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飞机隐身技术的发展历史和研究现状

时间:2016-03-03来源: 作者: 点击: 243次

严峰  史久林  杨俊杰

南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室 南昌 330063

摘要:为了解飞机隐身技术的设计原理和发展历史,归纳了自第二次世界大战中出现飞机隐身技术以来,军用飞机的隐身方法和发展历程,对代表性意义的隐身战斗机和隐身轰炸机的隐身设计原理和隐身技术做了大体的概述。总结了包括雷达隐身技术、红外辐射隐身技术、可见光隐身技术、声波隐身技术、电磁辐射隐身技术等隐身技术的特点,并且简单说明了激光隐身技术和等离子体隐身技术这两种新型隐身技术的隐身原理和应用,以及在技术手段和工作机理上做了简单的描述。同时涉及最新研究的纳米隐身材料、手征隐身材料、智能隐身材料和多频谱RAMradar absorbing material)等新型隐身材料的隐身机理。

关键词:飞机隐身技术;雷达隐身技术;红外辐射隐身技术;可见光隐身技术;声波音声技术;电磁辐射隐身技术;激光隐身技术;等离子体隐身技术;纳米隐身材料;手征隐身材料;智能隐身材料;多频谱RAM

中图分类号:V271.4    文献标识码:[1]A

Development History and Research Status of Aircraft Stealth Technology

YAN Feng  SHI Jiulin  YANG Junjie

 (School of test and opto electronic engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang, Jiangxi 330063, China)

Abstract: In order to understand the design principle and development history of aircraft stealth technology. Summarized the stealth method and development process of military aircraft since the emergence of aircraft stealth technology in Second World War. A general overview of stealth design principle and stealth technology for stealth fighter and stealth bomber is made. The characteristics of stealth technology including radar stealth technology, infrared radiation stealth technology, visible light stealth technology, acoustic stealth technology, electromagnetic stealth technology and so on are summarized. And simple description of the laser stealth technology and plasma stealth technology of these two new stealth technology stealth principle and Application. As well as a simple description of the technical means and working mechanism. At the same time, the latest research is involved in the stealth mechanism of nano materials, chiral stealth materials, smart stealth materials and multi spectrum RAM and other new stealth materials.

 

Keywords: Aircraft stealth technology; radar stealth technology; infrared radiation stealth technology; visible light stealth technology; acoustic wave stealth technology; electromagnetic radiation stealth technology; laser stealth technology; plasma body stealth technology; nano stealth material; chiral stealth technology; intelligence stealth material; multiple spectra RAM

引言

隐身技术是一种把自己隐藏在暗处,在敌方不易察觉的情况下,对敌方实时突然打击的自我防护技术。随着探测技术和武器制导系统的飞速发展,给军用飞机的生存能力带来了严重威胁。为了有效地提高飞机的生存能力和突防能力,自第二次世界大战以来,在军用飞机上开始使用隐身技术。隐身技术的出现对现代防控探测系统提出了严峻的挑战,对航空技术装备和空中作战产生了重大影响。

2  隐身技术

隐身技术是在一定遥感探测环境中降低目标可探测性,使其在一定范围内难以被发现的技术。隐身技术一般包括以下几个方面:红外线隐身技术;雷达波隐身技术;可见光隐身技术;光波隐身技术等。飞机隐身技术是军用飞机在涉及和使用过程中,设法降低或改变其作为被探测目标特征的技术,目的是从根本上降低被对方发现的概率,提高器生存力。在技战术中隐身能力大体有三方面要求:一是飞机的散射特性及辐射特性;二是电子干扰能力;三是战术隐身技术。

隐身飞机的发展历史

早期的飞机,仅面对目视侦察和一些简单的可见光瞄准具,进行简单的涂色伪装即可隐身。在第二次世界大战期间,当时的一些飞机采用了经大量实验的迷彩涂料,使其降低了飞机与天空背景的对比度,以减小飞机的目视特征。

在第二次世界大战末期,美军的一架重型轰炸机携带了重达四十公斤的电子干扰箔条。电子干扰箔条是为了反射雷达电波而在空中撒布的电波散射体,通常使用金属箔,金属细线,涂有金属涂层的纤维等。电子干扰箔条的隐身战术使用主要有以下几种:一是空中大面积连续投放,形成干扰走廊或干扰屏障,以掩护机群的作战行动;二是间断投放有效反射面与真目标相近的箔条包,形成许多雷达假目标,造成敌方雷达操作人员判读困难及数据处理系统过载;三是投放能迅速散开的箔条包或发射速爆箔条炸弹,形成雷达诱饵,以摆脱敌方雷达的探测和跟踪。

五十年代中期,美国在研究高空侦察机U-2时,就采用了能吸收电磁波的吸波涂料和红外辐射挡板,以及在高空将发动机停机滑翔等隐身技术。

到了六十年代初期,U-2的后继机SR-71采用了更多的隐身技术,它采用了无尾三角翼的型式,全动式双垂尾各向内倾斜15°;集合外形采用翼身融合体;在结构方面,其翼面采用锥形的夹层材料,机翼蒙皮沿弦向制成波纹型,机体的边缘处采用吸波材料和吸波结构。

七十年代初期美国洛克希德马丁公司开始研制一种总重十几吨的隐身飞机,其基本型式和SR-71类似,但加装了可收放的小鸭翼,该款飞机突出的特点是发动机及其进气道和尾喷口均布置在机体的上部,进气口用许多层状薄片隔开,进气道由两侧向内弯曲。

1978年,美国空军与洛克希德马丁公司签署合同,研制F-117A隐身攻击战斗机并于1981年试飞。F-117A机体表面几乎全部涂覆了黑色的雷达吸波材料;该机外形下视图设计为楔形,机体呈多面体,有多个用隐形复合材料制成的小平面构成,使其具有吸收雷达波和抗热能力;该机蒙皮等结构件是采用新型碳纤维/环氧树脂和特种玻璃纤维增强塑料板等复合材料制造,在机身表面涂有锂—镉铁氧体和陶瓷铁氧体等涂料,将大部分雷达波吸收掉,从而大大减小雷达波回波强度;采用404涡扇,不外挂武器,机内不装载大功率有源传感器,以降低机内的电磁辐射和热辐射;发动机进气口在飞机背部,稍后于座舱,并设吸液挡板,发动机喷灌呈扁形并顺机身上册向后延伸,热量通过尾喷管迅速消耗;排气口位于尾翼前方并使用吸波挡板,喷流绕过后机身,以利于降低雷达散射截面积和自身红外辐射;飞机尾翼有翼缝,可以吸收冷空气,降低红外辐射;可进行超低空飞行,利用地形屏障避开对方地面预警雷达。

1989年,由美国诺斯罗普·格鲁门公司研制的6B-2原型机相继投入试飞。其外形基本是一个飞翼,机翼后掠使从正面或正面上下方入射的雷达波难以反射或折射,机翼前缘为不规则蜂巢式空穴设计,使雷达波只进不出;机身没有垂直尾翼,没有任何外挂,武器舱、发动机舱和起落架舱都设在平滑机翼造型里;后半径为双W型,这两个W型使后面进来的雷达波反射到W的夹角内出不去;进气口设在机翼上方,进气道是一种雷达波吸收结构并呈S状,入射进来的雷达波经过无数折射后自然衰减消失;发动机装在机翼内部是雷达波只能进不能出,红外信号非常弱,并且装有气流混合器,把冷空气引到发动机的燃烧室和滑轮机,以降低外表温度;进气道在机翼上部,减小了雷达能量的反射;900m2的外表面95%涂覆一种具有不同厚度的韧性隐身涂层,这种涂层可以导电;机身表面的大部分由吸波的碳纤维蜂窝夹层结构制成外翼的蒙皮及梁大多采用碳纤维/环氧复合材料。

1997年,由美国洛克希德马丁公司和波音公司联合研制的单座双发高隐身性战斗机。F-22的气动外形采用了先进的低阻隐身外形设计:机身与机翼融为一体,且结合圆滑,无棱角过渡,有效的降低了RCSRadar Cross Section);采用了角锥形的机头,脊形前体和向外倾斜的V形双垂尾;S形进气道沿机身高度溯流而上而在该处又重新接合,位于机翼下部的机身两侧,遮护发动机不受雷达照射;机身的全部舱门均沿两个相同方向制成锯齿状,以便当飞机面对雷达时,能将雷达波向侧面反射;在隐身材料方面,F-22并非整机都涂覆吸波材料,而是采用了更先进和更成熟的复合材料结构,复合材料占整个结构重量的26%;机身的活动表面是用蜂窝制的,能够吸收大部分进入腔体内的雷达波段。

2006年12月,美国在德克萨斯州成功首由洛克希德马丁公司研制的F-35单座单发隐身战斗攻击机。F-35的隐身使用的一体化设计,先进的材料及非对称的喷管使F-35的隐身性能最大化。其机翼及尾翼的前后缘有相同的后掠角;机身及座舱有倾斜边,座舱缝及舱门有锯齿,倾斜的垂尾;进气道本身无附面层偏转通道来反射雷达能量;起落架及设备舱门和操纵面以及开口均为直线,使其在边缘附近嵌有电线来干扰射频信号;转角、门舱边缘、缝口及铰链线用雷达吸波材料处理;发动机上游引入冷空气来稀释燃气以降低其温度。

2011年11日,由中航工业成都飞机工业公司为中国人民解放军研制的一款双发重型隐形战斗机J-20成功首飞。歼-20采用了单座、双发、全动双垂尾、DSI鼓包式进气道、上反鸭翼带尖拱边条的鸭式气动布局。歼-20的隐身特性主要采取以下措施:特殊的机头与机身形状;翼身融合和垂直尾翼外倾,使机翼和机身不会出现角反射效应;主要机体部件相互平行,将雷达反射波集中到几个窄波束以内,使飞机在其他方向上的散射截面积尽可能最小;DSI(蚌式)进气口,有助于降低正前方的雷达散射截面;S型进气道,在进气道内局部涂上吸波材料使雷达波不能直接照射到风扇或压气机叶片同时吸波材料也吸收一部分电磁波;武器内置,减少角反射效应;各种舱门的边缘为锯齿形,可将雷达波向侧面发射;广泛应用复合材料,关键部分涂覆雷达吸波材料(具有99%吸波率的纳米材料),通过对雷达波能量的吸收,使对方雷达难以得到有效的反射回波。

隐身技术的发展历史与研究现状

早期的飞机,面对目视侦察和可见光瞄准具使用简单的涂色伪装实现隐身功能。随着电子对抗技术的发展,飞机在空中受到了多种防空探测系统的搜索和跟踪,探测频域也从可见光扩展到微波、红外及激光等雷达探测器领域。根据军用飞机所面对的探测系统的类型,军用飞机成功研究和发展应用的隐身技术包括雷达隐身技术、红外辐射隐身技术、可见光隐身技术、声波隐身技术、电磁辐射隐身技术等。目前正在研究的新型隐身技术还包括等离子体隐身技术。

4.1  雷达隐身技术

雷达目标特征信号控制技术使降低雷达散射截面RCS,其技术主要包括外形隐身技术和材料隐身技术(RAM)这两个方面。

外形隐身技术是实现武器系统高性能隐身的最直接有效的手段,多棱面外形和融合外形技术是低RCS外形技术的两个重要方面。前者是将机体设计为多棱面体,舍得整个机体沿机身周向至呈现几个有限的窄散射峰值。融合外形技术主要包括平面和空间的三维融合,比如机翼平面融合和翼身的三维融合,从而大大降低飞机的侧向RCS

雷达吸波材料RAM技术是雷达隐身技术的重要技术之一,按其功能可分为涂覆型和结构性。结构型RAM通常是将吸收剂分散在特种纤维,如玻璃纤维、石英纤维等。增强结构材料中所形成的结构复合材料。其典型的特点就是既能重载又可减小目标RCS。涂覆型RAM是将吸收剂与粘接剂混合后涂覆于目标表面形成吸波涂层。其优点是涂覆方便灵活可调节、吸收性能好等。

4.2  红外辐射隐身技术

飞机的红外特征信号主要由发动机尾喷管,机身表面及其相关设备的红外辐射产生的。红外探测系统通过探测目标与其所处背景之间的温差而探测和跟踪目标。红外隐身技术研究的重点是飞机尾喷管的红外特征信号的抑制。主要途径有非常规喷管外形技术、隔热与屏蔽技术混合、冷却技术、改变燃烧效果等。此外,通过结合使用吸热、红外迷彩材料来控制红外特征信号可得到很好的抑制。

随着隐身技术的不断发展和研究,现有RAM技术从其吸波性、带宽特性、重量和环境适应性等方面不断改进。新的RAM吸波机理的研究工作在世界范围内得到发展,主要包括:纳米材料、手征材料、智能材料、多频谱RAM等。

纳米材料因其独特的结构使其具有量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、小尺寸和界面效应。从而呈现出奇特的电磁、光热以及化学特性。纳米材料具有超强的吸波率,如目前被称作黑色±纳米材料的雷达吸波率高达99%

手征材料是指物体与其惊喜那个不存在几何对称性,而且不能使用任何方法使物体与镜像重合。目前的研究表明,手征材料能够减少入射电磁波的反射并能吸收电磁波。和其他RAM材料相比,其优势在于:调整手征材料的参数比调节介电常数和磁导率更容易;手征材料的频率敏感性比介电常数和磁导率小,易于拓宽频带。

智能RAM是一种同时具备感知功能、信息处理功能、自我指令并对信号做出最佳响应功能的材料系统。它可以根据外界环境变化调节自身结构和性能,并对环境作出最佳响应。

多频谱RAM是雷达吸波材料RAM领域集吸收米波、厘米波、毫米波以及红外、激光等多波段电磁波于一体的先进隐身技术。

4.3  可见光隐身技术

可见光波段的光学探测系统能够探测使用红外隐身等技术的飞机,可见光隐身技术就是通过减少目标与背景之间的亮度、色度和运动的对比特征,达到对飞机的视觉信号的控制,从而降低敌方可见光光学探测系统的探测概率。目前的可见光隐身技术的主要技术有:一是改进飞机外形的光反射特性,如采用近似平板外形的座舱罩;二是控制飞机的亮度和色度,如在机身表面涂覆迷彩涂料等;三是控制飞机发动机喷口的火焰和烟迹信号,如采用不对称喷口降低喷焰温度,从而降低喷焰光强等;四是控制飞机照明和信标灯光,如对必要的灯光在一定的角度进行遮挡等;五是控制飞机运动构件的闪光信号,如飞机采用高于16赫兹的旋桨频率等。

4.4  声波隐身技术

声波隐身技术就是控制飞机声波辐射特征,降低被声波探测系统探测到的概率的技术。飞机的噪声主要由发动机、及其部件运动和排气对周围介质的扰动产生的噪声,以及飞机结构构件的震动噪声信号。声波隐身技术的主要措施有:改进发动机辅机的设计,如采用低噪声发动机和辅机等;利用吸声和声阻尼材料,如使用橡皮、塑料等非结构性雷达吸波装置;采用减振和隔声装置,如采用双弹性支撑基座、橡胶或软塑料垫及履带等,以及采用隔音罩、波声器、消音瓦等;减小螺旋桨运动对介质的扰动噪声,如飞机可增加螺旋桨叶数并降低转速等;合理进行飞机整体设计,如力求避免飞机内部腔室结构产生共振等现象。

4.5  电磁辐射隐身技术

电磁辐射隐身技术是为了使飞机不被电子侦察系统发现。飞机自身的电磁辐射源主要包括其机载的各种电子设备,如雷达及其他电子探测系统、通信系统、控制系统、伺服机构执行部件、电子对抗系统、无线电信标等。目前电磁辐射隐身的主要技术是:减少无线电设备,如用红外设备代替多普勒雷达等;用低截获概率技术改进电子设备,如采用频率捷变技术,以降低信号被识别的概率;减少电缆的电磁辐射,如尽量缩短各种电子设备间的距离等;避免电子设备天线被动反射,如将天线做成能嵌入飞机体内的结构等;对电子设备进行屏蔽,如改进武器装备的结构,采用特殊材料或涂料,以减少向外辐射电磁能等。

4.6  激光隐身技术

激光隐身技术就是设法降低飞机与其背景在入射激光波段上反射或辐射特性的差别,从而降低飞机被探测发现的概率,缩短被探测发现距离的综合技术。激光隐身技术的基本思想是缩小飞机的激光散射截面,并使其在特定的角度范围内的散射界面小于飞机的临界散射截面。它包括降低飞机对激光的反射率、减小飞机有效散射面积、增大目标散射波束立体角等方面。

4.7  等离子体隐身技术

等离子体是继固体、液体、气体之后的第四种物质形态,被称为物质第四态。它是由大量自由电子、自由离子和中性粒子混合而成的非束缚宏观体系。等离子体隐身技术是指利用等离子体回避雷达探测系统的一种技术。它的原理在于等离子体对雷达波具有折射与吸收作用。由于等离子体的折射率与等离子体的自由电子密度有关,适当设计等离子体的密度分布,使入射到等离子体内部的电磁波向外弯曲,使雷达回波偏离敌方雷达的接收方向,使飞机难以被敌方雷达发现从而实现对雷达波的折射隐身。

结论

    随着科学技术的进一步发展和隐身理论研究的深化,同时在现代战争即信息战、电子战中的探测系统不断发展的推动下,隐身技术将会得到更快、更高、更智能化和高层次化的快速发展。在新型隐身材料和隐身机理的探索和发现也将成为隐身技术研发的大趋势。在未来隐身技术中更应注重在激光隐身、等离子体隐身以及智能隐身技术的研究和应用,为隐身技术带来新的技术革新。

 

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作者简介:严峰(1993-),男,四川内江,学士,主要从事光电信息科学与工程专业学习. E-mail:yanfen9191@foxmail.com

通信作者:史久林(1983-),男,河南信阳,讲师,主要从事布里渊散射和纳米激光的研究. E-mail:hyq1304@126.com

 

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