隱身無人機(jī)紅外特性測量方法

席有猷，王勇

中國人民解放軍93114部隊，北京市昌平區(qū) 100085

闡述了無人機(jī)隱身的意義和手段，重點(diǎn)介紹了紅外輻射特性和紅外隱身的技術(shù)手段，包括發(fā)動機(jī)噴管、排氣尾焰和機(jī)體蒙皮等。分析了無人機(jī)紅外特性測量原理，并論述了無人機(jī)紅外特性測量的條件、儀器需求和測量方案。

自第一次世界大戰(zhàn)首次將無人機(jī)應(yīng)用于作戰(zhàn)以來，無人機(jī)技術(shù)取得了迅速發(fā)展，尤其是近幾場高技術(shù)戰(zhàn)爭中，無人機(jī)的優(yōu)異作戰(zhàn)表現(xiàn)使其得到了各國軍隊的更加青睞。為了提高無人機(jī)的戰(zhàn)爭生存率和隱蔽攻擊的突然性，各國都展開了對軍用無人機(jī)隱身技術(shù)的研究。無人機(jī)隱身就是在總體設(shè)計中減少雷達(dá)、紅外和光電等觀測特征，減少無人機(jī)被探測概率。

軍用無人機(jī)隱身的手段

目前，無人機(jī)雷達(dá)隱身主要采用無源隱身技術(shù)和有源隱身技術(shù)兩種，無源隱身技術(shù)主要是利用特殊外形以及特定吸波材料來減小雷達(dá)有效截面積，從而使雷達(dá)無法識別目標(biāo)信號，以此達(dá)到隱身目的。無源隱身技術(shù)已經(jīng)發(fā)展比較成熟，而有源隱身技術(shù)也已經(jīng)投入到武器使用，有了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。光電隱身主要是通過在飛機(jī)表面涂裝偽裝色以降低飛機(jī)和背景的差別，降低其光電可探測性。紅外隱身技術(shù)一般包括降低輻射強(qiáng)度(主要包括降低發(fā)動機(jī)噴管熱輻射強(qiáng)度、排氣尾焰輻射強(qiáng)度和蒙皮輻射強(qiáng)度)、改變輻射特征、調(diào)節(jié)紅外輻射的傳輸過程等。其中，降低輻射強(qiáng)度是目前采用的主要技術(shù)與手段。

(1)降低發(fā)動機(jī)噴管輻射

無人機(jī)發(fā)動機(jī)噴管輻射主要有固體壁面輻射和空腔輻射兩個方面，固體壁面輻射主要有發(fā)動機(jī)噴管、發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)片、整流罩等產(chǎn)生的輻射；空腔輻射主要是噴管空腔內(nèi)高溫燃?xì)猱a(chǎn)生的輻射。將排氣引射技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機(jī)噴管壁面可以大大減弱噴管壁面溫度和紅外輻射強(qiáng)度。試驗(yàn)表明，排氣引射技術(shù)可以將3～5μm波段的孔縫噴管紅外輻射強(qiáng)度降低約為原來的70%，波紋板噴管降低至60%左右，塞體噴管降低為原來的40%左右。除此之外，也可以通過遮擋尾噴管特定方向的紅外輻射從而減少其被探測的概率。

(2)降低排氣尾焰輻射

由于發(fā)動機(jī)加力燃燒時噴管尾流紅外輻射強(qiáng)度約為非加力燃燒的500倍，是非常明顯的紅外特征，為降低輻射強(qiáng)度，主要采用混合氣流的方式，迅速使發(fā)動機(jī)尾焰冷卻。另外也可以采用二元噴管增加尾焰的長度，從而加快冷卻。

(3)降低蒙皮輻射

氣動力摩擦升溫的飛機(jī)蒙皮很容易被工作在8.14μm的紅外探測器識別，為了降低蒙皮輻射強(qiáng)度，可以利用溫差電器件等特殊材料。

無人機(jī)紅外特性

無人機(jī)紅外特性可以從發(fā)動機(jī)、排氣尾焰和飛機(jī)蒙皮三個方面展開分析，每個輻射源都有其量值、光譜分析以及背景對比度。發(fā)動機(jī)通常由發(fā)動機(jī)中心體、內(nèi)部噴嘴側(cè)壁和機(jī)尾渦扇面組成；尾焰則由二氧化碳和水產(chǎn)生；飛機(jī)蒙皮包括機(jī)身、機(jī)翼等所有外表面。

飛機(jī)總體紅外特征由各部分組合形成，每一個輻射源在不同角度輻射貢獻(xiàn)不同，尾部輻射主要來源于發(fā)動機(jī)熱部件；后補(bǔ)區(qū)域的輻射主要來源于發(fā)動機(jī)熱部件和尾焰；大梁到前部區(qū)域的主要輻射為機(jī)體和尾焰；機(jī)體的輻射源主要是機(jī)體和進(jìn)氣道。

紅外輻射特性測量原理

無人機(jī)紅外特性測量原理如圖1所示。

圖1 紅外測量原理示意圖

線性模型下紅外系統(tǒng)的輻射響應(yīng)度如式(1)所示。

其中，DN為目標(biāo)紅外圖像的灰度值；K和DN0是系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)斜率和偏置；是觀測系統(tǒng)輻亮度；是目標(biāo)到觀測系統(tǒng)之間的大氣透過率和程輻射。

表1 無人機(jī)紅外特性測量條件

隱身無人機(jī)紅外特性測量

隱身無人機(jī)紅外特性測量受氣象環(huán)境影響較大，如何獲取復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下的隱身無人機(jī)性能，為作戰(zhàn)計劃制定提供有力支撐，是目前紅外特性測量的迫切需求。影響紅外特性的條件十分復(fù)雜，一般主要包括方位角、高度、空速、周圍空氣溫度、電源設(shè)置、太陽角等。

為獲取真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境下隱身無人機(jī)紅外特性，飛機(jī)光學(xué)測量應(yīng)該遵循典型的輻射測量流程，確保測量設(shè)備的動態(tài)范圍覆蓋目標(biāo)輻射亮度的變化范圍，且儀器工作在線性標(biāo)定區(qū)域；儀器視場應(yīng)該覆蓋整個飛機(jī)機(jī)體；測量距離合理等。

測量條件及測量需求

表2 無人機(jī)紅外特性測量數(shù)據(jù)需求

實(shí)際測量中，需要在一系列不同測量條件的排列組合下獲取目標(biāo)預(yù)期值范圍。例如，噴氣式飛機(jī)發(fā)動機(jī)的輻射，通常包含空閑輸出功率、中間輸出功率及最大輸出功率，未開加力燃燒或者開啟加力燃燒，從離地面300m到飛行到最大升限高度。測試條件也包括盤旋，巡航和加力燃燒；配重也包括典型配重和做大重量；溫度包括白天和夜晚不同溫度下，測量視角包括仰視、平視和俯視。具體測量條件如表1所示。

另外，在測量中數(shù)據(jù)記錄十分重要，必須針對每次測量按照時間序列記錄所有的目標(biāo)參數(shù)和工況，無人機(jī)紅外特性典型數(shù)據(jù)需求如表2所示。

測量方案設(shè)計

圖2 目標(biāo)尾后紅外測量飛行方法

圖3 紅外吊艙載機(jī)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)全向紅外特性測量繞飛方法

目前，美國空軍和海軍都建有專門的紅外特性測量系統(tǒng)，基本都采用機(jī)載外掛紅外吊艙的方式實(shí)現(xiàn)，測試時與目標(biāo)飛機(jī)編隊飛行實(shí)現(xiàn)測量實(shí)驗(yàn)。典型的測量試驗(yàn)方法如圖2和圖3所示。

結(jié)論

紅外隱身是軍用無人機(jī)隱身技術(shù)的重要發(fā)展方向。如何實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下測量無人機(jī)的紅外特性，建立無人機(jī)紅外特性數(shù)據(jù)庫，這不但可以有效指導(dǎo)無人機(jī)隱身設(shè)計技術(shù)發(fā)展，也能客觀評價無人機(jī)隱身能力，從而為作戰(zhàn)計劃制定提供數(shù)據(jù)支撐。 ■