水面艦船紅外隱身總體設計分析

李 艇，付云鵬，楊衛(wèi)英

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

0 引言

水面艦船作為海上武備及戰(zhàn)機載體，具有運載能力強、布置靈活的優(yōu)點，大型戰(zhàn)艦一度成為強國稱霸世界的主要工具。而隨著反艦武器和探測設備的飛速發(fā)展，艦船的暴露和被攻擊命中概率大幅度提高。因此各海軍大國開始重視艦船的隱身設計，紛紛推出具有高度隱身性能的先進艦船，通過提高艦船自身的隱蔽性，增加防護和對抗能力[1]。根據(jù)探測手段的不同，艦船隱身技術可以分為雷達波隱身、聲隱身、電場隱身、磁場隱身以及紅外隱身等。紅外隱身是艦船應對紅外制導反艦武器的主要手段，是艦船隱身性的重要組成部分之一，水面戰(zhàn)斗艦艇及需要隨編隊伴航的輔助艦船都對紅外隱身性能提出越來越嚴苛的要求。

艦船研制過程中根據(jù)需要進行紅外輻射的本征控制和應急控制。本征控制即艦船紅外輻射的固定控制設計，目的在于縮減艦船固有的紅外特征；應急控制即臨時控制設計，當艦船需要對抗敵方紅外搜索跟蹤時，采取措施進一步縮減或改變艦船的紅外特征，以便擺脫或欺騙敵方的紅外搜索跟蹤。

根據(jù)紅外制導原理，艦船紅外隱身的基本原則在于設法降低艦船熱輻射源的輻射強度和改變艦體表面的輻射率。一切溫度高于絕對零度的物體都在不停輻射紅外線，大氣中各種氣體對不同波段的紅外輻射有不同的吸收和影響，從而造成不同程度的衰減。但紅外線在3～5 μm和8～14 μm波段，大氣對紅外輻射基本上是透明的，被稱為“大氣窗口”[2]。紅外探測器就是利用這個“大氣窗口”對艦船進行3～5 μm點源識別和8～14 μm波段面源識別，并引導導彈攻擊。

本文將分別分析水面艦船3～5 μm和8～14 μm兩個波段紅外輻射源和紅外隱身設計方法，系統(tǒng)闡述主要的艦船紅外抑制技術及其應用案例。

1 艦船3～5 μm波段點源隱身設計

艦船動力裝置排氣溫度較高，其3～5 μm波段點源紅外輻射特征主要來自排氣煙羽、被加熱的排氣管，以及被煙氣流加熱的煙囪外壁，其中排氣煙羽最高溫度可達500℃，排氣管和煙囪外壁被煙羽直接加熱，溫度可接近排氣煙羽溫度。艦船3～5 μm波段點源隱身設計重點在于采取措施降低動力裝置的排煙溫度以及排氣管、煙囪金屬壁面溫度。除了常規(guī)煙囪排氣方式外，為了進一步提高艦船隱身性能，開始采用海水噴淋舷側排氣和艉部排氣技術替代傳統(tǒng)的煙囪排氣，大幅度降低排氣溫度，有效控制艦船3～5 μm波段紅外輻射強度。

1.1 常規(guī)煙囪排氣紅外抑制系統(tǒng)設計

1.1.1 排氣紅外抑制裝置

在排氣系統(tǒng)增設排氣紅外抑制裝置是一種常用的降低煙氣溫度設計方法，各個國家開發(fā)了多種排氣紅外抑制裝置，如DRES球型、引射/擴壓型等。不同型式的紅外抑制裝置基本原理大致相同，圖1為引射/擴壓型紅外抑制裝置原理示意圖，排氣紅外抑制裝置直接安裝在排氣管路末端，由引射噴頭、混合管和擴壓環(huán)等組成，排氣管路中煙氣主流利用引射原理將排氣管周圍低溫空氣吸入混合管并與高溫煙氣混合，以降低排煙出口溫度。同時混合管中煙氣通過擴壓環(huán)間的間隙繼續(xù)吸收新鮮空氣，在高溫煙氣和金屬壁面間形成冷卻氣膜，降低金屬管壁溫度[2]。美國阿利伯克級驅逐艦、日本日向級兩棲攻擊艦等艦船均采用了排氣紅外抑制裝置來降低煙囪部位的紅外輻射特征。

必要時還可以采用海水噴霧的方式進一步降低排氣溫度，即在引射噴頭出口處設置噴霧器，向煙氣主流噴射水霧，水霧和新鮮空氣一起混入高溫煙氣，利用水霧相變大量吸熱的原理，降溫效果明顯。美國DDG1000即采用了海水和空氣同時對煙氣進行冷卻，提高其紅外隱身性能[3]。

圖1 排氣紅外抑制裝置工作原理 Fig.1 Working principle of exhaust IR suppressor

1.1.2 基于紅外隱身的煙囪設計

排氣紅外抑制裝置的設置會給艦船煙囪的總體設計帶來一定影響。如紅外抑制裝置需引入大量新鮮空氣，因此煙囪百葉窗的進氣凈面積計算應考慮紅外抑制裝置的引射空氣量。此外百葉窗的葉片應在水平視線內遮擋煙囪內部，防止煙囪內熱源（如引射噴頭）的紅外輻射通過葉片縫隙暴露出來，即出現(xiàn)“露光”現(xiàn)象。

為了降低煙囪壁面的二次輻射強度，可采用煙囪壁面海水噴淋、煙囪區(qū)域氣流場優(yōu)化設計等方式來降低煙囪金屬圍壁的溫度。在外板上端布置海水噴淋裝置，如紅外水幕噴頭，作為應急控制手段，平時不開啟，僅在作戰(zhàn)狀態(tài)或受到威脅狀態(tài)時開啟，通過對煙囪金屬壁板噴淋海水，可迅速降低其溫度，徹底消除二次輻射的亮點。圖2(a)為艦船煙囪前擋板及側板受高溫煙氣影響產生二次輻射示意圖，從圖中可以看出，煙囪側壁板處被高溫煙氣最高加熱至T1，大大增加了煙囪部位的紅外輻射強度。對該區(qū)域進行局部氣流場的優(yōu)化設計，在煙囪前擋板頂部加開百葉窗引入新鮮空氣進行降溫，煙囪側壁最高溫度可降至T2，如圖2(b)所示，其中T1較T2高～60℃。

針對煙囪壁板的二次輻射問題，法國拉斐特級護衛(wèi)艦的煙囪采用不易于導熱的玻璃鋼材料進行制造[1]，如圖3所示[4]。該方法有效避免了高溫煙氣二次輻射產生的煙囪金屬圍壁高溫問題，降低了全艦紅外輻射強度。

1.2 海水噴淋舷側排氣系統(tǒng)設計

舷側排氣技術在歐美等發(fā)達國家發(fā)展非常成熟，廣泛應用于游艇、商船、海洋工程、大中型水面作戰(zhàn)艦艇等。

海水噴淋冷卻是一種相變冷卻技術，海水噴射到排氣管內后由于霧化、汽化而產生強制對流、表面蒸發(fā)等傳熱過程，噴入的海水吸收了大量熱量使得排氣溫度迅速從幾百攝氏度降低到幾十攝氏度，十分接近船體表面溫度，從而可以迅速降低排氣紅外輻射強度，冷卻后的煙氣從舷側排出。如圖4所示，海水噴淋舷側排氣系統(tǒng)一般由初級消音器、噴水管段、次級消音器、舷側擋板閥等組成[5]。根據(jù)總體的空間布局，也可以采用單級消音器型式。由于煙氣出口溫度較低，3～5 μm波段紅外輻射強度很小；研究結果表明，舷側排氣對全船8～14 μm波段紅外輻射對比度貢獻非常小，可忽略不計。

圖2 煙囪部位氣流場優(yōu)化設計Fig.2 Optimization design of airflow field in chimney

圖3 法國拉斐特級護衛(wèi)艦及其煙囪Fig.3 French Lafayette frigate and its chimney

圖4 海水噴淋舷側排氣系統(tǒng)示意圖 Fig.4 Schematic diagram of seawater spray side exhaust system

海水噴淋舷側排氣系統(tǒng)設計的關鍵問題是應采取措施保證舷外海水不會倒灌入發(fā)動機內，比如對于布置靠近舷側的發(fā)動機，可以采用倒U式排管管路布置。要對艦船舷側排氣系統(tǒng)的背壓進行校核計算，同時考慮短時上浪對排氣背壓的影響，系統(tǒng)應滿足發(fā)動機對排氣背壓的要求，必要時可在滿足艦船總體性能的前提下對發(fā)動機功率進行修正。此外應對可能接觸海水的部位采取有效措施，防止海水對排氣管路及部件造成腐蝕。

1.3 海水噴淋艉部排氣系統(tǒng)設計

海水噴淋艉部排氣冷卻與舷側排氣冷卻原理相似，也是利用海水相變冷卻技術，可將高溫排煙冷卻至幾十攝氏度，迅速降低排氣紅外輻射強度，不同的是冷卻后的煙氣從艦船艉部排出。艉部排氣和舷側排氣除了能夠大幅度降低艦船的紅外輻射強度外，可以取消傳統(tǒng)煙囪的設置，排氣管路不占用甲板面空間，方便武備系統(tǒng)的綜合布置，同時提高全艦的雷達波隱身性能。

典型海水噴淋艉部排氣系統(tǒng)組成如圖5所示，由主排氣管、應急排氣管、噴淋管段、氣動控制閥、應急排氣閥、擋板閥等組成。系統(tǒng)設計關鍵問題及注意事項可參考舷側排氣系統(tǒng)，在此基礎上主排氣管的布置應保證艦船航行中最大縱搖角度時排氣管最高處下緣應高于水線。當艦船艉部排氣管路在縱搖進水情況下，排氣系統(tǒng)背壓升高至設定值時，系統(tǒng)控制應急排氣閥快速開啟，通過應急排氣管路快速泄壓，保證系統(tǒng)安全。

圖5 海水噴淋艉部排氣系統(tǒng)示意圖 Fig.5 Schematic diagram of seawater spray stern exhaust system

2 艦船8～14 μm波段面源隱身設計

研究表明，艦船8～14 μm波段紅外輻射特征主要來自于船體外表面[6]。因此通過降低船體表面溫度的紅外水幕系統(tǒng)和改變船體金屬表面紅外發(fā)射率的紅外隱身涂料均可以作為艦船8～14 μm波段面源隱身設計的有效手段。

2.1 紅外隱身水幕系統(tǒng)設計

水幕系統(tǒng)的功能是為全艦上層建筑、露天甲板平面和舷側壁面提供有效的噴淋降溫。在戰(zhàn)斗需要時可以通過水幕系統(tǒng)降低艦船外表面溫度，提高艦船的紅外隱身性。紅外隱身水幕系統(tǒng)水源就近取自消防總管，采用遙控閥，在消防滅火控制臺的紅外隱身控制板進行控制。

隨著技術的發(fā)展，紅外隱身水幕也朝著智能化、精確控制方向發(fā)展?？赏ㄟ^加裝紅外探測器，感知背景的特征，然后利用布置在船體外板的溫度傳感器通過流量調節(jié)閥對噴水量進行閉環(huán)控制，精確控制船體與背景的紅外輻射對比度。

2.2 紅外隱身涂料

紅外隱身涂料的工作原理有兩種，其中通過改變自身涂層的發(fā)射率，實現(xiàn)紅外信號的調節(jié)的被稱為反射性；吸收紅外波后，輻射的紅外波會發(fā)生波長的變化，使波段轉移，從而不在“大氣窗口”范圍內，稱為轉換型[7]。

20世紀70年代后，美國多家軍事單位相繼研制出不同的紅外隱身材料以及涂料，并研發(fā)了兩種不同顏色的有機硅黏結劑的低發(fā)射率涂層。近年還提出紅外涂料的智能化與多頻化，使涂料發(fā)射率可控，能對背景和威脅做出迅速反應[8]。同時國內也開展了大量多波段兼容隱身材料的研究，在一維光子晶體的基礎上進行改進，達到多波段兼容隱身的目的[9]。

目前已經研發(fā)的紅外隱身涂料種類較多，在應用時需考慮其建造和維護成本，并且要求涂料能在海上高鹽、高濕的惡劣環(huán)境下耐海水的腐蝕和沖刷，保證使用的可靠性；同時隱身涂料的涂裝還應綜合考慮雷達波隱身和紅外隱身的兼容性要求。

3 結語

紅外隱身技術是艦船隱身技術的一個方面，應與其他隱身技術整體綜合地發(fā)展，并與其他防護手段綜合考慮，成為艦船體系防御系統(tǒng)中的一個有機組成部分。本文對國內外艦船紅外隱身先進技術的應用及設計方法進行了分析，在實船設計過程中，可根據(jù)不同船型特點選擇合適的方法。