红外隐身原理及其应用技术

课程（论文）题目：红外隐身原理及其应用技术内容：1背景光电隐身技术可分为可见光隐身、红外隐身和激光隐身三大类。光电隐身起源于可见光隐身，成熟于红外隐身，发展于激光隐身。而现代红外隐身技术经历了探索时期(20世纪60年代以前)、技术全面发展时期(20世纪60～70年代)和应用时期(20世纪80年代至今)。红外隐身技术于20世纪70年代末基本完成了基础研究和先期开发工作，并取得了突破性进展，已由基础理论研究阶段进入实用阶段。从20世纪80年代开始，国外陆海空三军研制的新式武器已经广泛采用了红外隐身技术。红外隐身技术通过降低或改变目标的红外辐射特征，实现对目标的低可探测性。这可通过改进结构设计和应用红外物理原理来衰减、吸收目标的红外辐射能量，使红外探测设备难以探测到目标。2红外隐身原理2.1概述从红外物理学可知,物体红外辐射能量由斯蒂芬-玻耳兹曼定律决定：4WT式中W——物体的总辐射出射度;σ——玻耳兹曼常数；ε——物体的发射率；T——物体的绝对温度。温度相同的物体，由于发射率的不同，在红外探测器上会显示出不同的红外图像。鉴于一般军事目标的辐射都强于背景，所以采用低发射率的涂料可显著降低目标的红外辐射能量。另一方面，为降低目标表面的温度，红外伪装涂料在可见光和近红外还具有较低的太阳能吸收率和一定的隔热能力，以使目标表面的温度尽可能接近背景的温度，从而降低目标和背景的辐射对比度，减小目标的被探测概率。红外侦察系统能探测目标的最大距离R为：1/21/21/21/200()[/2]*[1/()(/)]asnRJDNAwfVV式中J——目标的辐射强度；a——大气透过率；NA——光学系统的数值孔径；0D——探测器的探测率；ω——瞬时视场；f——系统带宽；sV——信号电平；nV——噪声电平。红外隐身的主要目的是减少公式中第一项的各项取值,也就是说,目标的红外隐身应包括三方面内容,一是改变目标的红外辐射特性,即改变目标表面的发射率;二是降低目标的红外辐射强度,即通常所说的热抑制技术;三是调节红外辐射的传播途径(包括光谱转换技术)。2.2改变目标红外辐射特性采用的技术(1)改变红外辐射波段改变红外辐射波段,一是使目标的红外辐射波段处于红外探测器的响应波段之外;二是使目标的红外辐射避开大气窗口而在大气层中被吸收和散射掉。具体技术手段可采用可变红外辐射波长的异型喷管或在燃料中加入特殊的添加剂。(2)调节红外辐射的传输过程通常采用在结构上改变红外辐射的方向。对于直升机来说，由于发动机排气并不产生推力，故其排气方向可任意改变，从而能有效抑制红外威胁方向的红外辐射特征。对于高超音速飞机来说，机体与大气摩擦生热是主要问题之一，可采用冷却的方法，吸收飞机下表面热，再使热向上辐射。(3)模拟背景的红外辐射特征技术模拟背景红外辐射特征是通过改变目标的红外辐射分布状态，使目标与背景的红外辐射分布状态相协调，从而使目标的红外图像成为整个背景红外辐射图像的部分。这种技术适用于常温目标，通常是采用外辐射伪装网。(4)红外辐射变形技术红外辐射变形技术是通过改变目标各部分红外辐射的相对值和相对位置，来改变目标易被红外成像系统所识别的特定红外图像特征，从而使敌方难以识别，目前主要采用的是涂料。2.3降低目标红外辐射强度技术降低目标红外辐射强度也就是降低目标与背景的热对比度，使敌方红外探测器接收不到足够的能量，减少目标被发现识别和跟踪的概率。它主要是通过降低辐射体的温度和采用有效的涂料来降低目标的辐射功率。其原理主要包括减热、隔热、吸热、散热和降热等。具体可采用以下几项技术:(1)减少散热源技术尽量减少散热源、采用散热量小的设计和部件，采用闭环冷却系统，改善气动力特性，减少气动力摩擦。(2)热屏蔽技术采用热屏蔽技术，以隔阻目标内部发出的热量，使之难以外传。一是在整机布局上考虑热屏蔽手段,以求降低目标的红外辐射强度；二是对喷管等重要部位进行红外遮挡。(3)空气对流散热技术空气的辐射集中在大气窗口以外的波段上，是一种能对红外辐射进行自遮蔽的散热器，所以红外探测系统只能探测热目标，而不能探测热空。空气对流散热技术充分利用空气的这一特性，将热能从目标表面或涂层表面传给周围空气。(4)热废气冷却技术为降低发动机排气管的温度，通常采用隔热层和空气对流。排气管外的隔热层能使排气管的红外辐射大大降低，在隔热层上进行空气对流冷却也能使排气管外表面的红外辐射特征进一步降低。对热废气冷却系统，目前研制的有夹杂空气冷却和液体雾化冷却两种系统。夹杂空气冷却就是用周围空气冷却热废气流，液体雾化冷却主要通过混合冷却液体的小液滴来冷却热废气。2.4光谱转换技术光谱转换技术是采用在3~5μm和8~14μm波段发射率低、而在这两个波段外发射率高的涂料，使被保护目标的红外辐射落在大气窗口以外。3红外隐身材料装备的红外隐身都涉及红外隐身材料问题。红外隐身材料具有隔断装备的红外辐射能力，同时在大气窗口波段内，具有低的红外发射率和红外镜面反射率。按照作用原理，红外隐身材料可分为控制发射率和控制温度两类。3.1控制红外隐身材料的发射率控制红外隐身材料的发射率主要用涂料和薄膜两类。涂料一般是采用具有较低发射率的涂料，以降低目标的红外辐射能量，且涂料还应具有较低的太阳能吸收率和一定隔热能力，以避免目标表面吸热升温，并防止目标有过多热红外波段能量辐射出去。涂料通常由颜料和粘结剂配制而成。颜料有金属、半导体和着色颜料三种。金属颜料对降低涂料的红外发射率效果最好，所用材料主要是铝。掺杂半导体做颜料，可使涂料同时具有红外隐身和雷达隐身两种功能。着色颜料用来改善涂料的可见光隐身特性。粘结剂除要求高的技术性能外，还要求是透红外的。辐射能量与发射率仅为一次方关系，而与绝对温度为四次方关系。红外隐身薄膜的优点是红外发射率低、厚度小、质量轻。一般采用真空镀膜方法，膜层厚度小于1μm。分为金属膜、半导体膜、电介质膜、金属多层膜、类金刚石膜4种。3.2控制温度的红外隐身材料控制温度的红外隐身材料包括隔热材料、吸热材料和高发射率聚合物。隔热材料用来阻隔装备发出的热量使之难于外传，从而降低装备的红外辐射强度，有微孔结构材料和多层结构材料两类。隔热材料可由泡沫塑料、粉末、镀金属塑料膜等组成。泡沫塑料能储存目标发出的热量，镀金属塑料薄膜能有效地，反射目标发出的红外辐射。隔热材料的表面还可涂各种涂料以达到其它波段的隐身效果。吸热材料利用高焰值、高熔融热、高相变热储热材料的可逆过程，把热辐射源的温度——时间曲线拉平，有利于减少升温引起的红外辐射增强。高发射率聚合物涂层施加在气动加热升温的飞行器表面上。这种涂层应当在气动加热达到的温度范围内具有高的发射率，使飞行器具有最大的辐射散热能力，使表面温度能迅速降下来，而在室温则具有低的发射率。4红外隐身技术的应用4.1飞机的红外隐身技术飞机采用的红外隐身技术主要有：(1)发动机喷管采用碳纤维增强的碳复合材料或陶瓷复合材料；喷口安放在机体上方或喷管向上弯曲，利于弹体遮挡红外挡板，在喷口附近安装排气挡板或红外吸收装置，或使飞机采用大角度倾斜的尾翼等遮挡红外辐射；在尾喷管内部表面喷涂低发射率涂料；采用矢量推力二元喷管、S形二元喷管等，降低排气温度冷却速度，从而减少排气的红外辐射。在燃料中加入添加剂，以抑制和改变喷焰的红外辐射频带，使之处于导弹响应波段之外。如目前国外采用的一种特殊燃料，使飞机尾焰辐射移到5~8μm的大气强损耗波段。(2)采用散热量小的发动机。隐身飞机大多采用涡轮风扇发动机，它比涡轮喷气发动机的平均排气温度低200~250℃,使飞机的红外隐身性能得到大大改善。用金属石棉夹层材料对飞机发动机进行隔热，防止发动机热量传给机身。如美国B-2隐身轰炸机采用50%~60%的降温隔热复合材料；F-117则采用了超过30%的新型降温隔热复合材料。(3)在飞机表面涂覆红外涂料，在涂料中加入隔热和抗红外辐射成份，以抑制飞机表面温度和抗红外辐射。采用闭合回路冷却系统，这是在隐身飞机上普遍采用的，它能把座舱和机载电子设备等产生的热传给燃油，以减少飞机的红外辐射或把热在大气中不能充分传热的频率下散发掉。(4)采用气溶胶屏蔽发动机尾焰的红外辐射，如将含金属化合物微粒的环氧树脂、聚乙烯树脂等可发泡高分子物，随气流一起喷出，它们在空气中遇冷便雾化成悬浮泡沫塑料微粒；或将含有易电离的钨、钠、钾、铯等金属粉末喷入发动机尾焰，高温加热形成等离子区；或在飞机受威胁时喷出液态氮，形成环绕尾焰的冷却幕。上述三种方法可有效屏蔽红外辐射，同时还能干扰雷达、激光和可见光侦察设备。(5)降低飞机蒙皮温度。可采用局部冷却或隔热的方法降低蒙皮温度；也可利用其温度对燃油进行预热，如美国SR-71高空侦察机，当M3时，其壁面温度高达600K，飞机利用这一温度对燃油进行预热，并通过机体结构进行冷却，从而降低了飞机蒙皮温度。通过采用上述各项技术措施，可把飞机的红外辐射抑制掉90%,使敌方红外探测器从飞机尾部探测飞机的距离缩短为原来的30%，甚至更小。4.2舰艇的红外隐身技术控制舰艇红外辐射特征的目的是降低不同区域的温度差，从而降低红外侦察设备和导弹的识别能力。舰艇采用的热抑制措施主要有冷却和屏蔽两种。(1)冷却——降低3~5μm波段的红外辐射燃气轮机和柴油机排放的高温废气是舰艇在3~5μm波段最强烈的红外辐射源，因此国外在舰艇红外隐身领域的工作，大都从降低废气温度，抑制红外辐射开始。对燃气轮机来说，由于其排气量大、排气流速高，普遍采用引射技术和烟囱喷水技术，它可使烟囱部位的红外辐射强度大大降低，这已应用在美国斯普鲁恩级驱逐舰上。采用此技术措施后，可降低舰艇在3~5μm波段95%以上的红外辐射。减少舰艇燃气轮机和烟囱的热红外辐射，一般还采用双层烟囱。在烟囱底部开有冷空气进孔，以便使燃气轮机的热气与大量的冷空气混合，从而大大降低烟囱排放废气的温度。对于柴油机排气的红外抑制，目前普遍采用烟道冷却和海水喷射技术。英国的舰艇采用烟道冷却后，舰艇红外辐射降低60%以上。德国海军采用海水喷射装置后，可使排气温度由500℃降低到60℃。(2)屏蔽——降低8~14μm波段的红外辐射降低舰8~14μm波段的红外辐射，主要采用屏蔽的方法。可采用红外隐身材料，改变舰艇的红外辐射特征，使用隔热材料来阻止舰艇舱内的热源向外辐射；采用喷淋水幕技术，将舰艇笼罩起来，达到降温、屏蔽的效果。如俄罗斯现代级驱逐舰、美国的杜鲁门号航母和英国的海幽灵护卫舰等，都采用了喷淋水幕技术。总之，目标内在的红外隐身技术在空中和海上的应用与发展是不平衡的。就目前的水平看，飞机的红外隐身技术比较成熟，已达到实用阶段，应用于飞机的设计和制造中。舰艇的红外隐身技术刚刚起步，目前还只能是对现有装备进行小的改进，完成低水平的红外隐身，离实用阶段还有一定距离。综上所述，为了降低水面舰艇的红外辐射，各国主要采用：(a)冷却上升烟道的可见部分。(b)冷却排烟，使它尽可能地接近环境温度。(c)选取隐身材料，吸收3~5μm的红外辐射。(d)采用绝缘材料来限制机舱排气管道及舱内外结构的发热部位。(e)对舰桥等上层建筑涂敷红外隐身涂料，这样不仅能减少红外辐射，而且能减少光反射。(f)应用红外隐身材料进行屏蔽，从而降低舰艇8~14μm波段的红外辐射。(g)采用海水喷射技术，降低排气温度。(h)采用引射技术和烟囱喷水技术，使烟囱部位的红外辐射强度大大降低。4.3坦克装甲车辆的红外隐身技术坦克的红外辐射主要来源于发动机及其排出的废气、火炮射击时的炮管、履带与地面摩擦，以及受阳光照射而产生的热。坦克装甲车辆的红外辐射抑制措施主要有：(1)发动机排气和冷却空气出口只能指向后方，而且不能直指地面，以防扬尘。排气中粒子杂质含量极低，以减少其热辐射。采用陶瓷绝热发动机，降低坦克的红外辐射强度。(2)内部热耗散较低，朝向天空水平表面部分应具有较高的发射率，以防向天空辐射。垂直面及与垂直面成小角度平面的发射率应足够低，以使车辆热点视在温度降到最低。(3)避免车辆自身产生高热对比度。避免大面积均匀视在温差分布，利用热导和热发射率，差异