航空发动机隐身性之尾喷管技术分析

航空发动机隐身性之尾喷管技术分析
邱朝
（飞行器动力工程西安航空学院阎良10021）
摘要：随着航空科技的不断发展和未来战场的需求，对于飞机的各种性能也要求的越来越高，本文主要针对于航空发动机隐身方面的技术分析，通过对比国内外航空发动机隐身的原理和方法，从而对未来航空发动机隐身技术发展的方向做出了一个准确的推测。

Analysis of stealthy technology for aeroengine and exhuast nozzle Abstract:company with aero-technology constantly congress and fultural battlefield.It’s advanced require for a kind of airplane’s performance.The acticle mainly point the aspect in which stealthy technology analysis of aeroengine.Passed by comparing with home and abroad aeroengine stealthy priciple and method.Thus make a accurate prediction about aeroengine stealthy technology direction of development.
前言：
飞机隐身技术是指以减小飞机的电、光、声等可探测特征，来提高其突防和生存能力的一种技术。

美国第一批采用隐身技术的B-1B战略轰炸机与老式B_52相比，速度提高两倍，载弹量增加5000，但其雷达反射面积仅为其100，不到1平方米。

而随后研制的B-2轰炸机，其探测特性只有百万分之一的数量级，在雷达光屏上的反映，只相当于一个飞行中的蜂鸟，因而具有很强的突防、作战和生存能力。

发展发动机隐身技术是实现飞机隐身的重要一环，其内容函盖减小发动机可观察部件的探测反射特征、降噪和红外抑制技术，而对于尾喷管的改造则能很大程度上改善整体发动机的隐身性能。

1尾喷管的作用和类型
在涡轮风扇发动机上，喷管的主要作用是使发动机排出的燃气继续膨胀，
将燃气的可用功转变为动能，燃气以高速度喷出，使发动机产生反作用推力。

此外，通过调整喷管喉道面积可以改变压气机和涡轮的共同工作点，实现对整个发动机工作状态点的控制。

因此，喷管的喉道面积可以作为发动机的1个调节量Cil近些年来，随着飞机/发动机隐身性能的提高，喷管还承担着降低发动机红外辐射、减少发动机雷达反射的任务。

按照对发动机的调节能力的不同，喷管可分为收敛喷管和收扩喷管;按照喷管形状不同，喷管可分为轴对称喷管、二元喷管、S弯喷管、塞氏喷管和单边膨胀喷管（图如下所示）等;按照是否具有矢量推力能力，喷管可分为矢量喷管和常规喷管(非矢量)。

此外，多种类型的喷管还可以组合取名，如轴对称矢量喷管、二元矢量喷管、单边膨胀二元矢量喷管等。

（常规喷管和锯齿形尾喷管）
（F22的矢量尾喷管）
2飞机隐身之喷管设计依据
对于进行飞机发动机的隐身设计来说，主要可以从以下几点为切入点，进
行改进和设计。

2.1降低发动机的噪音
采用吸音装置和改进尾喷管的气流稳定性是降低发动机噪音，而实现飞机隐身的另一途径。

具有隐身性能的F-19A的一个显著特点就是噪音特别小。

据称，在跑道上距离其30m,它所发出的声音不高于蜜蜂所发出的嗡嗡声。

噪音是由速度和频率都不稳定的气流产生。

2.2红外抑制技术
飞机具有较强的红外辐射特征，红外探测器、红外制导武器就是利用这一特征发现、跟踪并攻击的。

据统计，1979年一1985年期间，世界范围空战中，已知被击落的飞机有90%是红外导弹击落的。

在沙漠风暴行动中，被美军击落的伊拉克飞机几乎100%是被红外制导导弹击落的。

飞机的红外辐射主要来自
三个方面，即发动机本身的工作热辐射，发动机喷口的燃气流，飞行过程中机体与空气的摩擦产生的热辐射。

发动机隐身噪音处理之尾喷管
2.1.1锯齿形尾喷口
锯齿型尾喷口是当前最先进的商用发动机尾喷流噪声控制技术，己成功应用于A380和8787飞机的设计中，如图3所示示，原理是在发动机尾喷管出口设置锯齿，锯齿嵌入尾喷流生成流线涡(Streamwise Vorticity)结构，加强喷流和周围空气的混合。

特点在于设计时只需对喷管口型而进行较小的改动，在实现噪声降的同时，发动机的性能损失很小。

2.1.2微喷射流（新型的尾喷流主动控制技术）《降噪补充知识》
微喷射流是一种新兴的尾喷流气动噪声主动控制技术川，原理和效果与锯齿
型尾喷口类似。

微喷射流从发动机引入，以一定角度向尾喷流的剪切层中喷入微型二次扰流，使湍流混合区结构发生显著变化，改变喷流噪声特性，达到控制声源特性的目的，微喷降噪系统如图5所示。

相比锯齿型尾喷口等被动控制技术，微喷射流的优势在于能够灵活控制施加时机，当飞机飞离机场区域后即可停比该系统工作，最大程度地避免发动机性能下降。

微喷射流对喷流气动噪声的影响因素包括微喷嘴的结构、布局和工作参数。

近年来，针对微喷射流技术的研究，主要集中于获得不同微喷射流条件下的气动噪声频谱特性和指向性特征的变化，研究各种因素与喷流噪声之间的关联性。

C. Thomas}lz〕搭建了一套由36个微喷嘴构成的微喷射流系统，对高雷诺数轴对称喷流进行了系统的微喷射流降噪实验，研究了包括微喷射流质量流率、微喷射流压力等参数对喷流噪声的抑制作用。

M.H.Seth和J.U.Ephraim}lj〕探讨了把微喷射流降噪技术应用于内外涵道组合喷流来降低喷流噪声的可能性。

研究表明:微喷射流喷射入内外涵道喷流之间的剪切层，诱发流向涡，卷走内外涵道喷流之间的空气，得到比常规无微喷射流作用更大的混合效果，从而降低喷流速度和温度，使喷流噪声得到抑制。

P.Michael等.‘〕用拉瓦尔喷管模拟发动机内涵道的超声速尾喷流，并在喷管尾缘处设置微喷射流系统，对内外涵道尾喷流的剪切层进行充分混合。

把近场、远场声学测量的实验结果和没有微喷射流降噪设置的实验数据进行了对比，初步确定了微喷射流对超声速喷流噪声的影响。

M.B. Alkislar等山〕重点研讨了流向涡对轴对称尾喷流的气动声学作用，实验中分别采用微喷射流和锯齿型尾喷管生成流向涡，近场噪声特性分析采用了立体PIV技术。

实验结果表明，微喷射流在更大的辐射范围内具有更高的效率。

发动机隐身红外处理之尾喷管
发动机的红外辐射包括波长为3~5微米和8~14微米2部分。

8~14微米的辐射所占比例较少，而3~5微米的辐射主要来自于发动机高温部件及尾喷
流，是红外制导导弹的主要跟踪目标波段。

因此，如何降低发动机高温部件及尾喷流的辐射强度是发动机红外隐身设计的首要目标。

发动机的高温部件具有连续的光谱辐射，而尾喷流的光谱辐射具有选择性，即在燃气辐射的某一波段有一定的辐射量，在其他波段有很少或没有辐射。

2.2.1二元喷管的设计
喷管采用弯曲的二元喷管，能够遮挡内部高温部件的红外辐射;发动机喷管与飞机采用一体化设计，并在喷管出口处采用喷管修形设计，使冷气与燃气加快混合，降低燃气温度;喷管上边缘与飞机后机身组成单边膨胀的结构，使燃气经过机身时进一步降温，大大降低了发动机的红外辐射，喷管隐身修形的角度经过严格计算，基本与飞机机翼夹角相同，保持喷管出口边缘平行于飞机机翼的2个边缘，在前、方后方的雷达照射时，保证该飞机的雷达波瓣高
峰值较小。

由于喷管隐身修形设计与飞机保持高度一致，该飞机只具有较小的4波瓣雷达反射峰值。

B-2隐身轰炸机发动机喷管修形设计是发动机隐身设计
的1个成功典范，其思想影响了后续航空发动机喷管的隐身修形设计。

2.2.2小宽高比的二元喷管
F119-PW-100发动机由美国PW公司研制[9]，采用大量红外及雷达隐身技术。

该发动机的隐身重点之一是其喷管，采用小宽高比的二元喷管，为了与飞机保持一致的隐身性，喷管采用相应的边缘导向设计。

喷管的修形设计也考虑了红外隐身的要求。

因此，发动机喷流马赫盘数目明显减少且相对不够清晰，同时喷流的核心流温度区域明显减小。

轴对称喷管与二元喷管喷流中马赫盘的分布对比如图7,8所示。

2.2.3红外遮挡技术
采用红外遮挡技术，具体措施有遮掩式尾喷管、喷管周围加隔热涂层或红外挡板、全长加力筒体隔热屏、改变喷口方向及发动机深埋入机腹内等。

2.2.4选用低流量比的涡轮风扇发动机降低红外（补充知识）
隐身和超音速巡航是新一代飞机的两个显著特点。

这就要求所选用的动力装置应有较低的散热量及大的不加力推力(空中加力时，高温尾喷气流主要辐射段的气柱比不加力时长3^}4倍)。

涡扇发动机散热量小，射流红外辐射强度低，不利的是不加力的外函推力会随着飞行速度的增加而很快下降。

采用涡喷发动机更有利于超音速飞行，但为了减少高温涡轮及燃烧室机匣等部件的热辐射，外函空气仍是必需的。

综上考虑，动力装置的选型应以低函道比((0.1^-0.2)的涡扇发动机更为有利。

普·惠公司提出了一种超音速性能好，适当兼顾亚音速性能的连续放气式涡轮喷气发动机方案，并己在全尺寸发动机上得到了成功验证。

发动机的函道比为0.15，外函气流仅限于冷却加力燃烧室筒体和喷管。

全新研制的动力装置还应装有能适应跨音速机动和超音速巡航要求的高效率进气道。

联合发动机的多功能变几何进气道即具有上述明显的优点。

3对于飞机的隐身性能
隐身技术作为提高飞行器生存、突防能力的有效途径之一，自二战以来，一直受到世界许多国家和地区的高度重视，这些国家陆续依据本国的现有技术实
力、人力、物力和财力等，不同程度地开展着隐身技术和隐身武器的研究、设计、开发和应用，其中以美、俄、法等军事强国为表率。

隐身技术已广泛应用于发达
国家的许多武器系统中，并已作为军事领域中首要的高新技术列为“竞争战略”的基本要素。

近几年来，随着电子技术和新型电(与电子隐身相对)、电磁(与雷达隐身相对)、热(与红外隐身相对)、声(与声隐身相对)、光(与视频隐身相对)、磁(与磁隐身相对)等信号探测系统的发展，在隐身领域又出现了许多新情况和新进展。

总的情况是:在进一步改进、加深和拓广“常规”隐身技术(外形技术和材料技术)及其应用范畴的基础上，又出现了许多新的隐身途径，其中较具潜力或成效的有:等离子体隐身技术、仿生技术、“微波传播指示”技术、有源隐身技术、
变制导方式隐身、降高隐身和主动隐身技术等。

3.1新概念隐身
3.1.1等离子体隐身技术
所谓等离子体就是指任何不带电的普通气体在受到外界高能作用后，部分原子中的电子吸收的能量超过原子电离能后脱离原子核束缚而成为自由电子，同时原子因失去电子而成为带正电的离子，这样原中性气体因电离将转变成由大量自由电子、正电离子和部分中性原子组成的与原气体具有不同性质的新气体，但在
整体上仍表现为近似中性，我们称这种气体为等离子体。

3.1.2仿生技术
突发灵感并结合试验验证，自然界中有些事物或现象的非常规特性真是出人意外。

例如:在生物界，海鸥虽然与八哥的形体大小相近，但是海鸥的RCS却比l}哥的大200倍。

蜜蜂的体积小于麻雀，而它的RCS却比麻雀大16倍。

这是天上飞的;我们可以联想，在地上走的，海里游的，必然也存在着许多世人没有发现或留意的特殊现象。

隐身科学家们正在积极努力地研究这些现象，希望能够从中得到一些启迪，从而开发出一种新的隐身方法一仿生技术。

3.1.3微波传播指示技术
这种技术的根本原理是:利用大气对电磁波在其中传播的过程具有影响的特性进行飞行器隐身。

方法是利用计算机预测雷达波在大气中的传播情况。

涉及的主要物理概念:“盲区”和“传播波道”。

3.1.4有源隐身技术
常规的无源(被动)隐身技术，即外形技术和材料技术，在近20多年来发展迅速，应用范围不断扩大，在减小雷达、红外、声和可见光等波能量的反射或辐射幅度方面的确立下了不少“汗马功劳”，但也存在着不少弊端，如，隐身外形设计在一定程度上对飞行器的气动性能和弹药载量的不利影响;吸波涂层使飞行器质量增加，也不利于提高飞行速度和机动性。

4：结尾。