針對(duì)遙感探潛的潛艇紅外隱身技術(shù)評(píng)價(jià)方法*

王建勛 鄧海華 孫國(guó)倉(cāng)

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430205)

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針對(duì)遙感探潛的潛艇紅外隱身技術(shù)評(píng)價(jià)方法*

王建勛 鄧海華 孫國(guó)倉(cāng)

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430205)

針對(duì)目前主要的紅外探潛手段來(lái)自于衛(wèi)星和反潛機(jī)的遙感探測(cè),論文對(duì)潛艇的紅外隱身相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析總結(jié),探討了適用于評(píng)價(jià)潛艇紅外隱身技術(shù)的方法。在給出遙感紅外探潛手段探測(cè)距離計(jì)算模型的基礎(chǔ)上,提出了適用于潛艇紅外隱身性能和效能評(píng)價(jià)的相關(guān)參數(shù),為實(shí)現(xiàn)紅外隱身技術(shù)的效果對(duì)比提供分析手段。

遙感探潛; 紅外隱身; 評(píng)估體系; 性能評(píng)價(jià); 效能評(píng)價(jià)

Class Number U674.76

1 引言

隱蔽性是潛艇的基本特征。提高潛艇隱身性能,需從降低潛艇的聲場(chǎng)、電磁場(chǎng)、雷達(dá)散射場(chǎng)和紅外輻射場(chǎng)等物理場(chǎng)特征為主要努力方向[1～4],從而降低潛艇被發(fā)現(xiàn)的概率,提高潛艇的生存能力。作為潛艇產(chǎn)生的物理場(chǎng)之一,潛艇的紅外輻射特征主要來(lái)自于以下幾個(gè)方面:

1) 潛艇的圍殼、上建和升降裝置等設(shè)備可能會(huì)露出水面,在太陽(yáng)輻射等環(huán)境因素的持續(xù)影響下,這些設(shè)備的溫度會(huì)升高,導(dǎo)致其產(chǎn)生的紅外輻射能量最終會(huì)與周圍環(huán)境產(chǎn)生明顯差別,從而被紅外探測(cè)器發(fā)現(xiàn);

2) 潛艇航行時(shí)熱排放形成的熱尾流:潛艇在水下航行時(shí)不斷地把熱直接散射到周圍海水中。不管是常規(guī)潛艇還是核動(dòng)力潛艇,都用海水做冷卻水,特別是核潛艇,為了冷卻核動(dòng)力裝置,總是排放出大量的溫?zé)岷Ｋ?這些熱水會(huì)對(duì)海洋環(huán)境形成擾動(dòng),在潛艇的尾流中產(chǎn)生溫差信號(hào)從而形成熱尾流。在一定的條件下這種熱尾流會(huì)浮升至海面,即使核潛艇棲息海底也會(huì)形成一個(gè)從海底至海面的豎直“熱水管”。熱尾流在海面形成的溫度異常也能夠被紅外探測(cè)器捕獲[5]。

3) 潛艇航行時(shí)形成的冷尾流:潛艇在溫度分層的海水中航行時(shí),艇體及螺旋槳形成的漩渦將下層溫度較低的冷水翻滾至海面,使得同一水平層上尾流中的溫度較周圍海水溫度低從而形成冷尾流,試驗(yàn)證明冷尾流也能產(chǎn)生明顯的溫度異常特征從而被紅外探測(cè)器捕獲[6]。

4) 潛艇產(chǎn)生的熱排氣:對(duì)于常規(guī)潛艇,在通氣管狀態(tài)下,柴油機(jī)為蓄電池充電時(shí)柴油機(jī)排出的高溫廢氣會(huì)使?jié)撏е車暮Ｋ疁囟壬遊7],這部分海水的紅外熱特征與海面背景將產(chǎn)生明顯的紅外輻射差異,使得紅外探測(cè)器能夠發(fā)現(xiàn)。

針對(duì)潛艇紅外輻射特征的這幾個(gè)重要來(lái)源,可采用隱身材料技術(shù)、排氣降溫技術(shù)、排水控制技術(shù)和新型推進(jìn)器等技術(shù)來(lái)進(jìn)行抑制。為評(píng)估和分析這些隱身技術(shù)下的紅外隱身效能,并促進(jìn)各項(xiàng)新隱身技術(shù)的發(fā)展,本文將從設(shè)計(jì)的角度,對(duì)隱身技術(shù)評(píng)價(jià)體系做一些前期的探討,期望通過提出紅外隱身性能和效能評(píng)價(jià)參數(shù),能夠?yàn)楦顚哟蔚臐撏Ъt外隱身技術(shù)評(píng)估體系建立奠定基礎(chǔ)。

2 紅外隱身技術(shù)

2.1 紅外隱身材料技術(shù)

針對(duì)潛艇的圍殼、上建和升降裝置等可能會(huì)露出水面的設(shè)備,在其表面涂敷紅外隱身材料即可有效降低其與背景的輻射能量差異。由于上述設(shè)備基本上可確定為無(wú)內(nèi)熱源,不用考慮隔熱,所以主要考慮其對(duì)環(huán)境熱量的吸收和向環(huán)境輻射紅外能量。注意到環(huán)境熱量主要來(lái)自于太陽(yáng)輻射,而太陽(yáng)98%的輻射能量處于0.15μm～3μm的短波范圍內(nèi),基于熱傳導(dǎo)方程和紅外輻射理論分析可知,只要紅外隱身涂料在太陽(yáng)輻射的短波波段內(nèi)具有較低的吸收率,同時(shí)在紅外探測(cè)波段3μm～5μm或8μm～12μm內(nèi)具有較低的發(fā)射率[8],即可大幅降低這些設(shè)備向外輻射的紅外能量?？紤]到圍殼、上建和升降裝置等設(shè)備還可能面臨雷達(dá)、可見光和激光等探測(cè)設(shè)備的威脅,紅外隱身材料還要考慮與其他隱身材料的兼容性,如保證在雷達(dá)頻段具有高吸收率,在可見光波段(0.38μm～0.76μm)具有與海洋背景接近的反射率、及在激光波段(0.3μm～11μm,主要是1.06μm)具有低反射率。

2.2 熱排氣降溫紅外隱身技術(shù)

對(duì)常規(guī)潛艇熱排氣進(jìn)行紅外抑制可采用空氣冷卻、對(duì)流冷卻、噴淋冷卻和負(fù)壓區(qū)排氣等技術(shù)[7],利用這些技術(shù)可對(duì)排氣系統(tǒng)管壁及廢氣進(jìn)行冷卻,降低排氣系統(tǒng)高溫?zé)煔獾臏囟?從而減小紅外輻射。

空氣冷卻技術(shù)通過將冷空氣引入排氣管段同管內(nèi)高溫氣體發(fā)生引射,以在排氣管壁內(nèi)表面金屬上形成一個(gè)薄膜冷卻層,使排氣管壁面與高溫?zé)煔飧綦x,減少高溫?zé)煔馀c壁面的對(duì)流換熱,從而降低壁面溫度減小紅外輻射。對(duì)流冷卻技術(shù)通過引入冷卻水與排氣管壁進(jìn)行對(duì)流換熱,從而降低排氣溫度來(lái)減小紅外輻射。噴淋冷卻技術(shù)通過噴淋冷卻水與排氣接觸,利用水的汽化吸熱,對(duì)排氣進(jìn)行大幅度降溫來(lái)減小紅外輻射。負(fù)壓區(qū)排氣技術(shù)通過將通氣管排氣口布置在潛艇指揮臺(tái)圍殼附近流場(chǎng)的水動(dòng)力效應(yīng)所形成的“負(fù)壓區(qū)”,從而降低排氣溫度來(lái)減小紅外輻射。

2.3 熱排水控制紅外隱身技術(shù)

對(duì)于熱排水控制來(lái)說(shuō),提高熱量利用效率進(jìn)行合理的工況設(shè)計(jì),直接降低熱排放流量和排放水的溫度能有效降低熱排水在海面形成的紅外輻射特征;也可利用熱量存儲(chǔ)容器,在需要紅外隱身的作戰(zhàn)環(huán)境下開啟熱量存儲(chǔ)容器,對(duì)潛艇產(chǎn)生的熱量進(jìn)行短時(shí)存儲(chǔ),減少熱排水量以減弱熱排水在海面形成的紅外輻射特征。

在熱排放容量一定的情況下,還可通過熱排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)降低熱排水在海面形成的紅外輻射特征,可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)包括排放水流量、排放水溫度、排放口布置角度、排放口形狀和排放口尺寸等。已有研究發(fā)現(xiàn),降低熱排水出口溫差比減少熱排水流量更有利于降低熱軌跡中心與環(huán)境溫差,所以在熱排放容量一定的情況下合理的選擇排放水流量、排放水溫度能有效減弱熱排水在海面形成的熱軌跡紅外特征。同時(shí),冷卻水系統(tǒng)的排放角度對(duì)熱排水浮升高度影響十分明顯,在分層海水中熱排水能浮升的高度隨排放角度的增加有所下降,因此通過增加排放角可以在一定程度上降低熱排水的浮升高度,減弱熱排水在海面形成的熱軌跡紅外特征。在排放口形狀方面,研究者發(fā)現(xiàn)相比傳統(tǒng)的圓形熱水排放出口,橢圓形排放口的熱流浮升軌跡最大溫差下降速度較快,有利于降低熱水排放對(duì)海面溫度場(chǎng)的影響[9]。熱排水射流的直徑也會(huì)影響熱尾流的浮升速度,從而影響尾流熱軌跡中心與環(huán)境溫差異,以致影響水面形成熱軌跡的紅外特征。在對(duì)單因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,還可進(jìn)一步考慮熱排水系統(tǒng)產(chǎn)生的紅外特征與多因素的非線性關(guān)系,基于分布式排放控制的思想,對(duì)熱排水排放口位置、角度、形狀和尺寸進(jìn)行綜合優(yōu)化。

2.4 新型推進(jìn)技術(shù)

采用新型推進(jìn)技術(shù),可減小推進(jìn)器轉(zhuǎn)動(dòng)部分對(duì)分層海水的擾動(dòng),從而減弱冷尾流的溫差特征,如泵噴推進(jìn)技術(shù)和磁流體推進(jìn)技術(shù)[10]等。泵噴推進(jìn)技術(shù)采用一個(gè)能容納多葉片和大螺旋槳的外面罩作為導(dǎo)管,導(dǎo)管的前方有一圈固定的導(dǎo)向葉片作為定子,螺旋槳在導(dǎo)管內(nèi)作為轉(zhuǎn)子低速轉(zhuǎn)動(dòng),推動(dòng)潛艇運(yùn)動(dòng),這種推進(jìn)技術(shù)能改變螺旋槳葉片的壓力,減少尾流的形成,弱化螺旋槳對(duì)海水的擾動(dòng)。磁流體推進(jìn)器技術(shù)是把電能轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)磁場(chǎng),脈動(dòng)磁場(chǎng)在管道內(nèi)產(chǎn)生行波,海水在管道前面被吸入,由電磁感生的行波向后推斥海水,從而產(chǎn)生推力,這種推進(jìn)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是推力較大,水的紊流較小,海水受到的擾動(dòng)較小。

2.5 作戰(zhàn)使用控制

從作戰(zhàn)決策上,需要根據(jù)環(huán)境條件來(lái)進(jìn)行工況調(diào)整、增大下潛深度或熱排水容量存儲(chǔ)控制。環(huán)境條件包括實(shí)際海洋水文環(huán)境、天氣狀況、太陽(yáng)輻射和水面漂浮物質(zhì)等因素,在考慮這些因素對(duì)紅外隱身性的影響的基礎(chǔ)上,才能建立準(zhǔn)確地反映真實(shí)環(huán)境下潛艇的紅外輻射特性計(jì)算模型,并基于該計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行工況的選擇、安全潛深的預(yù)報(bào)以及熱排水容量的存儲(chǔ)控制。

3 紅外隱身技術(shù)評(píng)價(jià)方法

3.1 紅外輻射特征評(píng)價(jià)方法

工程實(shí)踐中常常將試驗(yàn)測(cè)試、仿真計(jì)算和理論分析有機(jī)結(jié)合起來(lái),以進(jìn)行紅外輻射特征評(píng)價(jià)。其中仿真計(jì)算用以指導(dǎo)試驗(yàn)測(cè)試,試驗(yàn)測(cè)試用以驗(yàn)證仿真計(jì)算,理論分析則用來(lái)將二者有效地銜接[11]。圖1形象地顯示了試驗(yàn)測(cè)試、仿真計(jì)算與評(píng)估體系之間的關(guān)系。通過仿真手段可建立典型工況下的紅外輻射特性計(jì)算模型,然后分析紅外輻射特性的影響因素和影響規(guī)律;利用仿真計(jì)算得到的影響規(guī)律可指導(dǎo)模型和實(shí)船試驗(yàn),通過試驗(yàn)測(cè)試對(duì)仿真計(jì)算得到的影響規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證,并對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行不斷修正和完善;根據(jù)經(jīng)過驗(yàn)證的隱身技術(shù)、工況條件、背景環(huán)境對(duì)紅外輻射特性的影響規(guī)律,可得到適用于任意條件的紅外輻射特性評(píng)估體系。

圖1 紅外輻射測(cè)試、仿真與評(píng)估技術(shù)的關(guān)系

3.2 紅外隱身技術(shù)評(píng)價(jià)實(shí)施方案

圖2 紅外隱身技術(shù)評(píng)價(jià)實(shí)施方案

紅外隱身技術(shù)評(píng)價(jià)實(shí)施方案如圖2所示。首先需要在數(shù)值仿真模型中考慮背景環(huán)境和隱身技術(shù)的影響,通過三維圖形建模建立紅外輻射特性的數(shù)值計(jì)算模型;然后利用此計(jì)算模型進(jìn)行不同隱身技術(shù)、背景環(huán)境(包括自然干擾和人為干擾)、運(yùn)行工況下紅外輻射特性的數(shù)值計(jì)算,得到大量仿真數(shù)據(jù),并通過特征提取和分析,找出隱身技術(shù)、背景環(huán)境、運(yùn)行工況對(duì)于紅外輻射特性的影響規(guī)律;接著在計(jì)算結(jié)果和影響規(guī)律的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)測(cè)試試驗(yàn),驗(yàn)證計(jì)算模型和影響規(guī)律的正確性,并對(duì)模型進(jìn)行修改和完善;然后在理論分析、仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果的基礎(chǔ)上,對(duì)遙感探測(cè)設(shè)備的性能進(jìn)行分析;最后根據(jù)探測(cè)設(shè)備性能制定紅外輻射特性評(píng)價(jià)指標(biāo),形成評(píng)估體系。

在整個(gè)方案中,試驗(yàn)測(cè)試是最終評(píng)估準(zhǔn)確性的保障。試驗(yàn)測(cè)試在理論分析和仿真計(jì)算的指導(dǎo)下進(jìn)行,必須做到全面、典型、準(zhǔn)確。在經(jīng)過仿真計(jì)算和理論分析后,明確了哪些因素對(duì)紅外輻射特性的影響大,哪些工況、哪些環(huán)境條件下的紅外輻射特征變化顯著,應(yīng)對(duì)影響隱身性能敏感參數(shù)、敏感狀態(tài)和敏感環(huán)境的物理場(chǎng)特性要重點(diǎn)測(cè)試。試驗(yàn)測(cè)試分為實(shí)船測(cè)試和模型測(cè)試兩類,考慮到測(cè)試難度和準(zhǔn)確性,應(yīng)將兩類測(cè)試方法結(jié)合使用。隱身技術(shù)的仿真主要用模型測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證,利用相似理論設(shè)計(jì)出模擬各種隱身技術(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置,測(cè)量結(jié)果也要換算到實(shí)際狀態(tài)下。但總體的紅外輻射特性仿真模型及背景環(huán)境仿真主要用實(shí)船測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證,在試驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)上,還需對(duì)紅外輻射特性計(jì)算模型進(jìn)行反復(fù)修改和完善。

在整個(gè)方案中,評(píng)價(jià)參數(shù)的制定是對(duì)紅外輻射特性進(jìn)行評(píng)價(jià)的前提。紅外輻射特性評(píng)價(jià)參數(shù)必須結(jié)合現(xiàn)有探測(cè)設(shè)備的水平和作戰(zhàn)需求來(lái)制定,具體包括隱身性能評(píng)價(jià)參數(shù)和隱身效能評(píng)價(jià)參數(shù)。隱身性能評(píng)價(jià)參數(shù)主要用來(lái)衡量隱身技術(shù)滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求的程度,為直接反映潛艇紅外輻射特征的參數(shù);隱身效能評(píng)價(jià)參數(shù)則反映著潛艇滿足期望使用目標(biāo)的程度,其與環(huán)境因素、作戰(zhàn)參數(shù)及其相互作用有關(guān),能直接指導(dǎo)作戰(zhàn)使用控制。下文將給出具體的紅外隱身技術(shù)性能評(píng)價(jià)參數(shù)和效能評(píng)價(jià)參數(shù)。

4 紅外隱身技術(shù)性能評(píng)價(jià)參數(shù)

4.1 遙感紅外探測(cè)器探測(cè)目標(biāo)的作用距離

對(duì)紅外隱身性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的首要任務(wù)是研究紅外探測(cè)器探測(cè)目標(biāo)的作用距離,針對(duì)不同目標(biāo)還要根據(jù)實(shí)際情況分為點(diǎn)源目標(biāo)和面源目標(biāo)進(jìn)行分別處理。當(dāng)目標(biāo)對(duì)探測(cè)器的張角大于探測(cè)器成像單元的瞬時(shí)視場(chǎng)角時(shí),目標(biāo)按面源目標(biāo)處理,反之則按點(diǎn)源目標(biāo)處理。

紅外隱身材料涂覆效果采用點(diǎn)源目標(biāo)方式進(jìn)行分析。對(duì)于點(diǎn)目標(biāo),一般從能量的角度考慮,直接用噪聲等效溫差NETD[12]來(lái)估算作用距離。若目標(biāo)的紅外輻射能量經(jīng)大氣衰減到達(dá)探測(cè)器后大于探測(cè)器的探測(cè)閾值,探測(cè)器就可以探測(cè)出目標(biāo),其作用距離估算方程為

ΔI·τ(R)=SNR·R2·NETD

(1)

式中:ΔI為目標(biāo)與背景的原始紅外輻射照度差,τ(R)為大氣光譜透過率,其是探測(cè)距離R的函數(shù),SNR為由探測(cè)概率決定的信噪比。

若不考慮發(fā)射率,僅用溫度表示,作用距離估算方程為

(2)

式中,ΔT為目標(biāo)與背景的原始溫差,α和β為紅外探測(cè)器的瞬時(shí)視場(chǎng)角,S為目標(biāo)的實(shí)際面積,對(duì)于點(diǎn)目標(biāo)來(lái)說(shuō)就是其溫度異常影響區(qū)域面積。

熱排氣、熱排水和冷尾流隱身效果采用面源方式進(jìn)行分析。對(duì)于面源目標(biāo)來(lái)說(shuō),一般用最小可分辨溫差MRTD法[12]。該方法指出了紅外探測(cè)器能夠觀察到目標(biāo)的基本條件:對(duì)于空間頻率為f的目標(biāo),其與背景的實(shí)際溫差在經(jīng)過大氣傳輸?shù)竭_(dá)熱成像系統(tǒng)時(shí),仍大于或等于該熱成像系統(tǒng)對(duì)應(yīng)該頻率的,同時(shí)目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的張角應(yīng)大于或等于探測(cè)水平所要求的最小視角,其作用距離估算方程為

(3)

式中,f為空間特征頻率,h為目標(biāo)高度,ne為按Johnson準(zhǔn)則所要求的目標(biāo)等效條帶數(shù)某一探測(cè)概率對(duì)應(yīng)的等效條帶對(duì)數(shù)[13],在這里ΔT可用平均溫度差進(jìn)行代替。

其中最小可分辨溫差MRTD為

(4)

式中,te為人眼積分時(shí)間,fp為幀頻,Δfn為噪聲等效帶寬,τd為單元探測(cè)器的駐留時(shí)間,MTF(f)為紅外探測(cè)器的調(diào)制傳遞函數(shù)。在考慮實(shí)際目標(biāo)的幾何尺寸與形狀后,還需對(duì)MRTD進(jìn)行修正:

(5)

式中,α0為目標(biāo)的長(zhǎng)寬比。

4.2 紅外隱身材料性能評(píng)價(jià)參數(shù)

作為點(diǎn)源目標(biāo)來(lái)進(jìn)行分析的紅外隱身材料的應(yīng)用效果,需要從發(fā)射率和吸收率方面對(duì)其提出技術(shù)指標(biāo),并最終以與實(shí)際使用工況對(duì)應(yīng)的特定環(huán)境下涂覆材料前后的輻射對(duì)比度來(lái)評(píng)價(jià)其隱身性能。

輻射對(duì)比度可表示為

(6)

式中,IT為目標(biāo)在探測(cè)器關(guān)注波段的紅外輻射照度,IB為背景在探測(cè)器關(guān)注波段內(nèi)的紅外輻射照度。在已知發(fā)射率和溫度的情況下,兩者均可基于斯蒂芬—玻爾茲曼定律計(jì)算得到。

采用輻射對(duì)比度C進(jìn)行隱身性能評(píng)價(jià),當(dāng)輻射對(duì)比度C小于一定值時(shí),紅外隱身效果才能滿足指標(biāo)要求。

4.3 紅外隱身技術(shù)性能評(píng)價(jià)參數(shù)

對(duì)于熱排氣,在排氣管結(jié)構(gòu)形式確定的情況下應(yīng)主要從排氣溫度方面提出技術(shù)指標(biāo);對(duì)于熱排水,在排放水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式確定的情況下應(yīng)主要從排放流量和排放溫度上提出技術(shù)指標(biāo);對(duì)于冷尾流,應(yīng)從推進(jìn)器的流體力學(xué)性能方面提出技術(shù)指標(biāo)。對(duì)于三種源在海面形成的紅外輻射特征,要采用以面源方式為主、點(diǎn)源方式為輔的方式進(jìn)行隱身性能分析。由于輻射目標(biāo)和背景海水的發(fā)射率均是一定的,在對(duì)各種隱身技術(shù)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)時(shí)主要關(guān)注海面溫度分布相關(guān)參數(shù),可提出以下評(píng)價(jià)參數(shù):

1) 最大溫度差:

(7)

式中,n用來(lái)表示面源目標(biāo)按測(cè)點(diǎn)布置進(jìn)行等面積劃分后的第n個(gè)面積元,tn表示,tn為第n個(gè)面積元。對(duì)于點(diǎn)源目標(biāo),可令其N=1,即退化為1個(gè)面積元。

2) 等效平均溫度差:

(8)

3) 溫度異常影響區(qū)域面積At及其幾何長(zhǎng)寬比kt。

對(duì)于點(diǎn)源目標(biāo)來(lái)說(shuō),采用最大溫度差和溫度異常影響區(qū)域面積即可分析作用距離,評(píng)估紅外隱身性能;而對(duì)于面源目標(biāo)來(lái)說(shuō),等效平均溫度差、溫度異常影響區(qū)域面積及其幾何長(zhǎng)寬比常用來(lái)評(píng)估紅外探測(cè)器的發(fā)現(xiàn)距離,但也要考慮局部溫度異常過大會(huì)形成強(qiáng)/弱輻射點(diǎn)源目標(biāo)的情況,所以針對(duì)面源目標(biāo)要綜合考慮最大溫度差、等效平均溫度差、溫度異常影響區(qū)域面積及其幾何長(zhǎng)寬比來(lái)進(jìn)行評(píng)估。顯然,對(duì)于熱排氣、熱排水和冷尾流形成的紅外輻射源,應(yīng)采用面源目標(biāo)的評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行隱身性能評(píng)價(jià),當(dāng)溫差Δtmax和Δtrss小于一定水平且溫度異常影響區(qū)域尺寸At和kt滿足一定要求時(shí),紅外隱身效果才能滿足指標(biāo)要求。

5 紅外隱身技術(shù)效能評(píng)價(jià)參數(shù)

· 隱蔽距離:探測(cè)距離即為隱蔽距離[14],用該參數(shù)可以直接評(píng)價(jià)目標(biāo)的紅外隱身效果。容易看出,隱蔽距離越小,紅外隱身效果越好。

· 隱蔽系數(shù):也可稱為紅外隱身效率,其用探測(cè)距離的減小來(lái)表示。即

(9)

式中,R1為采取隱身措施前的探測(cè)距離,R2為采取隱身措施后的探測(cè)距離。

隱蔽系數(shù)法評(píng)價(jià)的也可直接評(píng)價(jià)目標(biāo)的紅外隱身效果,同隱蔽距離評(píng)價(jià)法相比,隱蔽系數(shù)評(píng)價(jià)法給出的是0～1表示的隱身效果,其更具有直觀性[15]。容易看出,隱蔽系數(shù)越接近1,紅外隱身效果越好。

· 最大反應(yīng)時(shí)間:針對(duì)具有機(jī)動(dòng)性的航空探潛,最大反應(yīng)時(shí)間表示潛艇在先敵發(fā)現(xiàn)后采取機(jī)動(dòng)措施規(guī)避己方被發(fā)現(xiàn)時(shí)可利用的時(shí)間。

(10)

式中,Rd為潛艇利用各種探測(cè)手段發(fā)現(xiàn)敵方飛機(jī)的最遠(yuǎn)距離,vp為飛機(jī)航速。

最大反應(yīng)時(shí)間既是隱身性能效能評(píng)價(jià)中的一個(gè)重要參量,也是作戰(zhàn)效能評(píng)估中的一個(gè)重要參量。最大反應(yīng)時(shí)間越大,紅外隱身效果越好。

針對(duì)在一定安全深度下潛航,或者在先敵發(fā)現(xiàn)后進(jìn)行安全下潛的紅外隱身手段,可提出兩個(gè)與安全潛深相關(guān)的評(píng)價(jià)參數(shù):

· 熱影響區(qū)安全潛深hh:針對(duì)某一工況熱排放形成熱尾流對(duì)應(yīng)的安全潛深,需對(duì)于熱尾流加入該評(píng)價(jià)參數(shù)。表示在該深度下潛航,冷卻水形成的熱尾流上浮到海面后等效平均溫差不會(huì)大于探測(cè)器的噪聲等效溫差。

· 冷影響區(qū)安全潛深hc:螺旋槳攪動(dòng)形成冷尾流對(duì)應(yīng)的安全潛深,對(duì)于冷尾流加入該評(píng)價(jià)參數(shù)。表示在該深度下潛航,推進(jìn)器擾動(dòng)形成的冷尾流上浮到海面后等效平均溫差不會(huì)大于探測(cè)器的噪聲等效溫差。

安全潛深在對(duì)探測(cè)距離進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上還需要結(jié)合紅外輻射數(shù)值仿真計(jì)算模型來(lái)進(jìn)行分析。安全潛深越小,紅外隱身效果更好。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于多功能隱身材料技術(shù),常規(guī)單一波段隱身材料難以滿足要求,各類武器裝備及重要目標(biāo)的隱身要求從單一的紅外隱身向著雷達(dá)、紅外、可見光和激光等多波段復(fù)合隱身的方向發(fā)展,各種形式的多功能迷彩涂料也將應(yīng)運(yùn)而生。

對(duì)于綜合隱身設(shè)計(jì)技術(shù),除需要從雷達(dá)和光學(xué)等多頻段來(lái)實(shí)現(xiàn)隱身外,還需考慮噪聲控制要求,如對(duì)于熱排氣系統(tǒng)和熱水排放系統(tǒng)的紅外抑制,要在確保溫度特征能降低的同時(shí),阻力和流噪聲也能得到降低。為實(shí)現(xiàn)綜合隱身,必須考慮多物理場(chǎng)特征的兼容隱身設(shè)計(jì)。

對(duì)于基于虛擬仿真和視景仿真的紅外隱身評(píng)估技術(shù),可采用可視化和虛擬仿真技術(shù),針對(duì)潛艇的紅外隱身效果評(píng)估需求,建立評(píng)估系統(tǒng)的仿真體系結(jié)構(gòu)和相關(guān)的評(píng)估模型,用直觀的二維圖表和三維圖像等顯示方式,對(duì)不同涂料和不同隱身技術(shù)對(duì)潛艇在不同作戰(zhàn)環(huán)境下的隱身效果的影響進(jìn)行定量和定性的分析,以形成全數(shù)字化的仿真評(píng)估體系。

對(duì)于光電對(duì)抗技術(shù),隨著軍用光電技術(shù)和紅外探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展,紅外隱身技術(shù)將會(huì)在潛艇隱身技術(shù)中扮演越來(lái)越重要的角色,應(yīng)當(dāng)從理論和實(shí)際上針對(duì)紅外探測(cè)和紅外隱身進(jìn)行全面的設(shè)計(jì),以適應(yīng)未來(lái)光電對(duì)抗技術(shù)發(fā)展的要求。

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Efficiency Evaluation System for Infrared Stealth According to Remote Sensing Detection of Submarine

WANG Jianxun DENG Haihua SUN Guocang

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205)

According to the fact that current infrared detection measures for submarine mainly come from remote sensing detection of satellite and anti-submarine plane, a summary of infrared stealth related technology is analyzed, and an evaluation system applicable to submarine infrared stealth is discussed. Given the computation model of detection distance for remote sensing detection, evaluation parameters of performance and efficiency are proposed for submarine infrared stealth technology, so as to provide analysis method for implementing impact contrast of infrared stealth technology.

remote sensing detection of submarine, infrared stealth, evaluation system, performance evaluation, efficiency evaluation

2015年4月2日,

2015年5月19日

王建勛,男,博士,工程師,研究方向:艦船總體技術(shù)。鄧海華,男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:艦船總體技術(shù)。孫國(guó)倉(cāng),男,博士,高級(jí)工程師,研究方向:艦船總體技術(shù)。

U674.76

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.045