國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)隱身標(biāo)準(zhǔn)淺析

朱 瑾 于宏軍

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

隱身技術(shù)又稱目標(biāo)特征信號(hào)控制技術(shù)或低可探測(cè)技術(shù)，它研究如何控制或減縮飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈等武器平臺(tái)的雷達(dá)、紅外、聲、可見光和聲音等特征信號(hào)，大幅度縮小雷達(dá)、紅外、聲納、可見光等探測(cè)系統(tǒng)的作用距離及反應(yīng)時(shí)間，從而大大提高武器系統(tǒng)的生存能力、突防能力及作戰(zhàn)效能。隱身性能是新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝備必須具備的重要性能指標(biāo)之一，隱身化是新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝備的顯著特征。

隱身標(biāo)準(zhǔn)作為隱身技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、成果的總結(jié)和沉淀，可為航空發(fā)動(dòng)機(jī)隱身技術(shù)的發(fā)展提供強(qiáng)力支撐；同時(shí)，先進(jìn)的隱身標(biāo)準(zhǔn)也可為航空發(fā)動(dòng)機(jī)隱身技術(shù)發(fā)展提供牽引。本文通過對(duì)國(guó)外隱身標(biāo)準(zhǔn)中紅外線輻射、紫外線輻射、雷達(dá)橫截面、噪聲、排煙、氣體排放物、燃油流/油氣團(tuán)的噴出和水蒸汽凝結(jié)尾流8方面重點(diǎn)要求進(jìn)行對(duì)比分析，為我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)隱身技術(shù)發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定提供支撐。

1 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)總體情況

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)隱身技術(shù)屬于一種直接的軍事應(yīng)用技術(shù)，西方航空發(fā)達(dá)國(guó)家通常將其研究成果視為保密技術(shù)而不公開。目前，暫未收集到國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)完整、專業(yè)、詳細(xì)的隱身標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)航空發(fā)動(dòng)機(jī)隱身的技術(shù)要求主要集中于國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)研制、采辦的頂層規(guī)范及指南中，具體見表1。本文將主要針對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)中的隱身要求進(jìn)行對(duì)比分析。

2 國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)隱身標(biāo)準(zhǔn)要求分析

2.1 主要技術(shù)要求

在最新的美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)通用規(guī)范中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)隱身主要指其易感性（發(fā)動(dòng)機(jī)不應(yīng)超出由使用部門確定的可檢測(cè)特征和可觀測(cè)特性），其范圍已不再局限于傳統(tǒng)的雷達(dá)橫截面、紅外線輻射等內(nèi)容，而是有了較大拓展，綜合國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范中對(duì)于隱身的要求，目前，主要包括紅外線輻射、紫外線輻射、雷達(dá)橫截面（RCS）、噪聲、排煙、氣體排放物、燃油流/油氣團(tuán)的噴出和水蒸汽凝結(jié)尾流等8方面內(nèi)容，如表2所示。

2.2 紅外線輻射

表1 國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)涉及隱身要求的標(biāo)準(zhǔn)

表2 國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范隱身要求項(xiàng)目

表3 國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范中對(duì)紅外線輻射要求對(duì)比

根據(jù)表3可以歸納出國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)紅外線輻射要素要求的演變過程。以方位角和俯仰角為例，在20世紀(jì)70～80年代，受紅外輻射理論及紅外探測(cè)技術(shù)等因素的限制，相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)前向的紅外輻射，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)后向紅外輻射的要求更加嚴(yán)格,這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)后方存在高溫尾噴管及排氣尾焰，使其成為飛機(jī)的主要紅外輻射源；在20世紀(jì)80～90年代，紅外探測(cè)技術(shù)的提升使得紅外探測(cè)器在采用的探測(cè)器中的比重逐步增加，達(dá)到30%左右，同時(shí)可被跟蹤的輻射源也從單一的尾噴管逐漸發(fā)展為尾噴管、熱噴流與蒙皮等多種，這就對(duì)紅外隱身提出了更高的要求，此時(shí)，前向紅外輻射也成為使飛機(jī)受到紅外制導(dǎo)武器威脅的危險(xiǎn)因素，不能再僅以后向紅外輻射指標(biāo)作為評(píng)判發(fā)動(dòng)機(jī)整體紅外輻射強(qiáng)度的唯一參考值，因此，在MILE-5007F及JSGS-87231A中將前向方位角和俯仰角的角度劃分得更加細(xì)致，增強(qiáng)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前向紅外輻射的要求；在2007系列標(biāo)準(zhǔn)中，更是將之前標(biāo)準(zhǔn)中以若干點(diǎn)的具體數(shù)值代表發(fā)動(dòng)機(jī)整體紅外輻射強(qiáng)度的要求更改為根據(jù)多種因素（任務(wù)、威脅、驗(yàn)證容易性和多角度的完全可達(dá)性）權(quán)衡得出，例如對(duì)于飛行高度較高的飛機(jī)可以僅要求5?、0?、-5?、-10?、-20?、-45?的俯仰角，使發(fā)動(dòng)機(jī)紅外輻射測(cè)量值能夠最大限度地模擬飛機(jī)的實(shí)際使用條件。以上以方位角和俯仰角為例的美軍標(biāo)紅外線輻射要求的變化生動(dòng)反映出紅外探測(cè)理論、測(cè)試技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等在發(fā)展過程中的相互影響和作用。

2.3 紫外線輻射

在美軍標(biāo)通用規(guī)范中，MIL-E-5007D及JSSG-2007系列標(biāo)準(zhǔn)中沒有提出對(duì)紫外線輻射的要求，僅在MIL-E-5007E、MIL-E-5007F及JSGS-87231A中有相關(guān)要求。與紅外線輻射要求相似，對(duì)紫外線輻射要求同樣集中在方位角、俯仰角、紅外線輻射帶通條件、高度、發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)等方面，如表4所示。

由表4可以看出，紫外線輻射要求的演變過程與紅外線輻射要求相似。隨著紫外線輻射理論及探測(cè)技術(shù)的發(fā)展及成熟，紫外線輻射要求被寫入發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范中，并在一段時(shí)間內(nèi)根據(jù)理論及技術(shù)的發(fā)展成果進(jìn)行修改。但由于某些原因，紫外線輻射要求在2007系列標(biāo)準(zhǔn)中被取消，但在“尾噴管系統(tǒng)”中提及：“噴管設(shè)計(jì)過程中所用的數(shù)據(jù)應(yīng)包括推力、重量、尺寸、阻力、穩(wěn)定性、外部流場(chǎng)、低可見性、燃油噴出、紫外輻射、紅外輻射或其他可見信號(hào)和冷卻要求間的折中”，可見紫外線輻射仍舊是發(fā)動(dòng)機(jī)隱身性中應(yīng)考慮的因素之一。

2.4 雷達(dá)橫截面

雷達(dá)橫截面也稱“雷達(dá)截面”、“雷達(dá)回波面積”或“雷達(dá)散射截面”，用以表示雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)有效電子尺寸。雷達(dá)橫截面特征信息可用來供飛行器一體化、發(fā)動(dòng)機(jī)和飛行器設(shè)計(jì)權(quán)衡以及戰(zhàn)斗戰(zhàn)術(shù)發(fā)展使用。在標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)雷達(dá)橫截面要求主要集中在頻率范圍、方位角和俯仰角等方面，如表5所示。

雷達(dá)橫截面要求是航空發(fā)動(dòng)機(jī)隱身的基本指標(biāo)之一，貫穿于航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范的發(fā)展過程。隨著雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)探測(cè)頻率不斷拓寬，雷達(dá)定向威脅使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)必須在更寬的探測(cè)頻率范圍內(nèi)滿足雷達(dá)橫截面要求，由表5中可以看出，從5007系列到87231A，雷達(dá)橫截面的頻率范圍從（2～18）kHz拓寬至800Hz～18kHz，在2007系列中，頻率范圍更是有具體數(shù)值要求變?yōu)楦鶕?jù)威脅情況確定，使標(biāo)準(zhǔn)使用更加靈活。

表4 國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范中對(duì)紫外線輻射要求對(duì)比

表5 國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范中對(duì)雷達(dá)橫截面要求對(duì)比

2.5 噪聲

作為飛機(jī)噪聲主要組成部分之一，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲直接影響飛機(jī)乘坐舒適性及軍用飛機(jī)任務(wù)成功率，必須予以規(guī)定。與其他要求相比，噪聲要求的變化相對(duì)較小。

對(duì)于噪聲要求，在5007系列標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：“發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，在全部工作狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲等場(chǎng)強(qiáng)線圖的不連續(xù)頻率與帶寬的噪聲成分應(yīng)減到最小。規(guī)范中應(yīng)示出在最大、最小加力、中間、最大連續(xù)、90%最大連續(xù)、75%最大連續(xù)、最大反推力及慢車狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲標(biāo)志等場(chǎng)強(qiáng)線圖”。

在JSGS-87231A和2007系列標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)噪聲要求變?yōu)椋骸拔窗惭b的發(fā)動(dòng)機(jī)（帶矢量噴管或不帶矢量噴管）在海平面靜止工作的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的噪聲水平，不應(yīng)超過規(guī)定水平”，同時(shí)，隨著矢量推力在發(fā)動(dòng)機(jī)中的廣泛使用，在JSGS-87231A和2007系列標(biāo)準(zhǔn)中要求：“對(duì)于帶矢量噴管的發(fā)動(dòng)機(jī)，噪聲測(cè)量應(yīng)包括按使用部門確定的從中心線以等于或少于5°的增量變化的所有矢量位置。這可能要求改變發(fā)動(dòng)機(jī)在室外試車臺(tái)上的安裝。”

霧是由近似為球形的霧滴粒子組成，半徑通常在1～60 μm之間.由于霧的粒子半徑不全部相同，霧的消光特性是粒子群中全部粒子消光效果的疊加.因此在研究霧滴粒子的光散射問題時(shí)，特別是針對(duì)平流霧和輻射霧這兩種霧介質(zhì)，采用基于Mie散射理論的多粒子散射研究方法，可以得到比較可靠的結(jié)果.

隨著噪聲檢測(cè)方法的不斷提高、對(duì)噪聲機(jī)理研究的不斷深入和發(fā)動(dòng)機(jī)自身新技術(shù)的采用，通用標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)噪聲的要求也隨之發(fā)生改變，除增加了需要進(jìn)行噪聲檢測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，還增加了對(duì)帶矢量噴管發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲要求。

2.6 排煙

煙尾跡是發(fā)動(dòng)機(jī)排出的穩(wěn)定的一連串的碳顆粒物質(zhì)，是可見的，有統(tǒng)計(jì)表明，排煙可見度高的發(fā)動(dòng)機(jī)，其戰(zhàn)斗時(shí)飛機(jī)損失可增加10倍，因此，有必要對(duì)其進(jìn)行要求。影響排煙的參數(shù)主要包括燃油、工作狀態(tài)、測(cè)量方法等，如表6所示。

在美軍標(biāo)中，一直采用APR 1179中的原理對(duì)排煙進(jìn)行測(cè)量，期間發(fā)生了一些問題，隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和對(duì)這些問題解決過程進(jìn)行總結(jié)，在20世紀(jì)90年代編寫2007系列標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不再規(guī)定要求使用APR 1179的測(cè)量方法，并且對(duì)仍采用該方法進(jìn)行測(cè)量給出了說明：“使用APR 1179的原理進(jìn)行的排煙測(cè)量偶爾會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排出的燃?xì)馐遣豢梢姷腻e(cuò)誤結(jié)論。環(huán)境條件（濕度）和觀看角度產(chǎn)生了認(rèn)為可見的排煙尾跡是沒煙的。需要良好的理解這種方法，以便防止得出錯(cuò)誤的結(jié)論”。

另外，在2007系列標(biāo)準(zhǔn)中，要求至少應(yīng)該確定包括中間狀態(tài)在內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)4個(gè)功率設(shè)定狀態(tài)的排煙量級(jí)，例如，慢車狀態(tài)、40%中間狀態(tài)、75%中間狀態(tài)、中間狀態(tài)。對(duì)于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，可使用慢車狀態(tài)、25%最大連續(xù)狀態(tài)、75%最大連續(xù)狀態(tài)、最大連續(xù)狀態(tài)、中間和最大狀態(tài)。這種改變?cè)僖淮误w現(xiàn)出了2007系列標(biāo)準(zhǔn)的廣泛適用性，對(duì)于一般情況，測(cè)試4個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)典型工作狀態(tài)即可，在有要求的情況下，可以針對(duì)特定環(huán)境或條件選擇其他發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，使測(cè)量結(jié)果能夠最大程度地滿足使用要求。

2.7 氣體排放物

發(fā)動(dòng)機(jī)氣體排放物主要包括一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉xCy）和氮氧化合物（NOx），會(huì)對(duì)人和環(huán)境造成危害，而這些排放物（包括二氧化碳和水）在某些條件下也是可看見的。因此，對(duì)于隱身性能要求較高的發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)，應(yīng)該對(duì)氣體排放物進(jìn)行規(guī)定。影響氣體排放物的參數(shù)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、被測(cè)氣體成分、測(cè)量方法、測(cè)量狀態(tài)等，如表7所示。

表6 國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范中對(duì)排煙要求對(duì)比

隨著人們大氣環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣體排放物的要求也越來越高，由表7可以看出，相應(yīng)的要求由最初的只在發(fā)動(dòng)機(jī)最大、中間和慢車狀態(tài)測(cè)量氣體排放物，逐漸發(fā)展成為對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各種功率狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。

2.8 燃油流/油氣團(tuán)的噴出

發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)燃油流和油氣團(tuán)的噴出是由于燃油控制器和加力燃燒室的問題，一旦被觀測(cè)到，即會(huì)影響飛機(jī)隱身性能，因此，有必要在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)其進(jìn)行要求。對(duì)燃油流/油氣團(tuán)噴出的要求在5007系列標(biāo)準(zhǔn)中是沒有的，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)及性能的發(fā)展，這一問題逐漸產(chǎn)生，在JSGS-87231A和2007系列標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)其進(jìn)行了要求。

在JSGS-87231A和2007系列標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于燃油流/油氣團(tuán)的噴出規(guī)定：“發(fā)動(dòng)機(jī)使用部門規(guī)定的任何主燃油或代用燃油，在任何過渡態(tài)或穩(wěn)態(tài)工作過程中，在慢車或慢車以上任意功率設(shè)定狀態(tài)，不應(yīng)排出可見的未燃燒燃油（燃油流/油氣團(tuán)）”。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用情況來看，在加力接通期間，可能會(huì)出現(xiàn)油氣團(tuán)。但通常在油門切斷加力工作過程中這一現(xiàn)象更為明顯。因此，該要求主要適用于帶加力發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)，但并不僅限于此，對(duì)于不帶加力發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)，這一要求仍可使用。

2.9 水蒸汽凝結(jié)尾流

在發(fā)動(dòng)機(jī)排放物中會(huì)包含水蒸氣，由于水是燃燒的副產(chǎn)品，因此，抑制尾流是難以實(shí)現(xiàn)的，而水蒸氣凝結(jié)尾流可能在很長(zhǎng)距離的范圍內(nèi)被目視觀測(cè)到，對(duì)于高隱身性要求的飛機(jī)來說，這無疑增加了被攻擊的可能性，因此，需要在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于水蒸氣凝結(jié)尾流進(jìn)行要求。與燃油流/油氣團(tuán)的噴出要求相同，對(duì)水蒸氣凝結(jié)尾流的要求在5007系列標(biāo)準(zhǔn)中也是沒有的，從JSGS-87231A開始對(duì)其進(jìn)行要求。

在JSGS-87231A和2007系列標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于水蒸氣凝結(jié)尾流規(guī)定：“發(fā)動(dòng)機(jī)使用部門規(guī)定的任何主燃油或代用燃油，在任何過渡態(tài)或穩(wěn)態(tài)工作過程中，不應(yīng)排出水蒸汽凝結(jié)尾流”。

由于并不是所有任務(wù)都需要高隱身性，因此在進(jìn)行飛行試驗(yàn)時(shí)，在飛行包線的某些趨于觀察到凝結(jié)尾流是可以的，對(duì)于凝結(jié)尾流的要求應(yīng)“聚焦在不可接受凝結(jié)尾流的任務(wù)情況”。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)紅外線輻射、紫外線輻射、雷達(dá)橫截面、噪聲、排煙、氣體排放物、燃油流/油氣團(tuán)的噴出和水蒸汽凝結(jié)尾流等8個(gè)方面國(guó)外通用規(guī)范中相關(guān)要求的分析，可以清晰地看到各項(xiàng)隱身技術(shù)原理和探測(cè)技術(shù)發(fā)展對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的影響歷程，作為技術(shù)的沉淀和總結(jié)，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于要素的要求也由最初的以數(shù)值為代表的具體要求，逐漸變?yōu)榭筛鶕?jù)使用環(huán)境、任務(wù)情況、測(cè)試技術(shù)等諸多因素權(quán)衡得出，提升了標(biāo)準(zhǔn)的適用性和可操作性。

以國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范中的隱身要求為參考，我國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)隱身標(biāo)準(zhǔn)仍有大量工作需要開展，一方面，在進(jìn)行隱身技術(shù)研究的過程中，及時(shí)將突破的關(guān)鍵成果和經(jīng)驗(yàn)形成標(biāo)準(zhǔn)，并隨技術(shù)提升不斷對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂完善。同時(shí)，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)隱身技術(shù)并不是單一學(xué)科，涉及到設(shè)計(jì)、材料、工藝等眾多領(lǐng)域，是一項(xiàng)綜合的系統(tǒng)工程，因此，在形成隱身標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，也不能僅僅制定頂層要求，應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象進(jìn)行細(xì)化，形成一整套標(biāo)準(zhǔn)，使頂層標(biāo)準(zhǔn)及支撐標(biāo)準(zhǔn)搭配合宜，實(shí)用適用。另一方面，充分發(fā)揮先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的牽引作用，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上參考國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充，全面提升我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)隱身性能，提高我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)隱身標(biāo)準(zhǔn)水平。