紅外偽裝技術(shù)研究進(jìn)展

胡 杰,路 遠(yuǎn),候典心,楊 星

(1.國(guó)防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院,安徽 合肥 230037；2.脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230037)

1 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升,各種探測(cè)設(shè)備迅速發(fā)展。迄今,紅外探測(cè)技術(shù)主要對(duì)陸地、海洋和天空等背景下的軍事目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、偵察和跟蹤。紅外探測(cè)技術(shù)是對(duì)目標(biāo)自身的紅外輻射進(jìn)行探測(cè),目標(biāo)只要高于絕對(duì)零度就會(huì)向外發(fā)射紅外輻射,無(wú)法做到完全的消除。面對(duì)紅外探測(cè)設(shè)備對(duì)軍事目標(biāo)生存能力的嚴(yán)重威脅,尤其是對(duì)武器裝備的保護(hù)也更加迫切,作為對(duì)抗紅外探測(cè)的紅外偽裝技術(shù)成為了科學(xué)研究的重點(diǎn)對(duì)象。

由Stefan-Boltzmann定律可知,影響目標(biāo)紅外輻射能量的主要參數(shù)有兩個(gè),即目標(biāo)表面的發(fā)射率和目標(biāo)表面的溫度。紅外偽裝技術(shù)通過(guò)對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整控制,對(duì)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行設(shè)計(jì),以減弱目標(biāo)的紅外輻射特性,從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)與背景的紅外輻射相融合,最終達(dá)到降低目標(biāo)被紅外探測(cè)系統(tǒng)識(shí)別的概率和被紅外制導(dǎo)武器命中的概率,以提高武器裝備自身的生存能力[1]。

2 天空背景的紅外偽裝技術(shù)

天空背景中的紅外偽裝技術(shù)研究對(duì)象主要是飛機(jī)和導(dǎo)彈等。在白天,天空背景的紅外輻射主要是散射太陽(yáng)光和大氣熱輻射的組合；在夜間,因?yàn)椴淮嬖谏⑸涞奶?yáng)光,天空的紅外輻射主要為大氣的熱輻射。

2.1 飛行器紅外輻射源

在飛行狀態(tài)下,飛行器的紅外輻射源主要包括外部蒙皮的近似為灰體連續(xù)譜的熱輻射和金屬尾噴管,以及有選擇性的帶狀譜的尾焰氣體輻射。尾噴管是被排除氣體加熱而形成的圓柱形腔體,可視為一個(gè)發(fā)射率為0.9的灰體；尾焰主要是二氧化碳和水蒸氣,在大氣中傳輸時(shí),容易被吸收,但是由于溫度過(guò)高,仍然表現(xiàn)出紅外輻射特征,尾噴管和尾焰的紅外輻射能量主要分布在中紅外3～5 μm波段內(nèi)。其中飛行器外部蒙皮的紅外輻射能量主要集中在大氣窗口的遠(yuǎn)紅外8～14 μm波段內(nèi),分布于飛行器的前向和側(cè)向,飛行器的蒙皮溫度Ts[2]為:

(1)

其中,Ts為飛行器的蒙皮溫度；T0為周圍的大氣溫度；k為恢復(fù)系數(shù),其取值取決于氣流的流場(chǎng),層流取0.82,紊流取0.87；γ為空氣的定壓熱容量和定容熱容量之比,常取1.3;Ma2為飛行馬赫數(shù)。

由于飛行器無(wú)法避免這些紅外輻射的產(chǎn)生,這部分的紅外輻射能量的總和將是飛行器成為一個(gè)能量很大的發(fā)射體。對(duì)于大多數(shù)的飛行器,在中紅外3～5 μm波段內(nèi)其紅外輻射強(qiáng)度在1500～20000 W/sr量級(jí),并且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)和觀察角度而變化；在遠(yuǎn)紅外8～14 μm波段內(nèi)其紅外輻射強(qiáng)度在1000～3000 W/sr量級(jí),并且隨著飛行器的馬赫數(shù)和觀測(cè)角度而變化[2]。而且由于天空背景的紅外輻射能量極低,飛行器的紅外輻射特征十分明顯,因此如何盡可能地屏蔽飛行器的紅外輻射成為了主要的研究方向。

2.2 蒙皮紅外輻射偽裝

飛行器的蒙皮紅外輻射的偽裝技術(shù)目前發(fā)展較為成熟,主要通過(guò)抑制飛行器表面的氣動(dòng)加熱、減小飛行器表面對(duì)外界輻射的吸收以及降低其表面的紅外發(fā)射輻射。通過(guò)對(duì)飛行器的整體外形設(shè)計(jì),優(yōu)化其形狀,從而減小飛行器與空氣的摩擦,以達(dá)到抑制表面的氣動(dòng)加熱所引起的蒙皮熱輻射。飛行器表面的紅外輻射可以通過(guò)在飛行器涂覆大熱慣量的涂層來(lái)實(shí)現(xiàn)。相對(duì)成熟的是在表層涂料中添加石蠟等相變材料,利用相變材料的相變潛熱特性將涂層表面溫度控制在一定的范圍之內(nèi)。表1列舉了幾種典型的相變材料,可以看出,目前相變材料的控溫能力基本能滿足要求。

表1 典型的相變材料及其性能[3]

紅外輻射的光譜轉(zhuǎn)換技術(shù),即光譜的選擇性發(fā)射也有了一定的發(fā)展。通過(guò)改變飛行器蒙皮的紅外輻射波段,使其處于紅外探測(cè)器探測(cè)的波段之外。Zhang等人制備了一維選擇性發(fā)射光子晶體并應(yīng)用于紅外偽裝涂層中,圖1為制備得到的光子晶體反射率[4]。Crunteanu等人研究了氧化釩薄膜在相變的前后過(guò)程,得到其紅外輻射特性的變化,并提出了了其在紅外偽裝涂層應(yīng)用中的可行性[5]。

圖1 光子晶體的紅外光譜反射率

2.3 尾噴管紅外偽裝措施

飛行器在飛行過(guò)程中需要通過(guò)燃燒燃料來(lái)提供動(dòng)力,尾噴管被排出的氣體加熱,溫度可達(dá)到500～600 ℃,甚至更高,使得其紅外特征在天空背景中呈現(xiàn)明顯的紅外輻射源。通過(guò)對(duì)尾噴管進(jìn)行遮擋來(lái)降低飛行器的紅外輻射強(qiáng)度,常見(jiàn)的有S形彎曲噴管技術(shù)、二元噴管技術(shù)和下遮擋技術(shù)。例如美軍的B-2飛機(jī)采用S形彎曲噴管技術(shù),F22戰(zhàn)斗機(jī)也采用了二元噴管的紅外偽裝技術(shù),使得其尾噴管的紅外輻射得到很大程度的降低,紅外偽裝效果十分顯著。

尾噴管的冷卻技術(shù),即通過(guò)對(duì)尾噴管內(nèi)高溫器件中心錐、支板采用氣膜冷卻措施,將利用外涵道的低溫氣流來(lái)冷卻尾噴管,使得高溫器件可以有效地降溫,可以使尾噴管的紅外輻射強(qiáng)度降低約30%,從而有效地抑制排氣系統(tǒng)對(duì)尾噴管的紅外輻射。對(duì)于尾噴管腔體,也可以通過(guò)在排氣系統(tǒng)的渦輪葉片、中心錐、支板等高溫器件上涂覆或鍍制低紅外發(fā)射率材料,以降低其紅外輻射強(qiáng)度[6]。

2.4 飛行器尾焰紅外偽裝技術(shù)

飛行器在飛行過(guò)程中一定會(huì)有發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的高溫尾焰排除,擴(kuò)散在空氣中,從理論上一定會(huì)被紅外探測(cè)系統(tǒng)所發(fā)現(xiàn)。對(duì)尾焰紅外輻射的偽裝措施可以采用大寬高比二元非軸對(duì)稱矢量噴管,常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是軸對(duì)稱的噴管,要實(shí)現(xiàn)紅外偽裝,可以采用大寬高比的非軸對(duì)稱噴管,使尾焰和外部的空氣快速地混合,噴出的尾焰高溫區(qū)域的長(zhǎng)度將會(huì)變短,從而使尾焰的紅外輻射強(qiáng)度降低,達(dá)到紅外偽裝的效果[7]。采用典型的矩形非軸對(duì)稱噴管,以寬高比2∶1的實(shí)驗(yàn)噴口為例,可使正尾部方向的紅外輻射強(qiáng)度降低10%以上,其他方向上可降低20%～60%的紅外輻射強(qiáng)度[8]。通過(guò)在飛行器的燃料中添加摻雜有金屬或金屬化合物粒子的發(fā)泡高分子材料，如環(huán)氧樹(shù)脂等,經(jīng)高溫燃燒后在空氣中冷卻可形成懸浮泡沫顆粒,在尾噴流周圍形成紅外屏蔽云,可有效遮蔽尾焰的紅外輻射特性。通過(guò)在尾噴管末端安裝引射裝置,采用引射外界冷空氣技術(shù),使高溫氣體與引射的大氣低溫氣體進(jìn)入混合室,經(jīng)過(guò)兩者的混合均衡之后排除,可以使原來(lái)的高溫氣體溫度大幅降低,從而達(dá)到降低飛行器尾焰的紅外輻射強(qiáng)度。宗靖國(guó)等人通過(guò)對(duì)尾焰的紅外輻射特性研究,采用多種方式進(jìn)行偽裝可使得尾焰的輻射強(qiáng)度衰減94.2%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示[7]。

圖2 未采用偽裝措施

圖3 采用上述所有偽裝措施

3 海洋背景的紅外偽裝技術(shù)

對(duì)于在海面上目標(biāo),其背景的紅外輻射特征主要取決于海水的溫度。從不同的探測(cè)角度探測(cè)目標(biāo)時(shí),目標(biāo)所處的背景也會(huì)變化,從空中對(duì)其進(jìn)行探測(cè)時(shí),目標(biāo)的環(huán)境背景應(yīng)為單一的海洋背景；在海面上以中等距離探測(cè)時(shí),目標(biāo)的環(huán)境背景不僅僅是海洋而且要考慮到海平面上的天空；在海平面上較遠(yuǎn)距離探測(cè)時(shí),此時(shí)目標(biāo)的環(huán)境背景將成為海平面上方的天空背景。在海面作戰(zhàn)的主要是各種大型的軍事艦船,其發(fā)動(dòng)機(jī)功率很大、艦船的總體表面積大,從而導(dǎo)致目標(biāo)表現(xiàn)出較強(qiáng)紅外輻射特征,很難將艦船的紅外特征與背景較好地融合。在近十幾年,國(guó)外對(duì)于艦船的紅外特征研究已經(jīng)有了相應(yīng)的報(bào)道,而且實(shí)際的紅外偽裝技術(shù)也成功地應(yīng)用在軍事艦船上[9],國(guó)內(nèi)對(duì)于目標(biāo)的紅外輻射特征研究已卓有成效,但是紅外偽裝技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段,未能實(shí)際應(yīng)用于軍事艦船上。

3.1 艦船紅外輻射源

海面艦船和飛行器類似,都需要燃料燃燒來(lái)提供動(dòng)力,所以艦船的紅外輻射源有兩個(gè)部分。一類是發(fā)動(dòng)機(jī)管道和燃料燃燒的尾氣及其排氣設(shè)備,其中煙囪管道和排氣煙羽的溫度可達(dá)到400～500 ℃[10],是艦船紅外輻射源最強(qiáng)的部位。另一類是艦船表面對(duì)周圍環(huán)境吸收反射產(chǎn)生的。艦船的兩類紅外輻射特征中,雖然艦船主體表面的溫度比發(fā)動(dòng)機(jī)和其他高溫設(shè)備溫度要低,但是艦船主體巨大,發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量和煙囪、尾氣的紅外輻射比例遠(yuǎn)小于艦船主體所產(chǎn)生的輻射,因此若艦船主體與背景環(huán)境存在一定的溫差,將在紅外探測(cè)器中呈現(xiàn)出很明顯的特征信號(hào),容易被敵方識(shí)別發(fā)現(xiàn)。

3.2 艦船內(nèi)部發(fā)熱設(shè)備紅外偽裝方法

對(duì)于艦船上發(fā)熱較大的部分,可以采用引射散熱技術(shù)。引入外界低溫氣體,將其與排出的高溫尾氣混合在一起,經(jīng)冷卻系統(tǒng)降溫后通過(guò)煙囪管道時(shí)可使其溫度降低250～300 K[10]。通過(guò)在煙囪內(nèi)壁和排氣管道采用熱絕緣材料和玻璃鋼排氣煙囪來(lái)減小其紅外特征信號(hào)。最典型的是法國(guó)海軍的“拉斐特”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦,用玻璃鋼代替原來(lái)的鋼鐵來(lái)制造艦船煙囪,并在煙囪表面涂覆低輻射的涂料,達(dá)到較好的隔熱作用,與此同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口和排氣管道也進(jìn)行了隔熱處理。美軍的“阿利伯克”級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦,在艦船的高溫部位涂覆屏蔽和絕熱材料,并利用引射冷空氣與尾氣混合來(lái)降低溫度,達(dá)到紅外偽裝的目的。通過(guò)對(duì)艦船總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)置,將煙囪排氣口放置在艦船尾部,尾氣排放至水面以下,利用海水對(duì)煙囪和尾氣進(jìn)行降溫處理。瑞典的“維斯比”級(jí)輕型護(hù)衛(wèi)艦采用這種設(shè)計(jì),使其尾氣溫度降低至100 ℃以下,紅外探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)距離減小50%以上[11]。

3.3 艦船主體紅外偽裝技術(shù)

對(duì)于艦船主體可以采用與飛行器蒙皮相似的紅外偽裝技術(shù),表面涂覆選擇性的紅外發(fā)射涂層,減弱艦船主體對(duì)周圍環(huán)境熱輻射的吸收,從而降低船體表面的溫度。艦船的船體屬于軍事目標(biāo)中常見(jiàn)的豎壁結(jié)構(gòu),表面積很大,溫度高于背景溫度,對(duì)外表現(xiàn)出明顯的紅外輻射特征。過(guò)冷液膜冷卻技術(shù)通過(guò)在目標(biāo)的表面布設(shè)大面積的過(guò)冷降膜,使層流液膜與豎壁表面產(chǎn)生熱傳導(dǎo)作用,使得其溫度降低,并起到對(duì)目標(biāo)表面遮蔽作用。通過(guò)合理的分布過(guò)冷降膜,可以使目標(biāo)的紅外輻射顯著降低,達(dá)到紅外偽裝的效果。彭友順等人通過(guò)對(duì)過(guò)冷降膜的研究,發(fā)現(xiàn)其對(duì)目標(biāo)的紅外偽裝具有良好的效果,中紅外波段最大可降低52.43%,遠(yuǎn)紅外波段最大可降低26.85%[12]。采用屏蔽措施來(lái)改變艦船表面的紅外輻射特征,可以使用紅外煙幕。利用煙火等手段產(chǎn)生大量的氣溶膠顆粒來(lái)形成煙幕,煙幕中的顆?？梢詫?duì)防護(hù)目標(biāo)的紅外輻射進(jìn)行吸收、反射和散射,從而躲避紅外探測(cè)器的識(shí)別。還可以通過(guò)在艦船表面噴射海水,對(duì)艦船進(jìn)行預(yù)潤(rùn)濕,不僅可以改變艦船表面的紅外特征,而且可以產(chǎn)生一層薄霧使艦船主體融入到海洋和天空背景中。圖4顯示了Neele等人的研究數(shù)據(jù)[13],通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)該方法可以有效地改變艦船表面的溫度,達(dá)到較好的紅外偽裝效果。

圖4 艦船表面溫度變化

4 陸地背景的紅外偽裝技術(shù)

相比天空背景和海洋背景的單一性紅外輻射,陸地背景的紅外輻射特征是極其復(fù)雜的,常見(jiàn)的陸地背景有道路、沙漠、叢林、雪地、城市等,并且會(huì)隨著季節(jié)性的變化而發(fā)生相應(yīng)的改變,這使得地面目標(biāo)的偽裝十分困難,無(wú)法將目標(biāo)與背景的紅外輻射特征很好地融合在一起。陸地背景主要包括裸地背景和非裸地背景。

4.1 地面目標(biāo)的紅外輻射源

在戰(zhàn)場(chǎng)上,地面目標(biāo)主要為坦克、裝甲車輛、機(jī)動(dòng)式導(dǎo)彈車和其他各類車輛。隨著軍事科技的發(fā)展,各種紅外制導(dǎo)武器和紅外探測(cè)器的運(yùn)用,使地面目標(biāo)的安全受到嚴(yán)重的威脅。地面目標(biāo)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣口溫度最高,是其最大的紅外輻射源。若不加處理,坦克的排氣口溫度將超過(guò)600 K,發(fā)動(dòng)機(jī)的外殼溫度可達(dá)到500～600 K,紅外特征異常明顯。而且對(duì)于坦克來(lái)說(shuō),其炮管也是一個(gè)重要的紅外輻射源,炮管在射擊時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的閃光和升溫,某坦克射擊后炮管的溫度可達(dá)到673 K[14]。此外,由于車輛的輪胎和履帶在行駛過(guò)程中,由于摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱,導(dǎo)致其溫度較高,成為不可避免的輻射源。

4.2 裸地背景的紅外偽裝

道路、土壤、沙漠等是常見(jiàn)的裸地背景,其紅外輻射特征比較單一,因此需要目標(biāo)和背景的溫度保持一致,最理想的偽裝狀態(tài)是目標(biāo)與背景保持實(shí)時(shí)的統(tǒng)一。目前可應(yīng)用電致變溫材料和電致變發(fā)射率材料,在外加電場(chǎng)的作用下,可使其溫度或發(fā)射率改變。由于電致變發(fā)射率的變化能力有限,一般采用電致變溫材料,通過(guò)熱電制冷器件和基于帕爾貼的半導(dǎo)體制冷/制熱技術(shù),已經(jīng)研制了相應(yīng)的紅外偽裝樣機(jī)[15],但是系統(tǒng)性的設(shè)備還處于研發(fā)中。國(guó)外已經(jīng)研制了相關(guān)的紅外偽裝系統(tǒng),并搭載在裝甲車進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),由于技術(shù)的軍事保密性,相關(guān)的技術(shù)手段沒(méi)有報(bào)道。目前,對(duì)裸地背景的紅外輻射性質(zhì)研究已經(jīng)比較成熟,相關(guān)的研究覆蓋了道路、土壤和沙漠等典型的裸地背景。通過(guò)對(duì)裸地地表形態(tài)和其表面的輻射特性研究,得到了在不同形態(tài)地表下背景的紅外輻射特性[16]。

4.3 非裸地背景的紅外偽裝技術(shù)

自然植被和建筑物是主要的非裸地背景,其中自然植被背景的紅外偽裝更具軍事價(jià)值,最常見(jiàn)的是偽裝涂層和偽裝網(wǎng)。偽裝涂層是利用特殊材料制備成與植被背景擁有相似的紅外特性涂層,最成熟的應(yīng)用是迷彩偽裝。在可見(jiàn)光波段,各種類型的迷彩偽裝技術(shù)已經(jīng)較為成熟,數(shù)碼迷彩以其優(yōu)越的偽裝效果成為世界各國(guó)研究的重要方向,但是在紅外波段的數(shù)碼迷彩研究仍處于初步發(fā)展階段。偽裝網(wǎng)是各類軍事目標(biāo)降低探測(cè)概率的重要手段,紅外偽裝網(wǎng)可將目標(biāo)的紅外輻射特征掩蓋,或顯示出與目標(biāo)不同的紅外特征,以迷惑敵方的偵察。通過(guò)研究典型植被葉片的輻射特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu),Ye等人制備出模擬植被葉片的仿生樹(shù)狀遮障,實(shí)驗(yàn)證明該遮障與植被具有相似的紅外光譜特征,而且紅外輻射溫度也十分接近[17],起到很好的紅外偽裝效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著現(xiàn)代化技術(shù)的快速發(fā)展,未來(lái)的紅外偽裝技術(shù)必然和更加先進(jìn)的紅外探測(cè)技術(shù)相對(duì)抗,而且對(duì)于不同環(huán)境背景的紅外偽裝也有所不同。近年來(lái),紅外探測(cè)技術(shù)逐漸向多光譜和高光譜發(fā)展,2016年Digitalglobe公司在發(fā)射的WorldView-3衛(wèi)星上搭載了多光譜探測(cè)器,成功實(shí)現(xiàn)了近紅外多波段的探測(cè)器在商業(yè)上的實(shí)用化[18]。Notesco研制了一種高光譜的紅外探測(cè)器,在7.7～12.0 μm波段可探測(cè)11個(gè)波段,其光譜分辨率達(dá)到了0.1 μm[19]。由此可見(jiàn),未來(lái)的紅外偽裝技術(shù)需要面對(duì)的是探測(cè)精度更高、探測(cè)波段更廣的紅外探測(cè)設(shè)備。針對(duì)探測(cè)器給武器裝備帶來(lái)的威脅,紅外偽裝技術(shù)需要向精細(xì)化方向發(fā)展以應(yīng)對(duì)分辨率不斷提高的紅外探測(cè)設(shè)備。例如,在可見(jiàn)光波段廣泛使用的數(shù)碼迷彩技術(shù),可以應(yīng)用到紅外波段以提高偽裝設(shè)備的精度。另一方面,需要避免“木桶效應(yīng)”,面對(duì)集成化的多波段探測(cè)技術(shù)手段,不僅僅只重視一個(gè)波段的偽裝,需要兼容紅外、可見(jiàn)光和雷達(dá)等多波段的偽裝,發(fā)展多種材料的綜合使用,將具有不同波段偽裝效果的材料通過(guò)形成多層結(jié)構(gòu)或復(fù)合的方式以實(shí)現(xiàn)多波段的兼容偽裝。此外,目前對(duì)于新型材料的研究仍然處于探索階段,通過(guò)研究新材料來(lái)實(shí)現(xiàn)多波段的偽裝也是未來(lái)發(fā)展的重要方向。