隐身无人机红外特性测量方法

2020-01-06席有猷王勇

无人机 2019年11期

席有猷，王勇

中国人民解放军93114部队，北京市昌平区 100085

阐述了无人机隐身的意义和手段，重点介绍了红外辐射特性和红外隐身的技术手段，包括发动机喷管、排气尾焰和机体蒙皮等。分析了无人机红外特性测量原理，并论述了无人机红外特性测量的条件、仪器需求和测量方案。

自第一次世界大战首次将无人机应用于作战以来，无人机技术取得了迅速发展，尤其是近几场高技术战争中，无人机的优异作战表现使其得到了各国军队的更加青睐。为了提高无人机的战争生存率和隐蔽攻击的突然性，各国都展开了对军用无人机隐身技术的研究。无人机隐身就是在总体设计中减少雷达、红外和光电等观测特征，减少无人机被探测概率。

军用无人机隐身的手段

目前，无人机雷达隐身主要采用无源隐身技术和有源隐身技术两种，无源隐身技术主要是利用特殊外形以及特定吸波材料来减小雷达有效截面积，从而使雷达无法识别目标信号，以此达到隐身目的。无源隐身技术已经发展比较成熟，而有源隐身技术也已经投入到武器使用，有了实质性进展。光电隐身主要是通过在飞机表面涂装伪装色以降低飞机和背景的差别，降低其光电可探测性。红外隐身技术一般包括降低辐射强度(主要包括降低发动机喷管热辐射强度、排气尾焰辐射强度和蒙皮辐射强度)、改变辐射特征、调节红外辐射的传输过程等。其中，降低辐射强度是目前采用的主要技术与手段。

(1)降低发动机喷管辐射

无人机发动机喷管辐射主要有固体壁面辐射和空腔辐射两个方面，固体壁面辐射主要有发动机喷管、发动机调节片、整流罩等产生的辐射；空腔辐射主要是喷管空腔内高温燃气产生的辐射。将排气引射技术应用于发动机喷管壁面可以大大减弱喷管壁面温度和红外辐射强度。试验表明，排气引射技术可以将3～5µm波段的孔缝喷管红外辐射强度降低约为原来的70%，波纹板喷管降低至60%左右，塞体喷管降低为原来的40%左右。除此之外，也可以通过遮挡尾喷管特定方向的红外辐射从而减少其被探测的概率。

(2)降低排气尾焰辐射

由于发动机加力燃烧时喷管尾流红外辐射强度约为非加力燃烧的500倍，是非常明显的红外特征，为降低辐射强度，主要采用混合气流的方式，迅速使发动机尾焰冷却。另外也可以采用二元喷管增加尾焰的长度，从而加快冷却。

(3)降低蒙皮辐射

气动力摩擦升温的飞机蒙皮很容易被工作在8.14µm的红外探测器识别，为了降低蒙皮辐射强度，可以利用温差电器件等特殊材料。

无人机红外特性

无人机红外特性可以从发动机、排气尾焰和飞机蒙皮三个方面展开分析，每个辐射源都有其量值、光谱分析以及背景对比度。发动机通常由发动机中心体、内部喷嘴侧壁和机尾涡扇面组成；尾焰则由二氧化碳和水产生；飞机蒙皮包括机身、机翼等所有外表面。

飞机总体红外特征由各部分组合形成，每一个辐射源在不同角度辐射贡献不同，尾部辐射主要来源于发动机热部件；后补区域的辐射主要来源于发动机热部件和尾焰；大梁到前部区域的主要辐射为机体和尾焰；机体的辐射源主要是机体和进气道。

红外辐射特性测量原理

无人机红外特性测量原理如图1所示。

图1 红外测量原理示意图

线性模型下红外系统的辐射响应度如式(1)所示。

其中，DN为目标红外图像的灰度值；K和DN0是系统响应函数斜率和偏置；是观测系统辐亮度；是目标到观测系统之间的大气透过率和程辐射。

表1 无人机红外特性测量条件

隐身无人机红外特性测量

隐身无人机红外特性测量受气象环境影响较大，如何获取复杂作战环境下的隐身无人机性能，为作战计划制定提供有力支撑，是目前红外特性测量的迫切需求。影响红外特性的条件十分复杂，一般主要包括方位角、高度、空速、周围空气温度、电源设置、太阳角等。

为获取真实作战环境下隐身无人机红外特性，飞机光学测量应该遵循典型的辐射测量流程，确保测量设备的动态范围覆盖目标辐射亮度的变化范围，且仪器工作在线性标定区域；仪器视场应该覆盖整个飞机机体；测量距离合理等。

测量条件及测量需求

表2 无人机红外特性测量数据需求

实际测量中，需要在一系列不同测量条件的排列组合下获取目标预期值范围。例如，喷气式飞机发动机的辐射，通常包含空闲输出功率、中间输出功率及最大输出功率，未开加力燃烧或者开启加力燃烧，从离地面300m到飞行到最大升限高度。测试条件也包括盘旋，巡航和加力燃烧；配重也包括典型配重和做大重量；温度包括白天和夜晚不同温度下，测量视角包括仰视、平视和俯视。具体测量条件如表1所示。

另外，在测量中数据记录十分重要，必须针对每次测量按照时间序列记录所有的目标参数和工况，无人机红外特性典型数据需求如表2所示。

测量方案设计