紅外偽裝技術研究進展

胡 杰,路 遠,候典心,楊 星

(1.國防科技大學電子對抗學院,安徽 合肥 230037；2.脈沖功率激光技術國家重點實驗室,安徽 合肥 230037)

1 引 言

隨著科學技術水平的不斷提升,各種探測設備迅速發展。迄今,紅外探測技術主要對陸地、海洋和天空等背景下的軍事目標進行探測、偵察和跟蹤。紅外探測技術是對目標自身的紅外輻射進行探測,目標只要高于絕對零度就會向外發射紅外輻射,無法做到完全的消除。面對紅外探測設備對軍事目標生存能力的嚴重威脅,尤其是對武器裝備的保護也更加迫切,作為對抗紅外探測的紅外偽裝技術成為了科學研究的重點對象。

由Stefan-Boltzmann定律可知,影響目標紅外輻射能量的主要參數有兩個,即目標表面的發射率和目標表面的溫度。紅外偽裝技術通過對這兩個參數進行調整控制,對目標的結構材料進行設計,以減弱目標的紅外輻射特性,從而實現目標與背景的紅外輻射相融合,最終達到降低目標被紅外探測系統識別的概率和被紅外制導武器命中的概率,以提高武器裝備自身的生存能力[1]。

2 天空背景的紅外偽裝技術

天空背景中的紅外偽裝技術研究對象主要是飛機和導彈等。在白天,天空背景的紅外輻射主要是散射太陽光和大氣熱輻射的組合；在夜間,因為不存在散射的太陽光,天空的紅外輻射主要為大氣的熱輻射。

2.1 飛行器紅外輻射源

在飛行狀態下,飛行器的紅外輻射源主要包括外部蒙皮的近似為灰體連續譜的熱輻射和金屬尾噴管,以及有選擇性的帶狀譜的尾焰氣體輻射。尾噴管是被排除氣體加熱而形成的圓柱形腔體,可視為一個發射率為0.9的灰體；尾焰主要是二氧化碳和水蒸氣,在大氣中傳輸時,容易被吸收,但是由于溫度過高,仍然表現出紅外輻射特征,尾噴管和尾焰的紅外輻射能量主要分布在中紅外3～5 μm波段內。其中飛行器外部蒙皮的紅外輻射能量主要集中在大氣窗口的遠紅外8～14 μm波段內,分布于飛行器的前向和側向,飛行器的蒙皮溫度Ts[2]為:

(1)

其中,Ts為飛行器的蒙皮溫度；T0為周圍的大氣溫度；k為恢復系數,其取值取決于氣流的流場,層流取0.82,紊流取0.87；γ為空氣的定壓熱容量和定容熱容量之比,常取1.3;Ma2為飛行馬赫數。

由于飛行器無法避免這些紅外輻射的產生,這部分的紅外輻射能量的總和將是飛行器成為一個能量很大的發射體。對于大多數的飛行器,在中紅外3～5 μm波段內其紅外輻射強度在1500～20000 W/sr量級,并且隨著發動機的工作狀態和觀察角度而變化；在遠紅外8～14 μm波段內其紅外輻射強度在1000～3000 W/sr量級,并且隨著飛行器的馬赫數和觀測角度而變化[2]。而且由于天空背景的紅外輻射能量極低,飛行器的紅外輻射特征十分明顯,因此如何盡可能地屏蔽飛行器的紅外輻射成為了主要的研究方向。

2.2 蒙皮紅外輻射偽裝

飛行器的蒙皮紅外輻射的偽裝技術目前發展較為成熟,主要通過抑制飛行器表面的氣動加熱、減小飛行器表面對外界輻射的吸收以及降低其表面的紅外發射輻射。通過對飛行器的整體外形設計,優化其形狀,從而減小飛行器與空氣的摩擦,以達到抑制表面的氣動加熱所引起的蒙皮熱輻射。飛行器表面的紅外輻射可以通過在飛行器涂覆大熱慣量的涂層來實現。相對成熟的是在表層涂料中添加石蠟等相變材料,利用相變材料的相變潛熱特性將涂層表面溫度控制在一定的范圍之內。表1列舉了幾種典型的相變材料,可以看出,目前相變材料的控溫能力基本能滿足要求。

表1 典型的相變材料及其性能[3]

紅外輻射的光譜轉換技術,即光譜的選擇性發射也有了一定的發展。通過改變飛行器蒙皮的紅外輻射波段,使其處于紅外探測器探測的波段之外。Zhang等人制備了一維選擇性發射光子晶體并應用于紅外偽裝涂層中,圖1為制備得到的光子晶體反射率[4]。Crunteanu等人研究了氧化釩薄膜在相變的前后過程,得到其紅外輻射特性的變化,并提出了了其在紅外偽裝涂層應用中的可行性[5]。

圖1 光子晶體的紅外光譜反射率

2.3 尾噴管紅外偽裝措施

飛行器在飛行過程中需要通過燃燒燃料來提供動力,尾噴管被排出的氣體加熱,溫度可達到500～600 ℃,甚至更高,使得其紅外特征在天空背景中呈現明顯的紅外輻射源。通過對尾噴管進行遮擋來降低飛行器的紅外輻射強度,常見的有S形彎曲噴管技術、二元噴管技術和下遮擋技術。例如美軍的B-2飛機采用S形彎曲噴管技術,F22戰斗機也采用了二元噴管的紅外偽裝技術,使得其尾噴管的紅外輻射得到很大程度的降低,紅外偽裝效果十分顯著。

尾噴管的冷卻技術,即通過對尾噴管內高溫器件中心錐、支板采用氣膜冷卻措施,將利用外涵道的低溫氣流來冷卻尾噴管,使得高溫器件可以有效地降溫,可以使尾噴管的紅外輻射強度降低約30%,從而有效地抑制排氣系統對尾噴管的紅外輻射。對于尾噴管腔體,也可以通過在排氣系統的渦輪葉片、中心錐、支板等高溫器件上涂覆或鍍制低紅外發射率材料,以降低其紅外輻射強度[6]。

2.4 飛行器尾焰紅外偽裝技術

飛行器在飛行過程中一定會有發動機燃燒的高溫尾焰排除,擴散在空氣中,從理論上一定會被紅外探測系統所發現。對尾焰紅外輻射的偽裝措施可以采用大寬高比二元非軸對稱矢量噴管,常規的發動機采用的是軸對稱的噴管,要實現紅外偽裝,可以采用大寬高比的非軸對稱噴管,使尾焰和外部的空氣快速地混合,噴出的尾焰高溫區域的長度將會變短,從而使尾焰的紅外輻射強度降低,達到紅外偽裝的效果[7]。采用典型的矩形非軸對稱噴管,以寬高比2∶1的實驗噴口為例,可使正尾部方向的紅外輻射強度降低10%以上,其他方向上可降低20%～60%的紅外輻射強度[8]。通過在飛行器的燃料中添加摻雜有金屬或金屬化合物粒子的發泡高分子材料，如環氧樹脂等,經高溫燃燒后在空氣中冷卻可形成懸浮泡沫顆粒,在尾噴流周圍形成紅外屏蔽云,可有效遮蔽尾焰的紅外輻射特性。通過在尾噴管末端安裝引射裝置,采用引射外界冷空氣技術,使高溫氣體與引射的大氣低溫氣體進入混合室,經過兩者的混合均衡之后排除,可以使原來的高溫氣體溫度大幅降低,從而達到降低飛行器尾焰的紅外輻射強度。宗靖國等人通過對尾焰的紅外輻射特性研究,采用多種方式進行偽裝可使得尾焰的輻射強度衰減94.2%,實驗結果如圖2和圖3所示[7]。

圖2 未采用偽裝措施

圖3 采用上述所有偽裝措施

3 海洋背景的紅外偽裝技術

對于在海面上目標,其背景的紅外輻射特征主要取決于海水的溫度。從不同的探測角度探測目標時,目標所處的背景也會變化,從空中對其進行探測時,目標的環境背景應為單一的海洋背景；在海面上以中等距離探測時,目標的環境背景不僅僅是海洋而且要考慮到海平面上的天空；在海平面上較遠距離探測時,此時目標的環境背景將成為海平面上方的天空背景。在海面作戰的主要是各種大型的軍事艦船,其發動機功率很大、艦船的總體表面積大,從而導致目標表現出較強紅外輻射特征,很難將艦船的紅外特征與背景較好地融合。在近十幾年,國外對于艦船的紅外特征研究已經有了相應的報道,而且實際的紅外偽裝技術也成功地應用在軍事艦船上[9],國內對于目標的紅外輻射特征研究已卓有成效,但是紅外偽裝技術仍處于實驗研究階段,未能實際應用于軍事艦船上。

3.1 艦船紅外輻射源

海面艦船和飛行器類似,都需要燃料燃燒來提供動力,所以艦船的紅外輻射源有兩個部分。一類是發動機管道和燃料燃燒的尾氣及其排氣設備,其中煙囪管道和排氣煙羽的溫度可達到400～500 ℃[10],是艦船紅外輻射源最強的部位。另一類是艦船表面對周圍環境吸收反射產生的。艦船的兩類紅外輻射特征中,雖然艦船主體表面的溫度比發動機和其他高溫設備溫度要低,但是艦船主體巨大,發動機的熱量和煙囪、尾氣的紅外輻射比例遠小于艦船主體所產生的輻射,因此若艦船主體與背景環境存在一定的溫差,將在紅外探測器中呈現出很明顯的特征信號,容易被敵方識別發現。

3.2 艦船內部發熱設備紅外偽裝方法

對于艦船上發熱較大的部分,可以采用引射散熱技術。引入外界低溫氣體,將其與排出的高溫尾氣混合在一起,經冷卻系統降溫后通過煙囪管道時可使其溫度降低250～300 K[10]。通過在煙囪內壁和排氣管道采用熱絕緣材料和玻璃鋼排氣煙囪來減小其紅外特征信號。最典型的是法國海軍的“拉斐特”級護衛艦,用玻璃鋼代替原來的鋼鐵來制造艦船煙囪,并在煙囪表面涂覆低輻射的涂料,達到較好的隔熱作用,與此同時發動機的排氣口和排氣管道也進行了隔熱處理。美軍的“阿利伯克”級導彈驅逐艦,在艦船的高溫部位涂覆屏蔽和絕熱材料,并利用引射冷空氣與尾氣混合來降低溫度,達到紅外偽裝的目的。通過對艦船總體結構布局設置,將煙囪排氣口放置在艦船尾部,尾氣排放至水面以下,利用海水對煙囪和尾氣進行降溫處理。瑞典的“維斯比”級輕型護衛艦采用這種設計,使其尾氣溫度降低至100 ℃以下,紅外探測系統的探測距離減小50%以上[11]。

3.3 艦船主體紅外偽裝技術

對于艦船主體可以采用與飛行器蒙皮相似的紅外偽裝技術,表面涂覆選擇性的紅外發射涂層,減弱艦船主體對周圍環境熱輻射的吸收,從而降低船體表面的溫度。艦船的船體屬于軍事目標中常見的豎壁結構,表面積很大,溫度高于背景溫度,對外表現出明顯的紅外輻射特征。過冷液膜冷卻技術通過在目標的表面布設大面積的過冷降膜,使層流液膜與豎壁表面產生熱傳導作用,使得其溫度降低,并起到對目標表面遮蔽作用。通過合理的分布過冷降膜,可以使目標的紅外輻射顯著降低,達到紅外偽裝的效果。彭友順等人通過對過冷降膜的研究,發現其對目標的紅外偽裝具有良好的效果,中紅外波段最大可降低52.43%,遠紅外波段最大可降低26.85%[12]。采用屏蔽措施來改變艦船表面的紅外輻射特征,可以使用紅外煙幕。利用煙火等手段產生大量的氣溶膠顆粒來形成煙幕,煙幕中的顆粒可以對防護目標的紅外輻射進行吸收、反射和散射,從而躲避紅外探測器的識別。還可以通過在艦船表面噴射海水,對艦船進行預潤濕,不僅可以改變艦船表面的紅外特征,而且可以產生一層薄霧使艦船主體融入到海洋和天空背景中。圖4顯示了Neele等人的研究數據[13],通過研究發現該方法可以有效地改變艦船表面的溫度,達到較好的紅外偽裝效果。

圖4 艦船表面溫度變化

4 陸地背景的紅外偽裝技術

相比天空背景和海洋背景的單一性紅外輻射,陸地背景的紅外輻射特征是極其復雜的,常見的陸地背景有道路、沙漠、叢林、雪地、城市等,并且會隨著季節性的變化而發生相應的改變,這使得地面目標的偽裝十分困難,無法將目標與背景的紅外輻射特征很好地融合在一起。陸地背景主要包括裸地背景和非裸地背景。

4.1 地面目標的紅外輻射源

在戰場上,地面目標主要為坦克、裝甲車輛、機動式導彈車和其他各類車輛。隨著軍事科技的發展,各種紅外制導武器和紅外探測器的運用,使地面目標的安全受到嚴重的威脅。地面目標車輛的發動機和排氣口溫度最高,是其最大的紅外輻射源。若不加處理,坦克的排氣口溫度將超過600 K,發動機的外殼溫度可達到500～600 K,紅外特征異常明顯。而且對于坦克來說,其炮管也是一個重要的紅外輻射源,炮管在射擊時產生強烈的閃光和升溫,某坦克射擊后炮管的溫度可達到673 K[14]。此外,由于車輛的輪胎和履帶在行駛過程中,由于摩擦會產生大量的熱,導致其溫度較高,成為不可避免的輻射源。

4.2 裸地背景的紅外偽裝

道路、土壤、沙漠等是常見的裸地背景,其紅外輻射特征比較單一,因此需要目標和背景的溫度保持一致,最理想的偽裝狀態是目標與背景保持實時的統一。目前可應用電致變溫材料和電致變發射率材料,在外加電場的作用下,可使其溫度或發射率改變。由于電致變發射率的變化能力有限,一般采用電致變溫材料,通過熱電制冷器件和基于帕爾貼的半導體制冷/制熱技術,已經研制了相應的紅外偽裝樣機[15],但是系統性的設備還處于研發中。國外已經研制了相關的紅外偽裝系統,并搭載在裝甲車進行了實驗,由于技術的軍事保密性,相關的技術手段沒有報道。目前,對裸地背景的紅外輻射性質研究已經比較成熟,相關的研究覆蓋了道路、土壤和沙漠等典型的裸地背景。通過對裸地地表形態和其表面的輻射特性研究,得到了在不同形態地表下背景的紅外輻射特性[16]。

4.3 非裸地背景的紅外偽裝技術

自然植被和建筑物是主要的非裸地背景,其中自然植被背景的紅外偽裝更具軍事價值,最常見的是偽裝涂層和偽裝網。偽裝涂層是利用特殊材料制備成與植被背景擁有相似的紅外特性涂層,最成熟的應用是迷彩偽裝。在可見光波段,各種類型的迷彩偽裝技術已經較為成熟,數碼迷彩以其優越的偽裝效果成為世界各國研究的重要方向,但是在紅外波段的數碼迷彩研究仍處于初步發展階段。偽裝網是各類軍事目標降低探測概率的重要手段,紅外偽裝網可將目標的紅外輻射特征掩蓋,或顯示出與目標不同的紅外特征,以迷惑敵方的偵察。通過研究典型植被葉片的輻射特性和內部結構,Ye等人制備出模擬植被葉片的仿生樹狀遮障,實驗證明該遮障與植被具有相似的紅外光譜特征,而且紅外輻射溫度也十分接近[17],起到很好的紅外偽裝效果。

5 結 語

隨著現代化技術的快速發展,未來的紅外偽裝技術必然和更加先進的紅外探測技術相對抗,而且對于不同環境背景的紅外偽裝也有所不同。近年來,紅外探測技術逐漸向多光譜和高光譜發展,2016年Digitalglobe公司在發射的WorldView-3衛星上搭載了多光譜探測器,成功實現了近紅外多波段的探測器在商業上的實用化[18]。Notesco研制了一種高光譜的紅外探測器,在7.7～12.0 μm波段可探測11個波段,其光譜分辨率達到了0.1 μm[19]。由此可見,未來的紅外偽裝技術需要面對的是探測精度更高、探測波段更廣的紅外探測設備。針對探測器給武器裝備帶來的威脅,紅外偽裝技術需要向精細化方向發展以應對分辨率不斷提高的紅外探測設備。例如,在可見光波段廣泛使用的數碼迷彩技術,可以應用到紅外波段以提高偽裝設備的精度。另一方面,需要避免“木桶效應”,面對集成化的多波段探測技術手段,不僅僅只重視一個波段的偽裝,需要兼容紅外、可見光和雷達等多波段的偽裝,發展多種材料的綜合使用,將具有不同波段偽裝效果的材料通過形成多層結構或復合的方式以實現多波段的兼容偽裝。此外,目前對于新型材料的研究仍然處于探索階段,通過研究新材料來實現多波段的偽裝也是未來發展的重要方向。