紅外隱身技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

李 波

（海軍駐長春地區(qū)航空軍事代表室，吉林長春130033）

紅外隱身技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

李 波

（海軍駐長春地區(qū)航空軍事代表室，吉林長春130033）

從斯忒藩—波爾茲曼定律出發(fā)，闡述了紅外隱身的基本原理，分析得出實現(xiàn)紅外隱身的幾種方法。介紹了紅外隱身材料的作用機理，指出了目前這些材料存在的主要問題，然后描述了紅外隱身技術(shù)在軍事上的具體應(yīng)用和研究進(jìn)展，總結(jié)了紅外隱身技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。最后，指出今后的研究將主要在以下兩方面展開：一是尋求全波段多隱身技術(shù)的兼容；二是對現(xiàn)有方法進(jìn)行改進(jìn)并探索新的紅外隱身方法。

紅外隱身；紅外輻射特性；隱身材料；多波段

1 引 言

隨著紅外探測技術(shù)和紅外精確制導(dǎo)武器的發(fā)展，飛機、坦克等軍事目標(biāo)要想在日益復(fù)雜而惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中具有足夠的生存力，必須采用包括紅外隱身在內(nèi)的各種隱身技術(shù)來降低自身被探測的概率。為此，以降低目標(biāo)紅外輻射強度和削弱敵方探測效能為宗旨的紅外隱身技術(shù)受到了各軍事強國的重視［1］。本文就紅外隱身原理、紅外隱身材料、紅外隱身技術(shù)的軍事應(yīng)用及發(fā)展趨勢進(jìn)行了研究和探討。

2 紅外隱身技術(shù)概述

紅外隱身技術(shù)主要是通過減小或改變目標(biāo)的紅外輻射特性來降低紅外探測系統(tǒng)對目標(biāo)的探測概率。具體措施包括改進(jìn)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，對主要發(fā)熱部件進(jìn)行強制冷卻，表面涂覆紅外隱身材料，使用紅外偽裝和遮蔽等［2］。

2.1 紅外隱身的基本原理

根據(jù)斯忒藩-波耳茲曼定律，物體在所有可能方向和波長范圍內(nèi)的輻射功率為：

式中，Eb為黑體的全波長輻射功率（W·m-2）；ε為物體的發(fā)射率；c1為第一輻射常數(shù)（c1= 2πhc20）；c2為第二輻射常數(shù)（c2=hc2/kB），kB為波耳茲曼常數(shù)；σ為斯忒藩-波耳茲曼常數(shù)；T為物體的絕對溫度（K）。

紅外探測系統(tǒng)的最大作用距離計算如下：

式中：R為作用距離；D*為紅外探測器探測率；At為目標(biāo)輻射面積；A0為紅外探測系統(tǒng)入瞳面積；τ0為紅外系統(tǒng)光學(xué)透過率；τa為作用距離R下的大氣透過率；Nt為由彌散引起的目標(biāo)所占像元數(shù)；Ad為探測器單元的面積；Δf為放大電路等效噪聲帶寬；VS/VN為信號處理器可接受的信噪比；Lb為背景輻射亮度；Lt為目標(biāo)輻射亮度；其中：

紅外隱身的目的就是降低或改變目標(biāo)的紅外輻射特性，減小紅外探測系統(tǒng)對目標(biāo)的作用距離，從而降低目標(biāo)被探測的概率。由式（1）～（3）可知，要減小紅外探測系統(tǒng)對目標(biāo)的作用距離，可通過以下方式來實現(xiàn)：（1）降低物體表面的發(fā)射率；（2）控制物體表面的溫度，減小目標(biāo)與背景的溫差；（3）減小目標(biāo)高溫區(qū)輻射面積；（4）采用光譜轉(zhuǎn)換技術(shù)使目標(biāo)紅外輻射偏移到探測系統(tǒng)的響應(yīng)波段之外。

在實際的紅外探測過程中，物體發(fā)出的紅外輻射通過大氣傳輸才能到達(dá)紅外探測器。大氣傳輸過程中紅外輻射會因波長不同而有不同程度的衰減，通常把大氣衰減較少的波長區(qū)域稱為大氣窗口。大氣的紅外窗口有以下3個波段：短波1～2.5μm、中波3～5μm、長波8～14μm，紅外輻射在這3個波段以外基本上是不透明的，目前使用的紅外探測器大都工作在這3個波段內(nèi)。根據(jù)這一特點，可以采用合適的材料作為表面涂層，調(diào)節(jié)己方軍事目標(biāo)的紅外輻射波段至大氣窗口之外，使得對方紅外探測器無法探測到己方目標(biāo)的紅外輻射能量。

2.2 紅外隱身的主要技術(shù)措施

綜合以上紅外隱身原理分析可知，常見的紅外隱身方法主要包括：（1）改變目標(biāo)紅外輻射傳輸路徑；（2）改變目標(biāo)紅外輻射特性；（3）降低目標(biāo)紅外輻射強度；（4）進(jìn)行光譜轉(zhuǎn)換。

2.2.1 改變目標(biāo)紅外輻射傳輸路徑

改變紅外輻射傳輸路徑主要是改變目標(biāo)周圍大氣的光譜透過率，以達(dá)到屏蔽和對紅外探測器干擾的作用。煙幕以其較好的經(jīng)濟性和較高的實用性在海上軍事艦艇紅外隱身方面得到了廣泛的應(yīng)用。煙幕的主要功能是通過在空中施放氣溶膠微粒，改變電磁波介質(zhì)傳輸特性，實施對光電探測、觀瞄和制導(dǎo)武器系統(tǒng)的干擾。在紅外方面其隱身作用機理主要是：（1）使得目標(biāo)周圍大氣路徑上充滿煙幕微粒，對物體紅外輻射產(chǎn)生強烈的吸收和散射作用，削弱紅外偵察和制導(dǎo)系統(tǒng)中紅外探測器接收信號的強度，使之無法成像；（2）煙幕本身可以發(fā)出更強的紅外輻射，覆蓋目標(biāo)及背景的紅外輻射，使紅外探測設(shè)備只能探測到一片模糊影像［3］。但是由于煙幕必須懸浮在目標(biāo)的周圍，所以多用于保護(hù)靜止和慢速運動的目標(biāo)。

煙幕干擾基本原理如圖1所示。紅外探測系統(tǒng)對距離R處的目標(biāo)進(jìn)行探測，在沒有干擾的情況下，目標(biāo)與背景輻射之差為：

式中，τa、Lpath分別紅外系統(tǒng)和目標(biāo)之間的大氣透過率和路徑輻射，Lt、Lb分別為目標(biāo)和背景輻射亮度。

圖1 煙幕對紅外輻射衰減的原理圖Fig.1 Principle diagram of decay of smoke screen on infrared radiation

在實施煙幕干擾的情況下，目標(biāo)與背景輻射之差為：

式中，τsmoke、Lsmoke分別為煙幕的透過率和有效輻射亮度。

目標(biāo)背景輻射之差受煙幕消光的衰減系數(shù)為：

煙幕對紅外系統(tǒng)的遮蔽率為：

式（4）～（8）是從目標(biāo)背景輻射差的角度來分析煙幕消光影響的。為直觀起見，可以從紅外系統(tǒng)的目標(biāo)背景輸出值之差的角度進(jìn)行分析。沒有煙幕干擾時的目標(biāo)背景輸出值之差為：

式中，DNt、DNb分別為紅外系統(tǒng)的目標(biāo)和背景測量輸出值。有煙幕干擾時的目標(biāo)背景輸出值之差為：

式中，DN′t、DN′b分別為有煙幕干擾時紅外系統(tǒng)的目標(biāo)和背景輸出值，則煙幕對紅外系統(tǒng)的遮蔽率為：

2.2.2 改變目標(biāo)紅外輻射特性

改變目標(biāo)紅外輻射特性的主要措施是改變目標(biāo)的主要紅外輻射波段以及模擬背景輻射特性，使得敵方紅外探測器無法探測或識別己方目標(biāo)的紅外輻射。

改變目標(biāo)主要紅外輻射波段，其一是使得目標(biāo)主要紅外輻射在對方探測器的工作波段以外，另外是使己方目標(biāo)的主要紅外輻射集中在大氣強損耗波段。具體應(yīng)用如：通過向燃料中加入特殊添加劑，使排氣尾焰的紅外輻射帶偏移到紅外探測系統(tǒng)的響應(yīng)波段之外；采用紅外變頻材料制作有關(guān)的結(jié)構(gòu)部件等。實例之一為目前國外采用的一種特殊燃料，使飛機排氣尾焰輻射偏移到5～8μm的大氣強損耗波段。

模擬背景輻射特性即紅外圖形迷彩，是指通過使用不同發(fā)射率的材料來改變目標(biāo)物體各部分紅外輻射分布狀態(tài)，使得目標(biāo)與背景的紅外輻射分布狀態(tài)相協(xié)調(diào)，從而目標(biāo)的紅外圖像成為整個背景紅外圖像的一部分，使得敵方探測器難以識別。例如目前采用的紅外光區(qū)四色變形迷彩涂料等。瑞典采用的角形結(jié)構(gòu)碎片迷彩以及前西德陸軍采用的歪曲車輛陰影圖案，都收到了較好的效果。

2.2.3 降低目標(biāo)紅外輻射強度

根據(jù)斯特潘-波爾茲曼定律，降低目標(biāo)的紅外輻射強度主要是通過降低物體表面的發(fā)射率和物體表面的溫度來實現(xiàn)的。具體技術(shù)手段有：表面涂發(fā)射率較低的材料；減少散熱源；采用熱屏蔽手段使得目標(biāo)內(nèi)部熱量難以外傳；對噴管等重要部位進(jìn)行降溫；降低發(fā)動機排氣管溫度；廢氣廢水冷卻；注入紅外吸收劑降低尾焰溫度等。

2.2.4 采用光譜轉(zhuǎn)換技術(shù)

實現(xiàn)光譜轉(zhuǎn)換的主要手段是采用特定的涂料，使得目標(biāo)表面在3～5μm和8～14μm波段大氣窗口有較低的發(fā)射率，而在這兩個大氣窗口外的中遠(yuǎn)紅外波段上有較高的發(fā)射率。這樣，輻射能量的頻段主要在大氣窗口以外，完全被大氣吸收和散射掉，從而使得目標(biāo)難以被發(fā)現(xiàn)。

3 紅外隱身材料

紅外隱身材料是紅外隱身技術(shù)的重要途徑，隱身材料既可用于目標(biāo)蒙皮，又可用于目標(biāo)發(fā)熱部件，來減小或改變目標(biāo)紅外輻射特性達(dá)到隱身效果，還能使目標(biāo)紅外輻射特性模擬背景輻射特性以達(dá)到紅外偽裝效果［4］。紅外隱身材料使用方便，工藝簡單，品種較多，在紅外隱身技術(shù)中占有重要的地位。用于紅外隱身的材料應(yīng)具有符合要求的紅外輻射發(fā)射率或者較強的控溫能力，合理的表面結(jié)構(gòu)，較低的太陽輻射吸收率，并能與其他波段的隱身涂料兼容［5］。

涂層材料是紅外隱身材料研究的重點，根據(jù)其作用原理，可以將涂層材料分為紅外低輻射涂料和紅外偽裝涂料。

紅外低輻射隱身涂料是通過控制目標(biāo)表面的紅外發(fā)射率和隔熱來降低其紅外輻射功率，從而實現(xiàn)紅外隱身目的的。目前在低發(fā)射率紅外隱身涂料的研發(fā)方面，美國、法國、德國、瑞典等國的水平處于世界領(lǐng)先地位，其中有些涂料已經(jīng)發(fā)展成為通用的紅外隱身材料。美國《簡氏防務(wù)》2009年報道，Intermat公司研制開發(fā)的紅外隱身涂層噴涂50μm厚就可以限制目標(biāo)對熱輻射的吸收和發(fā)射［6］。法國研制出一種具有很好的磁導(dǎo)率和紅外輻射率的寬頻納米隱身涂料，這種涂料在較寬的頻帶內(nèi)有很好的隱身效果。德國研制出一種飛行器用的涂料，其組成中含有碳化硼、石墨導(dǎo)電性炭黑、碳化硅和聚乙炔等，該涂料在波長小于14μm時可實現(xiàn)紅外隱身，而且本身具有較強的防腐能力。瑞典的Dlab Barracuda AB公司偽裝產(chǎn)品的開發(fā)也已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平［7］。

紅外偽裝涂料主要針對短波紅外隱身，在近紅外波段，探測器主要是利用目標(biāo)反射的紅外輻射能量來探測和識別目標(biāo)。類似于可見光隱身中的迷彩技術(shù)，將目標(biāo)的表面分區(qū)后涂上不同紅外發(fā)射率的材料，使其余背景的紅外輻射相協(xié)調(diào)，達(dá)到偽裝的目的。這一技術(shù)在坦克、越野汽車等陸上目標(biāo)紅外隱身中得到了應(yīng)用，需要根據(jù)目標(biāo)不同位置的溫度和所處的環(huán)境來選擇涂料。

從紅外隱身材料的研究現(xiàn)狀看，主要存在兩方面的問題：其一是成本高，壽命短，耐腐蝕性差［9］；其二是隱身材料的可見、激光、紅外、雷達(dá)多頻段兼容問題并沒有得到解決。

4 紅外隱身的軍事應(yīng)用

紅外隱身技術(shù)廣泛應(yīng)用于飛機、地面武器裝備和艦艇等軍事目標(biāo)。

4.1 飛機的紅外隱身技術(shù)

飛機的熱輻射主要產(chǎn)生于發(fā)動機、發(fā)動機噴口、排氣氣流、機體蒙皮等。實現(xiàn)飛機紅外隱身的主要技術(shù)措施包括：采用紅外輻射較弱的渦扇發(fā)動機，并通過對發(fā)動機進(jìn)行隔熱，防止其熱量傳給機身；在噴管內(nèi)部涂低發(fā)射率材料；在燃料中加入添加劑抑制和改變尾焰的紅外輻射頻段；飛機表面涂紅外隱身涂料；釋放偽裝氣溶膠煙幕；改進(jìn)外形設(shè)計減小機體摩擦以降低蒙皮溫度等［8］。例如，美國的F-22戰(zhàn)斗機通過矢量可調(diào)管壁來降低其二元矢量噴管所產(chǎn)生的紅外輻射，垂尾、平尾、尾撐向后延伸以遮蔽發(fā)動機噴口的紅外輻射，在熾熱噴流飛出尾噴口前就得到了降溫，因而紅外特征顯著降低。美國F-117A戰(zhàn)機為了紅外隱身，采用了新型燃料，這種燃料能高速燃燒，又可急速冷卻，在采用二元噴管后，紅外輻射能量降低約90%。歐洲2000戰(zhàn)斗機以及美國和英國的聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機（JSF），都使用了推力矢量技術(shù)，其二元推力矢量噴口被向后伸展的平尾和立尾所遮擋，達(dá)到很好的紅外隱身效果。就目前的發(fā)展水平來看，飛機的紅外隱身技術(shù)已經(jīng)比較成熟，達(dá)到實用階段并且已經(jīng)開始應(yīng)用于軍用飛機的制造中。

4.2 坦克等地面武器的紅外隱身技術(shù)

坦克的紅外輻射主要來源包括：發(fā)動機、煙囪、煙羽、表面輻射和對外界短波輻射的反射等。主要通過采用效率高、熱損耗小的發(fā)動機減少發(fā)熱量，改變排氣通道位置和形狀并進(jìn)行冷卻，發(fā)熱部位隔熱，表面涂低發(fā)射率材料和迷彩偽裝等措施來實現(xiàn)紅外隱身。

4.3 艦艇等海上武器裝備的紅外隱身技術(shù)

艦艇的紅外輻射源主要是煙囪管壁、排氣煙羽和艦體表面。對艦艇進(jìn)行紅外輻射抑制的技術(shù)手段主要分3種：降溫、紅外屏蔽和隱身涂料，其中降溫是最常用和最有效的策略。

具體實施方法包括：改變煙囪的位置和形狀、對機艙水冷降溫、高溫表面涂絕熱層、艦船表面噴淋海水和涂隱身材料等。20世紀(jì)70年代初，美國和加拿大就開始了控制艦艇排氣系統(tǒng)紅外輻射的研究，至今已經(jīng)歷了海水噴射、簡單噴射混合、全氣膜冷卻三代技術(shù)。瑞典的“維斯比”級輕型護(hù)衛(wèi)艦采用碳纖維塑料增強型夾層板和特殊的煙囪設(shè)計方式，煙囪出口設(shè)在艦艇的尾部，將廢氣從艦尾排出至海上冷卻，達(dá)到了很好的紅外隱身效果。法國海軍“拉斐特”級護(hù)衛(wèi)艦在隔熱處理方面設(shè)計獨特，煙囪采用玻璃鋼制造再涂以一種低輻射的特殊涂料，加強隔熱效果的同時還對發(fā)動機排氣口和玻璃鋼排氣管做了精細(xì)的隔熱處理。美國的“斯普魯恩斯”級驅(qū)逐艦采用了排氣引射系統(tǒng)以降低排氣溫度，同時煙道內(nèi)布置有噴霧系統(tǒng)，在受到攻擊時可以噴出水霧以冷卻煙氣。英國研制的“?；辍碧栕o(hù)衛(wèi)艦也安裝了噴霧系統(tǒng)，需要時該系統(tǒng)會在幾秒鐘內(nèi)噴出細(xì)密的水霧使得艦體籠罩在薄霧中，與海天背景融為一體，實現(xiàn)很好的隱身效果。

5 紅外隱身技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著紅外探測器技術(shù)的迅速發(fā)展，紅外探測手段趨于高精度、智能化和多樣化，這就對紅外隱身技術(shù)提出了新的更高的要求。根據(jù)紅外隱身技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，其發(fā)展趨勢可以總結(jié)為兩方面：一是尋求各波段各種隱身技術(shù)的兼容，即全波段隱身技術(shù)；二是對現(xiàn)有方法進(jìn)行改進(jìn)并探索新的紅外隱身方法。

5.1 各波段隱身技術(shù)的兼容

隨著現(xiàn)代探測手段的日益多樣化，針對單一波段或者單一類型探測器的隱身技術(shù)已經(jīng)不能適應(yīng)戰(zhàn)爭的需要。因此人們未來將會更加重視全波段隱身技術(shù)，即兼顧聲波、雷達(dá)毫米波、紅外、可見光、紫外等頻段的隱身技術(shù)，而實現(xiàn)全波段隱身技術(shù)主要是依靠高性能的隱身材料［10-12］。法國海軍的“拉裴特”級護(hù)衛(wèi)艦是已經(jīng)投入實用的具有較出色隱身效果的多波段隱身戰(zhàn)艦。美、德、瑞典等國在多波段隱身技術(shù)方面的研究水平已經(jīng)達(dá)到可見光、近紅外、中遠(yuǎn)紅外和雷達(dá)毫米波四頻段兼容。

5.2 現(xiàn)有方法的改進(jìn)和新的紅外隱身方法

對現(xiàn)有方法的改進(jìn)主要包括目標(biāo)表面結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、主要熱源隔熱方法的優(yōu)化、現(xiàn)有隱身材料的合理使用等，目的是使得現(xiàn)有的隱身措施效果更好，以應(yīng)對探測和識別精度更高的紅外制導(dǎo)武器。

新的紅外隱身方法主要包括新型隱身材料和新的隱身技術(shù)。新型隱身材料包括手性材料、納米隱身材料、導(dǎo)電高聚物材料、多晶鐵纖維吸收劑、智能隱身材料等［13］。未來的隱身涂料應(yīng)具備以下性能：具有較低的紅外發(fā)射率和可見光吸收率；具有對熱輻射進(jìn)行漫反射的合理表面結(jié)構(gòu)；能與其它波段的隱身要求兼容；具有良好的機械性能和耐腐蝕性［14］。新的隱身手段主要指目標(biāo)外形設(shè)計、熱源冷卻方法和新的隱身機理。

6 結(jié)束語

隨著紅外隱身技術(shù)的發(fā)展，紅外隱身技術(shù)廣泛應(yīng)用于空中、地面和海上的軍事目標(biāo)。各種新的隱身方法、隱身材料不斷開發(fā)出來，紅外隱身技術(shù)正朝著全頻段、智能化發(fā)展，在未來的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中將發(fā)揮更加重要的作用。

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Application and development trend of infrared stealth technology

LIBo
（Navigation Resident Office of the Navy at Changchun，Changchun 130033，China）
*Corresponding author，E-mail：li86@sina.com

The principle of infrared stealth is introduced based on the Stefan-Boltzmann law firstly in this paper.Severalmethods for infrared stealth are given.The working mechanism of the infrared stealth materials are introduced，and some unsolved problems are put forward.Then，military applications and research progress are briefly described.Finally，the development trend of infrared stealth is summarized.It suggests that the future research willmainly include two aspects：one is to solve the combination of variouswaveband stealth technologies；the other is to improve existingmethods and to explore new methods of infrared stealth.

infrared stealth；infrared radiation characteristic；stealthymaterial；multiband

TN219；TN976

A

10.3788/CO.20130606.0818

1674-2915（2013）06-0818-06

2013-09-14；

2013-11-17

李 波（1972—），男，湖北隨州人，碩士，工程師，主要從事光電設(shè)備的監(jiān)造與驗收方面的研究。E-mail：li86@sina.com