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不可小觑的红外隐身术,未来隐身战场的巅峰对决丨不可小觑的红外隐身术

2020-02-16 21:53

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以隐身著称的F-22战斗机,在参加范保罗航展地面展示时,却被意外捕捉到了红外辐射信号。当我们高度关注先进战机隐身性能时,是否忽略了这场“猫捉老鼠”游戏中的重要一员?请关注今日出版的《解放军报》——

以隐身著称的F-22战斗机,在参加范保罗航展地面展示时,却被意外捕捉到了红外辐射信号。当我们高度关注先进战机隐身性能时,是否忽略了这场猫捉老鼠游戏中的重要一员?日前,美国威斯康星大学研究人员研发出一种超薄红外隐身薄板,可以使被遮挡的人或物体在红外探测器中近乎完美隐身。

原标题:锯齿形尾喷管,因何提高战机的隐身性,竟然来自于民用客机?

F-35的红外搜索跟踪系统

红外隐身与反隐身的攻防博弈,成为未来隐身战场的巅峰对决——

军事装备领域的隐身,是指通过各种技术手段,显著降低武器装备信号特征的可探测程度。这其中除了可见光信号、雷达信号、射频信号和声信号外,还包括红外信号。红外光是波长介于可见光与微波之间的电磁波,战场上的作战人员和武器装备都会不可避免地产生红外光,进而难逃红外成像设备的法眼。红外隐身通过改变武器装备的结构设计或使用物理衰减,有效降低或改变目标的红外辐射特征,进而使红外探测设备难以捕捉目标。

战斗机隐身主要表现在两个方面,一个是雷达隐身,另一个是红外隐身。这两个方向的隐身性也让飞机设计师们费劲了心思,如何能够显著降低发动机的排气温度,大幅压缩被红外空空导弹锁定的距离,并且能有效改善飞机后半球的雷达隐身性能。数据表明,现代空战中被击落的飞机超过60%飞机是被红外格斗导弹击中的,然后的才是其他类型的导弹,可见战机发动机喷流红外及雷达隐身何等关键。

红外搜索跟踪能“脱掉”战机隐身衣吗

不可小觑的红外隐身术

战场上的慧眼让你插翅难逃的热追踪

“台风”战斗机加力时红外特征异常明显

近日,美媒报道称,俄中正在研制能够击落美国五代机F-35和F-22隐身战机的技术。这种技术就是系统。

以隐身著称的F-22战斗机,在参加范保罗航展地面展示时,却被意外捕捉到了红外辐射信号。当我们高度关注先进战机隐身性能时,是否忽略了这场“猫捉老鼠”游戏中的重要一员?日前,美国威斯康星大学研究人员研发出一种超薄红外隐身薄板,可以使被遮挡的人或物体在红外探测器中近乎完美“隐身”。

物体发射的红外光是指波长在0.77-15.4微米之间的电磁波。战场上不论是人体还是各类武器装备,只要能持续发热或维持热量,都会不可避免地辐射强烈的红外光。即便是经过精心设计的现代战斗机,发动机尾喷管等处依旧会辐射大量的红外光,在高速飞行过程中,飞机机身因与空气摩擦也会发热,战斗机表面的涂层还会反射阳光中60%的红外光,这在红外成像设备眼中可是绝对逃不掉的显眼目标。

喷气式飞机的主要动力来自于发动机喷出的高温燃气,而尾喷管的作用就是使燃气进一步膨胀,继而产生反作用力将飞机向前推进。在此过程中,尾喷管喷口起到了关键作用,不过对于军用飞机而言,外缘圆整的喷口在工作时会将燃气束成一道圆整的喷流,同一时间从尾喷口流经的高温燃气和冷空气接触的时间是相同的,尾流的温度无法迅速降低,红外信号特别明显,这意味着会增加红外线探测追踪等感知系统探测的概率,因此军用飞机需要对尾喷流进行降温处理。

那么实际情况到底如何?红外搜索跟踪系统真的可以破解五代机隐身能力使其走下神坛吗?

军事装备领域的隐身,是指通过各种技术手段,显著降低武器装备信号特征的可探测程度。这其中除了可见光信号、雷达信号、射频信号和声信号外,还包括红外信号。红外光是波长介于可见光与微波之间的电磁波,战场上的作战人员和武器装备都会不可避免地产生红外光,进而难逃红外成像设备的“法眼”。红外隐身通过改变武器装备的结构设计或使用物理衰减,有效降低或改变目标的红外辐射特征,进而使红外探测设备难以捕捉目标。

第二次世界大战期间,美、德两国就在战场上首次使用了红外探测装置。这些装置通过自带光源产生红外辐射,之后将接收到的目标返回红外信号转换为可视图像进行分析。美军还在岛屿争夺战中第一次尝到了红外成像设备带来的技术代差优势。此后,美国研制出了红外热成像仪,实现了对红外伪装目标的全天候被动式探测,红外隐身与反隐身的较量也逐渐进入到白热化阶段。

红外信号特别明显的F-15战斗机已经被击落多次

本报记者 张 强

战场上的“慧眼”——

早在上世纪50年代,美国和苏联就相继研制出采用红外制导的响尾蛇和K-5系列导弹。这些采用热追踪方式的红外制导导弹,通过获取目标对象辐射的红外光判断目标相对位置,进而对飞行控制发出运动偏转信号。当目标辐射红外光能力足够强时,红外制导导弹甚至具备了发射后不管的能力。海湾战争中美军击落的伊拉克战机,有40%都是由红外制导导弹一击命中的,现代空战中红外制导导弹击落的敌机数量几乎占到了空空导弹击落敌机总量的90%。目前的红外制导导弹普遍使用了红外成像导引头,主要采用焦平面阵列成像装置,其中最为典型的AIM-9X红外制导导弹,不仅能实现智能制导,还能对干扰热源和自然热源进行有效辨别。

大型民航客机将尾喷管喷口外缘进行锯齿处理,流经喷口的喷流会成锯齿状散开,在不同的时间接触到环境中的冷空气,从锯齿缺口溢出的高温燃气会提前接触了空气,分散开来的喷流和冷空气混合之后会明显降低尾喷流的温度,同时还能实现降噪的目的。

无需担心无线电频率反制

让你插翅难逃的“热追踪”

除红外制导导弹外,安装在战机上的红外搜索跟踪系统能与雷达系统密切配合,进一步破解电子干扰等战场谜题。美国空军还于今年年初发射了第四颗红外导弹预警卫星,主要借助红外探测手段,对导弹和火箭飞出大气层后的发动机尾焰红外辐射进行跟踪,以实现更及时准确的导弹预警。

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现代战机的主要探测系统是机载火控雷达,这是一种主动探测设备,但其主动发射的电磁波,则会暴露自己的行踪,甚至因此成为敌人的目标,危及战机本身。特别是随着具备高雷达隐身性的五代机的出现,机载火控雷达的探测效果大打折扣。

物体发射的红外光是指波长在0.77-15.4微米之间的电磁波。战场上不论是人体还是各类武器装备,只要能持续发热或维持热量,都会不可避免地辐射强烈的红外光。即便是经过精心设计的现代战斗机,发动机尾喷管等处依旧会辐射大量的红外光,在高速飞行过程中,飞机机身因与空气摩擦也会发热,战斗机表面的涂层还会反射阳光中60%的红外光,这在红外成像设备“眼中”可是绝对逃不掉的“显眼目标”。

为隐身绞尽脑汁让发烧的武器降降温

民航发动机短舱后部构型为锯齿状,有减少噪声的作用

那么,有没有什么办法可以改变这一现状呢?人们想到了早已存在的红外搜索跟踪系统。军事科普作家张亦驰告诉科技日报记者:“红外搜索跟踪系统是一种被动探测装置,不发出任何信号,不受电磁干扰的影响,而是通过目标的红外辐射来确定目标的方位。红外传感器不能确定目标的距离和速度,但可以通过综合到一起的激光测距仪来测量。”

第二次世界大战期间,美、德两国就在战场上首次使用了红外探测装置。这些装置通过自带光源产生红外辐射,之后将接收到的目标返回红外信号转换为可视图像进行分析。美军还在岛屿争夺战中第一次尝到了红外成像设备带来的技术代差优势。此后,美国研制出了红外热成像仪,实现了对红外伪装目标的全天候被动式探测,红外隐身与反隐身的较量也逐渐进入到“白热化”阶段。

面对不断改进升级的红外探测技术,红外隐身技术也迅速走上了发展的快车道。从上世纪80年代开始,新研制的武器装备已经开始充分考虑红外隐身设计,即便是被相机拍摄到红外辐射的美国F-22战机,也在极力追求红外隐身,其飞行时的红外辐射特征仅有F-15战斗机的几十分之一。为了更好地让发烧的武器降温,人们更是想出了红外隐身的各类盖世武功。

显然现代战斗机借鉴了大型民航客机尾喷管的设计技术,民航客机的尾喷管基础处理主要是为了降噪,而战斗机尾喷管锯齿处理则主要是为了降低喷流的温度,从而减小红外辐射信号,避开红外制空导弹探测的是主要区段。

全球第一种安装现代化红外搜索跟踪系统的战斗机一般公认是苏联的米格-29战机。现在,美国在这方面的技术水平已经超越了俄罗斯。美军“超级大黄蜂”战机安装的红外搜索跟踪系统,可以在各飞行阶段以被动方式探测多种目标,无需担心电子探测及无线电频率的反制。

早在上世纪50年代,美国和苏联就相继研制出采用红外制导的“响尾蛇”和K-5系列导弹。这些采用“热追踪”方式的红外制导导弹,通过获取目标对象辐射的红外光判断目标相对位置,进而对飞行控制发出运动偏转信号。当目标辐射红外光能力足够强时,红外制导导弹甚至具备了“发射后不管”的能力。海湾战争中美军击落的伊拉克战机,有40%都是由红外制导导弹一击命中的,现代空战中红外制导导弹击落的敌机数量几乎占到了空空导弹击落敌机总量的90%。目前的红外制导导弹普遍使用了红外成像导引头,主要采用焦平面阵列成像装置,其中最为典型的AIM-9X红外制导导弹,不仅能实现智能制导,还能对干扰热源和自然热源进行有效辨别。

降低温度。减少红外辐射的根本之策在于降低武器装备各部位的温度,缩小武器装备与背景之间的温差,让红外探测设备看不见或者看不清。为有效减少舰船排放热废气带来的红外辐射,进入排气管的废气可以通过注入海水进行冷却。现代舰船还带有喷雾自卫系统,能产生细密的水雾遮盖住舰艇反射的光和红外辐射。战斗机也可以通过在燃料中加入添加剂,使尾喷流温度显著降低。

美国F35闪电战斗机的锯齿形尾喷管

而在F-35隐身战机上,也安装了被称为光电指示系统的红外搜索跟踪系统,同时还安装了开创性的被动式探测系统——机载光电分布式孔径系统,在机身6处不同的位置上各安置一个红外传感器,可对全机360度范围内来袭的导弹或逼近的飞机进行红外探测及跟踪,并与雷达、电子战设备、数据链传来的信息融合,整体输出在飞行员的头盔显示器上,使得飞行员能具备全空域态势感知能力,从而最快最好地做出判断和决定。

除红外制导导弹外,安装在战机上的红外搜索跟踪系统能与雷达系统密切配合,进一步破解电子干扰等战场谜题。美国空军还于今年年初发射了第四颗红外导弹预警卫星,主要借助红外探测手段,对导弹和火箭飞出大气层后的发动机尾焰红外辐射进行跟踪,以实现更及时准确的导弹预警。

改进设计。通过改进武器装备的结构设计,尽量减小红外辐射的辐射方向,也是实现红外隐身的有效方法。战斗机的红外辐射主要来自发动机的热部件、喷口的排气羽流以及飞机机身。美国在设计隐身飞机时,通常通过遮盖发动机发热部件、冷却排气、用机身结构遮挡尾喷管等方式达到降温目的。作为第一款投入实战的隐身战斗机,F-117就在驾驶舱上方设计出名为鸭嘴兽的奇特造型,有效屏蔽了战机的热辐射。F-22和F-35战机则通过将水平尾翼延伸到尾喷口之后等设计,努力抑制发动机和喷管的红外辐射。

降低这种辐射的波长可以有效降低被敌方侦测几率,最关键的是这种锯齿外形可以使喷流光谱辐射的功率密度产生改变,从而使敌方难以探测。另外锯齿形尾喷管还能在一定程度上提高战机的雷达隐身性能。

通过红外辐射探测隐身战机

为隐身绞尽脑汁——

借助涂层。借助涂层对目标实施保护,也是一种有效的技术手段。能显著降低目标表面温度的泡沫保温材料和硅橡胶,就可用于坦克等地面装备的表面隔热。舰艇上的发热部分也可以使用热绝缘材料和玻璃钢排气烟囱减少红外特征信号。美国空军目前正在为F-35战斗机测试新涂层。这将显著提升涂层表面的耐久性、黏合性并降低红外辐射值。此前,F-16和F-22等战机上就已经使用了红外涂层表面实现机体的降温。

俄罗斯苏57-战斗机的锯齿形尾喷管

近年军演中,五代机依靠出色的隐身能力,一直让四代机无法有效发现和锁定自己,并牢牢占据上风。单从国外报道来看,五代机均以大比分击败了四代机。那么,红外搜索跟踪系统能否有效扭转这一状况呢?

让“发烧的武器”降降温

技术催生变革战场隐身衣呼之欲出

与机身、机翼等采用平行线外形的设计类似,锯齿形尾喷管可使反射的雷达波向斜方散射,从而减少发动机正后方的雷达波反射信号特征,实现最大限度压缩后向雷达反射截面积,从而使尾追或者跟踪的敌机雷达制导导弹难于搜索跟踪。由于技术简单有效,一些五代战斗机纷纷采用了锯齿形尾喷管,如美国F35“闪电”战斗机、俄罗斯苏-57战斗机。

自然界中一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。战机在高速飞行时与空气摩擦以及其尾喷口处更会发出强烈的红外辐射,这使得其红外特征更加明显。因此,从原理上说这并没有问题。

面对不断改进升级的红外探测技术,红外隐身技术也迅速走上了发展的“快车道”。从上世纪80年代开始,新研制的武器装备已经开始充分考虑红外隐身设计,即便是被相机拍摄到红外辐射的美国F-22战机,也在极力追求红外隐身,其飞行时的红外辐射特征仅有F-15战斗机的几十分之一。为了更好地让“发烧的武器”降温,人们更是想出了红外隐身的各类“盖世武功”。

事实上,除降低武器装备温度、改进结构设计以及借助涂层隔热散热外,改变目标红外辐射的大气窗口、光谱转换等都是行之有效的隐身手段。改变红外辐射的大气窗口,主要是将武器装备的红外辐射值调整到红外探测器的工作范围之外。光谱转换除能改变目标红外辐射的能量与位置外,还能使目标的红外图像成为背景图像的一部分,进而为武器装备披上战场隐身衣。

新批次的歼-20战斗机锯齿形尾喷管

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降低温度。减少红外辐射的根本之策在于降低武器装备各部位的温度,缩小武器装备与背景之间的温差,让红外探测设备“看不见”或者“看不清”。为有效减少舰船排放热废气带来的红外辐射,进入排气管的废气可以通过注入海水进行冷却。现代舰船还带有喷雾自卫系统,能产生细密的水雾遮盖住舰艇反射的光和红外辐射。战斗机也可以通过在燃料中加入添加剂,使尾喷流温度显著降低。

近年来,人们还不断通过各类技术革新找寻红外隐身的新方法。美国威斯康星大学研究人员研发的超薄红外隐身薄板,主要用于确保士兵及其装备在战场上的安全。这种厚度不足1毫米的新型材料的主要成分为太阳能电池中常用的黑硅材料,约94%的红外光都被黑硅吸收以实现隐身效果。研究人员还发现可在超薄红外隐身薄板中置入电热元件,进而发出可迷惑红外探测器的虚假热信号,让坦克等武器装备与公路上护栏的红外光辐射相差无几。

新批次的歼-20战斗机已将尾喷管换成锯齿形的WS-10B尾喷管,使得歼-20拥有了红外隐身的功能,歼-20应用这种尾喷管,届时将大大提高歼-20的隐身性能。这项技术同时也将在空军新型发动机上广泛应用,实在是一件可喜可贺的好事。

图中上半部分为:主/被动探测与数据链工作模式。蓝线代表雷达主动扫描;黄线代表数据链路;橙线代表红外搜索跟踪系统被动扫描。

改进设计。通过改进武器装备的结构设计,尽量减小红外辐射的辐射方向,也是实现红外隐身的有效方法。战斗机的红外辐射主要来自发动机的热部件、喷口的排气羽流以及飞机机身。美国在设计隐身飞机时,通常通过遮盖发动机发热部件、冷却排气、用机身结构遮挡尾喷管等方式达到“降温”目的。作为第一款投入实战的隐身战斗机,F-117就在驾驶舱上方设计出名为“鸭嘴兽”的奇特造型,有效屏蔽了战机的热辐射。F-22和F-35战机则通过将水平尾翼延伸到尾喷口之后等设计,努力抑制发动机和喷管的红外辐射。

研究人员还从乌贼等伪装大师身上获得灵感,设计出一种可自适应反射红外光的弹性新材料,能动态调节自身温度以实现红外隐身。除军事伪装外,这种新材料可调节建筑表面温度、智能控温服饰、太空防辐射或生鲜食品储藏等,有望应用于航空航天、抢险救灾、临床护理、可穿戴设备以及智能建筑等多个领域。

超机动型歼10B携矢量锯齿喷管发动机很早就亮相了

下半部分为:米格-35上的红外搜索跟踪系统。

借助涂层。借助涂层对目标实施保护,也是一种有效的技术手段。能显著降低目标表面温度的泡沫保温材料和硅橡胶,就可用于坦克等地面装备的表面隔热。舰艇上的发热部分也可以使用热绝缘材料和玻璃钢排气烟囱减少红外特征信号。美国空军目前正在为F-35战斗机测试新涂层。这将显著提升涂层表面的耐久性、黏合性并降低红外辐射值。此前,F-16和F-22等战机上就已经使用了红外涂层表面实现机体的“降温”。

近年来,伴随着红外探测技术向着高精度、智能化和多样化方向加速发展,对红外隐身也提出了新的更高要求。未来,红外隐身技术还将向着全波段隐身、全方位隐身、多功能隐身以及低成本等方向加速发展。其中,全波段隐身是红外隐身研究的主流方向,兼顾声波、雷达毫米波、可见光以及紫外等频段的综合隐身技术,或将成为未来战场真正的隐身衣。

“目前红外搜索跟踪系统主要工作在两个波段,分别是3—5微米的中波红外和8—14微米的长波红外。中波红外探测系统主要针对的是温度较高的目标,例如发动机尾喷口等,而长波红外探测可以探测到飞机外挂物、机体、蒙皮以及尾流的热量。”张亦驰指出,俄罗斯四代机,例如米格-29、苏-27,使用的红外搜索跟踪系统,主要工作在中波红外,用于探测飞机发动机尾喷管。而美国的“超级大黄蜂”战机的红外搜索跟踪系统则工作在长波波段或者中波、长波双波段,具有更高的灵敏度、分辨率。

技术催生变革——

张亦驰还指出,五代机的一个重要特征是隐身性能。隐身战斗机主要进行了雷达隐身处理,同时也有一定红外隐身措施,但主要还是致力于降低发动机的红外辐射。例如,F-22采用二元尾喷管,喷管使用冷却隔热技术降低外露部分温度,如喷管的气膜冷却和隔热技术就大大降低了喷管的温度和排气温度,S型进气道也对发动机的热部件有遮蔽效果。

战场“隐身衣”呼之欲出

“但是总体来说,F-22的红外隐身能力稍微逊色。”张亦驰说,“特别是新一代的长波红外搜索跟踪系统,能够探测飞机蒙皮与空气摩擦的热量和发动机尾流。像F-22这类五代机,进行超音速巡航的时候蒙皮温度也较高,其发动机排气系统虽然进行了降温处理,但是气柱反而会更大,更容易被长波红外系统在较远距离探测到。重要的是,红外搜索跟踪系统的数据可以与雷达的数据进行数据融合,以更为连续、准确的探测目标,为实施导弹攻击创造条件。”

事实上,除降低武器装备温度、改进结构设计以及借助涂层隔热散热外,改变目标红外辐射的大气窗口、光谱转换等都是行之有效的“隐身”手段。改变红外辐射的大气窗口,主要是将武器装备的红外辐射值调整到红外探测器的工作范围之外。光谱转换除能改变目标红外辐射的能量与位置外,还能使目标的红外图像成为背景图像的一部分,进而为武器装备披上战场“隐身衣”。

实际应用还需多系统联合

近年来,人们还不断通过各类技术革新找寻红外隐身的新方法。美国威斯康星大学研究人员研发的超薄红外隐身薄板,主要用于确保士兵及其装备在战场上的安全。这种厚度不足1毫米的新型材料的主要成分为太阳能电池中常用的黑硅材料,约94%的红外光都被黑硅吸收以实现隐身效果。研究人员还发现可在超薄红外隐身薄板中置入电热元件,进而发出可迷惑红外探测器的虚假热信号,让坦克等武器装备与公路上护栏的红外光辐射相差无几。

外媒指出,只要俄中能用高速数据传输频道联系两架或多架装备了长波红外搜索跟踪系统的战机,他们就会用以建造对付隐身技术的系统。既然红外搜索跟踪系统可以发现隐身战机,为什么还需要两架或多架装备红外搜索跟踪系统的战机联网工作?

研究人员还从乌贼等“伪装大师”身上获得灵感,设计出一种可自适应反射红外光的弹性新材料,能动态调节自身温度以实现红外“隐身”。除军事伪装外,这种新材料可调节建筑表面温度、智能控温服饰、太空防辐射或生鲜食品储藏等,有望应用于航空航天、抢险救灾、临床护理、可穿戴设备以及智能建筑等多个领域。

张亦驰指出,“比起火控雷达,红外搜索跟踪系统有着突出的优点,但是对目标实施导弹攻击和计算射击参数则需要连续的测速、测距。激光测距仪当然能够进行测距,但是激光在大气中衰减很厉害,其工作距离往往小于红外跟踪系统,有时候就很难实现远距离测距。例如,‘阵风’战斗机的红外搜索跟踪系统,其红外探测能力达到130公里,但是激光测距仪大概只有30—40公里的探测距离”。

近年来,伴随着红外探测技术向着高精度、智能化和多样化方向加速发展,对红外隐身也提出了新的更高要求。未来,红外隐身技术还将向着全波段隐身、全方位隐身、多功能隐身以及低成本等方向加速发展。其中,全波段隐身是红外隐身研究的主流方向,兼顾声波、雷达毫米波、可见光以及紫外等频段的综合隐身技术,或将成为未来战场真正的“隐身衣”。

“这样,如果目标位于激光测距仪工作范围外,就必须通过多架战斗机的红外搜索跟踪系统对目标进行测角,然后再通过数据链系统共享数据,根据战斗机之间的位置和速度关系,计算出目标的距离和速度,这样才可以为导弹攻击提供充足、精确的数据。”张亦驰说。

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