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隐身飞机雷达吸波材料背后的“魔法”

空军之翼  · 公众号  ·  · 2017-12-27 16:39

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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。







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