不開雷達怎麼擊落敵機？海空一體，美軍未來反隱身戰術！ 戰鬥機發動機溫度越高性能越高。渦輪葉片還要吹空調？

近日 美國國防部承包商安杜里爾公司公佈了一款名爲IR-S的新型被動紅外傳感器 這款低成本的紅魔傳感器可以作爲紅外搜索和跟蹤系統 IR-ST的一部分來發揮作用 IR-ST系統呢 近年來在包括美軍在內的西方國家越來越受到重視 美國軍方認爲啊 它將會是決定未來空戰勝負的重要裝備 那麼IR-ST系統到底是什麼 它又是如何幫助戰鬥機在空戰中取得優勢的 今天大兵來跟各位聊聊IR-ST系統 一般說起戰鬥機的眼睛 大家首先會想到基載雷達 不管是早期的脈衝多普勒雷達 還是後來的無源以及有源相控陣雷達 這些雷達呢 都是戰鬥機在天上發現敵人以及感知威脅的主要手段 但是除了這些雷達之外 戰機還需要一些別的裝備來進行輔助 比如說前是紅外攝像機FLIR 紅外搜索和跟蹤系統IR-ST 前者主要是在夜間或者不良光學條件下輔助戰機對地面目標的導航和攻擊 而後者呢 則主要用於對空中目標的搜索以及跟蹤 而將這兩者結合並再加上激光測距儀和激光指示器就成爲了F35上裝備的光電瞄準系統 EOTS 傳統雷達通過發射雷達波和接收反射回波的方式來獲取目標的大小 方位精確等信息 飛行員必須根據這些信息來決定自己的下一步動作 但是這種方式呢 也有些壞處 那就是飛機在發射雷達波的時候就相當於對外界表明自身的存在 幾方飛機在通過雷達波獲取敵方信息的同時 敵方呢也能通過反向追蹤的方式來獲取發射方的位置信息 這無疑會提高几方飛機暴露的風險 而IRST系統呢 通過檢測和跟蹤物體的紅外輻射來探知目標 自身並不會對外發出任何信息 也不會觸發敵機的雷達告警裝置 因此也就不會有暴露的風險 這種被動搜索模式呢 對於戰鬥機的隱蔽接敵有很大的幫助 在如今這個超視距空戰成爲主流的時代 戰鬥機想要贏得空戰的核心要求便是先發現 先發射 先命中 先脫離 而IRST和EOTS系統呢 可以極大的提升戰鬥機先發現和先發射的能力 而且目前的隱身戰機的隱身主要還是針對雷達波隱身 在紅外波段相比非隱身戰機並沒有什麼優勢 所以非隱身戰鬥機甚至可以通過IRST系統來發現隱身戰機 而IRST系統呢 還不受電子干擾的影響 可以在複雜電磁環境中使用 IRST系統的種種優勢讓世界各國空軍都對它十分重視 目前世界上的各類IRST系統呢 也是層出不窮 但是它其實並不是一種新型的裝備了 早在上世紀60年代 相關係統就已經出現了 美國空軍的F4戰鬥機就曾經裝備過由德州儀器研製的AAA-4紅外導引系統 但是呢 當時的IRST系統功能有限 而且空戰環境也與此時大不相同 所以美軍在F4E上呢 就取消了IRST系統 這種情況持續到了80年代 隨着技術的進步 IRST系統重新回到了大衆視野 目前世界各國使用IRST系統的方式主要是有兩種 一種呢 是集成在機身上 主要是在機頭前端 另一種則是吊艙方式 採用集成方式的主要是蘇系或者說是俄系戰鬥機 從米格23開始到米格25PD 以及後來的側位系列戰鬥機 幾乎都在機身上集成了IRST系統 衆所周知 蘇聯在航空電子技術領域與美國相比一直處於下風 而且呢 在蘇57面世之前 蘇聯和俄羅斯都面臨着美國隱身飛機的嚴重威脅 因此能夠提升戰鬥機探測能力 而且呢 在一定程度上 可以針對隱身飛機的IRST系統就成爲了蘇聯和俄羅斯空軍的救命稻草了 而在歐洲 不管是法國的陣風戰機 還是多國聯合研製的颱風戰鬥機 也都在機身上集成了該系統 而歐洲國家這樣做的原因呢 一方面是因爲隨着技術的發展 IRST系統的功能逐漸豐富 另一方面呢 則主要是因爲歐洲國家軍隊規模普遍較小 因此對戰鬥機的多用途能力要求很高 IRST系統既能對空又能對地 自然就成爲了歐洲戰鬥機的標配裝備 與俄羅斯或者歐洲不同 美國的IRST系統發展的就有些複雜了 要分爲海軍和空軍兩部分來說了 在F4之後 由於機載雷達的發展 美國空軍基本放棄了IRST系統的發展 所以F15以及F16這兩款美國空軍的主力戰鬥機都沒有在機身上集成IRST系統 當時美軍唯一裝備該系統的戰機就是美國海軍的F14艦載戰鬥機 在美國海軍的艦載機體系之中 F14所承擔的主要任務是在航母編隊作戰區域內進行攔截和制空作戰 這其中大部分的都是海上作戰 作戰環境相比陸上要複雜得多 爲了滿足F14在複雜環境下對海對空作戰能力 美國海軍爲其裝備了AN AAS42紅外跟蹤搜索系統 該系統被安裝在F14的機頭下方 與之並列的則是AN AXX1電視控制系統 兩者共用一個整流罩以降低氣動阻力 AN AAS42採用了獨立長波紅外系統 具備遠距離搜索跟蹤和近距離熱成像能力 而對於迎頭和引伸目標有很強的探測能力 除了對空之外呢 飛行員還可以用它來搜索機頭兩側各80度範圍的地面和海面目標 而在戰鬥之外 飛行員還可以用該系統的在夜間或者低能見度氣象條件下觀察航母位置和着限甲板 建立着限航線輔助自己安全降落 在F14退役之後呢 FA18EF超級大黃蜂成爲了美國海軍的主力戰機 這時期 由於冷戰結束 美軍在軍事上的投入呢有所收縮 而F14上的IRST系統的過於昂貴複雜 被美國海軍放棄了 同時 美國空軍也意識到了該系統的重要性 但是呢 F15和F16在設計之初並沒有爲該系統留出空間 所以呢 美國空軍只能使用吊艙式的IRST系統 對現有的機隊進行升級 於是洛克希德馬丁公司爲此開發出了IRST21系統 該系統是一款緊湊設計的紅外搜索及跟蹤導引頭 能夠以多種方式進行集成 在超級大黃蜂上 IRST21被集成在中心線郵箱的頭部 而在空軍的F15和F16上 它與先進處理器結合 成爲了軍團吊艙 其中的核心呢自然就是IRST21 這款新一代紅外導引頭屬於被動式長波紅外傳感器 可以實現高精度的瞄準 還具備在高強度電子干擾環境下有效距離內偵測到隱身飛機的能力 而它所具備的優秀角度分辨率可以實現比傳統IRST系統更爲廣泛的探測以及定位範圍 除此之外 美軍還將戰術目標網絡技術TTNT數據鏈集成到了軍團吊艙之中 TTNT數據鏈是一種高速網絡通信系統 此前已經被洛馬公司用於F22以及F35戰鬥機 它可以支持戰鬥機 無人機等航空器組成空中局域網實現信息和實時交換和共享 IRST21和TTNT系統的結合 使作戰飛機在獲取和共享高精度目標信息的同時 還可以讓各類型的空中平臺以過去不可能的方式進行信息交流 從而大幅度提升了對隱身目標的探測打擊能力 除了優越的性能之外 軍團吊艙的另一大優點呢就是設計的靈活 它採用了通用接口設計 而且重量極低 使用時無需對飛機進行大規模的修改 對飛機的系統佈局 機身結構以及核心軟件影響較小 美軍近年來致力於爲自己的空軍和海軍裝備的老一代戰鬥機加裝IRST系統 並且開始通過該系統的升級來探索多平臺聯合探測定位和打擊空中目標的能力 2021年5月 美軍使用兩架F15C戰鬥機先後測試了軍團吊艙的飛行運行能力和新型數據鏈能力 結果表明 軍團吊艙可以在不同距離下精確感知敵方目標 完成遠距離的探測和打擊任務 而且在強電子干擾環境下依然能夠正常工作 2021年8月 美軍使用一架F15CD戰機在全程保持雷達靜默狀態下 使用IRST系統引導一枚AM120D空空導彈成功擊落了一架全尺寸QF16靶機 這項測試就證明了該系統可以獨立爲遠程空空導彈提供目標指示和引導 2022年4月 美軍使用裝備了軍團吊艙的一架F15和一架F16戰機進行聯合探測和跟蹤測試 兩架不同型號戰機呢 在雷達關機狀態下 利用軍團吊艙的先進數據鏈 完成了對目標位置的精確定位 通過這三次測試 美軍成功驗證了軍團吊艙的能力 順理成章的開啓了 爲全部三代和三代半戰鬥機加裝軍團吊艙的計劃 美國空軍目前仍然擁有龐大的三代機機隊 這些戰鬥機在獲得軍團吊艙後 可以獲得強的戰場態勢感知能力 更精準的對空對面打擊能力 從而使美國空軍可以繼續維持空中優勢地位 而美國海軍呢 也已經在F-18EF Block 3上裝備了IRST-21 Block 2系統 該系統呢 可以爲美國航母艦隊提供一種全新的反隱身方式 通過IRST系統的被動探測方式以及先進數據鏈的信息共享能力 美國海軍的協同一體化反隱身能力將會獲得大幅度提升 美空軍與海軍使用了相同的基本IRST-21系統 使得F-15 F-16 F-18EF的戰力得到了大幅提升 並且還基於IRST系統與TTNT數據鏈實現了美空軍和海軍現役多種機型 以及未來作戰飛機多平臺之間的航跡 威脅目標等數據融合和共享 提升戰場空間的整體態勢感知能力 進一步增加其他國家對抗美國空對空等戰術的複雜難度 基載IRST系統經過多年研究 各種產品陸續投入使用 並且呈現出良好的發展前景 尤其是利用紅外被動探測的特點 在強電子對抗的條件下 對無人機 隱身飛機巡航彈等有較強的探測和識別能力 如今該系統已經成爲了現代戰鬥機的必備配置 我是大兵 我們下期視頻再見 不知道大家有沒有想過這樣一個問題 那就是燒水的時候 水壺爲什麼不會被熱水燒化呢 當然 這個問題很好解釋 那就是水沸騰的溫度遠遠達不到水壺常用的玻璃以及金屬材料的熔點 自然也就不會把水壺燒化 而飛機所使用的航空發動機 尤其是戰鬥機使用的小寒道比渦閃發動機 其內部溫度可以達到上千攝氏度 比如美國F35戰鬥機所使用的F135發動機 它的內部溫度甚至會接近2000度 那麼航空發動機爲什麼不會被這樣的高溫所燒化呢 今天咱們就來聊一聊這個問題 航空發動機之中最重要的部件就是核心機 而核心機一般都有壓氣機 燃燒室以及渦輪所組成 壓氣機將來流空氣壓縮之後送入燃燒室與燃料混合燃燒 然後繼續向後噴出推動渦輪轉動 而這些從燃燒室進入渦輪的氣體的溫度被稱爲渦輪進口溫度 這個溫度的高低是評價一臺發動機夠不夠好的重要指標 渦輪進口溫度越高的發動機往往效率越高 相關數據表明 渦輪進口溫度每提高100攝氏度 發動機的推重比就可以提高10% 大兵這裏給大家舉幾個例子 美國F14 F15以及F16所使用的F110發動機 渦輪進口溫度大概爲1476攝氏度 俄羅斯蘇27和蘇30所使用的AL31F發動機 渦輪進口溫度大概是1391攝氏度 法國陣風使用M882的渦輪進口溫度達到了1576攝氏度 而我們開頭提到的F135 它的渦輪進口溫度更是達到了誇張的1986攝氏度 這個溫度在目前的戰鬥機發動機之中屈指可數 如此高的渦輪進口溫度意味着在進入發動機的燃料一樣多時 F135可以比其他發動機做更多的功 而F135發動機也藉此成爲了目前世界上性能最強的發動機之一 那麼有什麼辦法能夠提高這個溫度數據嗎 其實是有的 而且非常簡單 前面咱們說了 這個溫度就是發動機燃燒室內的壓縮空氣與燃料混合燃燒後所產生的燃氣溫度 那麼想要提高這個溫度 只要往燃燒室內注入更多燃料或者吸入更多空氣就行了 這個道理相信玩過火的朋友們都懂 但是這裏就有了一個新問題 而正是這個問題限制了渦輪進口溫度的進一步提高 雖然提高渦輪進口溫度看起來很簡單 但是各位別忘了 這股高溫燃氣最後是要進入渦輪機的 如果隨隨便便把溫度提高到渦輪機無法承受的地步 那麼輕則發動機損壞 嚴重點便是機毀人亡 所以提高渦輪進口溫度的關鍵不在於提高燃氣溫度本身 而在於渦輪液片能否承受更高的溫度 而除了高溫之外 渦輪液片還要面對其他的考驗 發動機在工作時 渦輪液片要急速的旋轉 從而把高溫燃氣之中的能量提取出來 舉個例子 普通客機發動機的渦輪液片轉速大概在每分鐘4000-5000轉 而戰鬥機發動機的渦輪液片每分鐘的轉速就要高達2萬至3萬轉 如此高的轉速帶來了極大的離心力 也就是說渦輪液片在工作時要同時面對極高的溫度和極大的拉力 如此惡劣的工作環境自然就對渦輪液片的性能提出了很高的要求 世界上所有有能力開發航空發動機的國家 無一不在想盡辦法提高渦輪液片的強度和耐高溫性 縱觀世界航發的發展歷史 渦輪液片所使用的材料從一開始的高溫不鏽鋼逐漸變成了高溫合金 直到目前 摻雜各類稀有金屬的高溫合金已經成爲了製造渦輪液片的主流材料 比如F22使用的F119發動機 據稱就使用了耐燃鈦合金 但是光提升材料性能是不夠的 目前最先進的單金合金 它的極限耐受溫度也只有1000度左右 這對於航空發動機來說是遠遠不夠的 而且材料學的進展相比其他學科來說也是偏慢的 根據相關統計 上世紀60至80年代 在渦輪進口溫度的提升中 材料相關的貢獻大概在50%左右 而進入21世紀之後 這一比例逐漸下降到了30% 剩下的70%則基本都是由液片冷卻技術所帶來的 這也讓如何更高效的給渦輪液片散熱 成爲了目前航空發動機提升性能的重要方式之一 如果要問世界上最簡單的散熱方式是什麼 肯定有很多人回答噴水 沒錯 噴水確實是早期給渦輪液片降溫的主要方式之一 但是頻繁的給液片噴水 一是會降低液片的使用壽命 二是會產生大量的黑煙 所以這種簡單粗暴的方式就逐漸被淘汰了 目前給渦輪液片降溫的主流方法有兩個 一個是給液片塗上特殊的塗層 這種塗層被稱作熱脹塗層 通常使用高耐熱性 高抗腐蝕性以及低導熱率的陶瓷材料 當然 這種陶瓷材料跟咱們日常用的陶瓷杯可不一樣 目前常用的熱脹塗層材料主要是 氧化儀穩定氧化膏YS內 這是目前最成功也是應用最廣泛的熱脹塗層陶瓷材料 但是這種材料在使用溫度高於1200攝氏度時會發生裂紋以及剝落現象 所以對這種塗層的改進以及尋找性能更好的材料一直是各國航空工程師的目標 除了熱脹塗層之外 還有一種給液片降溫的方法 那就是給液片吹冷氣 前面咱們說過 航空發動機的核心機一般由壓氣機燃燒室以及渦輪機組成 渦輪液片承受的溫度來自於燃燒室噴出的高溫燃氣 而燃燒室的高溫燃氣則是壓氣機抽進來的壓縮空氣與機在燃料混合燃燒產生的 那麼我們可不可以把壓氣機抽進來的壓縮空氣挪一部分出來 不進入燃燒室直接進入渦輪機 用來給渦輪液片降溫呢 雖然這些壓縮空氣的溫度往往也高達一兩百攝氏度 但是相比動輒一兩千度的高溫燃氣來說 還是算得上冷氣的 這些冷氣進入渦輪機之後就可以帶走一部分熱量 從而給渦輪液片散熱 但是這種方法還有一個問題 相信很多觀衆也能看出來 那就是這部分冷氣其實相當於挪用了原本用於燃燒的壓縮空氣的一部分 這自然會對發動機的效率產生影響 於是如何在減少冷氣流量的情況下維持甚至加強液片冷卻效率 一提升渦輪進口溫度就成爲了提高發動機效率的關鍵難題 爲了解決這個難題 航空工程師們開始在渦輪液片上打孔 通過這些表面的小孔 冷氣能夠進入中空的液片內部 從而提高了冷卻效率 但是單單打孔還是不夠的 爲了進一步提高冷卻效率 氣膜冷卻技術誕生了 氣膜冷卻就是指在液片表面打一些特殊的小孔 冷氣在流經這些小孔時會形成一層薄薄的氣膜 這層氣膜能夠有效的隔絕高溫燃氣 從而保護渦輪液片 而氣膜冷卻的效率與打孔的形狀以及位置排列都息息相關 當前廣泛應用於渦輪液片的打孔方式主要是異形孔 這些異形孔相比常規的圓柱孔具有更好的冷卻效率 氣膜冷卻孔具有孔徑小 數量多 角度複雜等特點 傳統的機械加工方式基本無能爲力 目前主要使用的電火花打孔 電葉樹打孔以及激光打孔等特殊加工方式 電火花打孔是目前最主流 也是最成熟的氣膜孔加工方式 加工速度較快且不受材料硬度和韌性的限制 但是在導電性較差的陶瓷熱脹塗層上難以加工 而且由於電火花打孔無法避免微裂紋的產生 所以也無法用於單晶渦輪液片的加工 而電葉樹打孔則由於難以控制孔的形狀以及電解液腐蝕液片等問題 沒有成爲主流的氣膜孔加工方式 所以目前具有非接觸加工 加工質量最好 精度高 效率高 材料利用率高等等優點的激光打孔 成爲了世界各國研究的主流方向 但是氣膜孔的加工還面臨着一個問題 這個問題就是我們之前說過的熱脹塗層 到底是先塗塗層還是先打孔呢 如果選擇先打孔再塗層就要放大打孔的孔徑 來彌補塗層導致的孔徑縮小問題 但是孔徑縮小的具體大小是一件很難計算的事情 這就導致最後完成的氣膜孔往往很難達成預先的效果 所以先塗層再打孔是目前的發展趨勢 這也是激光打孔方式成爲主流研究方向的原因之一 隨着航空發動機推重比需求的不斷提高 未來的航空發動機的渦輪進口溫度一定會進一步升高 而這就要求渦輪葉片的材料和冷卻技術也要不斷進步 氣膜孔的新構型以及新的加工技術也必須不斷發展 二戰之後 燃氣渦輪發動機逐步取代了活塞發動機 成爲了航空器的主流選擇 而在戰鬥機領域 目前所使用的主流小寒道比渦扇發動機 目前已經發展到第五代 而其中的佼佼者就是F35所使用的F135發動機 它的渦輪進口溫度已經達到了接近2000攝氏度 而未來的第六代軍用航空發動機已經建在弦上 2016年 美國空軍就與GE公司和普惠公司簽署了關於第六代發動機的研發合同 據稱 新型發動機將會使飛機活動範圍 擴大30%以上 燃油效率提高25% 而發動機推力也會增加10%以上 這就意味着第六代發動機的渦輪進口溫度會進一步提升 而爲了應對這將會突破到2000攝氏度以上的高溫 渦輪葉片本身和它的冷卻技術都需要進一步的升級 我是大兵 我們下期視頻再見