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                    《兵器知識》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    以普及兵器科技知識,提高中國全民國防觀念,為實現國防現代化,特別是武器現代化服務為辦刊宗旨,面向中國廣大青少年軍事愛好者,廣泛宣傳兵器科技知識,大力普及軍事高新技術,介紹世界軍事科研生產情況,展示各國武器裝備風貌,宣傳中國兵器工業發展道路和成就。

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                    漫談飛機紅外隱身技術

                    2014-07-14 15:45:55

                    漫談飛機紅外隱身技術

                    /朱寶鎏

                    第四代戰斗機的一個很重要指標,就是要具有相當的隱身能力。這方面的能力應包括雷達隱身、紅外隱身、可見光隱身(原來稱為偽裝)、激光隱身和聲學隱身等技術。但通常最受重視的是雷達隱身。由于雷達隱身有關資料十分保密,不易得到確切數據,宣傳又太多,很容易使人誤會這是唯一的隱身途徑。

                    而目前較新式的俄羅斯戰斗機和我國的一些戰斗機,都配有紅外探測裝置(簡寫IRST),在空戰中用來探測飛行目標,協助機上火控系統工作很起作用。例如對美國SR-71高空大M數偵察機,可在迎頭約80千米或更遠距離就將其發現。由此可見,飛機要真正隱形,只靠雷達隱身技術是不夠的,因為飛機的紅外輻射同樣會暴露其存在。這里擬只談一些紅外隱身技術問題。

                    基本知識

                    物體發射的紅外線是指波長在0.77~15.4微米之間的電磁波(1微米等于一百萬分之一米)。對于人的肉眼來說,可見光的波長為0.39~0.77微米,而紅光波長是0.622~0.77微米。所以紅外線是指波長比紅光稍大一些的電磁波。

                    物體溫度與紅外線波長的關系物體發射紅外線需要有一定的溫度。物體溫度與發出的峰值紅外波長有一定關系,可用公式表示(偉恩定律Wien's Law:LT=2897.8。式中L為波長(微米),T為物體絕對溫度K1K=°C+273)。

                    這就是說峰值紅外波長與溫度的乘積等于一個常數,該常數可近似地認為是3 000,便于記憶。實際上物體在同一溫度發出的紅外線還有其它波長,不過都相對較弱。

                    例如飛機開加力時發動機尾噴流的最高溫度達8 000°C,即1 073K,其發出的主要紅外線波長約為2.8微米。所以我們只要知道物體的溫度就可以估算出它發出的紅外線主要波長。

                    現代裝備使用的紅外制導導彈,例如老式的美國“響尾蛇”,采用硫化鉛紅外元件,有效跟蹤的紅外線波長約為1.8~3.2微米。如果目標機不開加力,尾噴流溫度約700K,紅外波長4.1微米,用這種老式導彈攻擊效果就不大好,因為不在該導彈紅外元件的最有效波段之內。新的導彈都改用銻化銦紅外元件。

                    同樣方法,根據飛機各部位的溫度即可估計出其紅外線波段。三代戰斗機開加力時各部位的溫度大至如下:進氣口邊緣300~400K,后機身因受發動機影響為400~600K,噴口四周約1 000K。鋁合金結構可承受的溫度不超過400K,所以這些高溫部位往往要用合金鋼材。當然,這些數據只是一般平均值,飛機不同,也可能有不少差異。

                    197696日,蘇聯飛行員別連科駕駛一架米格-25飛機叛逃日本,在函館機場著陸。美國立即派人去研究,并利用飛機內余下的少量燃料專門進行了開車測試,記錄了全機360°四周的紅外特性。這是一次很好機會,為研究對付這型當時屬很先進的高空高速攔截機的武器提供了很有價值的參考數據。能實際測量對方飛機的紅外特性的機會是很少的。

                    大氣紅外窗口大氣對紅外傳播有一定的吸收作用,紅外線不易通過,但對一定的波段網開一面,這些波段稱紅外窗口。這些窗口有好幾個,互相不連接。具體說就是0.8~1.1微米,1.3~2.8微米,3~4.2微米,4.3~5.1微米,7.2~15微米5個波段。所有現代紅外制導導彈和探測系統以及紅外隱身技術都必須考慮這個特點?,F在常用的幾種紅外元件對應的有利探測波段分別為:硫化鉛1.8~3.2微米,銻化銦3.5~4.8微米,硅化鉑0.5~5.0微米,碲鎘汞8~14微米。而紅外隱身技術則是設法使產生的紅外幅射不在這些窗口之內,或與紅外制導導彈、探測儀的有效波段錯開。

                    超音速飛行對物體的加熱作用四代機因為要進行超音速巡航,所以還必須考慮飛機在大氣中高速運動產生的駐點溫度問題。機體表面與大氣磨擦產生的溫度一般低于駐點溫度。

                    飛機高速飛行時,各翼面前緣和進氣道唇口等處可能達到的駐點溫度理論值為(溫度用絕對溫度K計算):T=T大氣×(1+M2/5)。例如飛機在11 000米高度(大氣溫度-56°C)超音速巡航,飛行M數是1.5,駐點溫度應為(273-56)×(1+1.52/5=314.65K,理論紅外波長為9.2微米。至于飛機機翼前緣、機頭等處是否真正達到這溫度,還要看機體結構、材料、在該M數飛行時間長短、機體散熱能力等情況而定。美國公布的SR-71的前身YF-12飛機在飛行M3時機體外溫度分布情況可見附圖。

                     

                    ■俄羅斯用于蘇霍伊戰斗機的紅外跟蹤裝置。蘇聯/俄羅斯在此方面的研究和運用一直處于領先地位

                    ■別連科駕駛米格-25叛逃后,200多名美國專家將該機拆卸分解,運抵美國研究。

                     

                    由于米格-25的最大速度超過2.5倍音速,因而會產生較大的紅外輻射對隱身飛機采取紅外隱身措施前,最好先知道飛機的外表溫度分布才便于有的放矢,少走彎路。如果飛行M數很大,機頭部位的溫度并不比噴口附近的溫度低。這樣對前機身的紅外隱身措施便要加強。此外,座艙蓋能反射陽光,一般反射率高達60%,白天也會發出很強的紅外線。

                    四代機紅外隱身的途徑紅外隱身的基本概念就是設法降低飛機各部位的溫度以及降低輻射的紅外線強度,使得輻射的紅外線盡量不在大氣紅外窗口之內,減小飛機與背景之間的溫差,使紅外探測系統看不見或看不清。

                     

                    ■飛機發動機尾噴口有高溫燃氣噴出,是很強的紅外輻射源,也是飛機采取紅外隱身措施時重點考慮的部位

                     

                     

                    發動機尾噴管和靠近發動機的后機身,尾噴氣流,飛機表面氣動加熱,是現代作戰飛機的三大熱輻射源。紅外隱身技術要在這些部位下功夫。

                    首先要對機上最強的熱輻射源——尾噴管采取措施,如降低發動機的排氣溫度。為此,可以采用矩形二元尾噴管,加大尾噴管和冷空氣的接觸面,以利于尾噴管散熱以及燃氣射流與冷空氣的混合,降低紅外幅射。F-117A、F-22戰斗機和B-2隱身轟炸機上采用了這種方法。該方法的缺點是增加結構復雜性,帶來維修工作量和重量增加等問題。

                    另一常用方法是在燃料中加添加劑,也可使尾噴流溫度降低。該方法使用靈活,視任務不同,需要就加,不需要就不添加。不過效果并不一定很好,還有可能帶來其它不利影響,關鍵在添加劑的品種、質量??刂瓢l動機加力也可降低飛機尾噴口的溫度。飛機要能不開加力超音速巡航,當然這時M數不高,一般不大于1.6。若要更大速度,發動機必須開加力。但開加力時,形成高溫尾噴流,其紅外特征異常明顯,因此,只從隱身角度考慮,應該使用不帶加力的發動機。例如美國F-117A、B-2亞音速隱身飛機就沒用加力。四代戰斗機如果不要求更大M數,也可以考慮不用帶加力發動機。

                    此外,設計飛機構型時用機身、機翼或尾翼遮擋尾噴管,使尾噴管的紅外線只向較窄的方向輻射,也是一種紅外隱身的有效方法。

                    在減少機體紅外輻射方面,將飛機表面包括座艙蓋涂敷紅外隱身涂料,可以有效降低紅外輻射強度,降低機體外表面溫度,進而提高飛機的紅外隱身特性。據稱美軍A-10攻擊機的表面就涂有這種紅外隱身涂料,可降低地面紅外防空導彈的命中概率。有的飛機如SR-71、U-2,全機外表都涂上一種特殊黑漆,主要也是為了降溫而不是為了吸收雷達波。這種漆具有很強的熱輻射能力,可使機體熱量更快散掉,降低飛機蒙皮及結構溫度。當年這樣做主要是為了防止飛機結構強度在長時間高溫下承受不了。事實證明,這些飛機在經常入侵別國領空時,用地面長波防空搜索跟蹤雷達監控并不困難,飛機航跡可以連續標出,并非像傳說的那樣具有很好雷達隱身性能。

                    不過現代隱身飛機機身上還有很多層雷達隱身涂料,座艙蓋還要鍍可透光的金屬膜反射雷達波,工藝程序復雜,結果飛機的生產和日常維修工作就更難了。所以各項隱身措施都必須統籌兼顧才成。

                    采用銻化銦紅外元件的導彈,只能探測到溫度超過約500K以上的東西,此時紅外成像的背景大部分都是黑色,可以很清楚顯現飛機這樣的目標。而用長波紅外線的器件則會受到自然界的影響,因為具備這種紅外輻射范圍的物體非常多,例如云、水氣或地面物體等,所以用8~14微米紅外元件探測,飛機進入導引頭視野后,四周都會顯現為灰蒙蒙的圖像,要從大量雜亂背景中將飛機識別出來,對信息處理運算能力要求很高。尤其是對于低空飛行的飛機,地面景物的紅外干擾比在大晴天仰視或平視嚴重得多。另外碲鎘汞陣列的均勻性不佳,所以現役空空導彈似乎還沒有哪一種使用這類紅外元件。四代戰斗機的最大飛行M數不高,一般不超過2.5,超音速巡航時就更低,所以前機身的溫度不高,紅外波段在10微米左右,這是各類紅外探測元件的“軟肋”,飛機紅外隱身似乎可以鉆這個空子,盡量降低溫度,使全機紅外輻射處在這個波段之內。

                    [編輯/秦蓁]




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