針對遙感探潛的潛艇紅外隱身技術評價方法*

王建勛 鄧海華 孫國倉

(武漢第二船舶設計研究所 武漢 430205)

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針對遙感探潛的潛艇紅外隱身技術評價方法*

王建勛 鄧海華 孫國倉

(武漢第二船舶設計研究所 武漢 430205)

針對目前主要的紅外探潛手段來自于衛星和反潛機的遙感探測,論文對潛艇的紅外隱身相關技術進行分析總結,探討了適用于評價潛艇紅外隱身技術的方法。在給出遙感紅外探潛手段探測距離計算模型的基礎上,提出了適用于潛艇紅外隱身性能和效能評價的相關參數,為實現紅外隱身技術的效果對比提供分析手段。

遙感探潛; 紅外隱身; 評估體系; 性能評價; 效能評價

Class Number U674.76

1 引言

隱蔽性是潛艇的基本特征。提高潛艇隱身性能,需從降低潛艇的聲場、電磁場、雷達散射場和紅外輻射場等物理場特征為主要努力方向[1～4],從而降低潛艇被發現的概率,提高潛艇的生存能力。作為潛艇產生的物理場之一,潛艇的紅外輻射特征主要來自于以下幾個方面:

1) 潛艇的圍殼、上建和升降裝置等設備可能會露出水面,在太陽輻射等環境因素的持續影響下,這些設備的溫度會升高,導致其產生的紅外輻射能量最終會與周圍環境產生明顯差別,從而被紅外探測器發現;

2) 潛艇航行時熱排放形成的熱尾流:潛艇在水下航行時不斷地把熱直接散射到周圍海水中。不管是常規潛艇還是核動力潛艇,都用海水做冷卻水,特別是核潛艇,為了冷卻核動力裝置,總是排放出大量的溫熱海水,這些熱水會對海洋環境形成擾動,在潛艇的尾流中產生溫差信號從而形成熱尾流。在一定的條件下這種熱尾流會浮升至海面,即使核潛艇棲息海底也會形成一個從海底至海面的豎直“熱水管”。熱尾流在海面形成的溫度異常也能夠被紅外探測器捕獲[5]。

3) 潛艇航行時形成的冷尾流:潛艇在溫度分層的海水中航行時,艇體及螺旋槳形成的漩渦將下層溫度較低的冷水翻滾至海面,使得同一水平層上尾流中的溫度較周圍海水溫度低從而形成冷尾流,試驗證明冷尾流也能產生明顯的溫度異常特征從而被紅外探測器捕獲[6]。

4) 潛艇產生的熱排氣:對于常規潛艇,在通氣管狀態下,柴油機為蓄電池充電時柴油機排出的高溫廢氣會使潛艇周圍的海水溫度升高[7],這部分海水的紅外熱特征與海面背景將產生明顯的紅外輻射差異,使得紅外探測器能夠發現。

針對潛艇紅外輻射特征的這幾個重要來源,可采用隱身材料技術、排氣降溫技術、排水控制技術和新型推進器等技術來進行抑制。為評估和分析這些隱身技術下的紅外隱身效能,并促進各項新隱身技術的發展,本文將從設計的角度,對隱身技術評價體系做一些前期的探討,期望通過提出紅外隱身性能和效能評價參數,能夠為更深層次的潛艇紅外隱身技術評估體系建立奠定基礎。

2 紅外隱身技術

2.1 紅外隱身材料技術

針對潛艇的圍殼、上建和升降裝置等可能會露出水面的設備,在其表面涂敷紅外隱身材料即可有效降低其與背景的輻射能量差異。由于上述設備基本上可確定為無內熱源,不用考慮隔熱,所以主要考慮其對環境熱量的吸收和向環境輻射紅外能量。注意到環境熱量主要來自于太陽輻射,而太陽98%的輻射能量處于0.15μm～3μm的短波范圍內,基于熱傳導方程和紅外輻射理論分析可知,只要紅外隱身涂料在太陽輻射的短波波段內具有較低的吸收率,同時在紅外探測波段3μm～5μm或8μm～12μm內具有較低的發射率[8],即可大幅降低這些設備向外輻射的紅外能量。考慮到圍殼、上建和升降裝置等設備還可能面臨雷達、可見光和激光等探測設備的威脅,紅外隱身材料還要考慮與其他隱身材料的兼容性,如保證在雷達頻段具有高吸收率,在可見光波段(0.38μm～0.76μm)具有與海洋背景接近的反射率、及在激光波段(0.3μm～11μm,主要是1.06μm)具有低反射率。

2.2 熱排氣降溫紅外隱身技術

對常規潛艇熱排氣進行紅外抑制可采用空氣冷卻、對流冷卻、噴淋冷卻和負壓區排氣等技術[7],利用這些技術可對排氣系統管壁及廢氣進行冷卻,降低排氣系統高溫煙氣的溫度,從而減小紅外輻射。

空氣冷卻技術通過將冷空氣引入排氣管段同管內高溫氣體發生引射,以在排氣管壁內表面金屬上形成一個薄膜冷卻層,使排氣管壁面與高溫煙氣隔離,減少高溫煙氣與壁面的對流換熱,從而降低壁面溫度減小紅外輻射。對流冷卻技術通過引入冷卻水與排氣管壁進行對流換熱,從而降低排氣溫度來減小紅外輻射。噴淋冷卻技術通過噴淋冷卻水與排氣接觸,利用水的汽化吸熱,對排氣進行大幅度降溫來減小紅外輻射。負壓區排氣技術通過將通氣管排氣口布置在潛艇指揮臺圍殼附近流場的水動力效應所形成的“負壓區”,從而降低排氣溫度來減小紅外輻射。

2.3 熱排水控制紅外隱身技術

對于熱排水控制來說,提高熱量利用效率進行合理的工況設計,直接降低熱排放流量和排放水的溫度能有效降低熱排水在海面形成的紅外輻射特征;也可利用熱量存儲容器,在需要紅外隱身的作戰環境下開啟熱量存儲容器,對潛艇產生的熱量進行短時存儲,減少熱排水量以減弱熱排水在海面形成的紅外輻射特征。

在熱排放容量一定的情況下,還可通過熱排水系統優化設計來降低熱排水在海面形成的紅外輻射特征,可進行優化設計的參數包括排放水流量、排放水溫度、排放口布置角度、排放口形狀和排放口尺寸等。已有研究發現,降低熱排水出口溫差比減少熱排水流量更有利于降低熱軌跡中心與環境溫差,所以在熱排放容量一定的情況下合理的選擇排放水流量、排放水溫度能有效減弱熱排水在海面形成的熱軌跡紅外特征。同時,冷卻水系統的排放角度對熱排水浮升高度影響十分明顯,在分層海水中熱排水能浮升的高度隨排放角度的增加有所下降,因此通過增加排放角可以在一定程度上降低熱排水的浮升高度,減弱熱排水在海面形成的熱軌跡紅外特征。在排放口形狀方面,研究者發現相比傳統的圓形熱水排放出口,橢圓形排放口的熱流浮升軌跡最大溫差下降速度較快,有利于降低熱水排放對海面溫度場的影響[9]。熱排水射流的直徑也會影響熱尾流的浮升速度,從而影響尾流熱軌跡中心與環境溫差異,以致影響水面形成熱軌跡的紅外特征。在對單因素進行分析的基礎上,還可進一步考慮熱排水系統產生的紅外特征與多因素的非線性關系,基于分布式排放控制的思想,對熱排水排放口位置、角度、形狀和尺寸進行綜合優化。

2.4 新型推進技術

采用新型推進技術,可減小推進器轉動部分對分層海水的擾動,從而減弱冷尾流的溫差特征,如泵噴推進技術和磁流體推進技術[10]等。泵噴推進技術采用一個能容納多葉片和大螺旋槳的外面罩作為導管,導管的前方有一圈固定的導向葉片作為定子,螺旋槳在導管內作為轉子低速轉動,推動潛艇運動,這種推進技術能改變螺旋槳葉片的壓力,減少尾流的形成,弱化螺旋槳對海水的擾動。磁流體推進器技術是把電能轉換成脈動磁場,脈動磁場在管道內產生行波,海水在管道前面被吸入,由電磁感生的行波向后推斥海水,從而產生推力,這種推進技術的主要優點是推力較大,水的紊流較小,海水受到的擾動較小。

2.5 作戰使用控制

從作戰決策上,需要根據環境條件來進行工況調整、增大下潛深度或熱排水容量存儲控制。環境條件包括實際海洋水文環境、天氣狀況、太陽輻射和水面漂浮物質等因素,在考慮這些因素對紅外隱身性的影響的基礎上,才能建立準確地反映真實環境下潛艇的紅外輻射特性計算模型,并基于該計算模型實現對運行工況的選擇、安全潛深的預報以及熱排水容量的存儲控制。

3 紅外隱身技術評價方法

3.1 紅外輻射特征評價方法

工程實踐中常常將試驗測試、仿真計算和理論分析有機結合起來,以進行紅外輻射特征評價。其中仿真計算用以指導試驗測試,試驗測試用以驗證仿真計算,理論分析則用來將二者有效地銜接[11]。圖1形象地顯示了試驗測試、仿真計算與評估體系之間的關系。通過仿真手段可建立典型工況下的紅外輻射特性計算模型,然后分析紅外輻射特性的影響因素和影響規律;利用仿真計算得到的影響規律可指導模型和實船試驗,通過試驗測試對仿真計算得到的影響規律進行驗證,并對計算模型進行不斷修正和完善;根據經過驗證的隱身技術、工況條件、背景環境對紅外輻射特性的影響規律,可得到適用于任意條件的紅外輻射特性評估體系。

圖1 紅外輻射測試、仿真與評估技術的關系

3.2 紅外隱身技術評價實施方案

圖2 紅外隱身技術評價實施方案

紅外隱身技術評價實施方案如圖2所示。首先需要在數值仿真模型中考慮背景環境和隱身技術的影響,通過三維圖形建模建立紅外輻射特性的數值計算模型;然后利用此計算模型進行不同隱身技術、背景環境(包括自然干擾和人為干擾)、運行工況下紅外輻射特性的數值計算,得到大量仿真數據,并通過特征提取和分析,找出隱身技術、背景環境、運行工況對于紅外輻射特性的影響規律;接著在計算結果和影響規律的指導下設計測試試驗,驗證計算模型和影響規律的正確性,并對模型進行修改和完善;然后在理論分析、仿真計算和試驗測試的結果的基礎上,對遙感探測設備的性能進行分析;最后根據探測設備性能制定紅外輻射特性評價指標,形成評估體系。

在整個方案中,試驗測試是最終評估準確性的保障。試驗測試在理論分析和仿真計算的指導下進行,必須做到全面、典型、準確。在經過仿真計算和理論分析后,明確了哪些因素對紅外輻射特性的影響大,哪些工況、哪些環境條件下的紅外輻射特征變化顯著,應對影響隱身性能敏感參數、敏感狀態和敏感環境的物理場特性要重點測試。試驗測試分為實船測試和模型測試兩類,考慮到測試難度和準確性,應將兩類測試方法結合使用。隱身技術的仿真主要用模型測試進行驗證,利用相似理論設計出模擬各種隱身技術的實驗裝置,測量結果也要換算到實際狀態下。但總體的紅外輻射特性仿真模型及背景環境仿真主要用實船測試進行驗證,在試驗測試的基礎上,還需對紅外輻射特性計算模型進行反復修改和完善。

在整個方案中,評價參數的制定是對紅外輻射特性進行評價的前提。紅外輻射特性評價參數必須結合現有探測設備的水平和作戰需求來制定,具體包括隱身性能評價參數和隱身效能評價參數。隱身性能評價參數主要用來衡量隱身技術滿足設計技術要求的程度,為直接反映潛艇紅外輻射特征的參數;隱身效能評價參數則反映著潛艇滿足期望使用目標的程度,其與環境因素、作戰參數及其相互作用有關,能直接指導作戰使用控制。下文將給出具體的紅外隱身技術性能評價參數和效能評價參數。

4 紅外隱身技術性能評價參數

4.1 遙感紅外探測器探測目標的作用距離

對紅外隱身性能進行評價的首要任務是研究紅外探測器探測目標的作用距離,針對不同目標還要根據實際情況分為點源目標和面源目標進行分別處理。當目標對探測器的張角大于探測器成像單元的瞬時視場角時,目標按面源目標處理,反之則按點源目標處理。

紅外隱身材料涂覆效果采用點源目標方式進行分析。對于點目標,一般從能量的角度考慮,直接用噪聲等效溫差NETD[12]來估算作用距離。若目標的紅外輻射能量經大氣衰減到達探測器后大于探測器的探測閾值,探測器就可以探測出目標,其作用距離估算方程為

ΔI·τ(R)=SNR·R2·NETD

(1)

式中:ΔI為目標與背景的原始紅外輻射照度差,τ(R)為大氣光譜透過率,其是探測距離R的函數,SNR為由探測概率決定的信噪比。

若不考慮發射率,僅用溫度表示,作用距離估算方程為

(2)

式中,ΔT為目標與背景的原始溫差,α和β為紅外探測器的瞬時視場角,S為目標的實際面積,對于點目標來說就是其溫度異常影響區域面積。

熱排氣、熱排水和冷尾流隱身效果采用面源方式進行分析。對于面源目標來說,一般用最小可分辨溫差MRTD法[12]。該方法指出了紅外探測器能夠觀察到目標的基本條件:對于空間頻率為f的目標,其與背景的實際溫差在經過大氣傳輸到達熱成像系統時,仍大于或等于該熱成像系統對應該頻率的,同時目標對系統的張角應大于或等于探測水平所要求的最小視角,其作用距離估算方程為

(3)

式中,f為空間特征頻率,h為目標高度,ne為按Johnson準則所要求的目標等效條帶數某一探測概率對應的等效條帶對數[13],在這里ΔT可用平均溫度差進行代替。

其中最小可分辨溫差MRTD為

(4)

式中,te為人眼積分時間,fp為幀頻,Δfn為噪聲等效帶寬,τd為單元探測器的駐留時間,MTF(f)為紅外探測器的調制傳遞函數。在考慮實際目標的幾何尺寸與形狀后,還需對MRTD進行修正:

(5)

式中,α0為目標的長寬比。

4.2 紅外隱身材料性能評價參數

作為點源目標來進行分析的紅外隱身材料的應用效果,需要從發射率和吸收率方面對其提出技術指標,并最終以與實際使用工況對應的特定環境下涂覆材料前后的輻射對比度來評價其隱身性能。

輻射對比度可表示為

(6)

式中,IT為目標在探測器關注波段的紅外輻射照度,IB為背景在探測器關注波段內的紅外輻射照度。在已知發射率和溫度的情況下,兩者均可基于斯蒂芬—玻爾茲曼定律計算得到。

采用輻射對比度C進行隱身性能評價,當輻射對比度C小于一定值時,紅外隱身效果才能滿足指標要求。

4.3 紅外隱身技術性能評價參數

對于熱排氣,在排氣管結構形式確定的情況下應主要從排氣溫度方面提出技術指標;對于熱排水,在排放水系統結構形式確定的情況下應主要從排放流量和排放溫度上提出技術指標;對于冷尾流,應從推進器的流體力學性能方面提出技術指標。對于三種源在海面形成的紅外輻射特征,要采用以面源方式為主、點源方式為輔的方式進行隱身性能分析。由于輻射目標和背景海水的發射率均是一定的,在對各種隱身技術進行性能評價時主要關注海面溫度分布相關參數,可提出以下評價參數:

1) 最大溫度差:

(7)

式中,n用來表示面源目標按測點布置進行等面積劃分后的第n個面積元,tn表示,tn為第n個面積元。對于點源目標,可令其N=1,即退化為1個面積元。

2) 等效平均溫度差:

(8)

3) 溫度異常影響區域面積At及其幾何長寬比kt。

對于點源目標來說,采用最大溫度差和溫度異常影響區域面積即可分析作用距離,評估紅外隱身性能;而對于面源目標來說,等效平均溫度差、溫度異常影響區域面積及其幾何長寬比常用來評估紅外探測器的發現距離,但也要考慮局部溫度異常過大會形成強/弱輻射點源目標的情況,所以針對面源目標要綜合考慮最大溫度差、等效平均溫度差、溫度異常影響區域面積及其幾何長寬比來進行評估。顯然,對于熱排氣、熱排水和冷尾流形成的紅外輻射源,應采用面源目標的評價參數進行隱身性能評價,當溫差Δtmax和Δtrss小于一定水平且溫度異常影響區域尺寸At和kt滿足一定要求時,紅外隱身效果才能滿足指標要求。

5 紅外隱身技術效能評價參數

· 隱蔽距離:探測距離即為隱蔽距離[14],用該參數可以直接評價目標的紅外隱身效果。容易看出,隱蔽距離越小,紅外隱身效果越好。

· 隱蔽系數:也可稱為紅外隱身效率,其用探測距離的減小來表示。即

(9)

式中,R1為采取隱身措施前的探測距離,R2為采取隱身措施后的探測距離。

隱蔽系數法評價的也可直接評價目標的紅外隱身效果,同隱蔽距離評價法相比,隱蔽系數評價法給出的是0～1表示的隱身效果,其更具有直觀性[15]。容易看出,隱蔽系數越接近1,紅外隱身效果越好。

· 最大反應時間:針對具有機動性的航空探潛,最大反應時間表示潛艇在先敵發現后采取機動措施規避己方被發現時可利用的時間。

(10)

式中,Rd為潛艇利用各種探測手段發現敵方飛機的最遠距離,vp為飛機航速。

最大反應時間既是隱身性能效能評價中的一個重要參量,也是作戰效能評估中的一個重要參量。最大反應時間越大,紅外隱身效果越好。

針對在一定安全深度下潛航,或者在先敵發現后進行安全下潛的紅外隱身手段,可提出兩個與安全潛深相關的評價參數:

· 熱影響區安全潛深hh:針對某一工況熱排放形成熱尾流對應的安全潛深,需對于熱尾流加入該評價參數。表示在該深度下潛航,冷卻水形成的熱尾流上浮到海面后等效平均溫差不會大于探測器的噪聲等效溫差。

· 冷影響區安全潛深hc:螺旋槳攪動形成冷尾流對應的安全潛深,對于冷尾流加入該評價參數。表示在該深度下潛航,推進器擾動形成的冷尾流上浮到海面后等效平均溫差不會大于探測器的噪聲等效溫差。

安全潛深在對探測距離進行分析的基礎上還需要結合紅外輻射數值仿真計算模型來進行分析。安全潛深越小,紅外隱身效果更好。

6 結語

對于多功能隱身材料技術,常規單一波段隱身材料難以滿足要求,各類武器裝備及重要目標的隱身要求從單一的紅外隱身向著雷達、紅外、可見光和激光等多波段復合隱身的方向發展,各種形式的多功能迷彩涂料也將應運而生。

對于綜合隱身設計技術,除需要從雷達和光學等多頻段來實現隱身外,還需考慮噪聲控制要求,如對于熱排氣系統和熱水排放系統的紅外抑制,要在確保溫度特征能降低的同時,阻力和流噪聲也能得到降低。為實現綜合隱身,必須考慮多物理場特征的兼容隱身設計。

對于基于虛擬仿真和視景仿真的紅外隱身評估技術,可采用可視化和虛擬仿真技術,針對潛艇的紅外隱身效果評估需求,建立評估系統的仿真體系結構和相關的評估模型,用直觀的二維圖表和三維圖像等顯示方式,對不同涂料和不同隱身技術對潛艇在不同作戰環境下的隱身效果的影響進行定量和定性的分析,以形成全數字化的仿真評估體系。

對于光電對抗技術,隨著軍用光電技術和紅外探測技術的快速發展,紅外隱身技術將會在潛艇隱身技術中扮演越來越重要的角色,應當從理論和實際上針對紅外探測和紅外隱身進行全面的設計,以適應未來光電對抗技術發展的要求。

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Efficiency Evaluation System for Infrared Stealth According to Remote Sensing Detection of Submarine

WANG Jianxun DENG Haihua SUN Guocang

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205)

According to the fact that current infrared detection measures for submarine mainly come from remote sensing detection of satellite and anti-submarine plane, a summary of infrared stealth related technology is analyzed, and an evaluation system applicable to submarine infrared stealth is discussed. Given the computation model of detection distance for remote sensing detection, evaluation parameters of performance and efficiency are proposed for submarine infrared stealth technology, so as to provide analysis method for implementing impact contrast of infrared stealth technology.

remote sensing detection of submarine, infrared stealth, evaluation system, performance evaluation, efficiency evaluation

2015年4月2日,

2015年5月19日

王建勛,男,博士,工程師,研究方向:艦船總體技術。鄧海華,男,碩士,高級工程師,研究方向:艦船總體技術。孫國倉,男,博士,高級工程師,研究方向:艦船總體技術。

U674.76

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.045