隐身技术在无人机上的应用


                  季斌南
    开始隐身技术是当前世界各国十分重视的尖端科学技术。以美国为首的一些先进国家竞
相发展这种技术,并把它应用于军事领域,特别是军事航空领域:已研制或正在研制各种隐
身飞机与隐身无人机,有些已装备部队,大大增强了航空装备力量和空中作战能力。
    开始“隐身”这一术语对多数人来说并不陌生。人们早就从古典神话小说中熟知“隐身
法”、“隐形人”之类的故事。这些神话故事从古到今不知吸引了多少人。当然,在现实生
活中并不存在这样虚幻的事例。但是,隐身技术与神话小说中所谓的“隐身法”有本质的区
别:它不是神话,而是一种综合运用电磁学、光学、声学、材料学等科学理论和技术成果的
科学技术。从广义上说,隐身技术是一种研究如何减小目标的可探测性,使目标不易被探测
器发现的技术。因此,从这个含义上说,隐身技术是人们在长期的探测和反探测斗争中,不
断探索逐步发展起来的一种反探测技术。
    开始早期的隐身术——伪装术
    开始在第一次世界大战之前,人们探测目标靠的是眼睛和可见光设备。探测能力依赖于
目标的尺寸、色彩、光泽及其背景的对比度。伪装术是这一时期出现的一种反目视探测技
术,也可说是早期最简单的隐身术。伪装术有天然伪装和人为伪装两种:天然伪装主要利用
地形、地物、气象等自然条件进行伪装;人工伪装主要用迷彩、烟幕、灯火、音响等设置遮
障,构筑假目标、假工事、假阵地等进行伪装。
    开始以军用航空来说,人们为了减小飞机的可探测性,在飞机上使用迷彩涂料,即在漆
料中调以颜料,用色彩和表面花纹,使飞机反射光线的强度和色彩与背景相同。例如,为了
不使地面的敌人仰视看清飞机,在飞机底部涂成较淡的蓝灰色,且无光泽,使飞机与天空背
景的色彩、光泽相近。
    为了使上方敌机俯视看不清下方飞机,在飞机的上表面涂上灰绿和灰棕色斑点,使飞机
与地面背景的色彩、光泽相近。飞机的不同部分可能形成对比,增加了被探测的可能性。为
了抵消它,涂料颜色可以变化,使暗的地方变成浅色。实际上伪装术在自然界也常可见到,
例如活动在冰天雪地中全身白毛的北极熊;爬伏在树上形似嫩枝的杆状昆虫;游动在草丛中
的青蛇;随时改变保护色的变色龙;飞舞在花圃中的彩蝶等。不过,这些都是出自动物本能
的伪装术。
    开始隐身技术的工作原理与功能
    开始19世纪发明的雷达,在第二次世界大战中首次用于军事。雷达是一种利用无线电
波发现目标并测定其位置的装置。其简单工作原理是:由雷达发射装置发出无线电波束(脉
冲无线电波束和连续无线电波束);碰到目标后,其中的一小部分波束就反射到雷达接收装
置,由此来测定目标的距离、方位和高度等参数。雷达的问世,使人类的探测技术和能力跨
上了新的台阶;同时,也向反探测技术提出了新的挑战。人们为了提高目标反雷达探测的能
力,不懈地奋斗了几十年,终于探索到一条新的隐身途径。与早期的隐身术——伪装术相
比,今天的隐身技术已起了根本变化,有了质的飞跃。下面从反雷达探测和反红外(热)探
测两个方面简单介绍隐身技术的一些工作原理与隐身功能。
    开始一、反雷达探测
    开始隐身技术的一项主要工作是提高反雷达探测的能力,也就是提高目标在雷达探测下
的隐身性能,通常用目标的雷达散射截面(RCS)表示。所谓目标的雷达散射截面是指:目
标被雷达发射的电磁波射中时,其反射电磁波能量的程度。雷达散射截面的大小,反映了目
标反射电磁波能量的强弱;其越小,雷达就越不易探测到目标。在无人机上,常从以下几方
面来减小RCS:
    开始1.采用复合材料
    开始雷达发射的电磁波碰到金属材料(如铝合金蒙皮)时,由于其是电导体,在金属材
料中易感应生成相同频率的电磁流。电磁流的流动,会建立起电磁场,向雷达二次辐射能
量。复合材料是由一些非金属材料(如碳)
    和绝缘材料(如环氧树脂)组成,其导电率要比金属材料低得多。因此,当雷达发射的
电磁波碰到复合材料时,难以感应生成电磁流和建立起电磁场,所以向雷达二次辐射能量要
少得多。
    开始无人机的尺寸要比有人飞机小得多;大多数无人机的最大尺寸在5米以下。因此,
在其机体上,部分或大部分使用复合材料比有人飞机要容易实现。
    开始基于上述两点原因,采用复合材料就成了无人机最普遍使用的隐身措施。无人机上
采用的复合材料主要有:玻璃纤维加强合成树脂、石墨与环氧树脂、以芳纶纤维为基础的凯
芙拉、雷达吸波材料。
    开始雷达吸波材料是一种多层结构形成的材料。它至少有三层:最外层是透波层;中间
层(蜂窝芯或泡沫芯)是电磁波损耗层;最内层是基板,具有反射抵消雷达波的特性。当雷
达能量辐射到此材料结构上时,就会被大量吸收和抵消掉。无人机常用的吸波结构材料有:
聚氨基甲酸酯泡沫芯和芳纶-环氧树脂蒙皮;聚苯乙烯泡沫芯和胶合板(尼龙)蒙皮或碳纤
维蒙皮;Nomax蜂窝芯和芳纶蒙皮;玻璃纤维蜂窝芯和石墨复合蒙皮。
    开始2.避免使用大而平的垂直面
    开始当雷达的无线电波射入两个互相垂直面中的任一个面时,由于无线电波的“镜面反
射”效应,就会形成二次“反弹”,最后以与入射波束相同的方向反射波束到雷达(图
一)。无人机的立尾与水平尾翼、机翼上的垂直安定面、机翼下挂架、翼身连接处等都会形
成强烈的雷达反射区域。为减小RCS,在无人机上采用内倾的双立尾、翼端(或翼上)安定
面、机身侧边等构型。
    开始3.采用光洁平滑的外形
    开始无人机在雷达探测下,其蒙皮上生成电磁流。当这些电磁流流动到不连续处时,就
被“耗散”或者辐射电磁能,而其中一部分电磁能就会射回雷达。因此,无人机形状轮廓等
剧变状况,或是尖削的翼后缘与翼尖、操纵面以及机体连接处等的不连续性,都会使其成为
雷达能量的良好散射体当不连续处垂直于雷达波束时,这种效应最强,参看图二。
    开始基于上述原因,无人机在外形上采用:机翼、机身、尾翼和短舱连接处光滑地过
渡,或机翼与机身高度融合的构型。机翼为下单翼时,采用平整的翼身组合下侧面;平滑的
曲面外形;后掠的机翼后缘和尾翼后缘。
    开始4.注意凹状结构的隐身
    开始凹状结构具有角反射器的特性。角反射器是由3个互成90度的表面角连接而成。
当雷达的无线电波射入这3个表面中的任一表面时,可能形成三次“反弹”,从而在宽的视
界角范围内返回强的电磁波能量到雷达。发动机进气道、尾喷管、排气口等都可看作凹状结
构,具有较大的雷达信号特征(对发动机尾喷管来说还有红外辐射特征)。因此对这类凹状
结构应采取隐身措施。一般采用的隐身方法有:
    开始遮蔽法始这种方法是利用机体的某一部分遮避发动机的进气道或尾喷口,以减小雷
达探测的视角范围。例如,将发动机装在机身背上,由机身挡住发动机进气道和尾喷口,以
免上视雷达探测;把发动机装于机身中,发动机进气口设在机身顶上或机翼上方的机身两
侧,由机身或机翼挡住进气口,以免上视雷达探测。
    开始进气道上装屏蔽罩始例如,在进气口上装金属丝网屏避罩,可抑制长波雷达探测。
    开始进气道上采用高吸收率综合保护层结构。
    开始二、反红外(热)探测
    开始隐身技术的另一项重要工作是提高反红外(热)探测的能力,也就是减小目标的红
外(热)信号特征。发动机的尾喷管或排气口是红外探测器的主要红外(热)源。因此,减
小无人机的红外(热)信号特征,主要是要减小发动机尾喷管或排气口的红外(热)辐射,
有以下几种方法:
    开始1.延长发动机尾喷管并采用热保护层。
    开始2.遮蔽法:
    如用机身或发动机短舱遮蔽红外辐射;由发动机尾喷口两侧的垂直安定面遮蔽红外辐
射;由发动机排气口周围的环形罩遮蔽红外辐射。
    开始3.使发动机的废气按选定的方向排出,如向上排出废气。
    开始4.冲散发动机废气,如用旋翼冲散废气。
    开始隐身无人机实例简介
    开始美国是世界上最早把隐身技术用于无人机的国家。早在1960年初,美国就在Q-2
无人机上,部分地采用了隐身技术,其隐身特征是:用金属丝网罩住发动机进气道;在机身
两侧贴敷雷达吸波材料覆盖层;机头涂不导电的油漆。自此以后,便有越来越多的无人机采
用隐身技术。除美国之外其他一些国家也开始研制生产这类无人机。根据隐身要求、方法和
程度的不同,无人机隐身可以分为部分隐身和全面隐身两种:
    开始一、全面隐身(或隐身程度高)的无人机:
    开始1.蒂尔Ⅲ-“暗星”
    美国1995年推出的最新隐身无人机,现还在研制试验中。该机的隐身特征是:无尾式
翼身融合体构型;机体用复合材料制造;用全胶接方式连接;涡轮风扇发动机装在机身内,
其进气口在机头上方;机体下涂黑色涂料。
    开始2.D-21/GTD-21B(图三)
    美国60年代中后期开始生产、改进的高空超音速无人侦察机。其隐身特征是:翼身融
合体构型;冲压发动机装在机身中,有延长的尾喷管;机体中大量采用复合材料;于机翼和
机身中部上下表面,大面积敷设雷达吸波材料覆盖层。
    开始3.“苍鹰”(YMQM-105)
    美国70年代中期开始研制,后经10多年改进研制的小型战术无人机。此机隐身特征
为:无尾式翼身融合体构型;机体用复合材料制造;活塞式发动机的废气向上排出;木质推
进式螺旋桨的周围有环形罩。
    开始4.262型(图四)
    美国1977年生产的小型战术无人机。该机的隐身特征是:光滑的三角形飞翼式机体;
涵道式螺旋桨,其后两侧有内倾的安定面;机体以复合材料为主制成。
    开始二、部分隐身的无人机
    开始1.154型(AQM-91A)
    美国60年代中后期开始研制的高空无人侦察机(图五),其隐身特征为:涡喷发动机
装在机身背部发动机舱内;两个立尾向里倾斜,机身两侧面向里倾斜;机身底部平坦,翼身
组合的下侧面平整;大展弦比机翼大部分蒙皮用塑料制成。
    开始2.YQM-98
    A(图六)美国70年代初期研制的长航时无人机,其隐身特征:涡扇发动机装在机背发
动机舱中;平坦的机身底部和平整的翼身组合下侧面;机身两侧内倾;机翼大部分用复合材
料。
    开始3.“稳眼”Mk4(图七)
    英国80年代中期研制的小型无人侦察机,其隐身特征:机身横截面呈近似三角形,底
边平宽,两侧向里倾斜,平整的翼身组合下侧面;水平尾翼上的两个立尾向里倾斜;活塞发
动机进气道设在机翼上方的机身两侧;机身采用玻璃钢蜂窝结构,机翼与尾翼由泡沫塑料芯
和非金属蒙皮制成。
    开始4.CL-227“哨兵”
    加拿大70年代中期开始研制,于80年代后期研制成功的旋翼式无人机。该机的隐身特
征是:外形象“花生”,表面光滑,曲率变化平缓;机体用复合材料和雷达吸波材料制造;
两个共轴反向旋翼用芳纶制造;上机身内装涡轮轴发动机,中机身上装两个旋翼,其旋转时
的下洗气流可将发动机的废气冲淡。
    开始隐身技术发展迅猛,今天采用的方法和技术,明天可能因为反隐身技术的抗击会被
淘汰;但一种新的隐身方法和技术就会应运而生。因此,可以肯定地说,无人机的隐身水平
会随着隐身技术的不断提高,向更高的方向发展*