李 艇，付云鵬，楊衛(wèi)英

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引言

水面艦船作為海上武備及戰(zhàn)機(jī)載體，具有運(yùn)載能力強(qiáng)、布置靈活的優(yōu)點(diǎn)，大型戰(zhàn)艦一度成為強(qiáng)國(guó)稱(chēng)霸世界的主要工具。而隨著反艦武器和探測(cè)設(shè)備的飛速發(fā)展，艦船的暴露和被攻擊命中概率大幅度提高。因此各海軍大國(guó)開(kāi)始重視艦船的隱身設(shè)計(jì)，紛紛推出具有高度隱身性能的先進(jìn)艦船，通過(guò)提高艦船自身的隱蔽性，增加防護(hù)和對(duì)抗能力[1]。根據(jù)探測(cè)手段的不同，艦船隱身技術(shù)可以分為雷達(dá)波隱身、聲隱身、電場(chǎng)隱身、磁場(chǎng)隱身以及紅外隱身等。紅外隱身是艦船應(yīng)對(duì)紅外制導(dǎo)反艦武器的主要手段，是艦船隱身性的重要組成部分之一，水面戰(zhàn)斗艦艇及需要隨編隊(duì)伴航的輔助艦船都對(duì)紅外隱身性能提出越來(lái)越嚴(yán)苛的要求。

艦船研制過(guò)程中根據(jù)需要進(jìn)行紅外輻射的本征控制和應(yīng)急控制。本征控制即艦船紅外輻射的固定控制設(shè)計(jì)，目的在于縮減艦船固有的紅外特征；應(yīng)急控制即臨時(shí)控制設(shè)計(jì)，當(dāng)艦船需要對(duì)抗敵方紅外搜索跟蹤時(shí)，采取措施進(jìn)一步縮減或改變艦船的紅外特征，以便擺脫或欺騙敵方的紅外搜索跟蹤。

根據(jù)紅外制導(dǎo)原理，艦船紅外隱身的基本原則在于設(shè)法降低艦船熱輻射源的輻射強(qiáng)度和改變艦體表面的輻射率。一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停輻射紅外線，大氣中各種氣體對(duì)不同波段的紅外輻射有不同的吸收和影響，從而造成不同程度的衰減。但紅外線在3～5 μm和8～14 μm波段，大氣對(duì)紅外輻射基本上是透明的，被稱(chēng)為“大氣窗口”[2]。紅外探測(cè)器就是利用這個(gè)“大氣窗口”對(duì)艦船進(jìn)行3～5 μm點(diǎn)源識(shí)別和8～14 μm波段面源識(shí)別，并引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊。

本文將分別分析水面艦船3～5 μm和8～14 μm兩個(gè)波段紅外輻射源和紅外隱身設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)闡述主要的艦船紅外抑制技術(shù)及其應(yīng)用案例。

1 艦船3～5 μm波段點(diǎn)源隱身設(shè)計(jì)

艦船動(dòng)力裝置排氣溫度較高，其3～5 μm波段點(diǎn)源紅外輻射特征主要來(lái)自排氣煙羽、被加熱的排氣管，以及被煙氣流加熱的煙囪外壁，其中排氣煙羽最高溫度可達(dá)500℃，排氣管和煙囪外壁被煙羽直接加熱，溫度可接近排氣煙羽溫度。艦船3～5 μm波段點(diǎn)源隱身設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于采取措施降低動(dòng)力裝置的排煙溫度以及排氣管、煙囪金屬壁面溫度。除了常規(guī)煙囪排氣方式外，為了進(jìn)一步提高艦船隱身性能，開(kāi)始采用海水噴淋舷側(cè)排氣和艉部排氣技術(shù)替代傳統(tǒng)的煙囪排氣，大幅度降低排氣溫度，有效控制艦船3～5 μm波段紅外輻射強(qiáng)度。

1.1 常規(guī)煙囪排氣紅外抑制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1.1 排氣紅外抑制裝置

在排氣系統(tǒng)增設(shè)排氣紅外抑制裝置是一種常用的降低煙氣溫度設(shè)計(jì)方法，各個(gè)國(guó)家開(kāi)發(fā)了多種排氣紅外抑制裝置，如DRES球型、引射/擴(kuò)壓型等。不同型式的紅外抑制裝置基本原理大致相同，圖1為引射/擴(kuò)壓型紅外抑制裝置原理示意圖，排氣紅外抑制裝置直接安裝在排氣管路末端，由引射噴頭、混合管和擴(kuò)壓環(huán)等組成，排氣管路中煙氣主流利用引射原理將排氣管周?chē)蜏乜諝馕牖旌瞎懿⑴c高溫?zé)煔饣旌?，以降低排煙出口溫度。同時(shí)混合管中煙氣通過(guò)擴(kuò)壓環(huán)間的間隙繼續(xù)吸收新鮮空氣，在高溫?zé)煔夂徒饘俦诿骈g形成冷卻氣膜，降低金屬管壁溫度[2]。美國(guó)阿利伯克級(jí)驅(qū)逐艦、日本日向級(jí)兩棲攻擊艦等艦船均采用了排氣紅外抑制裝置來(lái)降低煙囪部位的紅外輻射特征。

必要時(shí)還可以采用海水噴霧的方式進(jìn)一步降低排氣溫度，即在引射噴頭出口處設(shè)置噴霧器，向煙氣主流噴射水霧，水霧和新鮮空氣一起混入高溫?zé)煔?，利用水霧相變大量吸熱的原理，降溫效果明顯。美國(guó)DDG1000即采用了海水和空氣同時(shí)對(duì)煙氣進(jìn)行冷卻，提高其紅外隱身性能[3]。

圖1 排氣紅外抑制裝置工作原理 Fig.1 Working principle of exhaust IR suppressor

1.1.2 基于紅外隱身的煙囪設(shè)計(jì)

排氣紅外抑制裝置的設(shè)置會(huì)給艦船煙囪的總體設(shè)計(jì)帶來(lái)一定影響。如紅外抑制裝置需引入大量新鮮空氣，因此煙囪百葉窗的進(jìn)氣凈面積計(jì)算應(yīng)考慮紅外抑制裝置的引射空氣量。此外百葉窗的葉片應(yīng)在水平視線內(nèi)遮擋煙囪內(nèi)部，防止煙囪內(nèi)熱源（如引射噴頭）的紅外輻射通過(guò)葉片縫隙暴露出來(lái)，即出現(xiàn)“露光”現(xiàn)象。

為了降低煙囪壁面的二次輻射強(qiáng)度，可采用煙囪壁面海水噴淋、煙囪區(qū)域氣流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方式來(lái)降低煙囪金屬?lài)诘臏囟?。在外板上端布置海水噴淋裝置，如紅外水幕噴頭，作為應(yīng)急控制手段，平時(shí)不開(kāi)啟，僅在作戰(zhàn)狀態(tài)或受到威脅狀態(tài)時(shí)開(kāi)啟，通過(guò)對(duì)煙囪金屬壁板噴淋海水，可迅速降低其溫度，徹底消除二次輻射的亮點(diǎn)。圖2(a)為艦船煙囪前擋板及側(cè)板受高溫?zé)煔庥绊懏a(chǎn)生二次輻射示意圖，從圖中可以看出，煙囪側(cè)壁板處被高溫?zé)煔庾罡呒訜嶂罷1，大大增加了煙囪部位的紅外輻射強(qiáng)度。對(duì)該區(qū)域進(jìn)行局部氣流場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在煙囪前擋板頂部加開(kāi)百葉窗引入新鮮空氣進(jìn)行降溫，煙囪側(cè)壁最高溫度可降至T2，如圖2(b)所示，其中T1較T2高～60℃。

針對(duì)煙囪壁板的二次輻射問(wèn)題，法國(guó)拉斐特級(jí)護(hù)衛(wèi)艦的煙囪采用不易于導(dǎo)熱的玻璃鋼材料進(jìn)行制造[1]，如圖3所示[4]。該方法有效避免了高溫?zé)煔舛屋椛洚a(chǎn)生的煙囪金屬?lài)诟邷貑?wèn)題，降低了全艦紅外輻射強(qiáng)度。

1.2 海水噴淋舷側(cè)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

舷側(cè)排氣技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展非常成熟，廣泛應(yīng)用于游艇、商船、海洋工程、大中型水面作戰(zhàn)艦艇等。

海水噴淋冷卻是一種相變冷卻技術(shù)，海水噴射到排氣管內(nèi)后由于霧化、汽化而產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流、表面蒸發(fā)等傳熱過(guò)程，噴入的海水吸收了大量熱量使得排氣溫度迅速?gòu)膸装贁z氏度降低到幾十?dāng)z氏度，十分接近船體表面溫度，從而可以迅速降低排氣紅外輻射強(qiáng)度，冷卻后的煙氣從舷側(cè)排出。如圖4所示，海水噴淋舷側(cè)排氣系統(tǒng)一般由初級(jí)消音器、噴水管段、次級(jí)消音器、舷側(cè)擋板閥等組成[5]。根據(jù)總體的空間布局，也可以采用單級(jí)消音器型式。由于煙氣出口溫度較低，3～5 μm波段紅外輻射強(qiáng)度很小；研究結(jié)果表明，舷側(cè)排氣對(duì)全船8～14 μm波段紅外輻射對(duì)比度貢獻(xiàn)非常小，可忽略不計(jì)。

圖2 煙囪部位氣流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.2 Optimization design of airflow field in chimney

圖3 法國(guó)拉斐特級(jí)護(hù)衛(wèi)艦及其煙囪Fig.3 French Lafayette frigate and its chimney

圖4 海水噴淋舷側(cè)排氣系統(tǒng)示意圖 Fig.4 Schematic diagram of seawater spray side exhaust system

海水噴淋舷側(cè)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題是應(yīng)采取措施保證舷外海水不會(huì)倒灌入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，比如對(duì)于布置靠近舷側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)，可以采用倒U式排管管路布置。要對(duì)艦船舷側(cè)排氣系統(tǒng)的背壓進(jìn)行校核計(jì)算，同時(shí)考慮短時(shí)上浪對(duì)排氣背壓的影響，系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)排氣背壓的要求，必要時(shí)可在滿(mǎn)足艦船總體性能的前提下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率進(jìn)行修正。此外應(yīng)對(duì)可能接觸海水的部位采取有效措施，防止海水對(duì)排氣管路及部件造成腐蝕。

1.3 海水噴淋艉部排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

海水噴淋艉部排氣冷卻與舷側(cè)排氣冷卻原理相似，也是利用海水相變冷卻技術(shù)，可將高溫排煙冷卻至幾十?dāng)z氏度，迅速降低排氣紅外輻射強(qiáng)度，不同的是冷卻后的煙氣從艦船艉部排出。艉部排氣和舷側(cè)排氣除了能夠大幅度降低艦船的紅外輻射強(qiáng)度外，可以取消傳統(tǒng)煙囪的設(shè)置，排氣管路不占用甲板面空間，方便武備系統(tǒng)的綜合布置，同時(shí)提高全艦的雷達(dá)波隱身性能。

典型海水噴淋艉部排氣系統(tǒng)組成如圖5所示，由主排氣管、應(yīng)急排氣管、噴淋管段、氣動(dòng)控制閥、應(yīng)急排氣閥、擋板閥等組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題及注意事項(xiàng)可參考舷側(cè)排氣系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上主排氣管的布置應(yīng)保證艦船航行中最大縱搖角度時(shí)排氣管最高處下緣應(yīng)高于水線。當(dāng)艦船艉部排氣管路在縱搖進(jìn)水情況下，排氣系統(tǒng)背壓升高至設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)控制應(yīng)急排氣閥快速開(kāi)啟，通過(guò)應(yīng)急排氣管路快速泄壓，保證系統(tǒng)安全。

圖5 海水噴淋艉部排氣系統(tǒng)示意圖 Fig.5 Schematic diagram of seawater spray stern exhaust system

2 艦船8～14 μm波段面源隱身設(shè)計(jì)

研究表明，艦船8～14 μm波段紅外輻射特征主要來(lái)自于船體外表面[6]。因此通過(guò)降低船體表面溫度的紅外水幕系統(tǒng)和改變船體金屬表面紅外發(fā)射率的紅外隱身涂料均可以作為艦船8～14 μm波段面源隱身設(shè)計(jì)的有效手段。

2.1 紅外隱身水幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水幕系統(tǒng)的功能是為全艦上層建筑、露天甲板平面和舷側(cè)壁面提供有效的噴淋降溫。在戰(zhàn)斗需要時(shí)可以通過(guò)水幕系統(tǒng)降低艦船外表面溫度，提高艦船的紅外隱身性。紅外隱身水幕系統(tǒng)水源就近取自消防總管，采用遙控閥，在消防滅火控制臺(tái)的紅外隱身控制板進(jìn)行控制。

隨著技術(shù)的發(fā)展，紅外隱身水幕也朝著智能化、精確控制方向發(fā)展?？赏ㄟ^(guò)加裝紅外探測(cè)器，感知背景的特征，然后利用布置在船體外板的溫度傳感器通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥對(duì)噴水量進(jìn)行閉環(huán)控制，精確控制船體與背景的紅外輻射對(duì)比度。

2.2 紅外隱身涂料

紅外隱身涂料的工作原理有兩種，其中通過(guò)改變自身涂層的發(fā)射率，實(shí)現(xiàn)紅外信號(hào)的調(diào)節(jié)的被稱(chēng)為反射性；吸收紅外波后，輻射的紅外波會(huì)發(fā)生波長(zhǎng)的變化，使波段轉(zhuǎn)移，從而不在“大氣窗口”范圍內(nèi)，稱(chēng)為轉(zhuǎn)換型[7]。

20世紀(jì)70年代后，美國(guó)多家軍事單位相繼研制出不同的紅外隱身材料以及涂料，并研發(fā)了兩種不同顏色的有機(jī)硅黏結(jié)劑的低發(fā)射率涂層。近年還提出紅外涂料的智能化與多頻化，使涂料發(fā)射率可控，能對(duì)背景和威脅做出迅速反應(yīng)[8]。同時(shí)國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了大量多波段兼容隱身材料的研究，在一維光子晶體的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到多波段兼容隱身的目的[9]。

目前已經(jīng)研發(fā)的紅外隱身涂料種類(lèi)較多，在應(yīng)用時(shí)需考慮其建造和維護(hù)成本，并且要求涂料能在海上高鹽、高濕的惡劣環(huán)境下耐海水的腐蝕和沖刷，保證使用的可靠性；同時(shí)隱身涂料的涂裝還應(yīng)綜合考慮雷達(dá)波隱身和紅外隱身的兼容性要求。

3 結(jié)語(yǔ)

紅外隱身技術(shù)是艦船隱身技術(shù)的一個(gè)方面，應(yīng)與其他隱身技術(shù)整體綜合地發(fā)展，并與其他防護(hù)手段綜合考慮，成為艦船體系防御系統(tǒng)中的一個(gè)有機(jī)組成部分。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外艦船紅外隱身先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析，在實(shí)船設(shè)計(jì)過(guò)程中，可根據(jù)不同船型特點(diǎn)選擇合適的方法。