掩饰或变形装备在红外热像仪中的形状,降低其被发现和识别的概率。实现红外隐身最有效的途径是控制目标的表面温度,尽量减小目标与背景的偏差。用于热红外隐身的材料应具有符合要求的热红外辐射率或较强的控温能力,合理的表面结构,较低的太阳能吸收率,能与其他频段的隐身涂料兼容。红外隐身涂料的主体树脂是单组分橡胶树脂,其与过滤乙烯涂料、环氧铁红底漆、聚氨酯涂料具有良好的配套性[3]。

红外隐身涂料工艺简单,施工方便,坚固耐用,成本低廉,是目前隐身涂料中最主要的品种。

可见光隐身涂料又称视频隐身技术,弥补了雷达隐身和红外隐身的不足,它是针对人的目视、照相、摄像等观测手段而采取的隐身技术,其目的是降低飞机本身的目标特征,减少目标与背景之间的亮度、色度和运动的对比特征,达到对目标视觉信号的控制,以降低可见光探测系统发现目标的概率。它要求目标的反射率尽可能与周围环境的反射率一致,因此,可见光隐身涂料通常采用迷彩的方法使飞机隐身,如保护迷彩、仿造迷彩、变形迷彩。保护迷彩适合于单色背景上的固定目标和小型目标,仿造迷彩用于多色背景上的相对固定的目标,变形迷彩用于多色背景上的活动目标。另一种可见光隐身是伪装遮障,遮障可模拟背景的电磁波辐射特性,使目标得以遮蔽并与背景相融合,是固定目标和运动目标停留时最主要的手段,而迷彩涂料是这种技术应用的重要组成。总而言之,可见光隐身涂料应用广泛,使用方便、经济,是飞机隐身涂料发展中比较成熟的技术。

4 军用装备的红外隐身

军用装备的红外隐身,主要包括:飞机的红外隐身、地面武器的红外隐身、舰艇的红外隐身等[4]。

4.1 飞机的红外隐身

飞机的热辐射,主要产生于发动机、发动机喷口、排气气流等,其红外隐身技术,主要包括:

1)发动机喷管采用碳纤维增强的碳复合材料或陶瓷复合材料。(1)在喷口附近安装排气挡板或红外吸收装置,或使飞机采用大角度倾斜的尾翼等遮挡红外辐射;(2)在尾喷管内部表面喷涂低发射率涂料;采用矢量推力二元喷管、S形二元喷管等降低排气温度冷却速度,从而减少排气红外辐射;(3)在燃料中加入添加剂,以抑制和改变喷焰的红外辐射频带,使之处于导弹响应波段之外。

2)采用散热量小的发动机。隐身飞机大多采用涡轮风扇发动机,它与涡轮喷气发动机相比,飞机的平均排气温度降低2000℃～2500℃,从而使飞机的红外隐身性能得到大大改善。用金属石棉夹层材料对飞机发动机进行隔热,防止发动机热量传给机身。

3)在飞机表面涂覆红外涂料,在涂料中加隔热和抗红外辐射成份,以抑制飞机表面温度和抗红外辐射。采用闭合回路冷却系统,这是在隐身飞机上普遍采用的措施,它能把座舱和机载电子设备等产生的热传给燃油,以减少飞机的红外辐射,或把热在大气中不能充分传热的频率下散发掉。

4)用气溶胶屏蔽发动机尾焰的红外辐射。如将含金属化合物微粒的环氧树脂、聚乙烯树脂等可发泡高分子物质,随气流一起喷出,它们在空气中遇冷便雾化成悬浮泡沫塑料微粒;或将含有易电离的钨、钠、钾、铯等金属粉末喷入发动机尾焰,高温加热形成等离子区;或在飞机尾段受威胁时喷出液态氮,形成环绕尾焰的冷却幕。

5)降低飞机蒙皮温度。可采用局部冷却或隔热的方法来降低蒙皮温度;也可采用蒙皮温度预热燃油的方法。

4.2 地面武器的红外隐身

地面武器主要是坦克、装甲车和其他军用车辆等。由于目标的红外辐射主要来源于发动机及其排出的废气、火炮射击时的炮管、履带与地面摩擦,以及受阳光照射而产生的热。隐身的方法一般可采用以下措施:

1)抑制发动机和其他高温金属部件的红外辐射:(1)采用绝热复合柴油机,隔热程度可达到45%～65%;(2)使用热效率高的燃汽轮机,可有效地降低坦克、装甲车等车辆上的金属零件的温度;(3)在燃料中加入可提高燃烧效率的添加剂,改变排出气体的红外光谱分布,使其避开探测器的响应波段之外。

2)抑制发动机排气口温度:(1)将坦克、装甲车辆的发动机废气导入发动机冷却空气排放口,两者混合后再排出,以达到降低气体温度的目的;(2)改变排气口的位置和形状,在排气管表面涂覆金属氧化物和非金属涂料等;(3)或在目标前进方向的外侧挂装裙板,以减少目标的热点数量及热辐射强度,从而降低目标的红外特征。

3)使用反红外涂料。坦克、装甲车等车体的面积大,但车体的温度并不高,可在车体表面涂覆特殊红外隐身涂料,以降低红外辐射,达到隐身目的。

4.3 舰艇的红外隐身

舰艇的热辐射主要产生于烟囱、发动机的烟道、由烟道排出的燃油废气和火舌等。控制舰艇红外辐射特征的目的是降低不同区域的温度差,从而降低导弹等的识别能力。

1)散热隔热降温。通常将烟囱的结构进行改进,方法是将发动机产生的燃油废气分散排出,在烟囱四周喷洒水雾,在烟囱内加装红外辐射挡板,将排放的高温废气分向军舰的两舷,在军舰内经过废气快速回冷系统进行冷却,在烟囱内安装DRES球或喷射器扩散器,冷却废气,将发动机的排气口设在水线以下,在发动机烟道加装冷空气散热器,在发动机和舱壁之间喷射冷空气,发动机加装热覆蔽(隔热)罩或发热部位包覆隔热材料。

例如,法国海军“拉斐特”级护卫舰在降低红外信号方面设计独特,烟囱不用易于产生红外辐射的钢板而用玻璃钢制造;再涂以一种低辐射的特殊涂料,进一步加强隔热和绝缘效果;同时还对发动机排气口和玻璃钢排气管做了精细的隔热处理。

瑞典“维斯比”级轻型护卫舰和德国“梅科”A-200轻型护卫舰采取了较为彻底的红外抑制措施。它们采用非常规的烟囱设计方式,烟囱出口设在舰艇的尾部,将废气从舰尾排出至海上冷却。这种设计不仅大大降低了舰艇的红外信号特征,而且不再需要铺设从机舱到烟囱的管道,对舰艇空间的利用也有很大好处。这种设计可将废气温度降至100℃以下,排出的气体大部分被舰尾的波浪所掩盖,因此红外特征信号很小。

2)采取屏蔽措施降低辐射透过率。例如,在红外侦察设备和红外导引头探测方向上,在距舰船的一定位置快速地布设大面积的烟幕或水幕,利用烟幕或水幕中的烟幕微粒或水雾微粒对军舰红外辐射的能量进行吸收或散射,使红外侦察设备接收到目标的红外信号十分微弱,甚至接收不到信号,以达到隐蔽军舰的效果。采用喷淋水幕技术,将舰艇笼罩起来,达到降温、屏蔽的效果。

英国研制的隐身护卫舰“海魂”,就是在舰上安装了特制的喷雾自卫系统。一旦需要,喷雾自卫系统即刻喷出细密的水雾,几秒钟内便可把舰体全部笼罩在薄雾之中,并与海面和天空的背景浑然一体,从而将战舰产生的光反射和红外辐射全都遮盖起来。

3)涂覆特种涂料。选取可吸收3～5μ m的红外辐射的隐身材料,在军舰的壳体上涂覆上低发射率的涂料,以降低其远红外波段的辐射。

美海军建造的“阿利◦伯克”级导弹驱逐舰采取了较多的红外隐身措施:舰上发热部位均覆有屏蔽和绝缘材料,以减少向外辐射的热量;每个排气管顶部都装有“边界层红外抑制系统”扩散装置。该系统利用了前面所述的薄膜冷却方式,将热废气与周围空气混合以降低温度,从而达到抑制红外辐射的目的。

5 发展动向

1)新型隐身护卫舰项目将在印度建造。美国《国防工业日报》网2009年7月27日报道:7艘改进型隐身护卫舰将在印度最大的造船厂商—马扎冈船厂和格登里奇造船与工程公司之间进行分配[5]。

海军坚持Project 17A的首批两艘舰应在国外建造,以便于使两家船厂能够了解欧洲船厂应用新的模块造船法来建造隐身护卫舰。这样会使Project 17A的成本增加500亿卢比。每艘“什瓦里克”级护卫舰(Project 17)的定价为260亿卢比,海军计划坚持Project 17的原有定价。在国外建造的成本是在本国建造成本的两倍。但是海军关心的是能否提前交付,而不是护卫舰的造价。海军参谋长在国防采办委员会上提出在国外建造Project 17的优势。但是国防部长则倾向于全部7艘舰都在本国建造。

一个月前,三家公司包括格登里奇,法国DCNS和位于Kolkata的IT工程公司组成了一个合资企业来设计船舶产品,包括为全球客户设计舰艇。合资企业可能将与海军共同设计 Project 17A。如果进展顺利,首艘Project 17A护卫舰将于2016至2017年交付印度海军。

2)F-35用隐身光电传感器将用于“复仇者”无人机。美国每日航宇2009年9月18日报道:洛克希德◦马丁公司正联合通用原子航空系统公司计划在2010年下半年将 F-35用光电瞄准系统(EOTS)的改型—先进低观测性嵌入式侦察标准(ALERT)系统应用到“复仇者”无人机上。

由于被安装在多面体蓝宝石玻璃窗口后方,该中波红外传感器与“捕食者”或“死神”无人机用的传统、外置型光电/红外(EO/IR)转塔相比,能够有效降低采取后掠翼机型和喷气式推进方式的“复仇者”无人机的信号特征。但洛克希德◦马丁公司指出,通过将传感器安装在窗口后方的方式使得传统的EO/IR传感器具备隐身性能,传感器性能会降低。F-35用EOTS为了最大化孔径尺寸,其光学装置被设计安装在靠近窗口的地方。

“复仇者”无人机是通用原子公司正在研发的用来满足美国空军MQ-X无人机需求的备选对象。MQ-X是该公司MQ-1“捕食者”和MQ-9“死神”无人机的后继机,拟于2015年后进入服役。

洛克希德◦马丁公司是通过自筹资金对ALERT系统进行的研发。洛克希德◦马丁公司表示目前正在开发ALERT系统和“复仇者”无人机之间的电以及机械接口,并已经进行了ALERT系统和无人机外部模线的一个配合检查,但飞机本身的更改还没开始进行。

3)美国空军证实 RQ-170“哨兵”是新型隐身无人机。英国《飞行国际》2009年12月7日报道:洛克希德◦马丁公司臭鼬工程队研制的隐身无人机系统已经秘密加入美国空军存货清单。

RQ-170是美国日渐庞大的大型监视无人机机队的新成员,该机队包括诺斯罗普◦格鲁门公司的RQ-4“全球鹰”和通用原子航空系统公司的RQ-1“捕食者”/MQ-9“死神”。但是“哨兵”是首型正式承认的隐身设计作战无人机系统。

“哨兵”存在的证实还显示了洛克希德公司在大型无人机系统市场竞争的新亮点,在此之前该公司被认为没有研制该级别的产品。

4)俄罗斯将在2025～2030年部署新一代隐身轰炸机。美国《空军技术》2010年1月8日报道:作为俄罗斯空军现代化计划的一部分,俄罗斯将在2025～2030年间部署新一代具有隐身技术的战略轰炸机。

据塔斯通讯社消息,俄罗斯远程航空兵部队司令表示,俄罗斯目前已经开始了研发新一代战略轰炸机的研究和设计工作。新一代战略轰炸机具有卓越的作战和起飞能力,将装备给俄罗斯空军使用,用以替换图-95MS,图-160和图-22M3远程战略轰炸机。

作为俄罗斯现代化计划的一部分,俄罗斯空军还将升级其30%的飞机,这也是到2015年实现战略航空的一部分。

此外,在2009年12月底,俄罗斯飞机制造公司主管亚历山大称,俄罗斯将在2017年开发一种新一代图式战略轰炸机。

5)“维斯比”级隐身轻护舰进入瑞典皇家海军编队。法国航宇防务网2010年1月18日报道:两艘“维斯比”级隐身轻护舰:“赫尔辛堡”号(HMS Helsingborg)和“海讷桑德”号(HMS Hrnsand)现已进入瑞典皇家海军第3作战编队,驻扎在卡尔斯克鲁纳。“维斯比”级轻护舰由瑞典考库姆公司建造,它们的服役显著增强了瑞典海军的实力。

“维斯比”级是为瑞典快速反应部队,其设计主要用来在波罗的海作业,也可在近海区域执行国际性任务。“维斯比”级采用碳纤维材料,具备全隐身性能,很难被雷达或其它先进探测技术所捕获,从而提供了多种战术优势。在执行一些特殊国际性任务时,也可退出隐身模式,暂时主动被雷达探测。

6)阿联酋海军订购两艘隐身巡逻舰。法国航宇防务网2010年1月22日报道:意大利造船金融集团获得阿联酋海军一份新订单,要建造两艘隐身“Falaj 2”巡逻/近海战斗舰艇。合同选择项包括为阿联酋海军建造另外两艘姊妹舰以及从意大利船厂向阿联酋船厂的技术转移。此项合同中的两艘舰艇(共4艘)将在意大利船厂建造,预计2012年下半年交付。

该型巡逻舰长55m,宽8.6m,容纳28名舰员,速度可超过20节,具备隐身特性,可减少被探测到的几率。隐身巡逻舰机动灵活且多功能化,适于执行许多任务:从巡逻侦察到应对空中或水面威胁的自防御,并可对海上与陆上目标进行攻击,同时也具备高标准的人员居住环境和安全措施。

7)韩国发布隐身无人作战飞机验证机招标书。美国《航空航天技术周刊》2010年2月19日报道:韩国国防部雄心勃勃地计划在2013年进行隐身无人作战飞机缩比验证机的试飞,目的是将其军工研制能力拓展至无人机领域,同时预防KF-X战斗机项目被取消引发不良后果。

通过该项目,韩国在无人作战飞机的飞行试验平台研制领域同英国和德国的差距将缩短至10年之内。在该领域,韩国将获得对日本的领先优势,后者并未宣布开展类似项目的研究工作。

在这个最新的项目中,获胜的投标方将为“UCAV构型设计技术研究”项目建造2架机体。政府将提供吸波材料和两台尚未确定类型的发动机。科研部表示,项目的目标是“研制缩比飞行验证机和地面控制装备,从而验证研制低可探测无人作战飞机所需的核心技术”。项目还将采购一种“吸波结构”—可以用于外露位置的承力结构部件,如机翼前缘和颔线。这些部件可能将进行地面测试。

总额为170亿韩元(1500万美元)的预算表明,验证机将比K-UCAV模型更大。此外,上述资金仅是政府用于机体研制的费用。在其他国家,制造商会主动分摊这部分研制经费。

投标的截止日期是3月23日,国防部将在6月将公布选中的供应商,在2013年前必须开始验证机的试飞。2014年应完成整个试飞工作,在招标指南中已经说明项目应当在研制开发计划批准后的48个月内完成,批准预计是在8月。项目支出将在2012年达到顶峰。

8)台湾计划建造900吨隐身舰艇。美国《防务新闻》网站2010年4月17日报道:台湾计划建造900吨的隐身舰艇仅仅是新一代隐身水面舰艇计划的开端,这些舰艇将用于在台湾海峡作战。

台湾“国防部”官员4月12日确认,台湾确实有一项开发隐身双体舰的计划,该舰艇被称为台湾海岸巡逻舰。台湾海军官方希望基本设计能形成规模,“能开发出一系列各种排水量的双体或三体多功能水面舰艇。”

该舰将装备8枚“雄风”III反舰导弹、“密集阵”近防武器和76毫米舰艏炮。舰长近40m,舰员45名,航速高达30节。图片显示该舰尾部设计了直升机甲板,表明该舰可参与反潜作战,能够停泊海军3个反潜中队的S-70C与500MD直升机。

6 发展分析

红外隐身技术的发展趋势:一是新型隐身材料。二是全波段隐身技术[6]。

1)新型隐身材料。目前,各国正在研制的新型隐身材料,主要包括:手性材料、纳米隐身材料、导电高分子聚合物材料、陶瓷类吸收剂、盐类吸收剂、多晶铁纤维吸收剂、等离子体吸波材料。

(1)手性材料(chiralmaterial)。手性是指一种物体与其镜像不存在几何对称性且不能通过任何操作使物体与其镜像相重合的现象。研究表明,具有手性特征的材料,能够减少入射电磁波的反射并能吸收电磁波。

[2][16] 饶本忠：《论东南亚国家城市化的特征及其成因》，《行政科学论坛》2008年第4期，第26-31页。

(2)纳米隐身材料。近几年来,对纳米材料的研究不断深入,证明纳米材料具有极好的吸波性能,纳米材料现已受到各主要国家的高度重视,并把其作为新一代隐身材料进行探索与研究。

(3)导电高分子聚合物材料。这种材料最近几年才发展起来,其具有结构多样化、密度小和独特的物理、化学特性,已经引起科学界的广泛重视。

(4)陶瓷类吸收剂。陶瓷类吸收剂的密度比铁氧体低,吸波性能较好,耐高温,而且还可以有效抑制红外辐射信号,这类吸收剂主要有SiC粉末、SiC纤维以及硼硅酸铝等。当然如果其粉末吸收体的尺寸达到纳米量级,也可归入纳米隐身材料。

(5)盐类吸收剂。视黄基席夫碱视聚合物,这类高极化盐类材料结构中的双联离子位移具有吸波功能,其具有强极化特性,雷达波被这种盐吸收时,能量将转变为热能而耗散掉,某种特定类型的盐可以吸收特定波长的雷达波。

(6)多晶铁纤维吸收剂。多晶铁纤维是一种低密度的磁性吸波材料,可在很宽的频段内实现高吸收率的效果,且质量减轻40%～60%,克服了大多数磁性吸波材料存在的密度过大的问题。这种纤维通过磁损耗和涡流损耗的双重作用来实现对电磁波的吸收。

(7)等离子体吸波材料。利用放射性同位素发射的α粒子,将周围空气电离,形成等离子体,可以吸收电磁波的能量。俄罗斯目前已研制成功一种全新的等离子体隐身技术,即将用于其第五代战斗机。

2)全波段隐身技术。全波段隐身技术,即要兼顾红外隐身、可见光隐身、激光隐身,也要考虑到雷达隐身。军用装备在战场上可能同时面临可见光、红外、激光和雷达等多波段侦察设备的威胁,因此,对抗多种仪器、探测多波段兼容隐身材料是隐身技术发展的重要方向。例如,美、德和瑞典等国研制的多波段隐身材料,其研制水平已达到可见光、近红外、中远红外和雷达毫米波四段兼容;日本研制出FS2X隐身战斗机的原型机;俄罗斯研制隐身的轻型多用途第5代战斗机(L FI)和S254战斗机;英国研制第三代隐身攻击机和隐身装甲战车,还成功研制隐身军舰和一种新型隐身教练水雷;法国研制的类似于美国F2117A隐身攻击机、一艘全部采用隐身技术的护卫舰。