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详解美军隐身飞机雷达吸波材料背后的魔法

发布时间:2017-12-27  原作者:   点击数:

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  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。

B-2隐身轰炸机喷涂RAM涂层
B-2隐身轰炸机喷涂RAM涂层

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。

RAM填料通常是由“损耗材料”制成的颗粒,或者是覆有“损耗材料”涂层的颗粒
RAM填料通常是由“损耗材料”制成的颗粒,或者是覆有“损耗材料”涂层的颗粒

  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。

尖棱锥形吸波结构是构造微波暗室的基础材料
尖棱锥形吸波结构是构造微波暗室的基础材料

  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。

这块 F-117 翼面残骸清晰地展示出了内部的柱状蜂窝吸波结构
这块 F-117 翼面残骸清晰地展示出了内部的柱状蜂窝吸波结构

  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。

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