红外隐身技术于20 世纪70 年代末基本完成了基础研究和先期开发工作,并取得了突破性进展,已有基础理论研究阶段进入实用阶段。从20 世纪80 年代开始,国外研制的新式武器已广泛采用了红外隐身技术。 本文对常用军用装备的红外隐身技术的途径和方法进行分析,并展望了红外隐身技术的发展趋势。镜片镀膜机
1 红外隐身采用的技术现状
红外隐身技术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。这可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。 目前红外隐身技术主要采用三种途径:
1. 1 降低目标的红外辐射强度
众所周知红外辐射强度与平均发射率和温度的四次方的乘积成正比。因此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发射系数的材料和覆盖一层绝热材料的方法来实现的,即包括隔热、吸热、散热和降热等技术。从而减少目标被发现和跟踪的概率。 几何形状的设计对被动探测没有什么影响,但是红外吸波涂层对降低热发射率具有很大作用。热发射率包括两部分:热反射率和热发射率。前者指材料在红外光源照射下反射红外线的强度,后者指一定温度下材料的红外本征辐射强度。低发射率的材料一般反射率较高;低反射率的材料则发射率较高。理论上,红外吸波涂层也可用雷达吸波涂层移相对消的原理来降低反射率,但这要求微米级甚至亚微米级涂层,工艺上制造比较困难。在实际中降低温度比降低热发射率容易,同时降低温度的效果也很明显。一般采用的方法是: 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。 1. 2 改变目标红外辐射的大气窗口
主要是改变目标的红外辐射波段。我们知道大气的红外窗口有以下三个波段:1～2. 5μm、3～5μm 和8～14μm。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。具体做法是改变红外辐射波长的异型喷管或在燃料中加入特殊的添加剂;用红外变频材料制作有关的结构部件等。调节红外辐射的传输过程是改变目标红外辐射特性的手段之一,具体做法是在某些特定的结构上改变红外辐射的方向。例如在具有尾喷口的飞行器的发动机上安装特定的挡板来阻挡和吸收飞行器发出的红外辐射;或改变辐射方向。
1. 3 采用光谱转换技术
采用特定的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。
2 红外隐身材料
2. 1 红外低辐射材料
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用于热隐身材料应具有以下基本特征:具有符合要求的热红外发射率或较强的控温能力;具有合理的表面结构;具有较低的太阳能吸收率;能与其它频段的隐身要求兼容,为此进行的多种红外低辐射材料要求的研究。国外研究最多的是涂料型红外隐身材料,其次是薄膜材料。
低辐射薄膜材料研究重点是半导体掺杂膜、金属薄膜、塑料光学薄膜、复合膜、碳膜与氮化硼膜。这些薄膜均有可能达到极低发射率,同时也可通过控制材料载流子密度等参数来制得不同发射率的薄膜。这种低发射率薄膜可制成热红外迷彩膜,也可用做散热红外隐身膜和透气隐蔽材料。涂料型红外隐身材料由于使用不改变现有装备的形状、结构,赋予了武器装备各种伪装和隐身功能,已越来越受各国材料科学家的广泛重视。
2. 2 远红外伪装涂料
是一种使led斗胆灯3～5μm 和8～14μm 工作波段的红外探测设备难以探测造成错觉的隐身技术。按红外伪装的方式和性质,可分为隐身型和干扰型的两大类。应用隐身型涂料红外伪装技术可以降低和改变“目标”的热辐射特性。
红外线隐身材料主要采用红外涂层材料。现有两类涂料:一类是吸收型中继机,通过涂料本身(如使
用能进行相变的钒、镍等氧化物或能发生可逆光化反应的涂料)或某些结构和工艺技术,使吸收的能量在涂层内部不断消耗或转换而不引起明显的温升,减少物体热辐射;另一类涂料是转换型,在吸收红外线能量或改变反射方向,或使吸收后放出来的红外辐射向长波转移,使之处于红外探测系统的工作波段以外,最终达到隐身的目的。
此外,涂料中的粘合剂、填料的形态、涂层的强度与涂层的施工技术,已达到实用阶段,并收到较好的隐身效果。
3 军用装备的红外隐身
3. 1 飞行器的红外隐身
飞机的热辐射,主要产生于发动机、发动机喷口、排气气流等。
3. 1. 1 改进飞机发动机喷口的结构和形状
例如将飞机发动机喷口改为二元喷管。对涡扇发动机,可使主气流与旁通气流有效地加以混合;对其他类型发动机,则利用外界空气在主排气周围提供一个冷的屏蔽。将喷口构造成椭圆
形或矩形,增加排气流的截面积或周界。可滤掉90 %的红外辐射,这相当于使对方红外探测器距离缩短30 %～45 % ,同时,可使目标受对方红外探测器跟踪的角度范围大大缩小;在燃料中加入添加剂,以抑制和改变喷焰的红外辐射频带,使之处于导弹工作波段之外。如国外采用的一种特殊燃料,使飞机尾焰辐射移到5～8μm 的大气强损耗波段。
3. 1. 2 减少发动机的红外辐射强度和噪声强度因为发动机排出的高热尾气具有非常明显的红外辐射特征,为了减弱红外辐射特征,可采用隔离、主动或被动冷却及采用特殊材料和吸收材料。对于反射、吸收或耗散红外辐射能量都能收到很好的效果。由于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200～250 ℃,从而使飞机的红外隐身性能得到大大改善。所以,涡轮风扇发动机是隐身飞机优选的发动机。如美国B22 隐身轰炸机采用50 %～60 %的降温隔热复合材料; F-117A 则采用了超过30 %的新型降温隔热复合材料。
3. 1. 3 红外吸收涂料
在机身上涂上能隔热和抗红外辐射成份的红外吸收材料,可降低机体的热辐射,减少对方红外探测器发现的概率;或采用闭合回路冷却系统,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;或把热辐射在大气中不能充分传热的部分散发掉。
3. 1. 4 改进飞机发动机燃料
在喷焰中加入红外吸收剂,吸收热量,以降低喷焰的温度;或加入添加剂,以改变红外辐射频带,使喷焰红外辐射波长位于大气窗口之外。
3. 1. 5 在飞机与发动机之间采用隔热材料等采用气溶胶屏蔽发动机尾焰的红外辐射也可以达到红外隐身的效果。
3. 1. 6 降低飞机蒙皮温度
采用局部冷却和隔热的方法来降低蒙皮温度。
3. 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。
3. 2. 1 抑制发动机和其他高温金属部件的红外辐射可采用绝热复合柴油机,隔热程度可达到45 %～65 %;或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;或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。
3. 2. 2 抑制发动机排气口温度
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;或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;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. 2. 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。
3. 3 军舰的红外隐身
军舰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。
3. 3. 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地下水净化设备,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。例如英国的舰艇采用烟道冷却后,舰艇红外辐射降低60 %以上。德国海军采用海水喷射装置后,可使排气温度由500 ℃降低到60 ℃。
3. 3. 2 采取屏蔽措施降低辐射透过率
主要采用的是烟火型红外遮蔽烟幕和水幕。它的方法是,食用油抗氧化剂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。如俄罗斯现代级驱逐舰、美国的杜鲁门号航母和英国的海幽灵护卫舰等,都采用了喷淋水幕技术。
3. 3. 3 涂覆特种涂料
选取可吸收3～5μm 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。
4 红外隐身技术的发展趋势
红外隐身技术的发展方向主要有四个: ①研究全波段隐身技术,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。②对目标的全方位隐身。③红外隐身技术的多功能。④红外隐身措施的低成本。而这四者中全波段隐身技术是当今研究的主流方向,这种技术主要依靠于优良的隐身材料。
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。目前,美、德和瑞典
等国正在积极研制多波段隐身材料,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。日本已经研制出FS2X 隐身战斗机的原型机,迂在筹划下一代隐身战斗机的初步设计方案(隐身技术与高机动性相结合) 。
美国在多波段隐身涂料技术领域取得重大进展。
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,与美国J SF (已命名的的F235)相当;苏霍伊设计局的S232 隐身战斗机的验证机于1997 年9 月25 日首飞成功。此外俄空军还研制一种与美空军B22 轰炸机相似的新型隐身战略轰炸机;俄罗斯的隐身军舰令人瞩目。
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