航空發(fā)動(dòng)機(jī)隱身技術(shù)分析與論述

鄧洪偉，尚守堂，金海，楊勝男，王旭

中國(guó)航空沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 10015

目前，四代戰(zhàn)斗機(jī)及未來(lái)的隱身飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)提出了較高的隱身指標(biāo)要求。而發(fā)動(dòng)機(jī)后腔體及其內(nèi)部件和邊緣等產(chǎn)生的雷達(dá)散射信號(hào)、后腔體及其熱端部件和尾噴流等產(chǎn)生的紅外輻射信號(hào)占整個(gè)飛機(jī)尾部方向特征信號(hào)的95%以上。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的顏色、腔體反射及尾噴流產(chǎn)生的高溫?zé)釕B(tài)水蒸氣遇冷產(chǎn)生的尾跡會(huì)對(duì)飛機(jī)的可見光隱身產(chǎn)生較大困難。如果發(fā)動(dòng)機(jī)不能實(shí)現(xiàn)后向的隱身，則隱身飛機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)全方位的隱身，其作戰(zhàn)能力將大幅降低，因此，在體系對(duì)抗條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)后向的綜合隱身技術(shù)研究十分必要[1～3]。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)隱身技術(shù)的實(shí)施途徑

不同作戰(zhàn)用途的飛機(jī)，其發(fā)動(dòng)機(jī)隱身的技術(shù)措施也有差異。一般來(lái)講，發(fā)動(dòng)機(jī)常見的隱身技術(shù)措施主要分為紅外隱身措施、雷達(dá)隱身措施和可見光隱身措施。

紅外隱身措施主要包括高溫壁面冷卻、紅外隱身材料、低溫部件占位遮擋高溫部件（遮擋技術(shù)）、高溫燃?xì)饬鲝?qiáng)化摻混和氣溶膠技術(shù)等。代表性技術(shù)措施為與渦輪后框架一體化的隱身加力燃燒室、紅外隱身涂層/鍍膜技術(shù)、二維矢量噴管、S彎二維矢量噴管和飛機(jī)后機(jī)身遮擋技術(shù)等。

雷達(dá)隱身措施按照機(jī)理分主要包括雷達(dá)外形控制技術(shù)、隱身材料應(yīng)用技術(shù)等。代表性的技術(shù)措施如S彎進(jìn)氣道、尖錐帽罩、加力內(nèi)錐尖錐修形、鋸齒噴管、二維矢量噴管、S彎二維噴管、耐中高溫雷達(dá)吸波涂層應(yīng)用等。

可見光隱身主要通過(guò)降低發(fā)動(dòng)機(jī)表面反光度、使后腔體與飛機(jī)和背景一致或減少尾噴流的尾跡來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體措施體現(xiàn)在采用反光度低的隱身涂層和改變飛行高度等來(lái)減少可見尾跡。

在國(guó)外的發(fā)動(dòng)機(jī)隱身措施中，有些措施是既考慮紅外隱身，又兼顧雷達(dá)隱身，如二維矢量噴管等。

本文以國(guó)外典型發(fā)動(dòng)機(jī)隱身措施舉例說(shuō)明[4～6]。

1.1 風(fēng)扇修形及進(jìn)氣道雷達(dá)遮擋隱身技術(shù)

F-22A戰(zhàn)斗機(jī)采用的F119發(fā)動(dòng)機(jī)采用了風(fēng)扇雷達(dá)修形設(shè)計(jì)技術(shù)，如風(fēng)扇帽罩采用了尖錐修形技術(shù)。圖1為F119尖錐形風(fēng)扇帽罩。與之匹配的進(jìn)氣道采用了S彎流道設(shè)計(jì)。圖2為F-22A的S彎進(jìn)氣道。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是前向雷達(dá)波入射后經(jīng)過(guò)多次的反射，在反射重點(diǎn)區(qū)域配合雷達(dá)吸波涂層可以大幅度地降低前向雷達(dá)截面積（RCS）。

與S彎進(jìn)氣道相似的是無(wú)邊界層隔道超聲速進(jìn)氣道（DSI），如圖3所示。該進(jìn)氣道在F35戰(zhàn)斗機(jī)上采用，該進(jìn)氣道的雷達(dá)隱身原理與S彎進(jìn)氣道相似。以上措施利用了雷達(dá)修形設(shè)計(jì)技術(shù)、遮擋技術(shù)、隱身材料技術(shù)等。

圖1 F119尖錐形風(fēng)扇帽罩Fig.1 F119 engine fan rectifying cone

圖2 F-22A的S彎進(jìn)氣道Fig.2 The S bend inlet of F-22A

圖3 F-35的DSI進(jìn)氣道Fig.3 DSI inlet of F-35

1.2 與渦輪后框架一體化的隱身加力燃燒室

F119發(fā)動(dòng)機(jī)還配裝了與渦輪后框架一體化的隱身加力燃燒室。三代機(jī)加力燃燒室如圖4所示。該燃燒室取消傳統(tǒng)加力燃燒室的裸露噴油桿、環(huán)形火焰穩(wěn)定器等部件，將噴油桿集成到支板中，火焰穩(wěn)定器由支板后邊緣充當(dāng)。16個(gè)渦輪后支板與加力穩(wěn)定器、燃油管和噴油桿等集成一體，并引入外涵氣流進(jìn)行冷卻，同時(shí)對(duì)渦輪葉片進(jìn)行100%的遮擋，在滿足渦輪后支板整流和加力燃燒室混合、擴(kuò)壓、穩(wěn)定與組織燃燒的功能、氣動(dòng)和燃燒性能的同時(shí)，使得加力燃燒室具有非常好的紅外/雷達(dá)隱身效果；在腔體內(nèi)壁綜合應(yīng)用了耐高溫吸波涂料和耐高溫低紅外發(fā)射率材料；在加力燃燒室內(nèi)錐和噴管采用了冷卻結(jié)構(gòu)大幅降低發(fā)動(dòng)機(jī)加力和渦輪高溫構(gòu)件固體壁面的紅外輻射，加力內(nèi)錐采用了尖錐設(shè)計(jì)，錐角優(yōu)化設(shè)計(jì)可使進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后腔體的雷達(dá)波經(jīng)多次反射、折射后能量大幅衰減，有效減少發(fā)動(dòng)機(jī)后向的RCS。圖5為與渦輪后框架一體化隱身加力燃燒室。

圖4 三代機(jī)加力燃燒室Fig.4 The third generation engine combustion chamber

圖5 與渦輪后框架一體化隱身加力燃燒室Fig.5 The invisibility afterburner with the turbine rear frame

該加力燃燒室在設(shè)計(jì)上采用了紅外壁面冷卻設(shè)計(jì)技術(shù)、遮擋技術(shù)、雷達(dá)修形設(shè)計(jì)技術(shù)、隱身材料應(yīng)用技術(shù)等多項(xiàng)紅外及雷達(dá)隱身措施。

1.3 小寬高比二維矢量噴管

F-22A戰(zhàn)斗機(jī)采用的F119發(fā)動(dòng)機(jī)配裝了小寬高比二維矢量噴管，如圖6所示。該噴管對(duì)噴流的強(qiáng)化摻混有較大幫助，可使高溫燃?xì)庋杆倮鋮s，能夠明顯降低核心噴流高溫區(qū)域的長(zhǎng)度，從而降低其紅外輻射強(qiáng)度。同時(shí)，該噴管壁面采用了壁面冷卻設(shè)計(jì)技術(shù)，壁面溫度的降低可進(jìn)一步降低噴管的固體紅外輻射。

圖6 F119發(fā)動(dòng)機(jī)二維俯仰矢量噴管Fig.6 F119 engine 2D vector nozzle

在雷達(dá)隱身方面，該噴管出口采用了大鋸齒雷達(dá)修形設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)與飛機(jī)彈性片的連接部位采用了小鋸齒修形設(shè)計(jì)。小寬高比二維矢量噴管可將照射到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的雷達(dá)波反射到其他角度，降低探測(cè)角度的雷達(dá)回波能量，有利于降低RCS，同時(shí)該噴管也采用了多種隱身涂層。

浩亭正從物理連接向數(shù)字連接的變革中轉(zhuǎn)變，產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念上就要圍繞新的方向，包括模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化。對(duì)此，浩亭電氣與浩亭信息技術(shù)軟件開發(fā)行政總裁烏弗·格拉夫（Uwe Graff）先生解釋說(shuō)，“在模塊化方面，Smart Han連接器是浩亭模塊化產(chǎn)品的典型代表，可靈活搭配，以響應(yīng)交通和機(jī)械領(lǐng)域的客戶需求，可顯著縮短基礎(chǔ)連接的現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間；數(shù)字化的代表性產(chǎn)品就是MICA，這是一個(gè)數(shù)字化采集平臺(tái)，可對(duì)狀態(tài)環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，還有RFID產(chǎn)品也是擴(kuò)展數(shù)字連接的產(chǎn)品線之一，關(guān)鍵是要貼近客戶實(shí)現(xiàn)技術(shù)落地?！?/p>

該噴管在設(shè)計(jì)上采用了紅外壁面冷卻設(shè)計(jì)技術(shù)、噴流的強(qiáng)化摻混技術(shù)、遮擋技術(shù)、雷達(dá)修形設(shè)計(jì)技術(shù)、隱身材料應(yīng)用技術(shù)等多項(xiàng)紅外及雷達(dá)隱身措施。圖7為二維俯仰矢量噴管隱身技術(shù)的應(yīng)用。

圖7 二維俯仰矢量噴管隱身技術(shù)Fig.7 Stealth technology of 2D vector nozzle

1.4 S彎二維噴管

S彎二維噴管一般應(yīng)用在無(wú)人機(jī)和轟炸機(jī)中，如B-2隱身轟炸機(jī)采用了S彎二維噴管。圖8為S彎二維噴管在轟炸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用。S彎二維噴管可以大幅降低發(fā)動(dòng)機(jī)紅外輻射和RCS。主要是通過(guò)遮擋技術(shù)、壁面冷卻技術(shù)和隱身材料應(yīng)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖8 S彎二維噴管在轟炸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用Fig.8 Application of S bend 2D nozzle on bomber engine

S彎二維噴管可以使發(fā)動(dòng)機(jī)紅外輻射強(qiáng)度降低接近90%，RCS降低接近99%。由于S彎噴管在隱身方面具有較大優(yōu)勢(shì)，因此，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）多用途經(jīng)濟(jì)可承受的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（VAATE）計(jì)劃中也考慮采用S彎二維噴管，同時(shí)該噴管具有矢量推力能力。圖9為S彎二維噴管在戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用。

圖9 S彎二維噴管在戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用Fig.9 Application of S bend 2D nozzle on fi ghter engine

1.5 軸對(duì)稱鋸齒修形噴管

軸對(duì)稱鋸齒修形噴管是考慮隱身和發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能而折中的一種噴管，該噴管隱身能力一般，但重量輕、推力損失小，被F-35戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)F135所選用，F(xiàn)135發(fā)動(dòng)機(jī)如圖10所示。具有高機(jī)動(dòng)性、高敏捷性和良好的低可探測(cè)性。配裝的F135發(fā)動(dòng)機(jī)是低成本、多用途且新穎的推進(jìn)系統(tǒng)，采用了鋸齒形裙邊軸對(duì)稱噴管，如圖11所示。

圖10 F135發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.10 F135 engine

圖11 F135鋸齒修形噴管Fig.11 The serrated shape nozzle of F135 engine

除采用鋸齒修形外，該噴管還采用了雙層壁冷卻設(shè)計(jì)和復(fù)合材料兼雷達(dá)吸波功能的外調(diào)節(jié)片等措施。

1.6 隱身材料應(yīng)用

F119和F135發(fā)動(dòng)機(jī)采用了大量的隱身涂層，如紅外隱身涂層、雷達(dá)吸波涂層等。隱身材料的應(yīng)用可以在不改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下降低紅外輻射和RCS，但發(fā)動(dòng)機(jī)高溫、高氣流沖刷和振動(dòng)等環(huán)境使隱身涂層材料研制和應(yīng)用產(chǎn)生困難。圖12為隱身材料的應(yīng)用。

1.7 其他隱身措施

除了以上隱身措施，還有氣溶膠技術(shù)、飛機(jī)后機(jī)身遮擋技術(shù)、飛機(jī)后機(jī)身冷卻技術(shù)等一系列隱身技術(shù)。

圖12 隱身材料的應(yīng)用Fig.12 The application of stealth materials

圖13 F-22A對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的側(cè)向遮擋部件Fig.13 The F-22A plane blocks the engine’s side

圖14 YF-23飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)張段的冷卻Fig.14 YF-23 aircraft cooling of engine expansion section

2 發(fā)動(dòng)機(jī)隱身的代價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)

發(fā)動(dòng)機(jī)隱身需要綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)、紅外和雷達(dá)的綜合匹配性能，做到兼容性設(shè)計(jì)。要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)隱身所付出的代價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)、可實(shí)現(xiàn)性以及與飛機(jī)一體化匹配技術(shù)等工作，發(fā)動(dòng)機(jī)典型隱身措施應(yīng)用難點(diǎn)及代價(jià)見表1。

表1 典型隱身措施應(yīng)用難點(diǎn)及代價(jià)Table 1 Diff i culties and costs of typical stealth measures

發(fā)動(dòng)機(jī)隱身需要綜合對(duì)噴管、加力、渦輪、風(fēng)扇、高溫部件冷卻、隱身材料應(yīng)用進(jìn)行綜合的匹配性設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)高溫、高負(fù)荷等復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境是紅外和雷達(dá)隱身材料一直難以攻克的最大障礙；發(fā)動(dòng)機(jī)的推力損失、空間尺寸、重量等限制以及長(zhǎng)壽命、高可靠性要求等給發(fā)動(dòng)機(jī)隱身結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了巨大難度和挑戰(zhàn)。因此，隱身工作是集發(fā)動(dòng)機(jī)性能、結(jié)構(gòu)、隱身設(shè)計(jì)思想、隱身材料應(yīng)用、飛發(fā)一體化隱身于一身的綜合設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工程，需要綜合評(píng)估其代價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)。

目前，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)隱身技術(shù)研究與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比還有一定差距，需要加大人力、物力、財(cái)力予以支持。后續(xù)需要在數(shù)值仿真計(jì)算、軟件開發(fā)、基礎(chǔ)試驗(yàn)測(cè)試、高逼真度環(huán)境下的飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合隱身試驗(yàn)測(cè)試等方面需要開展深入的研究工作[8～12]。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)隱身指標(biāo)

發(fā)動(dòng)機(jī)隱身指標(biāo)需要飛機(jī)對(duì)隱身作戰(zhàn)效能綜合評(píng)估后提出，由于發(fā)動(dòng)機(jī)隱身設(shè)計(jì)難度較大，因此，飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)提出的隱身指標(biāo)應(yīng)先進(jìn)行作戰(zhàn)效能評(píng)估，考慮體系對(duì)抗條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)綜合隱身能力值，同時(shí)考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)隱身所付出的代價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)，在此背景下，提出適合發(fā)動(dòng)機(jī)的隱身指標(biāo)。例如，確定威脅方位、威脅源后，給出發(fā)動(dòng)機(jī)前向和后向在不同水平角度和俯仰角度范圍內(nèi)的隱身指標(biāo)限制值，如圖15、圖16所示。

根據(jù)國(guó)軍標(biāo)確定俯仰角、方位角、輻射通帶、海拔高度、發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)等技術(shù)要求。

圖15 威脅源方位Fig.15 The location of the threat source

圖16 飛機(jī)前后向隱身能力確定Fig.16 Determination of stealth capability before and after the aircraft

4 飛發(fā)一體化隱身技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)隱身技術(shù)指標(biāo)要考慮與氣動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可靠性等技術(shù)指標(biāo)，還要兼顧紅外、雷達(dá)隱身要求的平衡。發(fā)動(dòng)機(jī)隱身技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)離不開飛發(fā)一體化協(xié)同工作。因此，飛發(fā)一體化隱身技術(shù)的不斷發(fā)展是后續(xù)飛機(jī)平臺(tái)隱身能力提升的關(guān)鍵。

同時(shí)，未來(lái)先進(jìn)的隱身飛機(jī)將逐步實(shí)現(xiàn)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的一體化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)隱身能力的大幅提高[13～16]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文初步論述了發(fā)動(dòng)機(jī)隱身需求、國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)隱身技術(shù)措施，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)隱身的代價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)，闡述了發(fā)動(dòng)機(jī)隱身指標(biāo)需綜合評(píng)估作戰(zhàn)效能后考慮前后向差異，提出考慮發(fā)動(dòng)機(jī)研制代價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)的隱身指標(biāo)。同時(shí)指出發(fā)動(dòng)機(jī)隱身研制離不開飛機(jī)的支持，需要與飛機(jī)共同開展飛發(fā)一體化隱身設(shè)計(jì)技術(shù)研究工作。

在未來(lái)的綜合體系對(duì)抗條件下，航空發(fā)動(dòng)機(jī)后向紅外和雷達(dá)隱身也十分重要，同時(shí)未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)隱身技術(shù)發(fā)展將朝著綜合隱身設(shè)計(jì)、聯(lián)合隱身研制方向發(fā)展。這就需要在航空發(fā)動(dòng)機(jī)紅外和雷達(dá)隱身技術(shù)研究方面，需要加大人力、物力、財(cái)力予以支持。

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