[科普中国]-隐身无人机

简介

自1917年英国第一架无人机研制成功，至今已有80多年的历史。无人机大量、成规模地用于战争是在1991年的海湾战争中，以美国为首的多国部队动用了大量无人机，执行电子侦察和干扰等军事任务。1989年底，美军在巴拿马运河战争首次使用F-117隐身战斗机袭击了巴拿马。其后，在海湾战争、科索沃战争中，美军使用F-117，B-2等隐身飞机对伊拉克、南联盟的重要目标进行了空中打击。隐身技术在军事上的巨大潜力，受到世界各军事强国的高度重视，隐身技术已成为各国军队竞相用于高科技武器装备上的重要技术。

目前，新一代多用途、隐身无人机的研制，已经成为世界各国空军新的研究和发展之重点。现代隐身技术和无人机技术结合而形成的新型隐身无人机，在隐身性能、生存能力、作战主动权方面正在不断提高。1

隐身无人机的主要隐身技术反雷达探测技术隐身技术的一项最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积(RCS)来度量。RCS是方位角、散射体形状、雷达波的频率、发射和接收天线极化特性的函数。雷达散射截面积的大小，反映了目标散射电磁波能量的强弱，RCS值越小，雷达就越不易探测到目标。在隐身无人机上，常从以下几个方面来减小RCS。

外形隐身技术

理论分析和试验表明，电磁波的散射与目标的几何形状密切相关，例如，投影面积相同的一块平板和一个球体，它们的雷达截面积相差4个数量级。飞机外形对其雷达截面积大小的影响是非常大的。

消除镜面反射。合理控制无人机的整个外形，避免表面采用较大的平面和凸状弯曲面，用小平板外形代替曲面外形，用多方向的镜面反射和边缘衍射代替小角度的能量集中的大镜面反射，以抑制镜面强反射。

克服角反射器效应。角反射器效应是指目标上的两面体或角体结构产生的散射。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，就会形成二次反射，最后以与入射波束相同的方向反射波束到雷达。而由3个互成90度的表面而成的角体，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“反射”，从而在宽的视界角范围内返回强的电磁波能量到雷达。基于上述原因，无人机在外形上采用了机翼、机身、尾翼和短舱连接处光滑过渡，机翼与机身高度融合的构型。机翼、机翼上的垂直安定面、水平尾翼、机翼下挂架、翼身连接处等会形成强烈的角反射器效应的部位，在无人机上常采用内倾的双垂尾或无垂尾、翼端(或翼下)安定面、机身侧边等构型。

减少其他强散射。发动机进气道、尾喷管、排气口等都可看作凹状结构，具有较强的雷达信号特征，因此，对这类凹状结构应采取隐身措施。一般采用遮蔽法，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，将发动机安装在无人机机身上部，由机身挡住发动机进气道和尾喷口，以减少雷达信号。对于进气道，采用进气口斜切以及将进气道设计成s形遮挡电磁波直射到压气机叶片上，又可使进入进气道内的电磁波经过多次反射，使回波减弱，从而有效地减小进气道的散射效应。

材料隐身技术

雷达隐身材料是应用最广的一种隐身技术，其作用是减少目标雷达散射截面，主要分为雷达吸波材料和雷达透波材料。

雷达发射的电磁波碰到金属材料时，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和绝缘材料组成，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少。无人机的外形尺寸比有人飞机小，因此，部分或大部分使用复合材料比有人飞机要容易实现。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。

雷达透波材料是对电磁波不发生作用而对其保持透明状态的非金属类复合材料，最普通的有石墨-环氧树脂、凯夫拉等。但由于机体内有其它金属材料制造的发动机、导线和电子设备等，透波材料在减小雷达散射截面积方面作用并不大，因而大量使用的是吸波材料。雷达吸波材料(RAM)，又称微波吸波材料，是指能够通过自身吸收作用减少目标雷达散射截面的材料，其基本原理是通过某种物理作用机制，将雷达波能量转化为其它形式运动的能量，并通过该运动的耗散作用而转化为热能。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。

红外隐身技术红外探测器是远程探测飞机目标的一种重要手段，作为雷达探测的替代，红外探测器的应用正在得到重视。无人机隐身技术的另一项重要工作是提高反红外探测的能力，也就是减小目标的红外信号特征。发动机的尾喷管或排气口是红外探测器的主要红外源。因此，减小无人机的红外信号特征，主要是要减小发动机尾喷管或排气口的红外辐射，目前已采用或正在研究的措施有以下几种。

(1)采用散热量小的发动机。现代隐身无人机大多采用涡轮风扇发动机。

(2)采用隔热材料对发动机进行隔热。延长发动机尾喷管并采用热保护层。

(3)采用遮蔽法。用机身或发动机短舱遮蔽红外辐射；用发动机排气口周围的环形罩遮蔽红外辐射。

(4)改进发动机喷管的设计。比如采用二元喷口(包括S形)，可以使发动机的燃气流按选定的方向排出，并且容易与外界空气掺混而增加尾焰的周长，从而加快燃气的冷却速度。1

现代隐身无人机的隐身技术发展现代隐身无人机的技术发展是随着隐身技术及无人机技术的发展而不断的发展。现代反隐身技术及防空系统的日益完善也促使隐身无人机的隐身技术不断更新。

等离子体隐身技术等离子体隐身技术是指利用等离子体回避探测系统的一种技术。目前产生隐身等离子体的方法主要有两种：一种是利用等离子体发生器产生等离子体，即在低温下，利用高频高压电源提供的高能量产生间隙放电、沿面放电，将气体介质激活，电离形成等离子体；另一种是在飞机的特定部位(如强散射区)涂一层放射性同位素，对雷达波进行吸收。等离子体隐身技术对飞机的外形没有特殊的要求，可以将无人机的气动性能与隐身性能统一。

新型隐身材料无人机隐身外形设计的苛求，势必降低无人机的气动性能。隐身材料的应用可在不改变外形的情况下达到减小RCS的目的，因此，新型隐身材料的研究与应用成为隐身技术发展的重要支撑技术。以下是近年来国外研究的新型吸波材料。

(1)手性材料。手性是指一种物休与其镜像不存在几何对称性，且不能通过任何操作使物体与镜像相重合的现象。具有手性特性的材料，能够减少入射电磁波的反射并能吸收电磁波。

(2)纳米材料具有极好的吸波特性。由于纳米材料的特殊结构引起的量子尺寸效应及隧道效应等，导致它产生许多不同于常规材料的特异性能。

(3)导电高聚物材料。由于导电高聚物材料具有结构多样化、结构高度低及独特的物理、化学特性，因而引起科学界的广泛重视。将导电高聚物与无机磁损耗物质或超微粒子复合，可望发展成为一种新型的轻质宽频带微波吸收材料。

(4)多晶铁纤维吸收剂。这是一种轻质的磁性雷达吸收剂，可在很宽的频带内实现高吸收效果，且重量减轻40%60%，克服了大多数磁性吸收剂过重的缺点。

抑制可见光、红外线反射技术(1)采用加电涂层。将24伏电压加于飞机蒙皮，使蒙皮表面产生一层能吸收雷达波的保护层，称之为加电涂层。它具有抗雷达探测的功能，还可随着背景颜色的变化而改变涂层的颜色。

(2)在隐身无人机表面涂一种能吸收红外线的新型漆。发动机燃料中加入防止红外线辐射的化学物质，使无人机的红外信号特征大大降低，以躲避红外探测系统的探测。1

隐身技术在现代无人机上的应用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，美国在Q-2无人机上就采用了隐身技术。自1995年以来，两种现代隐身无人机相继面世，一是美国洛克希德和波音公司联合研制的高空长航时隐身无人机Tier3-“暗星”。二是NASA/原麦道公司的X-36。其中以Tier3-“暗星”受到世人的瞩目。

Tier3是一种高空长航时隐身战术无人机，是美国国防部的“Tier”计划的一部分，其军用编号为RQ-3A，绰号为“暗星”。Tier3的特点是采用了先进的隐身设计，机头采用了飞碟式的圆弧平面外形，机身扁平且较短，后端与机翼后缘齐平，也能产生升力。且无垂直尾翼和水平尾翼，减小了雷达散射截面积。整个机体主要用胶接的石墨复合材料制造，具有突出的隐身能力。

由于Tier3的设计目的是在敌方防御区上空巡航，而不是以最高速度飞进飞出，这在一定程度上增大了其被探测到的可能性。鉴于此考虑，“暗星”外形设计使得RCS极小，另外，采用了具有高性能的雷达吸波透波涂层，并通过飞机自身的弯曲或重构外形来控制它的机动。从这个意义上说，“暗星”飞机是以灵活性来换取飞机的极端隐身性能。尽管如此，“暗星”为更先进的隐身无人机设计奠定了基础。1