隱身飛機雷達(dá)吸波材料背后的“魔法”

2017-05-01 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

一般來說,隱身外形對于減小雷達(dá)截面積(RCS)的貢獻(xiàn)占90%,而雷達(dá)吸波材料(RAM)只占10%。如果說,使用RAM可以將飛行器的RCS減小一個數(shù)量級,那么利用隱身外形則可以將RCS降低3~4個數(shù)量級。但是,在某些目標(biāo)信號特征范圍內(nèi),RAM發(fā)揮的作用遠(yuǎn)超上述水平。值得注意的是,外形隱身技術(shù)進(jìn)展緩慢,似乎已經(jīng)逼近天花板,而隱身材料技術(shù)的研究卻飛速發(fā)展。

材料對隱身的作用

一種物質(zhì)吸收電磁波的能力取決于兩個參數(shù),即介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。兩者分別描述的是一種物質(zhì)儲存電勢能和磁能的能力。存在電勢能/磁能的本質(zhì)是因為材料中存在原子級、分子級或晶格級的電偶極子/磁偶極子。

當(dāng)電磁波作用到材料上時,這些偶極子指向與磁場相反的方向。在某些材料中,當(dāng)電磁波消失時,這些偶極子很容易恢復(fù)為中性。在另外一些材料中,這些偶極子具有“黏性”,既需要更多的電磁波能量才能使其指向與磁場相反的方向,也需要對之施加額外的能量才能使其恢復(fù)到中性。因這部分額外的能量最終在材料中損耗掉了,所以稱這種材料的介電常數(shù)或磁導(dǎo)率具有吸收分量。

RAM是由基體材料和填充物組成的復(fù)合材料?；w通常選擇的是介電常數(shù)損耗分量較低的材料,這類材料相對介電常數(shù)通常較小而磁導(dǎo)率可忽略不計。電磁波穿過基體材料時損耗很小,這正是選擇基體材料時需要考慮的物理特性。典型的基體材料一般是不導(dǎo)電的聚合物,包括塑料、玻璃、樹脂、聚氨酯和橡膠等。陶瓷具有較高的磁導(dǎo)率和較強的耐熱性,而泡沫和蜂窩結(jié)構(gòu)由于包含有大量空氣,介電常數(shù)(即電能儲存能力)特別低。

有人可能設(shè)想用一些能透過電磁波的材料來制造飛機蒙皮,但是蒙皮里的物體, 如傳感器、燃油、金屬機體、發(fā)動機零件甚至飛行員也會反射雷達(dá)波。事實上,隱身蒙皮的底層是高導(dǎo)電率的材料(金屬),這種材料能夠強烈反射電磁波,從而避免電磁波透過蒙皮并在其他物體上產(chǎn)生復(fù)雜的回波。

RAM填料通常是由“損耗材料”(即介電常數(shù)損耗分量較高)制成的顆粒,或者是覆有“損耗材料”涂層的顆粒。碳是一種良好的“損耗材料”,因為電損耗與電導(dǎo)率成正比,而碳的電導(dǎo)率處于金屬和絕緣體之間。磁吸收層需要應(yīng)用介電常數(shù)一般但磁導(dǎo)率(表征磁能儲存能力)很大的材料,一般是羰基鐵(純粉末狀的金屬)或是氧化鐵(也稱為鐵氧體)。這些材料可以混入橡膠或是分散到涂層材料中,而鐵氧體通常燒結(jié)到某種貼片材料中。

材料的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和損耗分量越大,材料能夠吸收的電磁能就越多。但是,當(dāng)電磁波傳播到兩種介質(zhì)的邊界處時,能量會被反射而不是進(jìn)入另外一種介質(zhì)。反射能量的多少取決于兩種介質(zhì)的阻抗,即每種材料磁導(dǎo)率和介電常數(shù)比值的平方根。在穿越邊界時阻抗改變越大,反射的能量越多,被吸收的能量越少。因此,RAM設(shè)計必須綜合考慮吸收率與表面反射率,以最大限度地吸收電磁波。

材料的電磁特性也會隨頻率而變。在頻率較高的雷達(dá)頻段,任何磁性材料的阻抗都不可能接近空氣(因為電磁波達(dá)到飛機表面時,飛機表面就是邊界,兩邊的介質(zhì)分別是蒙皮材料和空氣),因此不可避免地會產(chǎn)生較強的表面反射。但是,如果表面吸波材料厚度為1/4波長,金屬底層反射的電磁波就會與表面反射產(chǎn)生相干抵消效應(yīng)。由于磁性RAM的磁導(dǎo)率較高,所需材料厚度較小。采用諧振頻率為1~18GHz、厚度為0.1~0.5cm的商用“諧振吸收體”即可達(dá)到20dB(99%)的吸收性能。該項技術(shù)固有的作用范圍不大,屬于窄帶,在諧振頻率點以外15%的范圍內(nèi)都有顯著的吸波效果。

考慮到帶寬有限、重量大和成本高,介電吸收體是高頻段的首選寬帶吸收材料。由于電介質(zhì)沒有磁性特征,其阻抗與空氣相差太大,但通過應(yīng)用分層材料——每層材料中碳粒越來越集中,就可以實現(xiàn)在介電常數(shù)、電導(dǎo)性和介電損耗都逐步增大的同時阻抗逐漸減弱。通過調(diào)整分層材料的設(shè)計,還可以使對消最大。這種阻抗?jié)u變的介電吸收體能使反射減少20dB,且其帶寬很容易覆蓋高頻區(qū)。不過,分層材料的厚度需要達(dá)到一定值才能在低頻段實現(xiàn)吸收——X波段(8~12GHz)需要2.5cm,500MHz需要11.4cm。

另一種方法是應(yīng)用物理梯度。這些“幾何過渡”的吸收體采用的是垂直于波的均勻材料尖體,其中最常見的一種是吸波暗室(用于RCS測試)里的錐形吸收體。在高頻段下,波在這些結(jié)構(gòu)中來回反射,但每次反射都會有能量損失。如果波長相對于結(jié)構(gòu)足夠大,波表現(xiàn)出來的效果好像是穿過一種性能漸變的材料。這類吸收體能將反射減少60dB,但要想在30MHz起作用,結(jié)構(gòu)厚度需要4.57m。

與常識相反的是,在低頻段時,部分磁性材料更有效,因為它們的能量儲存能力即磁導(dǎo)率增大了。在30M~1000MHz范圍內(nèi),某些鐵氧體表現(xiàn)出極高的電磁波壓縮效應(yīng),阻抗接近空氣。厚度為0.64cm、面積密度為34.18kg/m2的商用鐵氧體磁瓦,能將甚高頻(VHF)波段的反射減少20dB以上,將超高頻(UHF)波段的發(fā)射減弱10dB。

到目前為止,我們討論的都是如何減少鏡面反射,實際上,RAM在減少表面波輻射方面也是非常有效的。這些電磁波是雷達(dá)照射目標(biāo)時因?qū)щ姳砻娈a(chǎn)生的電流而發(fā)射出來的。當(dāng)這些表面波沿表面移動時,會發(fā)射出行波,通常其發(fā)射角與入射余角相近;當(dāng)表面波遭遇不連續(xù)性表面,比如達(dá)到機體邊緣時,或者遇到表面縫隙、結(jié)構(gòu)臺階或是材料變化時,會激勵出邊緣波。邊緣波的能量更集中,接近鏡面反射。表面電流并非沿著材料的厚度方向而是沿著長度方向穿過,RAM的作用相當(dāng)于波導(dǎo),捕獲電流并加以吸收。厚度僅為0.076cm的磁性RAM就能很好地抑制表面電流。

當(dāng)然,上述多種技術(shù)可以進(jìn)行組合應(yīng)用。0.76cm厚的分層磁性材料能在2~20GHz范圍內(nèi)減縮10dB。由物理梯度介電層作為正面材料,由磁性材料作為背面,可以組成混合RAM,以減弱從VHF波段到Ku波段的雷達(dá)反射。

材料隱身技術(shù)的發(fā)展

U-2和“口蓋派”

自RAM問世以來,在減縮RCS方面發(fā)揮了積極作用。1943年,德國Horten兄弟設(shè)計了HoIX飛翼,機翼為膠合板夾層結(jié)構(gòu),夾芯混合了膠水、鋸末和粒狀碳。德國原本計劃在潛艇上使用RAM——一種叫作“Sumpf”的材料,即填充了碳粒的橡膠(部分來源說是磁性填料),準(zhǔn)備涂在潛艇的通氣管和指揮塔上。到了1945年,麻省理工學(xué)院的輻射實驗室開發(fā)了一種填入碟狀鋁片的橡膠材料,稱為MX-410,具有反雷達(dá)特性。

為減少U-2飛機的RCS,洛克希德·馬丁公司的臭鼬工廠和麻省理工學(xué)院的雷達(dá)專家嘗試了多種方案。最終方案是加一層羰基鐵氧體的涂層,使U-2的RCS降低了一個數(shù)量級。然而,這些方案最終都無法阻止俄羅斯跟蹤到U-2飛機。

U-2的后繼者——美國中央情報局的A-12和美國空軍的SR-71,這兩款飛機利用突出的飛行速度和高度作為突防手段,但當(dāng)局仍堅持要求臭鼬工廠減小這兩款飛機的RCS。最終,研究人員在外形修形方面取得了重要突破。以SR-71為例,飛機總體外形設(shè)計得更薄,超薄的前機身“頜部”光滑連續(xù)地延伸到短艙、前緣和機身。這樣的設(shè)計最終得出了連續(xù)光滑的機體和大體扁平的機身底部,使SR-71的RCS減縮了90%。

另外,SR-71飛機上約有18%的材料是RAM。這些RAM都是摻有鐵氧體的涂層,同時輔以石棉材料,用以抵抗高速飛行(Ma3)時產(chǎn)生的高溫。垂尾幾乎全部由RAM組成,向內(nèi)傾斜15°。A-12的外邊緣最初由三角鈦片組成,但在后期,在機翼的鋸齒邊緣和機身頜部,都嵌入了包裹有玻璃纖維表面的阻性塑料蜂窩結(jié)構(gòu),當(dāng)然形狀也是三角片,這些三角片被稱為 “口蓋派”。SR-71“黑鳥”的RCS最終相當(dāng)于一架“幼狐”(Piper Cup)J-3單翼機,約為4m2。

“捕蟲器”

RAM的應(yīng)用必須綜合到雷達(dá)吸波結(jié)構(gòu)設(shè)計中來。如果不綜合考慮,會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量和體積增大。因此,隱身設(shè)計人員專門使用修形技術(shù)來控制對RCS貢獻(xiàn)最大的鏡面反射。第一架具有隱身能力的飛機F-117充分采用了表面修形來控制這類反射,大大節(jié)省了為控制腔體反射和表面波反射的RAM用量。

F-117的蒙皮由鋁合金制成,幾乎都涂覆了RAM。最初所用的材料是類似于油氈的鐵氧體聚合物薄板,這些薄板以不同的厚度黏結(jié)到機體的各個位置。采用RAM填泥或涂層來覆蓋緊固件、密封間隙和使不均勻的表面平整。艙門和維護(hù)口蓋在每次飛行前用金屬膠帶密封,并覆以RAM。起初,RAM的用量很少,因為很難控制厚度,而且需要使用有毒的溶劑。座艙玻璃涂了金,以盡量減少與蒙皮之間的阻抗過渡效應(yīng),同時阻止雷達(dá)波穿透座艙,因座艙里飛行員頭盔的RCS比飛機大100倍。

應(yīng)特別注意發(fā)動機和進(jìn)氣道,因為從前向角度來考慮的話,這些位置貢獻(xiàn)了飛機絕大部分的RCS。為了抑制這部分RCS,設(shè)計人員在F-117的進(jìn)氣口布置了一個玻璃纖維制成的吸波柵格,作用相當(dāng)于一個“捕蟲器”,即雷達(dá)電磁波能量被柵格吸收且不會逸散。更方便的是,這種材料具有導(dǎo)電性,可以加熱以防結(jié)冰。這種結(jié)構(gòu)材料中的填料可能是碳,含量從前往后越來越高。這樣的話,入射波遇到的阻抗逐漸減弱,在傳播過程中更易穿過這部分材料,也容易被吸收;如果反射波從后往回彈回時,會遇到強烈的不利阻抗變化,因而被反射回進(jìn)氣道深處,進(jìn)氣道也可能敷設(shè)有RAM。

F-117項目中還有幾項改進(jìn)RAM方案的措施。隱身主涂層的噴涂方式改用了機器人系統(tǒng),即一個噴涂吊架確定好飛機的位置,由計算機控制噴管來噴涂雷達(dá)吸波涂料。此外,設(shè)計人員還試圖減少“前緣RCS”,并發(fā)展新的RAM蒙皮。曾經(jīng)在一段時間內(nèi),F-117機隊?wèi)?yīng)用了多種隱身RAM方案,直到20世紀(jì)90年代末期一個標(biāo)準(zhǔn)化項目出臺。

邊緣處理、鍍銀層和S形進(jìn)氣道

在F-117之后,諾斯羅普·格魯門公司研制了B-2隱身轟炸機,據(jù)稱對外形隱身的依賴程度要大于F-117,而對RAM應(yīng)用較少。由于F-117的外形修形工作已經(jīng)將鏡面反射處理得很好,因此,B-2的外形隱身可能指的是表面波抑制。B-2飛機的上下表面都是完整的曲面,外形沒有不連續(xù)之處,因此不會產(chǎn)生很強的表面波,只有飛機邊緣處除外。

不過,隨著技術(shù)進(jìn)步,工程師們對邊緣表面波有了應(yīng)對之策。從B-2開始,美國所有的隱身飛機都呈現(xiàn)出獨特的“邊緣處理”風(fēng)格,在機體邊緣可以看到不同顏色標(biāo)識的帶狀結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)實際暗藏玄機。在三角楔的內(nèi)部是輕量材料,如玻璃纖維蜂窩結(jié)構(gòu),其中填充了碳,從外表面頂部向基部集中。因此,阻抗從機身結(jié)構(gòu)尖銳邊緣處開始下降,直到其后部導(dǎo)電表面,阻抗逐漸降為0。這種設(shè)計使得表面電流能夠緩慢而非陡峭地流動,同時也被吸收。這樣的布置抑制了RCS的三大貢獻(xiàn)源:通過減緩表面電流的轉(zhuǎn)捩,減少了邊緣波散射;通過吸收電流,減少了行波反射;通過吸收入射的雷達(dá)波,減少了邊緣衍射。每個方向的RCS都由此顯著降低,特別是偏離法向的RCS。

B-2飛機采用了相當(dāng)厚度的吸波結(jié)構(gòu),由介質(zhì)材料構(gòu)成。然而,有報告指B-2還使用了一種磁性材料,可在VHF波段提供更好的吸波能力。為了加強錐度和盡量減少衍射,下方的導(dǎo)電表面可能緩慢過渡成楔形。

雖然邊緣處理能吸收表面電流,但無法完全阻止這些電流到達(dá)機身邊緣處。如果表面不連續(xù),可以防止電流到達(dá)機身邊緣,但卻會加強輻射。彈艙門、起落架艙門和維護(hù)口蓋周圍無可避免地存在縫隙,所以,B-2機體盡量減少了口蓋數(shù)量。雷達(dá)能量能夠誘使門和口蓋產(chǎn)生表面電流,如果這些電流遇到不連續(xù)結(jié)構(gòu)表面,尤其是口蓋這種尺寸較小的結(jié)構(gòu),將會在其邊緣處發(fā)射強烈的邊緣波和行波。因此,這些縫隙必須用導(dǎo)電“填泥”和膠帶連接起來。在最開始時,每架B-2需要用到大約915m長的膠帶。另外,B-2的蒙皮有鍍銀層。不連續(xù)性結(jié)構(gòu)的影響取決于結(jié)構(gòu)尺寸和兩邊結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性。銀是傳導(dǎo)性最強的金屬,把銀涂在不連續(xù)處可以最大限度地減少縫隙對RCS的影響,同時還能吸收電流,阻擋雷達(dá)穿透。

為了抑制發(fā)動機的回波,B-2使用了內(nèi)襯有RAM的S形進(jìn)氣道。形狀和材料是這種RCS縮減技術(shù)的關(guān)鍵。RAM很薄,但進(jìn)氣道的彎度可使來波多次反射,增加了吸收效果。比起直線進(jìn)氣道,未經(jīng)處理的S形進(jìn)氣道能將正中方向的RCS減小30dB,但在偏離中心線5°以外則毫無效果。如果增加RAM手段,正中處的RCS還可再減小30dB;而且無論是直線形還是S形進(jìn)氣道,這個效果的作用范圍擴(kuò)大到偏離中心線10°方向范圍內(nèi)。

1990年以來,B-2的RAM方案發(fā)生了改變,重點轉(zhuǎn)向減少維護(hù)負(fù)擔(dān)和降低RCS,引入了質(zhì)量更好的膠帶,使鉚縫更緊密,固化時間更短。2003—2010年期間,B-2還應(yīng)用了先進(jìn)高頻材料(AHFM),即一種可用機械臂涂覆到口蓋上的磁性RAM材料,可縮短常規(guī)維護(hù)時間。具有彈性的“刀片密封”材料成為部分口蓋的導(dǎo)電橋,某些間隙周圍環(huán)繞著窄帶磁性RAM材料,被形象地稱為“畫框”。

F-22繼承了B-2的多種RCS減縮技術(shù)。F-22的外形由翼身融合體組成,可減少表面波。設(shè)計人員對機翼、操縱面和發(fā)動機進(jìn)氣口周邊做了很明顯的邊緣處理。另外,F-22采用了S形進(jìn)氣道,其內(nèi)表面敷設(shè)了RAM襯里;F-22還在一些口蓋和阻抗間隙上應(yīng)用磁性RAM。

“魔法”層和RAM的未來

B-2和F-22應(yīng)用的隱身材料降低了飛機的RCS,但這些材料的耐久性不盡如人意,需要頻繁更換,維護(hù)工作量很大,導(dǎo)致保障成本很高,占用的維修時間也很多,因而限制了飛機的可用性。RAM的填充材料是從幾微米到幾十微米直徑不等的球形微粒,這些微粒聚集在一起,雖然可以提高吸波效果,卻影響了耐用性,而且黏合到飛機上的難度不小。

因此,從F-35項目一開始,洛克希德·馬丁公司(洛馬)就將隱身設(shè)計工作的目標(biāo)定為:飛機達(dá)到預(yù)期的隱身水平,同時減少隱身的維護(hù)需求。以此為指導(dǎo),F-35繼續(xù)使用多種RAM技術(shù),包括采用S形進(jìn)氣道、RAM襯里、邊緣處理和處理縫隙的“畫框”技術(shù)。從洛馬的早期報告還可看出,F-35大大減少了外蒙皮的塊數(shù),此外,采用激光測量技術(shù),使得結(jié)構(gòu)裝配精度非常高,報告稱“99%的維護(hù)工作不再需要修復(fù)隱身表面”。F-35的目標(biāo)很可能是大幅減少當(dāng)前頻繁進(jìn)行的縫隙彌合工序。

研發(fā)期間,項目負(fù)責(zé)人曾透露F-35可能比F-22隱身性能更好。但是,由于F-35的外形不如F-22規(guī)整,這一結(jié)論難以令人信服。為進(jìn)一步宣傳F-35,官方拋出一個所謂的秘密,宣稱使用了某種材料:“導(dǎo)電層即是魔法所在”。2010年5月,負(fù)責(zé)F-35項目的執(zhí)行副總裁的Tom Burbage披露,F-35采用了一項“纖維氈”技術(shù),并將該技術(shù)描述成是“F-35項目最大的技術(shù)突破”。

纖維氈可以取代許多RAM貼花,通過與復(fù)合材料蒙皮結(jié)合,提高了耐久性。F-35項目負(fù)責(zé)人進(jìn)一步說明了這種材料的特性是“全向編織”,即能保證電磁特性不隨角度而改變。熔入蒙皮后,這層材料能根據(jù)需要改變厚度,但洛馬公司以保密為借口拒絕提供更多細(xì)節(jié)。雖然沒有更多證據(jù),但可以明確的是,“纖維氈”一詞意味著這種材料用的是纖維而不是顆粒,纖維能使表面更強韌;而“導(dǎo)電性”這個詞指的應(yīng)該是碳基RAM。

就在F-35負(fù)責(zé)人放出消息一個月后,洛馬就申請了一項專利,專利中宣稱首次采用新方法生產(chǎn)了耐用的RAM口蓋。專利對方法做了具體介紹:可在玻璃、碳等纖維、陶瓷或金屬上生長出碳納米管(CNT),并可控制其長度、密度、管壁層數(shù)、可連接性甚至方向,而且控制精度達(dá)到前所未有的水平。注入了CNT的纖維能吸收和反射雷達(dá)波,各個CNT之間可連接,能為感應(yīng)電流提供流動通道。

更為重要的是,CNT能浸入鐵或鐵氧體納米顆粒中。沿著纖維長度方向,CNT密度可以不同,且同質(zhì)纖維能鋪層或混合。具體應(yīng)用包括:與空氣阻抗匹配的正面層、1/4波長厚度用于對消、非連續(xù)或連續(xù)CNT密度梯度,以及在不同厚度采用不同的CNT密度,可提高寬頻吸波能力。纖維能置于材料中的“任意方向”,適用的材料包括“織物、無紡纖維氈和纖維鋪層”。

專利稱,基于CNT纖維的復(fù)合材料能吸收0.1MHz~60GHz范圍內(nèi)的電磁波,這是商用吸收體此前未曾達(dá)到的范圍,并對L波段到K波段都有效果。專利沒有具體說明該材料的吸收能力,但稱這種材料制成的面板“在面對各雷達(dá)波段時幾乎可視為黑體”。有趣的是,這種材料制成的正面層具有可設(shè)計特性,可使連接在其上的計算機讀取到纖維中的感應(yīng)電流,這樣正面層就成為一臺雷達(dá)接收裝置。

雖然專利中提到了隱身飛機,但沒有特別提及F-35,而且未公布當(dāng)時該材料的制造成熟度。不過,專利公布時正是披露“纖維氈”的時間,這個巧合不容忽視。當(dāng)被問到基于CNT纖維的RAM是否在F-35上使用以及這項技術(shù)是否就是洛馬負(fù)責(zé)人曾提過的技術(shù)時,洛馬官方發(fā)言人表示,“對專利以外的內(nèi)容不予置評”。

即使CNT纖維不是F-35的“魔法”層,也代表了最新的RAM技術(shù)。不過,雖然這可能是RAM技術(shù)中最大的一項革新,但也不會是唯一的一項。工程師們一直在試驗新材料。尤其值得關(guān)注的是,一些采用了亞波長幾何結(jié)構(gòu)的超材料,被賦予了自然界不存在的新特性,其在隱身領(lǐng)域的熱度越來越高?？偠灾?隱身技術(shù)在未來的前景,已經(jīng)離不開RAM的發(fā)展。

(王亞林、李悅霖,編譯自AW&ST,2016-10-30)

版權(quán)聲明:原文刊載于《國際航空》2017年第3期。歡迎分享,請注明出處。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才