隐身技术在飞行器上的应用

孙子杰,毛根旺,栗金平,胡 伟,黄先科

(西北工业大学 a.燃烧、流动和热结构国家级重点实验室;b.航天学院,西安 710072)

随着航空电子技术的迅猛发展,未来战场环境变得更加恶劣而复杂。各种新型雷达、先进探测器及精确制导武器的相继问世,对各种军事目标构成了极为严重的威胁。为了提高军用武器的生存力和战斗力,近年来世界各军事强国都在加紧隐身技术的研究和投入,隐身技术获得了很大的进展,并被广泛运用于各种武器装备中[1-4]。由于存在对未来战争实现“零伤亡”目标的强烈要求,对新的隐身机理的研究,以及对新的隐身材料的研发都已成为当今隐身技术领域的研究热点。

1 隐身技术在飞行器上的应用

将隐身技术应用于军用飞行器的过程中,往往不是单独使用一种方法就能保证隐身飞行器具有躲避探测,或者减少其被探测的能力。只有适当综合应用雷达、红外线、可见光与声学信号等的减弱技术,而且还要使用主动和被动电子对抗,才能使隐身飞行器在不被发现的情况下完成其使命,使它成为一种有效的军事武器。

1.1 外形隐身技术在飞行器上的应用

外形隐身技术就是通过改变目标表面的形状,将目标的强散射源减少到最低限度,从而大幅度减少可被敌方雷达接收机截获的电磁波能量,使雷达对目标的探测距离缩短,并在一定角域范围内显著减小飞行器的RCS,使其在一定范围内难以被敌方雷达识别和发现的技术[5-9]。外形隐身技术导致雷达跟踪误差增加的理论依据来自目标各个部件的电磁散射机理,由于不同形状的物体具有不同的散射特性,而且其散射特性有不同的频率依赖关系。对于不同的目标,RCS(雷达散射截面)随视线角均会发生或多或少的变化,由于不同相位的若干反射之间的干涉,可导致散射中心偏离几何中心。

美国典型的F-117A隐身战斗机为独特的三角形飞翼式前三点起落架布局。机翼下表面与机身上表面是由许多块小平面组成一体的三角面锥,使雷达信号绝大部分偏离入射方向。机翼的前缘就是机身前缘线的延伸。机身与发动机系统被机翼遮挡着,不管是单基地雷达还是多基地雷达都很难捕捉到它。该机的发动机进气口和机身顶部边缘与机翼前缘平行;尾喷口边缘与机翼外侧后缘平行;机身边缘与发动机短舱边缘平行。这样可尽力避免波束直接向前反射。如果从预警机雷达照射方向看,由于2种飞机的高度差不是很大,F-117A隐身战斗机上表面不会出现垂直镜面反射,并且使大面积的镜面反射和强的边缘绕射集中于水平面内的几个窄波束,使机头方向这一最重要的威胁区域获得有效的RCS减缩。这种多面体外形对垂直和接近垂直的很窄角度范围内的镜面反射很强,但在其余很大的角度范围内其镜面后向散射很弱,它反射的雷达波以各种角度向飞机上半球的天空散射,使地面雷达很难接收到这些反射信号[10]。

1.2 材料隐身技术在飞行器上的应用

材料隐身技术是通过材料的各种物理化学变化来减弱、吸收、耗散和散射各种类型的电磁辐射。隐身材料的种类繁多,针对不同的探测仪器实现消除或减弱声、光、电、热、力学方面所产生的信号特征。按材料隐身机理的相近程度,将常用的隐身材料分为对比型、自减型和自调型。

1)对比型。采用能够吸收或透过电磁波的涂料或复合材料,使入射电磁波在飞行器上总的回波强度显著降低的一类功能材料。当电磁波穿过材料时,电磁波被吸收,从而使入射电磁波的能量耗损,实际上是将电磁能转换为热能并散失掉,或者利用干涉原理,利用吸波层表面反射波和底层反射波的振幅相等、相位相反进行干涉抵消[11]。同没进行过功能材料处理前的飞行器反射信号对比,飞行器具有低可探测性,故称此类功能材料为“对比型”隐身材料。雷达隐身材料和激光隐身材料均属于此类型。在此需要说明一点,把雷达隐身材料归为此类并不表示忽略了雷达吸波材料对电子舱周围用于屏蔽泄漏的设备,可减少或消散发射泄漏的无线电频率的用途,只是雷达隐身材料是更侧重于一般雷达的工作原理所研发的。

视黄基席夫碱盐[12]的吸收性能优于其他雷达吸波材料,它的质量仅为典型铁氧体的1/10。对这种盐进行改进后,使一种组合盐能吸收全频段的雷达波,能量将转变为热而耗散掉,而这些耗散掉的热仅使飞行器蒙皮的温度升高只有几分之一度,从而实现很好的隐身效果。

据报道[13],国内激光隐身涂料对1.06μm波长的激光吸收率已高达95%以上,可以使激光测距机的测距能力降低近70%,起到了激光隐身的作用。

2)自减型。采用能够吸收或阻隔的方式,显著降低由于飞行器自身所产生的某种信号特征的涂料,使探测设备无法有效地检测到此信号特征与背景的差别,从而实现隐身效果的一类功能材料,故称此类功能材料为“自减型”隐身材料[14-17]。红外隐身材料、声波隐身材料和迷彩隐身材料均属于此类型。

密致碳粒和超密致碳泡沫材料[18]具有很高的表面反射和体积反射,能很好地抑制目标的红外辐射,使目标辐射的红外线不能穿透。在发动机部位用密致碳粒和超密致碳泡沫来吸收发动机排气的热辐射。

美国橡树岭国家实验室研制出了一种新型的吸声材料碳石墨泡沫[19],此材料具有极好的各向异性导热率和抗电磁干扰特性,并能很好地吸收目标所产生的噪音。对声频为1 000 Hz以上的声波,吸收系数可达到80～90%。在温度为-37℃～81℃,吸声降噪能力并不降低。

3)自调型。采用能够感知背景的变化、自动调节目标的信号特征,尽可能地降低目标和背景的可探测特征的差别的一类功能材料[20-21]。此类功能材料是一种能从自身表层或内部获取关于环境条件及其变化信息,对感知的信息进行处理,可通过自我指令改变自身结构与功能,使其很好地与环境协调,具有自适应性的材料系统,故称此类功能材料为“自调型”隐身材料。智能变色材料、红外智能隐身材料和雷达智能隐身材料等智能隐身材料属于此类型。

Irie等[22]合成的杂环基取代的二芳基乙烯类化合物在光致变色、热稳定和耐疲劳等方面性能优异,在紫外光激发下,化合物旋转闭环生成有色的闭环体,而闭环体在可见光照射下又能发生相反的变化,从而在不同波长和强度的光作用下引起对光的吸收峰值变化,使光的吸收峰处于入射光波频段的相应反应,最终导致颜色改变为背景色的现象。

美国已研制出一种可见光智能隐身材料[23],在聚氨酯分子中嵌入高活性的丁二炔链段,在适当条件下,丁二炔聚合成聚丁二炔,形成具有自由电子的共轭结构,从而改变了整个材料的颜色和光强度,使之与环境的颜色和光强度快速达到一致或接近,从而达到隐身效果。

1.3 有源隐身技术在飞行器上的应用

有源隐身技术又称主动隐身技术,是指利用有源手段使飞行器规避声、光、电、热等探测设备探测的一种技术。有源隐身技术主要利用光或电子干扰等手段隐蔽目标[24]。一是通过检测探测敌方的探测信号判断自身的信号散射特征,自适应地产生与入射探测信号幅度相近而相位相反的探测信号进行相干抵消,使敌方探测设备始终位于合成方向图的零点,从而抑制探测设备对飞行器反射信号的接收;二是截获并分析出敌方的探测信号后,以相应的频率波段信号加以干扰,重新发射一个相似的滞后信号,使敌方的探测设备对定位做出错误判断;三是增加目标的可探测信息特征,使敌雷达、红外探测仪出现大面积虚假信号,以此达到隐身目的。

法国MBDA与Thales公司正合作研发有源隐身技术,首先用于改进“风影”/SCALP EP系列常规巡航导弹,然后拟用于未来的远程打击系统,并计划在2010年内应用这种技术。MBDA通过所谓的“灵巧蒙皮”阵,用共形发射机/接收机检测并改变这些雷达的射频RF信号,此有源隐身技术能够使飞行器的RCS显著降低,其隐身效果优于当代的无源隐身技术。MBDA已经用这些有源隐身措施来降低飞行器机体上关键部位的RCS,如发动机的进气道特征及导弹导引头的RCS。对低、中、高频率的地面雷达和机栽雷达都实现了令人满意的隐身效果,尤其是对高频雷达的探测具有更小的RCS,并且通过有源噪声对消技术,显著提高了飞行器对噪音的降噪能力。

1.4 等离子体隐身技术在飞行器上的应用

等离子体隐身技术是利用磁化或非磁化冷等离子体来规避雷达探测系统的一种新型技术。利用等离子体隐身就是在飞行器的周围形成一种特殊的等离子云团,通过控制等离子体的特征参数(电离度、德拜长度、振荡频率、碰撞频率和回旋频率等),等离子云团对探测设备辐射的电磁波产生折射和吸收现象,使其返回电磁波的能量很少,因而使敌方的探测设备难以侦察和发现隐蔽在等离子云团中的飞行器,此外,等离子体还能通过改变反射电磁波的频率,使探测设备测出错误的目标位置和速度数据,从而达到飞行器的隐身目的[25-27]。原则上等离子体隐身技术也属于有源隐身技术,但由于其特殊性及国内外对它的重视程度,对等离子体隐身技术的优越性及在飞行器上的应用进行重点分析。

等离子体隐身技术的优越性在于无需改变飞行器的气动外形,不会影响飞行器的飞行性能和战术性能;利用等离子体隐身技术可以减少飞行器30%以上的飞行阻力;等离子体不仅可吸收微波,还能吸收红外辐射,其吸波频带宽,吸收效率高;只需在飞行器上安置等离子体发生器或在其表面涂一层放射性同位素,成本低廉并且维护简便;可以通过开关迅速地让等离子体产生和消失,使用简便快捷[28-30]。

美国著名的B-2隐身轰炸机率先在其结构上采用了等离子体隐身技术,当探测的雷达波发射到飞翼表面时,首先会被其表面的蒙皮吸收,其余进入六角蜂窝夹心被吸收,内衬壁采用六角形蜂窝夹心结构,其夹心内腔部分中空,空心部分被可吸收电磁波的易电离介质填充,通过电离介质产生等离子体来吸收和改变入射电磁波。在飞行上安置高压静电发生器,用于产生超过20万伏的电压差,这样就可以产生足够浓度要电离的等离子体来衰减入射电磁波的能量。B-2隐身轰炸机就是将封闭式等离子隐身技术用在机翼前缘、翼尖等雷达强回波处,来应对远程长波雷达探测[31]。

俄罗斯国家科学研究院电磁理论与应用研究所为改变苏-35飞机的35英寸雷达天线辐射特性,在雷达天线前方安置一个低温等离子体控制屏,当其关闭时,雷达波可直接通过。此设备的主体单元由氖和氙等惰性气体混合而成,在电脉冲激发下工作。当氖和氙等惰性气体被激活时,该屏把接收到的一部分雷达辐射的电磁波吸收,而把余下的雷达辐射的电磁波散射和折射到安全方向,从而使所有经过该屏的雷达辐射的回波能量得到降低。

2 隐身技术在飞行器上的实现方法

面对多种探测设备的不同侦测手段,要想使飞行器达到理想的隐身效果,必须综合应用各种隐身技术实行全方位、多功能的隐身。依据国内外公开发表的文献资料及媒体报道,作者认为隐身技术在飞行器上的具体实现方法分为几个方面:

1)改善飞行器的总体布局,使飞行器表面尽量光滑,没有明显的突变。由于使某个角度范围内的RCS减小时,必然伴随着另外一些角域内的RCS增加,这就要求我们要区分飞行器上的主要威胁区域和次要威胁区域,尽可能先降低最重要威胁区域的RCS,并利用CAD(计算机辅助设计)等设计手段,对飞行器以及其他装备进行设计;

2)在外形设计时,应注意不能让产生镜面反射的表面正对着最主要的雷达探测方向,通过多棱面外形和融合外形技术来降低有效的RCS,使飞行器各个部位均由不规则的倾斜多面体组成,各个相交面做成圆弧状,从而将探测的雷达波进行散射;

3)对于飞行器翼,要采用尽量小的展弦比和适当的后掠角;

4)对于发动机的进气道和尾喷口,应安排在能被其他部件遮挡而不易被雷达直接探测的部位,进气道整流罩用一种经声学处理的内表面来改进,中心体用吸音材料制成,并在加力燃烧器内采用消声衬垫和带有尖端向内的角锥形结构的夹层组合蒙皮,以吸收发动机内部的噪声,并采用隔热材料对发动机重要热部件进行隔热;

5)采用镀膜座舱,将座舱盖用真空镀膜的办法镀上一层金属镀膜,使雷达波不能透射入座舱内部;

6)应取消外挂物,将外挂武器统统隐藏在飞行器内部;

7)在飞行器的燃料箱中放入一定数量的碱金属(如铯、钾、钠)的低电离电位物质,从而使飞行器的喷流产生弱电离等离子体,这些等离子体气体在飞行器后面形成一个长长的等离子区,该等离子区使无线电信号强度减弱;

8)消除和避免产生角反射器效应,故应采用翼身融合体,并使其双垂尾向内或向外倾斜;

9)采用闭合回路冷却系统,将载荷设备产生的热传给燃油,以减少飞行器的热辐射;

10)正确应用适合飞行器活动地区的伪装色,使飞行器更好地与背景相融合;

11)在雷达吸波材料的上面涂敷一层红外涂料,在一定的厚度范围内,可以同时兼顾2种性能,如果在飞行器上再覆盖一层等离子体,有效反射面积会进一步减小;

12)采用等离子体控制屏那样工作模式的设备,对机载电子系统发射和泄漏无线电波进行控制。

3 结束语

目前,我国有关隐身技术的科技工作比较落后,尤其是对一些新型的隐身技术。随着我国有源隐身技术、等离子体隐身技术和智能隐身材料的发展,可以通过这些技术和材料,使隐身效果进一步提高。也应注意到,在研究新型隐身技术的同时,也要重视常规隐身技术的发展,必须综合运用各种隐身技术,多角度、全方位地减少各种可被敌方探测到的特征信号。

为了使我国隐身技术能走在世界前列,不应盲目地研仿军事强国的隐身技术,而是走好自主创新的研究路线,加强对各种隐身机理的相关研究,探索新型隐身材料在飞行器中的应用,提高我国在飞行器隐身研究领域中的理论和技术水平,是我们今后主要的工作方向。

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