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现代飞机的隐身技术(科普*原创)

已有 10038 次阅读 2008-10-11 08:53 |个人分类:航空知识|系统分类:科普集锦|关键词:学者

现代飞机的隐身技术
沈海军
 
在现代战争中,空中打击的威力已不可估量,它直接影响着整个战争的进程。但是随着雷达探测、红外探测等技术的日益提高,飞机的生存正受到致命威胁。上世纪八十年代,超低空飞行曾被认为是飞机实施突防的一种有效手段。许多人大概不会忘记,20世纪80年代,超低空飞行的小型飞机居然搞得一些国家的防空系统风声鹤唳、防不胜防。其中最为著名的就是“鲁斯特事件”。“鲁斯特事件”的经过大概是这样的:1987年5月13日,西德19岁青年鲁斯特驾驶着一架塞斯纳-172轻型飞机从芬兰起飞,然后在苏联领空做了整整的4个多小时的超低空飞行,最后竟神不知鬼不觉地突然出现在莫斯科红场上。为了防止这种超低空突防,许多国家纷纷研制了预警机,地面探测雷达被搬到了天上(预警机上),这使得飞机利用地面雷达盲区实施超低空突防的可能性变得越来越小。
现在,各种各样探测飞机的遥感设备已经出现,最主要的有四类,分别为雷达、红外、声波和光学系统,其中,雷达探测占60%,红外探测占30%,声波与光学等其它探测占10%左右。那么,面对如此众多的探测手段,现代飞机如何实现有效打击对方,同时又不被敌方发现呢?这就要求飞机必须采用更为高明的隐身技术。
 
雷达隐身技术,躲过“千里眼”
 
雷达可以准确测定千里之外的目标,有“千里眼”之称。雷达探测的原理是设备把电磁波辐射出去,然后根据接收物体反射(散射)回来的电磁波来发现目标。飞机要实现雷达波隐身,其核心问题就是使目标的雷达回波无法被侦察雷达探测到。也就是说,要么吸收掉入射的雷达波,要么改变目标的反射特性。对这个核心问题,军事上有个专门术语, 即降低目标的雷达散射截面(英文的缩写为RCS)。目标的RCS是衡量雷达目标反射电磁波大小的一种物理量。一般来说,目标RCS越小,表明雷达接受能量越小,因而就越难对目标作出正确的判断。目前,提高飞机雷达隐身特性,降低其RCS的手段主要可归纳为4种, 即外形技术、材料技术、阻抗加载技术和等离子体技术,这几种技术往往也被综合运用。
所谓外形技术,就是合理地设计飞机外形,以达到降低目标的RCS,或使目标回波偏离侦察雷达视向的目的。研究表明,要获得低的RCS,飞机应具有光滑平坦的外形,机头截面要小;机身应尽量减少有垂直于入射波的平面和圆筒式锥形表面;应避免尖锐边缘、陡角(如机身和机翼转折点)和看得见的腔体(如发动机进气道);发动机应埋入结构内部,进气口和尾口必须经特殊设计;采用大后掠角机翼、V形双垂尾以及翼身融合的外形布局;尽量减少外挂设备等等。在应用外形隐身技术方面,美国的F-117A以及B-2隐身机堪称典范。
所谓材料技术,就是采用吸波材料,使飞机不反射或少反射雷达波,降低其RCS,“迷盲”对方雷达,从而提高飞机的生存能力和突防能力的。这里所说的吸波材料是靠雷达波在材料中感生的传导电流,产生磁损耗或电损耗,以达到衰减雷达波而减少目标RCS的。这些材料包括铅铁金属粉、不锈钢纤维、石墨粉、铝箔、炭黑、陶瓷电解质和铁氧体等,它们可以以添加剂的形式引入飞机的表面涂层中,也可以直接加入到橡胶、树脂等高分子粘合剂中,制成具有隐身性能的复合材料板材或飞机结构。据报道,美国F-117A飞机的表皮涂层中就使用了至少6种以上的吸波材料;而B-2轰炸机的机身和机翼都则直接采用了吸波材料结构。
所谓阻抗加载技术,就是根据电磁波干涉原理,产生一附加波来抵消入射波以实现隐身的一种技术。一种常见的方法是在机身上适当地“开口子”或“拉槽”,人为地产生一些“谐振腔”,这些谐振腔会在入射波的激励下自动产生一抵消入射波的附加波;另一种做法是通过飞机内部的专门装置来来产生附加波,该附加波的空间分布与飞机周围散射(反射)电磁波的分布相同,幅值相等,但相位相反,因而附加波和散射电磁波相互抵消。
等离子体是由电子、正负离子、中性气体分子和原子等粒子混合而成的物质物体,是继固体、液体、气体三种形态之后的第四态物质。等离子可以通过专门的等离子体发生器来产生,也可以通过物体表面涂敷放射性同位素来产生。不管何种产生方式,只要飞机表面形成一层具有足够电离密度和厚度的等离子体,雷达辐射的电磁辐射就会一部分被等离子体吸收,另一部分在等离子体层中发生绕射,或改变传输方向,而不产生有效反射。这就是所谓的等离子体隐身技术。近年来,等离子体隐身技术在俄、美等国已取得了突破性进展。
为了对付性能越来越高的雷达侦察系统,除了上述的几种技术以外,近年来,一种被称作“电子隐身”的反雷达探测技术也应运而生。该技术通过减少飞机上的无线电设备、减小电缆的电磁辐射、对机载电子设备进行屏蔽等办法,来抑制飞机本身的电磁辐射,降低被侦雷达察到的概率。采用这种技术的有美国的第四代战机F-22等。
 
红外隐身技术,降低飞机热辐射
 
发动机尾喷管、尾气和飞机表面气动加热是现代作战飞机的三大热辐射源。这些热辐射源产生的热(红外)辐射常常会使得飞机很容易被红外探测系统发现,或者被红外寻的制导导弹“盯梢”,从而给飞机招来灭顶之灾。红外隐身技术的实质就是想方设法降低飞机的热辐射,减小飞机与背景之间的温差,使红外探测系统看不见或看不清。
现代飞机喷气发动机尾喷管排气的温度约在1000摄氏度左右,是飞机上最强的热辐射源。降低尾喷管热辐射的根本措施是降低发动机的排气温度。为此,飞机可以采用一种所谓的矩形二元尾喷管,加大尾喷管和冷空气的接触面,以利于尾喷管散热以及燃气射流与冷空气的混合,降低红外幅射。这种技术已在美军的F-117 A、F-22战斗机和B-2隐身轰炸机上采用。
除使用矩形二元尾喷管外,有效控制发动机加力也可降低飞机尾喷口的热辐射。飞行员在使用飞机发动机加力时,高温燃气中普遍缺氧,加力燃料室中喷出的油料不能充分燃烧,常常随燃气射流排到大气中去,剩余燃料遇到充足的氧气后会继续燃烧,形成高温尾焰,其红外特征异常明显,因此,可以考虑使用不带加力燃烧室的涡扇发动机,如,美国的F-117A、B-2隐身轰炸机。此外,用机身、机翼或尾翼遮挡尾喷管,使尾喷管的红外辐射更具方向性,使红外探测器不能从地面探测到飞机,也不失为一种红外隐身的有效方法。
飞机以超音速飞行时,其表面因受到空气强烈摩擦而发热,使温度急剧升高。这种现象叫做空气动力加热。有资料表明,当速度达到三倍音速时,飞机表面温度可达到300摄氏度。在作战飞机表面涂敷红外隐身涂料,则可以有效地降低机体的红外辐射强度,进而提高飞机的红外隐身特性。如,美军的A-10等战斗机、攻击机的表面都涂有这种红外隐身涂料。
 
声波隐身技术,让耳朵难以觉察
 
低空飞行曾一度被认为是飞机实施突防的重要手段,然而,飞机在飞行过程中,发动机通常会发出130-160分贝的轰隆声,不见其人,先闻其声,这往往会使得飞机过早地被发现。因此,声波隐身技术对于低空突防的飞机来讲是一个十分重要问题。事实上,飞机的噪声源除了发动机外,还包括机体附面层气流起伏引起的结构振动等。要降低这些噪音,飞机声波隐身技术目前采用的主要措施有两项,即(1)采用低噪声发动机,以降低噪声强度,如,F-117在跑道上滑跑时,600m以外的人几乎听不到它的声响;(2)采用像B-2飞机那样的锯齿形后缘,降低飞机在高速时引起的轰鸣声。
 
可见光隐身技术,让肉眼不易发现
 
在二战初期,德军战斗机的标志十分醒目,色彩鲜艳,可是他们很快意识到这并非明智之举,因为,他们发现,盟军的飞机大多采用深绿、褐、灰或蔚蓝色,这些颜色常常和蓝天、大地等背景混为一片,找起来着实费劲,于是,德军战机很快改为四五种颜色的密集网伪装图案,这就是早期的飞机可见光隐身技术。可见,迷彩油漆是飞机上使用最早的可见光隐身材料。
事实上,很多情况下,人们在寻找空中飞机时,首先见到的往往不是机身,而是拖在飞机后面长长的尾迹--“拉烟”。拉烟是喷气燃料燃烧后的残渣与水蒸气的混合物。解决拉烟问题的有效办法是采用新型燃油喷嘴,使燃油充分燃烧,或在燃料中添加氯氟黄酸等抗凝剂,消除或减弱飞机的冷凝尾迹,这些技术已被美国B-2隐形飞机使用。
此外,改善飞机外形的光反射特征也可提高可见光隐身性能。如,将座舱罩设计成多面体,用小平面多向散射取代反射效果与镜面反射相差无几的大曲面反射,将太阳光向四周散射出去。这种技术多用于直升机的,例,美国陆军的AH-1S“眼镜蛇”直升机,该机的座舱为由7个小平面组成的多面体,其隐蔽性明显得到增强。


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