激光与红外隐身技术的发展＊

(东北电子技术研究所 锦州 121000)

1 引言

隐身技术是指减小目标的各种可探测特征,使敌方探测设备难以发现或使其探测能力降低的综合性技术。隐身技术可分为光学隐身技术、红外隐身技术、激光隐身技术、雷达隐身技术等。本文就激光隐身、红外隐身、兼容性、发展动向、发展分析等,作进一步的研究和探讨[1]。

2 激光隐身

激光作为一种主动探测信号有许多优点,它具有亮度高、方向性好、单色性好、相干性好等优点。作为雷达使用时,与普通微波雷达相比,它又具有分辨力高、抗干扰能力强、隐蔽性好、体积小、质量轻等优势[2]。

1)激光隐身的原理主要是基于激光测距机的测距方程。由脉冲激光测距机的测距方程可知,对于漫反射大目标,激光测距机的最大测程与目标反射率的二分之一次方成正比;对于漫反射小目标,激光测距机的最大测程与目标反射率的四分之一次方成正比。因此,要实现激光隐身,消弱激光测距机的测距能力缩短其最大测程,必须降低目标对激光的反射率。当前,利用激光隐身除了要对抗各种军用激光测距机以外,最主要的是要对抗激光制导武器,主要是半主动激光制导武器,包括激光半主动制导导弹、激光半主动制导炸弹和激光半主动制导炮弹等,目标实施激光隐身以后可使目标指示器照射到目标上的激光产生弱的回波,不能被弹上的激光接收器所接收,从而不能实现对目标的攻击。除了激光半主动制导武器以外,激光隐身还要对抗的就是激光成像雷达,这时激光隐身的目的将是使目标的激光反射特性与背景一致,但目前还未考虑这种情况。通常使用的激光隐身技术手段主要有两种：隐身外形技术和隐身材料技术。其中隐身外形技术主要是设计和改变目标的几何外形,使目标的激光散射截面尽量减小;隐身材料技术则主要是设计和采用对激光低反射率的材料。而在诸多的隐身材料中,涂料隐身以其施工方便、成本低廉、性能优越等特点而一直是隐身技术的研究重点。

2)激光隐身涂料。目前,常用激光探测器的探测频率主要集中在1.06μ m和10.6μ m两个频段。在此频段激光隐身涂料具有高的摩尔吸收率,其化学稳定性、热稳定性和力学性能等综合性能优良,所以其应用范围很广。然而,值得注意的是,对某种探测、制导手段具有单一隐身作用的材料,也可能对另一探测、制导手段毫无作用,甚至反而具有“显形”作用。激光隐身涂料应用还必须要考虑的一点是和其他隐身技术兼容的问题,如激光隐身涂料与可见光、红外以及雷达波隐身技术的兼容问题,需要通过复合技术将不同波段的吸波剂及低红外发射材料有效耦合在一起,将其做成涂料等,以实现对多种探测手段的复合隐身。

3 红外隐身

红外隐身技术,就是利用屏蔽、低发射率涂料、热抑制等措施,降低或改变目标的红外辐射特征,即降低目标的红外辐射强度与特性,从而实现目标的低可探测性。这可通过改进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。例如,抑制飞行器红外辐射的方法主要有以下三个方面[3]：

1)要改变飞行器本身的红外辐射特征,即改变本身的红外辐射波段,使飞行器辐射波段处于红外探测装置的探测频段之外,使其失效以达到隐身目的。

2)模拟背景的红外辐射特征,使飞行器与背景的红外辐射分布状态相协调,成为整个背景红外辐射图像的一部分。或采用红外辐射变形技术,通过改变飞行器各部分红外辐射的相对值和相对位置,来改变飞行器易被红外成像系统所识别的特定红外图象特征,从而使敌方难以识别。

3)降低飞行器红外辐射强度,即降低其与背景的热对比度。其主要是通过降低辐射体的温度和采用有效涂料来降低飞机的辐射功率,使敌方红外探测器接收不到足够的能量,减少被发现、识别和跟踪的概率。

目前,飞行器采用的红外隐身技术主要有：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。此外,还可采用局部冷却或隔热的方法来降低蒙皮温度,或采用蒙皮温度预热燃油的方法,如美国SR-71高空侦察机,在马赫数大于3时,其壁面温度高达300多度,通过钛合金表而对内部燃油进行预热并通过机体结构进行冷却,从而降低了飞机蒙皮温度。

由于发动机的尾喷管和排气尾焰是红外探测器的主要红外源,因此要减小发动机尾喷管或排气口的红外辐射。目前已采用或正在研究的措施有以下几种：采用散热量小的发动机和红外特征小的结构布局。现代隐身飞行器大多采用无加力后燃室的涡轮风扇发动机,相对于涡喷发动机具有噪音小、排气温度低、尾焰红外辐射强度低、节约能耗等优点。在燃烧室设计上要不断完善燃烧技术,采用高效节能燃烧室(如分级燃烧室、旋流燃烧室和变几何燃烧室等)、采用燃烧充分、雾化良好的气动喷嘴或蒸发式喷嘴。采用金属石棉夹层材料以及铝塑纸等各种隔热材料对发动机进行隔热。采用全长加力筒体隔热屏及延长发动机尾喷管并采用热保护层、或者发动机深埋入机腹内等等,如美国B-2隐身轰炸机采用50%～60%的降温隔热复合材料,F-117则采用了超过30%的新型降温隔热复合材料。采用发动机废气出口遮蔽法,如纤维增强的碳/硼复合材料或陶瓷复合材料喷口,喷口安放在机体上方或喷管向上弯曲,用机体、发动机短舱遮蔽红外辐射,或用发动机排气口周围的环形罩遮蔽红外辐射;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遮挡红外辐射等。

4 兼容性

目前,可见光、红外、雷达、激光波段兼容,并且均能达到良好隐身性能的多功能材料是研究的重点,红外与激光复合隐身中红外隐身需要低发射率的材料,激光隐身需要低反射率的材料[4]。

1)激光隐身涂料与可见光隐身的兼容。可见光一般指波长为0.4～0.78μ m的光线,可见光隐身涂料也称为迷彩涂料,它的作用是使目标与背景的颜色协调一致,使敌方难以辨识,故选用适当的迷彩颜料进行配色是可见光隐身涂料的关键。激光隐身涂料主要是以降低激光反射率为目标,其对光的作用范围和可见光隐身涂料不同,因此需要对激光隐身涂料进行适当的配色处理,以使得其同时实现可见光隐身的兼容。

2)激光隐身与雷达波隐身的兼容。雷达波长范围很宽,从100MHz～3000GHz都是雷达波的范畴,其中2～18GHz的雷达应用比较广泛,然而由于30～300GHz的毫米波雷达在大气中存在几个损耗较小的“窗口(35GHz、94GHz、140GHz、220GHz)”,所以其在军事上的应用正越来越受到重视。雷达波隐身技术主要有两个方面,一是外形技术,二是雷达隐身材料,目标通过合理的外观设计,并应用雷达波隐身材料便可达到目标对雷达波隐身的目的。就雷达波隐身涂料来说,其目的就是降低目标表面的雷达波反射率。激光隐身涂料的目的是降低目标在1.06μ m以及10.6μ m处的反射率,因此激光隐身涂料与雷达波隐身涂料并不矛盾。可采用多频段吸收剂应用于涂料中解决,其难点在于寻求具有宽频带吸收的涂料用吸收剂,如能制得宽频带吸收剂,激光隐身与雷达隐身的问题就可迎刃而解。对于近红外激光隐身涂料,可利用近红外激光隐身涂料对毫米波的透明性,将激光隐身涂料涂敷到毫米波隐身涂层表面,制备毫米波与激光复合隐身涂层。

3)激光隐身与红外隐身的兼容。红外探测指的是利用波长在3～15μ m的红外辐射特征进行探测的方法,考虑到大气层对红外线的吸收,红外探测器的实际工作波段为3～5μ m和8～14μ m,其热成像技术在军事领域已经得到广泛的应用。随着红外侦察、探测、制导和热成像处理技术的发展,反红外探测隐身技术也越来越重要,它是通过抑制目标的红外辐射,或改变目标的热形状,从而达到目标与背景的红外辐射不可区分的一门技术。

激光/红外隐身涂层在1.06μ m和10.6μ m具有极低的反射率,而在其他红外波段则具有尽可能高的反射率。

5 发展动向

1)美国一家公司研制出廉价的隐身涂料。美国《防务新闻》1998年4月12日报道：这种新型涂料是在国防高级研究计划局资助下,由光学动力系统公司研制的,可显著降低坦克、装甲车、导弹乃至士兵被雷达和红外、激光探测器发现的可能性。例如,坦克用上这种涂料,激光制导的反坦克武器很难击中它。美国三军已与这家公司签订供货合同,国防部把这项技术列为机密,禁止出口[5]。

2)新隐身涂料简化B-2的维护。美国《航空与航天技术周刊》2000年9月12日报道：美国空军已研制和试飞了一种新型磁性雷达波吸收材料(RAM),可大大降低B-2轰炸机隐身表面的维护量,飞行评价工作正在加州爱德华空军基地进行。这种新的代用高频材料(AHFM)是喷涂在B-2飞机某些面板上的一种永久性涂料。经过AHFM处理的大多数面板是在B-2机身下部和接近前后缘的地方。这种喷涂上的RAM消除了接头和紧固件,目的是减低飞机的雷达可见特性。现在技术人员可以很容易地拆下紧固件和蒙皮壁板,接近飞机内部的系统。新材料将这些系统的维护时间从数小时减少到几分钟[6]。

3)法国披露隐身坦克。英国《简氏防务周刊》2002年3月27日报道：几年前,法国Giat公司曾以法军AMX-30主战坦克(MBT)为基础开发并制造出了隐身原型样车。最近,法国武器装备总署(DGA)已向Giat公司授予另一项合同,开发研制“勒克莱尔”(Leclerc)主战坦克的隐身型,并将对其进行全面测试[7]。

已制造出的隐身原型样车AMX-30的车身涂有特别设计的雷达波吸收材料(RAM),炮塔和底盘在形状设计上也力求将雷达信号反射降至最低。例如,其侧面装甲皆向内倾斜,车身侧面特制裙体的较底部分也带有附加遮掩物,用以覆盖车轮。炮塔设计向外侧倾斜,为105毫米口径炮设计和安装了特别的表面保护物。

隐身设计旨在减少炮台产生的红外和雷达信号。在战场环境下,即使使用在8～12微米波段工作的热能装置、雷达以及毫米波装置,都很难探测到此种隐身型的坦克。另外,为减少MBT的热能信号,设计时在其外部RAM及内部夹层中都注入了冷空气。与非隐身MBT不同的是隐身型MBT的炮塔及外壳都没有外部堆装物。

Giat公司还为法国陆军的AMX-10RC 6×6装甲车设计了红外隐身装置,并正在研制一种新型的主动防护系统。

4)EADS加强隐身技术研究。英国《简氏防务周刊》2005年10月12日报道：为研制新一代大型隐身无人机/无人作战飞机(UAV/UCAV),欧洲航空防务与空间集团(EADS)将从11月开始在德国建立一座新的大型专用微波暗室[8]。

该暗室被称为RaSigma 4(RaSigma表示“radar signature management”,雷达信号控制),位于德国不莱梅市北部的莱姆韦德区,也是德国莱茵金属防务电子公司的原址。RaSigma 4将是EADS在德国的第4座雷达隐身研究设施。此前的RaSigma 1、RaSigma 2也是微波暗室,RaSigma 3则是露天的隐身测试试验场。

RaSigma 4是专为EADS第2代隐身无人机的研制而建立的。EADS目前正对一种高度保密的“梭鱼”(Barrakuda)隐身无人机进行测试,并称RaSigma 4是“梭鱼”之后无人机开发计划的一部分。据称这些后继无人机的任务设想包括侦察与侦察/攻击,将要求具备可与有人机媲美的性能和续航能力。因此,它需要采用更大的发动机,容纳更多的燃油和搭载各种载荷,这将使它比第一代的验证机大许多。

EADS声称,这些无人机的雷达截面积(RCS)将比目前的航空飞行器降低1个数量级的标准。若以美国F/A-22战斗机作为参照,其RCS应达到0.001～0.01m2。为达到这一目标需要开发新的仿真技术和测试手段,而建立RaSigma 4就是这些工作的一部分。

RaSigma 4的测量支柱可容纳尺寸达12×12m2、重2250kg的测试物,而EADS声称其承重能力最终将提高到5000kg。该暗室的尺寸为48×31×15m3,室内的雷达天线的安装高度为1～13m,工作频段0.5～100GHz。尽管RaSigma 1/2的测试频段范围与RaSigma 4相同,但仅能容纳尺寸5×5m2的测试物。RaSigma 4还将具备高分辨率三维雷达成像能力。

除了缩减RCS,EADS还投资研究其他信号特征控制技术。它宣称正在研究从航空器发射可调制的光学和红外信号来实现光学和红外隐身,但拒绝透露任何技术细节。

EADS已大力开展了对“狂风”(Tornado)战斗机和未来A400M战术运输机等在内的全机RCS测量与减缩研究。这些飞机都没有采用隐身设计。EADS称,若它们的全机RCS得以减缩,将呈指数级降低对其机载自防御电子战系统的尺寸和能力要求。该公司已为德国空军的“狂风”战斗轰炸机开发了一套经济有效的RCS减缩组件,这是该机“防御辅助子系统”(DASS)升级工作的一部分。

EADS还新开发了一套用于制造大型复合材料结构的真空辅助成形(VAP)系统,无需在热压罐中进行固化。它可以生产具有多层雷达吸波结构的部件,其效果远好于现有的任何雷达吸波材料。

EADS还将其在隐身方面的专门技术用于航空之外的领域。例如,它为德国U214常规潜艇制造了低可探测电子支援桅杆和通气管。

5)苏霍伊开始第二架PAK FA飞机的飞行试验计划。俄罗斯《苏霍伊公司》网站2011年3月3日报道：3月3日,俄罗斯第二架试验型第五代战斗机(PAK FA)在阿穆尔共青城完成首飞。飞机由俄罗斯联邦试飞员谢尔盖-博格旦驾驶。飞机在空中飞行了44分钟,在阿穆尔共青城航空工厂的机场上完成了着陆。飞机成功完成了各项飞行任务。在飞行的过程中通过了飞机稳定性检验和动力系统工作评估。飞机在拟定的飞行计划所有阶段都较好地展示了自身的性能[9]。

PAK FA项目的试验与批准的计划完全相符。当前初步的地面和飞行试验工作已经完成,所有三架试验样机都进行了台架强度试验、燃油系统的地面调试和其他工作。PAK FA于2010年1月29日在阿穆尔共青城首飞,3月底完成样机试验验收。4月份,第一架飞行样机和设备系统调试综合地面台被送到苏霍伊公司在莫斯科州茹科夫斯基城的飞行试验基地。在完成一定量的系统、部件地面调试之后,4月29日又开始根据预先计划飞行。第一架飞行样机完成了36次飞行。

与上一代战斗机相比,PAK FA有很多独一无二的特点,结合了攻击机和战斗机的功能。第五代飞机安装了新型航空电子系统,有源相控阵雷达,大大降低了飞行员操作负荷,使其更专注地完成战术任务。飞机的机载设备能够实现与地面控制系统和航空编队的实施数据交换。复合材料和创新工艺的应用、飞机的气动布局、发动机隐身措施等都降低了飞机的雷达散射面积,确保了光学隐身和红外隐身。这大大提升了飞机全天候空中和地面作战的效能。

6 发展分析

激光与红外隐身技术的发展趋势：宽频化、新型化、低维化、智能化、复合化[10]。

1)宽频化。目前的反雷达探测隐身技术主要是针对厘米波段雷达,覆盖的频率段有限。例如,谐振型吸波材料只能吸收一种或几种频率的雷达波,介电型吸波材料与磁性吸波材料主要覆盖范围大致分别在厘米波段的低端和高端。而近年来随着先进红外/紫外探测器,米波段雷达,毫米波段雷达等新型先进探测器的相继问世,以及随之而来的装备部队使用,给原有的隐身手段提出了新的严峻挑战。这就要求隐身材料具备宽频带吸波特性,即用同一种隐身材料对抗多种波段的电磁波源的探测。

2)新型化。开发新型隐形材料：一是研制开发手性材料(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镜像相重合的现象。研究表明,具有手性特性的材料,能够减少入射电磁波的反射并能吸收电磁波。用于微波波段的手性材料都是人造的。目前研究的雷达吸波型手性材料,是在基体材料中掺杂手性结构物质形成的手性复合材料。二是纳米隐形材料。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特性,因而引起研究人员的极大兴趣。目前,美、法、德、日、俄等国家把纳米材料作为新一代隐身材料进行探索和研究。三是导电高聚物材料。这种材料是近几年才发展起来的,由于其结构多样化、高度低和独特的物理、化学特性,因而引起科学界的广泛重视。将导电高聚物与无机磁损耗物质或超微粒子复合,可望发展成为一种新型的轻质宽频带微波吸收材料。四是多晶铁纤维吸收剂。欧洲伽玛(GAMMA)公司研制出一种新型的雷达吸波涂层,系采用多晶铁纤维作为吸收剂。这是一种轻质的磁性雷达吸收剂,可在很宽的频带内实现高吸收效果,且重量减轻40%～60%,克服了大多数磁性吸收剂所存在的过重的缺点。

3)低维化。人们为探索新的吸收机理和进一步提高吸波性能,已经日益重视研究纳米颗粒、纤维、薄膜等低维材料。研究对象集中在磁性纳米粒子、纳米纤维、颗粒膜与多层膜等方面,这些低维材料具有吸收频带宽、兼容性好、吸收率高、比重轻等多方面优点,是隐身材料发展中极具潜力的一个方向。

4)智能化。所谓智能型材料是指具有感知功能、信息处理功能、自我指令并能对信号作出最佳响应功能的材料与结构。目前在航空航天领域内,这种材料正得到越来越广泛的应用,如现在正处于实验室研究阶段的飞行器自适应蒙皮技术,就要求蒙皮材料对气流的流态做出响应,以自身形变调整与气流接触面的形状,达到最适应当前气流流态的效果。此类的材料的潜在价值不可估量,其已经成为材料科学研究中一个主要方向。

5)复合化。目前,隐形技术正向着综合运用、权衡隐形性能和其他性能、扩展频率范围和应用范围、降低成本等方向发展。根据目前吸波材料的发展状况,一种类型的材料很难满足日益提高的隐身技术所提出的“薄、轻、宽、强”的综合要求,因此需要将多种吸波材料进行多种形式的复合来获得最佳隐身效果,如铁磁性Mn-Zn、Ni-Zn铁氧体与铁电性BaTiO3复合,能够极大地提高吸波性能;也可以采用有机-无机纳米材料复合技术,这种方法能很方便地调节复合物的电磁参数以达到阻抗匹配的要求,而且可以大大减轻质量,可望成为今后吸波材料研究与发展的重点方向。

7 结语

随着光电探测技术的迅速发展,武装目标将不得不同时面对激光测距与制导以及红外、雷达、可见光成像的探测与制导的威胁,单一的激光、红外、雷达、可见光隐身材料都已很难起到真正的对抗作用。因此,研制和开发红外、雷达与激光复合隐身技术,使隐身涂料向新型化、多频谱、宽频带方向发展,达到保护自身目标的安全[11]。

[1]谢国华.红外隐身材料的现状与展望[J].宇航材料工艺,2001(4)：5～9

[2]钱海霞,熊惟皓.纳米复合隐身材料的研究进展[J].宇航材料工艺,2002(2)：8～10

[3]韦第升,王小群,杜善义.复合材料在红外隐身技术中的应用[J].2009(12)：2462～2468

[4]徐杰.舰船隐身技术[J].舰船电子工程,2010,30(6)：6～8

[5]美国一家公司研制出廉价的隐身涂料[N].每日防务快讯,1998-04-29

[6]新隐身涂料简化B-2的维护[N].每日防务快讯,2000-09-22

[7]法国披露隐身坦克[N].每日防务快讯,2002-04-24

[8]EADS加强隐身技术研究[N].每日防务快讯,2005-10-21

[9]苏霍伊开始第二架PAK FA飞机的飞行试验计划[N].每日防务快讯,2011-03-09

[10]张维俊.舰船隐身面临的挑战及技术发展展望[J].中国舰船研究,2007(6)：46～49

[11]林惠祖.舰船隐身技术及舰船等离子体隐身技术浅谈[J].船艇,2006(8)：22～25