隱身飛機雷達吸波材料背后的“魔法”

2017-05-01 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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

材料對隱身的作用

一種物質吸收電磁波的能力取決于兩個參數,即介電常數和磁導率。兩者分別描述的是一種物質儲存電勢能和磁能的能力。存在電勢能/磁能的本質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,當電磁波消失時,這些偶極子很容易恢復為中性。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或磁導率具有吸收分量。

RAM是由基體材料和填充物組成的復合材料?；w通常選擇的是介電常數損耗分量較低的材料,這類材料相對介電常數通常較小而磁導率可忽略不計。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率和較強的耐熱性,而泡沫和蜂窩結構由于包含有大量空氣,介電常數(即電能儲存能力)特別低。

有人可能設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波。事實上,隱身蒙皮的底層是高導電率的材料(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生復雜的回波。

RAM填料通常是由“損耗材料”(即介電常數損耗分量較高)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”,因為電損耗與電導率成正比,而碳的電導率處于金屬和絕緣體之間。磁吸收層需要應用介電常數一般但磁導率(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,而鐵氧體通常燒結到某種貼片材料中。

材料的介電常數、磁導率和損耗分量越大,材料能夠吸收的電磁能就越多。但是,當電磁波傳播到兩種介質的邊界處時,能量會被反射而不是進入另外一種介質。反射能量的多少取決于兩種介質的阻抗,即每種材料磁導率和介電常數比值的平方根。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(因為電磁波達到飛機表面時,飛機表面就是邊界,兩邊的介質分別是蒙皮材料和空氣),因此不可避免地會產生較強的表面反射。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生相干抵消效應。由于磁性RAM的磁導率較高,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”即可達到20dB(99%)的吸收性能。該項技術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。由于電介質沒有磁性特征,其阻抗與空氣相差太大,但通過應用分層材料——每層材料中碳粒越來越集中,就可以實現在介電常數、電導性和介電損耗都逐步增大的同時阻抗逐漸減弱。通過調整分層材料的設計,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到一定值才能在低頻段實現吸收——X波段(8~12GHz)需要2.5cm,500MHz需要11.4cm。

另一種方法是應用物理梯度。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,波在這些結構中來回反射,但每次反射都會有能量損失。如果波長相對于結構足夠大,波表現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,結構厚度需要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率增大了。在30M~1000MHz范圍內,某些鐵氧體表現出極高的電磁波壓縮效應,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。這些電磁波是雷達照射目標時因導電表面產生的電流而發(fā)射出來的。當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;當表面波遭遇不連續(xù)性表面,比如達到機體邊緣時,或者遇到表面縫隙、結構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的作用相當于波導,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。

當然,上述多種技術可以進行組合應用。0.76cm厚的分層磁性材料能在2~20GHz范圍內減縮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波段的雷達反射。

材料隱身技術的發(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兄弟設計了HoIX飛翼,機翼為膠合板夾層結構,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),準備涂在潛艇的通氣管和指揮塔上。到了1945年,麻省理工學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院的雷達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)時產生的高溫。垂尾幾乎全部由RAM組成,向內傾斜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構,當然形狀也是三角片,這些三角片被稱為 “口蓋派”。SR-71“黑鳥”的RCS最終相當于一架“幼狐”(Piper Cup)J-3單翼機,約為4m2。

“捕蟲器”

RAM的應用必須綜合到雷達吸波結構設計中來。如果不綜合考慮,會導致結構重量和體積增大。因此,隱身設計人員專門使用修形技術來控制對RCS貢獻最大的鏡面反射。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,同時阻止雷達波穿透座艙,因座艙里飛行員頭盔的RCS比飛機大100倍。

應特別注意發(fā)動機和進氣道,因為從前向角度來考慮的話,這些位置貢獻了飛機絕大部分的RCS。為了抑制這部分RCS,設計人員在F-117的進氣口布置了一個玻璃纖維制成的吸波柵格,作用相當于一個“捕蟲器”,即雷達電磁波能量被柵格吸收且不會逸散。更方便的是,這種材料具有導電性,可以加熱以防結冰。這種結構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,因而被反射回進氣道深處,進氣道也可能敷設有RAM。

F-117項目中還有幾項改進RAM方案的措施。隱身主涂層的噴涂方式改用了機器人系統,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吸波涂料。此外,設計人員還試圖減少“前緣RCS”,并發(fā)展新的RAM蒙皮。曾經在一段時間內,F-117機隊應用了多種隱身RAM方案,直到20世紀90年代末期一個標準化項目出臺。

邊緣處理、鍍銀層和S形進氣道

在F-117之后,諾斯羅普·格魯門公司研制了B-2隱身轟炸機,據稱對外形隱身的依賴程度要大于F-117,而對RAM應用較少。由于F-117的外形修形工作已經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,因此不會產生很強的表面波,只有飛機邊緣處除外。

不過,隨著技術進步,工程師們對邊緣表面波有了應對之策。從B-2開始,美國所有的隱身飛機都呈現出獨特的“邊緣處理”風格,在機體邊緣可以看到不同顏色標識的帶狀結構,這些結構實際暗藏玄機。在三角楔的內部是輕量材料,如玻璃纖維蜂窩結構,其中填充了碳,從外表面頂部向基部集中。因此,阻抗從機身結構尖銳邊緣處開始下降,直到其后部導電表面,阻抗逐漸降為0。這種設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的三大貢獻源:通過減緩表面電流的轉捩,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飛機采用了相當厚度的吸波結構,由介質材料構成。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機身邊緣處。如果表面不連續(xù),可以防止電流到達機身邊緣,但卻會加強輻射。彈艙門、起落架艙門和維護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量。雷達能量能夠誘使門和口蓋產生表面電流,如果這些電流遇到不連續(xù)結構表面,尤其是口蓋這種尺寸較小的結構,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)性結構的影響取決于結構尺寸和兩邊結構的導電性。銀是傳導性最強的金屬,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,阻擋雷達穿透。

為了抑制發(fā)動機的回波,B-2使用了內襯有RAM的S形進氣道。形狀和材料是這種RCS縮減技術的關鍵。RAM很薄,但進氣道的彎度可使來波多次反射,增加了吸收效果。比起直線進氣道,未經處理的S形進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形進氣道,這個效果的作用范圍擴大到偏離中心線10°方向范圍內。

1990年以來,B-2的RAM方案發(fā)生了改變,重點轉向減少維護負擔和降低RCS,引入了質量更好的膠帶,使鉚縫更緊密,固化時間更短。2003—2010年期間,B-2還應用了先進高頻材料(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)維護時間。具有彈性的“刀片密封”材料成為部分口蓋的導電橋,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。F-22的外形由翼身融合體組成,可減少表面波。設計人員對機翼、操縱面和發(fā)動機進氣口周邊做了很明顯的邊緣處理。另外,F-22采用了S形進氣道,其內表面敷設了RAM襯里;F-22還在一些口蓋和阻抗間隙上應用磁性RAM。

“魔法”層和RAM的未來

B-2和F-22應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,維護工作量很大,導致保障成本很高,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)就將隱身設計工作的目標定為:飛機達到預期的隱身水平,同時減少隱身的維護需求。以此為指導,F-35繼續(xù)使用多種RAM技術,包括采用S形進氣道、RAM襯里、邊緣處理和處理縫隙的“畫框”技術。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,此外,采用激光測量技術,使得結構裝配精度非常高,報告稱“99%的維護工作不再需要修復隱身表面”。F-35的目標很可能是大幅減少當前頻繁進行的縫隙彌合工序。

研發(fā)期間,項目負責人曾透露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,這一結論難以令人信服。為進一步宣傳F-35,官方拋出一個所謂的秘密,宣稱使用了某種材料:“導電層即是魔法所在”。2010年5月,負責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,并將該技術描述成是“F-35項目最大的技術突破”。

纖維氈可以取代許多RAM貼花,通過與復合材料蒙皮結合,提高了耐久性。F-35項目負責人進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,這層材料能根據需要改變厚度,但洛馬公司以保密為借口拒絕提供更多細節(jié)。雖然沒有更多證據,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“導電性”這個詞指的應該是碳基RAM。

就在F-35負責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、可連接性甚至方向,而且控制精度達到前所未有的水平。注入了CNT的纖維能吸收和反射雷達波,各個CNT之間可連接,能為感應電流提供流動通道。

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,且同質纖維能鋪層或混合。具體應用包括: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纖維的復合材料能吸收0.1MHz~60GHz范圍內的電磁波,這是商用吸收體此前未曾達到的范圍,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計特性,可使連接在其上的計算機讀取到纖維中的感應電流,這樣正面層就成為一臺雷達接收裝置。

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。當被問到基于CNT纖維的RAM是否在F-35上使用以及這項技術是否就是洛馬負責人曾提過的技術時,洛馬官方發(fā)言人表示,“對專利以外的內容不予置評”。

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

(王亞林、李悅霖,編譯自AW&ST,2016-10-30)

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