国外航空发动机隐身标准浅析

朱 瑾 于宏军

（中航工业综合技术研究所，北京 100028）

隐身技术又称目标特征信号控制技术或低可探测技术，它研究如何控制或减缩飞机、发动机、导弹等武器平台的雷达、红外、声、可见光和声音等特征信号，大幅度缩小雷达、红外、声纳、可见光等探测系统的作用距离及反应时间，从而大大提高武器系统的生存能力、突防能力及作战效能。隐身性能是新一代航空发动机装备必须具备的重要性能指标之一，隐身化是新一代航空发动机装备的显著特征。

隐身标准作为隐身技术经验、成果的总结和沉淀，可为航空发动机隐身技术的发展提供强力支撑；同时，先进的隐身标准也可为航空发动机隐身技术发展提供牵引。本文通过对国外隐身标准中红外线辐射、紫外线辐射、雷达横截面、噪声、排烟、气体排放物、燃油流/油气团的喷出和水蒸汽凝结尾流8方面重点要求进行对比分析，为我国航空发动机隐身技术发展及标准的研究与制定提供支撑。

1 国外标准总体情况

由于航空发动机隐身技术属于一种直接的军事应用技术，西方航空发达国家通常将其研究成果视为保密技术而不公开。目前，暂未收集到国外发动机完整、专业、详细的隐身标准。有关航空发动机隐身的技术要求主要集中于国外发动机系统研制、采办的顶层规范及指南中，具体见表1。本文将主要针对这些标准中的隐身要求进行对比分析。

2 国外发动机隐身标准要求分析

2.1 主要技术要求

在最新的美国军用标准通用规范中，航空发动机隐身主要指其易感性（发动机不应超出由使用部门确定的可检测特征和可观测特性），其范围已不再局限于传统的雷达横截面、红外线辐射等内容，而是有了较大拓展，综合国外航空发动机通用规范中对于隐身的要求，目前，主要包括红外线辐射、紫外线辐射、雷达横截面（RCS）、噪声、排烟、气体排放物、燃油流/油气团的喷出和水蒸汽凝结尾流等8方面内容，如表2所示。

2.2 红外线辐射

表1 国外航空发动机涉及隐身要求的标准

表2 国外航空发动机通用规范隐身要求项目

表3 国外发动机通用规范中对红外线辐射要求对比

根据表3可以归纳出国外标准中针对红外线辐射要素要求的演变过程。以方位角和俯仰角为例，在20世纪70～80年代，受红外辐射理论及红外探测技术等因素的限制，相对于发动机前向的红外辐射，对发动机后向红外辐射的要求更加严格,这是由于发动机后方存在高温尾喷管及排气尾焰，使其成为飞机的主要红外辐射源；在20世纪80～90年代，红外探测技术的提升使得红外探测器在采用的探测器中的比重逐步增加，达到30%左右，同时可被跟踪的辐射源也从单一的尾喷管逐渐发展为尾喷管、热喷流与蒙皮等多种，这就对红外隐身提出了更高的要求，此时，前向红外辐射也成为使飞机受到红外制导武器威胁的危险因素，不能再仅以后向红外辐射指标作为评判发动机整体红外辐射强度的唯一参考值，因此，在MILE-5007F及JSGS-87231A中将前向方位角和俯仰角的角度划分得更加细致，增强了对发动机前向红外辐射的要求；在2007系列标准中，更是将之前标准中以若干点的具体数值代表发动机整体红外辐射强度的要求更改为根据多种因素（任务、威胁、验证容易性和多角度的完全可达性）权衡得出，例如对于飞行高度较高的飞机可以仅要求5˚、0˚、-5˚、-10˚、-20˚、-45˚的俯仰角，使发动机红外辐射测量值能够最大限度地模拟飞机的实际使用条件。以上以方位角和俯仰角为例的美军标红外线辐射要求的变化生动反映出红外探测理论、测试技术、发动机技术等在发展过程中的相互影响和作用。

2.3 紫外线辐射

在美军标通用规范中，MIL-E-5007D及JSSG-2007系列标准中没有提出对紫外线辐射的要求，仅在MIL-E-5007E、MIL-E-5007F及JSGS-87231A中有相关要求。与红外线辐射要求相似，对紫外线辐射要求同样集中在方位角、俯仰角、红外线辐射带通条件、高度、发动机工作状态等方面，如表4所示。

由表4可以看出，紫外线辐射要求的演变过程与红外线辐射要求相似。随着紫外线辐射理论及探测技术的发展及成熟，紫外线辐射要求被写入发动机通用规范中，并在一段时间内根据理论及技术的发展成果进行修改。但由于某些原因，紫外线辐射要求在2007系列标准中被取消，但在“尾喷管系统”中提及：“喷管设计过程中所用的数据应包括推力、重量、尺寸、阻力、稳定性、外部流场、低可见性、燃油喷出、紫外辐射、红外辐射或其他可见信号和冷却要求间的折中”，可见紫外线辐射仍旧是发动机隐身性中应考虑的因素之一。

2.4 雷达横截面

雷达横截面也称“雷达截面”、“雷达回波面积”或“雷达散射截面”，用以表示雷达发现目标有效电子尺寸。雷达横截面特征信息可用来供飞行器一体化、发动机和飞行器设计权衡以及战斗战术发展使用。在标准中，对雷达横截面要求主要集中在频率范围、方位角和俯仰角等方面，如表5所示。

雷达横截面要求是航空发动机隐身的基本指标之一，贯穿于航空发动机通用规范的发展过程。随着雷达探测技术的发展，雷达探测频率不断拓宽，雷达定向威胁使得航空发动机必须在更宽的探测频率范围内满足雷达横截面要求，由表5中可以看出，从5007系列到87231A，雷达横截面的频率范围从（2～18）kHz拓宽至800Hz～18kHz，在2007系列中，频率范围更是有具体数值要求变为根据威胁情况确定，使标准使用更加灵活。

表4 国外航空发动机通用规范中对紫外线辐射要求对比

表5 国外航空发动机通用规范中对雷达横截面要求对比

2.5 噪声

作为飞机噪声主要组成部分之一，发动机噪声直接影响飞机乘坐舒适性及军用飞机任务成功率，必须予以规定。与其他要求相比，噪声要求的变化相对较小。

对于噪声要求，在5007系列标准中规定：“发动机工作时，在全部工作状态下发动机噪声等场强线图的不连续频率与带宽的噪声成分应减到最小。规范中应示出在最大、最小加力、中间、最大连续、90%最大连续、75%最大连续、最大反推力及慢车状态下的发动机近场、远场噪声标志等场强线图”。

在JSGS-87231A和2007系列标准中，对噪声要求变为：“未安装的发动机（带矢量喷管或不带矢量喷管）在海平面静止工作的近场和远场的噪声水平，不应超过规定水平”，同时，随着矢量推力在发动机中的广泛使用，在JSGS-87231A和2007系列标准中要求：“对于带矢量喷管的发动机，噪声测量应包括按使用部门确定的从中心线以等于或少于5°的增量变化的所有矢量位置。这可能要求改变发动机在室外试车台上的安装。”

雾是由近似为球形的雾滴粒子组成，半径通常在1～60 μm之间.由于雾的粒子半径不全部相同，雾的消光特性是粒子群中全部粒子消光效果的叠加.因此在研究雾滴粒子的光散射问题时，特别是针对平流雾和辐射雾这两种雾介质，采用基于Mie散射理论的多粒子散射研究方法，可以得到比较可靠的结果.

随着噪声检测方法的不断提高、对噪声机理研究的不断深入和发动机自身新技术的采用，通用标准中对噪声的要求也随之发生改变，除增加了需要进行噪声检测的发动机状态，还增加了对带矢量喷管发动机的噪声要求。

2.6 排烟

烟尾迹是发动机排出的稳定的一连串的碳颗粒物质，是可见的，有统计表明，排烟可见度高的发动机，其战斗时飞机损失可增加10倍，因此，有必要对其进行要求。影响排烟的参数主要包括燃油、工作状态、测量方法等，如表6所示。

在美军标中，一直采用APR 1179中的原理对排烟进行测量，期间发生了一些问题，随着测量技术的发展和对这些问题解决过程进行总结，在20世纪90年代编写2007系列标准时，不再规定要求使用APR 1179的测量方法，并且对仍采用该方法进行测量给出了说明：“使用APR 1179的原理进行的排烟测量偶尔会导致发动机排出的燃气是不可见的错误结论。环境条件（湿度）和观看角度产生了认为可见的排烟尾迹是没烟的。需要良好的理解这种方法，以便防止得出错误的结论”。

另外，在2007系列标准中，要求至少应该确定包括中间状态在内的发动机4个功率设定状态的排烟量级，例如，慢车状态、40%中间状态、75%中间状态、中间状态。对于涡轴发动机，可使用慢车状态、25%最大连续状态、75%最大连续状态、最大连续状态、中间和最大状态。这种改变再一次体现出了2007系列标准的广泛适用性，对于一般情况，测试4个发动机典型工作状态即可，在有要求的情况下，可以针对特定环境或条件选择其他发动机状态进行测试，使测量结果能够最大程度地满足使用要求。

2.7 气体排放物

发动机气体排放物主要包括一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HxCy）和氮氧化合物（NOx），会对人和环境造成危害，而这些排放物（包括二氧化碳和水）在某些条件下也是可看见的。因此，对于隐身性能要求较高的发动机和飞机，应该对气体排放物进行规定。影响气体排放物的参数主要包括发动机状态、被测气体成分、测量方法、测量状态等，如表7所示。

表6 国外航空发动机通用规范中对排烟要求对比

随着人们大气环境保护意识的增强，对发动机气体排放物的要求也越来越高，由表7可以看出，相应的要求由最初的只在发动机最大、中间和慢车状态测量气体排放物，逐渐发展成为对发动机各种功率状态进行测量。

2.8 燃油流/油气团的喷出

发动机出现燃油流和油气团的喷出是由于燃油控制器和加力燃烧室的问题，一旦被观测到，即会影响飞机隐身性能，因此，有必要在标准中对其进行要求。对燃油流/油气团喷出的要求在5007系列标准中是没有的，随着发动机技术及性能的发展，这一问题逐渐产生，在JSGS-87231A和2007系列标准中对其进行了要求。

在JSGS-87231A和2007系列标准中，对于燃油流/油气团的喷出规定：“发动机使用部门规定的任何主燃油或代用燃油，在任何过渡态或稳态工作过程中，在慢车或慢车以上任意功率设定状态，不应排出可见的未燃烧燃油（燃油流/油气团）”。

根据发动机实际使用情况来看，在加力接通期间，可能会出现油气团。但通常在油门切断加力工作过程中这一现象更为明显。因此，该要求主要适用于带加力发动机的飞机，但并不仅限于此，对于不带加力发动机的飞机，这一要求仍可使用。

2.9 水蒸汽凝结尾流

在发动机排放物中会包含水蒸气，由于水是燃烧的副产品，因此，抑制尾流是难以实现的，而水蒸气凝结尾流可能在很长距离的范围内被目视观测到，对于高隐身性要求的飞机来说，这无疑增加了被攻击的可能性，因此，需要在标准中对于水蒸气凝结尾流进行要求。与燃油流/油气团的喷出要求相同，对水蒸气凝结尾流的要求在5007系列标准中也是没有的，从JSGS-87231A开始对其进行要求。

在JSGS-87231A和2007系列标准中，对于水蒸气凝结尾流规定：“发动机使用部门规定的任何主燃油或代用燃油，在任何过渡态或稳态工作过程中，不应排出水蒸汽凝结尾流”。

由于并不是所有任务都需要高隐身性，因此在进行飞行试验时，在飞行包线的某些趋于观察到凝结尾流是可以的，对于凝结尾流的要求应“聚焦在不可接受凝结尾流的任务情况”。

3 结束语

通过对红外线辐射、紫外线辐射、雷达横截面、噪声、排烟、气体排放物、燃油流/油气团的喷出和水蒸汽凝结尾流等8个方面国外通用规范中相关要求的分析，可以清晰地看到各项隐身技术原理和探测技术发展对于标准内容的影响历程，作为技术的沉淀和总结，标准对于要素的要求也由最初的以数值为代表的具体要求，逐渐变为可根据使用环境、任务情况、测试技术等诸多因素权衡得出，提升了标准的适用性和可操作性。

以国外航空发动机通用规范中的隐身要求为参考，我国的航空发动机隐身标准仍有大量工作需要开展，一方面，在进行隐身技术研究的过程中，及时将突破的关键成果和经验形成标准，并随技术提升不断对标准进行修订完善。同时，由于航空发动机隐身技术并不是单一学科，涉及到设计、材料、工艺等众多领域，是一项综合的系统工程，因此，在形成隐身标准时，也不能仅仅制定顶层要求，应按照标准对象进行细化，形成一整套标准，使顶层标准及支撑标准搭配合宜，实用适用。另一方面，充分发挥先进标准的牵引作用，在现有基础上参考国外先进标准对我国标准进行适当补充，全面提升我国发动机隐身性能，提高我国航空发动机隐身标准水平。