隐身飞机雷达吸波材料背后的“魔法”

2017-05-01 by:CAE仿真在线来源:互联网

一般来说,隐身外形对于减小雷达截面积(RCS)的贡献占90%,而雷达吸波材料(RAM)只占10%。如果说,使用RAM可以将飞行器的RCS减小一个数量级,那么利用隐身外形则可以将RCS降低3~4个数量级。但是,在某些目标信号特征范围内,RAM发挥的作用远超上述水平。值得注意的是,外形隐身技术进展缓慢,似乎已经逼近天花板,而隐身材料技术的研究却飞速发展。

材料对隐身的作用

一种物质吸收电磁波的能力取决于两个参数,即介电常数和磁导率。两者分别描述的是一种物质储存电势能和磁能的能力。存在电势能/磁能的本质是因为材料中存在原子级、分子级或晶格级的电偶极子/磁偶极子。

当电磁波作用到材料上时,这些偶极子指向与磁场相反的方向。在某些材料中,当电磁波消失时,这些偶极子很容易恢复为中性。在另外一些材料中,这些偶极子具有“黏性”,既需要更多的电磁波能量才能使其指向与磁场相反的方向,也需要对之施加额外的能量才能使其恢复到中性。因这部分额外的能量最终在材料中损耗掉了,所以称这种材料的介电常数或磁导率具有吸收分量。

RAM是由基体材料和填充物组成的复合材料。基体通常选择的是介电常数损耗分量较低的材料,这类材料相对介电常数通常较小而磁导率可忽略不计。电磁波穿过基体材料时损耗很小,这正是选择基体材料时需要考虑的物理特性。典型的基体材料一般是不导电的聚合物,包括塑料、玻璃、树脂、聚氨酯和橡胶等。陶瓷具有较高的磁导率和较强的耐热性,而泡沫和蜂窝结构由于包含有大量空气,介电常数(即电能储存能力)特别低。

有人可能设想用一些能透过电磁波的材料来制造飞机蒙皮,但是蒙皮里的物体, 如传感器、燃油、金属机体、发动机零件甚至飞行员也会反射雷达波。事实上,隐身蒙皮的底层是高导电率的材料(金属),这种材料能够强烈反射电磁波,从而避免电磁波透过蒙皮并在其他物体上产生复杂的回波。

RAM填料通常是由“损耗材料”(即介电常数损耗分量较高)制成的颗粒,或者是覆有“损耗材料”涂层的颗粒。碳是一种良好的“损耗材料”,因为电损耗与电导率成正比,而碳的电导率处于金属和绝缘体之间。磁吸收层需要应用介电常数一般但磁导率(表征磁能储存能力)很大的材料,一般是羰基铁(纯粉末状的金属)或是氧化铁(也称为铁氧体)。这些材料可以混入橡胶或是分散到涂层材料中,而铁氧体通常烧结到某种贴片材料中。

材料的介电常数、磁导率和损耗分量越大,材料能够吸收的电磁能就越多。但是,当电磁波传播到两种介质的边界处时,能量会被反射而不是进入另外一种介质。反射能量的多少取决于两种介质的阻抗,即每种材料磁导率和介电常数比值的平方根。在穿越边界时阻抗改变越大,反射的能量越多,被吸收的能量越少。因此,RAM设计必须综合考虑吸收率与表面反射率,以最大限度地吸收电磁波。

材料的电磁特性也会随频率而变。在频率较高的雷达频段,任何磁性材料的阻抗都不可能接近空气(因为电磁波达到飞机表面时,飞机表面就是边界,两边的介质分别是蒙皮材料和空气),因此不可避免地会产生较强的表面反射。但是,如果表面吸波材料厚度为1/4波长,金属底层反射的电磁波就会与表面反射产生相干抵消效应。由于磁性RAM的磁导率较高,所需材料厚度较小。采用谐振频率为1~18GHz、厚度为0.1~0.5cm的商用“谐振吸收体”即可达到20dB(99%)的吸收性能。该项技术固有的作用范围不大,属于窄带,在谐振频率点以外15%的范围内都有显著的吸波效果。

考虑到带宽有限、重量大和成本高,介电吸收体是高频段的首选宽带吸收材料。由于电介质没有磁性特征,其阻抗与空气相差太大,但通过应用分层材料——每层材料中碳粒越来越集中,就可以实现在介电常数、电导性和介电损耗都逐步增大的同时阻抗逐渐减弱。通过调整分层材料的设计,还可以使对消最大。这种阻抗渐变的介电吸收体能使反射减少20dB,且其带宽很容易覆盖高频区。不过,分层材料的厚度需要达到一定值才能在低频段实现吸收——X波段(8~12GHz)需要2.5cm,500MHz需要11.4cm。

另一种方法是应用物理梯度。这些“几何过渡”的吸收体采用的是垂直于波的均匀材料尖体,其中最常见的一种是吸波暗室(用于RCS测试)里的锥形吸收体。在高频段下,波在这些结构中来回反射,但每次反射都会有能量损失。如果波长相对于结构足够大,波表现出来的效果好像是穿过一种性能渐变的材料。这类吸收体能将反射减少60dB,但要想在30MHz起作用,结构厚度需要4.57m。

与常识相反的是,在低频段时,部分磁性材料更有效,因为它们的能量储存能力即磁导率增大了。在30M~1000MHz范围内,某些铁氧体表现出极高的电磁波压缩效应,阻抗接近空气。厚度为0.64cm、面积密度为34.18kg/m2的商用铁氧体磁瓦,能将甚高频(VHF)波段的反射减少20dB以上,将超高频(UHF)波段的发射减弱10dB。

到目前为止,我们讨论的都是如何减少镜面反射,实际上,RAM在减少表面波辐射方面也是非常有效的。这些电磁波是雷达照射目标时因导电表面产生的电流而发射出来的。当这些表面波沿表面移动时,会发射出行波,通常其发射角与入射余角相近;当表面波遭遇不连续性表面,比如达到机体边缘时,或者遇到表面缝隙、结构台阶或是材料变化时,会激励出边缘波。边缘波的能量更集中,接近镜面反射。表面电流并非沿着材料的厚度方向而是沿着长度方向穿过,RAM的作用相当于波导,捕获电流并加以吸收。厚度仅为0.076cm的磁性RAM就能很好地抑制表面电流。

当然,上述多种技术可以进行组合应用。0.76cm厚的分层磁性材料能在2~20GHz范围内减缩10dB。由物理梯度介电层作为正面材料,由磁性材料作为背面,可以组成混合RAM,以减弱从VHF波段到Ku波段的雷达反射。

材料隐身技术的发展

U-2和“口盖派”

自RAM问世以来,在减缩RCS方面发挥了积极作用。1943年,德国Horten兄弟设计了HoIX飞翼,机翼为胶合板夹层结构,夹芯混合了胶水、锯末和粒状碳。德国原本计划在潜艇上使用RAM——一种叫作“Sumpf”的材料,即填充了碳粒的橡胶(部分来源说是磁性填料),准备涂在潜艇的通气管和指挥塔上。到了1945年,麻省理工学院的辐射实验室开发了一种填入碟状铝片的橡胶材料,称为MX-410,具有反雷达特性。

为减少U-2飞机的RCS,洛克希德·马丁公司的臭鼬工厂和麻省理工学院的雷达专家尝试了多种方案。最终方案是加一层羰基铁氧体的涂层,使U-2的RCS降低了一个数量级。然而,这些方案最终都无法阻止俄罗斯跟踪到U-2飞机。

U-2的后继者——美国中央情报局的A-12和美国空军的SR-71,这两款飞机利用突出的飞行速度和高度作为突防手段,但当局仍坚持要求臭鼬工厂减小这两款飞机的RCS。最终,研究人员在外形修形方面取得了重要突破。以SR-71为例,飞机总体外形设计得更薄,超薄的前机身“颌部”光滑连续地延伸到短舱、前缘和机身。这样的设计最终得出了连续光滑的机体和大体扁平的机身底部,使SR-71的RCS减缩了90%。

另外,SR-71飞机上约有18%的材料是RAM。这些RAM都是掺有铁氧体的涂层,同时辅以石棉材料,用以抵抗高速飞行(Ma3)时产生的高温。垂尾几乎全部由RAM组成,向内倾斜15°。A-12的外边缘最初由三角钛片组成,但在后期,在机翼的锯齿边缘和机身颌部,都嵌入了包裹有玻璃纤维表面的阻性塑料蜂窝结构,当然形状也是三角片,这些三角片被称为 “口盖派”。SR-71“黑鸟”的RCS最终相当于一架“幼狐”(Piper Cup)J-3单翼机,约为4m2。

“捕虫器”

RAM的应用必须综合到雷达吸波结构设计中来。如果不综合考虑,会导致结构重量和体积增大。因此,隐身设计人员专门使用修形技术来控制对RCS贡献最大的镜面反射。第一架具有隐身能力的飞机F-117充分采用了表面修形来控制这类反射,大大节省了为控制腔体反射和表面波反射的RAM用量。

F-117的蒙皮由铝合金制成,几乎都涂覆了RAM。最初所用的材料是类似于油毡的铁氧体聚合物薄板,这些薄板以不同的厚度黏结到机体的各个位置。采用RAM填泥或涂层来覆盖紧固件、密封间隙和使不均匀的表面平整。舱门和维护口盖在每次飞行前用金属胶带密封,并覆以RAM。起初,RAM的用量很少,因为很难控制厚度,而且需要使用有毒的溶剂。座舱玻璃涂了金,以尽量减少与蒙皮之间的阻抗过渡效应,同时阻止雷达波穿透座舱,因座舱里飞行员头盔的RCS比飞机大100倍。

应特别注意发动机和进气道,因为从前向角度来考虑的话,这些位置贡献了飞机绝大部分的RCS。为了抑制这部分RCS,设计人员在F-117的进气口布置了一个玻璃纤维制成的吸波栅格,作用相当于一个“捕虫器”,即雷达电磁波能量被栅格吸收且不会逸散。更方便的是,这种材料具有导电性,可以加热以防结冰。这种结构材料中的填料可能是碳,含量从前往后越来越高。这样的话,入射波遇到的阻抗逐渐减弱,在传播过程中更易穿过这部分材料,也容易被吸收;如果反射波从后往回弹回时,会遇到强烈的不利阻抗变化,因而被反射回进气道深处,进气道也可能敷设有RAM。

F-117项目中还有几项改进RAM方案的措施。隐身主涂层的喷涂方式改用了机器人系统,即一个喷涂吊架确定好飞机的位置,由计算机控制喷管来喷涂雷达吸波涂料。此外,设计人员还试图减少“前缘RCS”,并发展新的RAM蒙皮。曾经在一段时间内,F-117机队应用了多种隐身RAM方案,直到20世纪90年代末期一个标准化项目出台。

边缘处理、镀银层和S形进气道

在F-117之后,诺斯罗普·格鲁门公司研制了B-2隐身轰炸机,据称对外形隐身的依赖程度要大于F-117,而对RAM应用较少。由于F-117的外形修形工作已经将镜面反射处理得很好,因此,B-2的外形隐身可能指的是表面波抑制。B-2飞机的上下表面都是完整的曲面,外形没有不连续之处,因此不会产生很强的表面波,只有飞机边缘处除外。

不过,随着技术进步,工程师们对边缘表面波有了应对之策。从B-2开始,美国所有的隐身飞机都呈现出独特的“边缘处理”风格,在机体边缘可以看到不同颜色标识的带状结构,这些结构实际暗藏玄机。在三角楔的内部是轻量材料,如玻璃纤维蜂窝结构,其中填充了碳,从外表面顶部向基部集中。因此,阻抗从机身结构尖锐边缘处开始下降,直到其后部导电表面,阻抗逐渐降为0。这种设计使得表面电流能够缓慢而非陡峭地流动,同时也被吸收。这样的布置抑制了RCS的三大贡献源:通过减缓表面电流的转捩,减少了边缘波散射;通过吸收电流,减少了行波反射;通过吸收入射的雷达波,减少了边缘衍射。每个方向的RCS都由此显著降低,特别是偏离法向的RCS。

B-2飞机采用了相当厚度的吸波结构,由介质材料构成。然而,有报告指B-2还使用了一种磁性材料,可在VHF波段提供更好的吸波能力。为了加强锥度和尽量减少衍射,下方的导电表面可能缓慢过渡成楔形。

虽然边缘处理能吸收表面电流,但无法完全阻止这些电流到达机身边缘处。如果表面不连续,可以防止电流到达机身边缘,但却会加强辐射。弹舱门、起落架舱门和维护口盖周围无可避免地存在缝隙,所以,B-2机体尽量减少了口盖数量。雷达能量能够诱使门和口盖产生表面电流,如果这些电流遇到不连续结构表面,尤其是口盖这种尺寸较小的结构,将会在其边缘处发射强烈的边缘波和行波。因此,这些缝隙必须用导电“填泥”和胶带连接起来。在最开始时,每架B-2需要用到大约915m长的胶带。另外,B-2的蒙皮有镀银层。不连续性结构的影响取决于结构尺寸和两边结构的导电性。银是传导性最强的金属,把银涂在不连续处可以最大限度地减少缝隙对RCS的影响,同时还能吸收电流,阻挡雷达穿透。

为了抑制发动机的回波,B-2使用了内衬有RAM的S形进气道。形状和材料是这种RCS缩减技术的关键。RAM很薄,但进气道的弯度可使来波多次反射,增加了吸收效果。比起直线进气道,未经处理的S形进气道能将正中方向的RCS减小30dB,但在偏离中心线5°以外则毫无效果。如果增加RAM手段,正中处的RCS还可再减小30dB;而且无论是直线形还是S形进气道,这个效果的作用范围扩大到偏离中心线10°方向范围内。

1990年以来,B-2的RAM方案发生了改变,重点转向减少维护负担和降低RCS,引入了质量更好的胶带,使铆缝更紧密,固化时间更短。2003—2010年期间,B-2还应用了先进高频材料(AHFM),即一种可用机械臂涂覆到口盖上的磁性RAM材料,可缩短常规维护时间。具有弹性的“刀片密封”材料成为部分口盖的导电桥,某些间隙周围环绕着窄带磁性RAM材料,被形象地称为“画框”。

F-22继承了B-2的多种RCS减缩技术。F-22的外形由翼身融合体组成,可减少表面波。设计人员对机翼、操纵面和发动机进气口周边做了很明显的边缘处理。另外,F-22采用了S形进气道,其内表面敷设了RAM衬里;F-22还在一些口盖和阻抗间隙上应用磁性RAM。

“魔法”层和RAM的未来

B-2和F-22应用的隐身材料降低了飞机的RCS,但这些材料的耐久性不尽如人意,需要频繁更换,维护工作量很大,导致保障成本很高,占用的维修时间也很多,因而限制了飞机的可用性。RAM的填充材料是从几微米到几十微米直径不等的球形微粒,这些微粒聚集在一起,虽然可以提高吸波效果,却影响了耐用性,而且黏合到飞机上的难度不小。

因此,从F-35项目一开始,洛克希德·马丁公司(洛马)就将隐身设计工作的目标定为:飞机达到预期的隐身水平,同时减少隐身的维护需求。以此为指导,F-35继续使用多种RAM技术,包括采用S形进气道、RAM衬里、边缘处理和处理缝隙的“画框”技术。从洛马的早期报告还可看出,F-35大大减少了外蒙皮的块数,此外,采用激光测量技术,使得结构装配精度非常高,报告称“99%的维护工作不再需要修复隐身表面”。F-35的目标很可能是大幅减少当前频繁进行的缝隙弥合工序。

研发期间,项目负责人曾透露F-35可能比F-22隐身性能更好。但是,由于F-35的外形不如F-22规整,这一结论难以令人信服。为进一步宣传F-35,官方抛出一个所谓的秘密,宣称使用了某种材料:“导电层即是魔法所在”。2010年5月,负责F-35项目的执行副总裁的Tom Burbage披露,F-35采用了一项“纤维毡”技术,并将该技术描述成是“F-35项目最大的技术突破”。

纤维毡可以取代许多RAM贴花,通过与复合材料蒙皮结合,提高了耐久性。F-35项目负责人进一步说明了这种材料的特性是“全向编织”,即能保证电磁特性不随角度而改变。熔入蒙皮后,这层材料能根据需要改变厚度,但洛马公司以保密为借口拒绝提供更多细节。虽然没有更多证据,但可以明确的是,“纤维毡”一词意味着这种材料用的是纤维而不是颗粒,纤维能使表面更强韧;而“导电性”这个词指的应该是碳基RAM。

就在F-35负责人放出消息一个月后,洛马就申请了一项专利,专利中宣称首次采用新方法生产了耐用的RAM口盖。专利对方法做了具体介绍:可在玻璃、碳等纤维、陶瓷或金属上生长出碳纳米管(CNT),并可控制其长度、密度、管壁层数、可连接性甚至方向,而且控制精度达到前所未有的水平。注入了CNT的纤维能吸收和反射雷达波,各个CNT之间可连接,能为感应电流提供流动通道。

更为重要的是,CNT能浸入铁或铁氧体纳米颗粒中。沿着纤维长度方向,CNT密度可以不同,且同质纤维能铺层或混合。具体应用包括:与空气阻抗匹配的正面层、1/4波长厚度用于对消、非连续或连续CNT密度梯度,以及在不同厚度采用不同的CNT密度,可提高宽频吸波能力。纤维能置于材料中的“任意方向”,适用的材料包括“织物、无纺纤维毡和纤维铺层”。

专利称,基于CNT纤维的复合材料能吸收0.1MHz~60GHz范围内的电磁波,这是商用吸收体此前未曾达到的范围,并对L波段到K波段都有效果。专利没有具体说明该材料的吸收能力,但称这种材料制成的面板“在面对各雷达波段时几乎可视为黑体”。有趣的是,这种材料制成的正面层具有可设计特性,可使连接在其上的计算机读取到纤维中的感应电流,这样正面层就成为一台雷达接收装置。

虽然专利中提到了隐身飞机,但没有特别提及F-35,而且未公布当时该材料的制造成熟度。不过,专利公布时正是披露“纤维毡”的时间,这个巧合不容忽视。当被问到基于CNT纤维的RAM是否在F-35上使用以及这项技术是否就是洛马负责人曾提过的技术时,洛马官方发言人表示,“对专利以外的内容不予置评”。

即使CNT纤维不是F-35的“魔法”层,也代表了最新的RAM技术。不过,虽然这可能是RAM技术中最大的一项革新,但也不会是唯一的一项。工程师们一直在试验新材料。尤其值得关注的是,一些采用了亚波长几何结构的超材料,被赋予了自然界不存在的新特性,其在隐身领域的热度越来越高。总而言之,隐身技术在未来的前景,已经离不开RAM的发展。

(王亚林、李悦霖,编译自AW&ST,2016-10-30)

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