航空发动机隐身的本质是其特性信号人为控制后的总体效果,包括电磁(主要是雷达)、红外、可见光、声、烟雾、尾迹等特征信号。
20世纪70年代,F-117战斗机的发动机F404-GE-F1D2采用大宽高比窄缝喷口、喷口下边缘向后上方翘且冷却的结构设计,减弱了机尾后的雷达反射,对红外辐射也有遮挡作用。90年代,F-22战斗机上所用F119发动机采用了风扇雷达修形设计、S弯流道设计、二元喷口及尖齿设计、喷管侧壁强化冷却设计和隐身涂层提高红外和雷达的隐身能力。21世纪初,F-35战斗机的发动机F135采用了锯齿修形裙边的轴对称喷管、双层壁冷却设计和复合材料外调节片,以降低发动机排气喷管的红外辐射和雷达反射截面积。2018年底,中国在珠海航展上展示了带推力矢量尾喷管的歼-10战斗机,其喷管的调节片末端尖齿状设计以减低发动机排气喷管的红外辐射和雷达反射截面积。
航空发动机隐身设计的结构和技术包括:二元喷管、S弯喷管、单边膨胀喷管、引射混合器、排气喷管尾缘修型、喷管强化冷却、排气强化混合、表面隐身材料、释放气溶胶,在燃油中加添加剂等。
先进的隐身喷管相对于常规的轴对称喷管,在航空发动机后向一定范围视角内遮蔽航空发动机排气系统内腔辐射(图1),S弯排气通道遮挡了喷管上游高温部件。同时,先进的隐身喷管也能达到降低航空发动机排气腔体雷达反射截面积的效果,与雷达隐身是兼容的。利用排气喷管尾缘局部修型设计,如锯齿状喷口,强化航空发动机排气喷流和外流的混合,达到降低喷流温度的有益效果,同时也能降低排气噪声,与航空发动机声隐身是相容的。排气喷管强化冷却结构设计可以大幅度降低排气喷管表面温度,例如,YF-23飞机上对发动机喷管扩展段进行了冷却,可降低高温部件红外辐射(图2)。此外,在飞行器受到威胁时,从航空发动机尾部释放一定量的气溶胶物质,形成预定的空间分布,环绕包裹高温排气尾焰、遮蔽航空发动机排气内腔辐射;或者是在燃料中注入添加剂,以抑制和改变喷焰的红外辐射频带,使之处于常规探测波段之外,也是在航空发动机隐身设计时可以考虑的具体技术措施。
航空发达国家将多波段隐身技术的发展作为航空发动机隐身设计和研发的重点,已经达到可见光、近红外、中远红外和雷达毫米波四频段的兼容,同时兼顾排气噪声和排气尾迹信号。
未来航空发动机隐身设计从重点考虑排气系统红外、雷达隐身的单一设计技术起步,向着雷达毫米波、红外、可见光、紫外、排气噪声、排气尾迹特征信号的综合控制设计技术发展,以实现全波段能量的低可探测性。同时,航空发动机隐身设计必须结合气动性能、结构强度、可靠性等技术指标。此外,航空发动机与飞机一体化的隐身设计是未来的另一重要发展趋势,是飞机平台隐身能力提升的关键。