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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:王亚林、李悦霖   点击数:

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“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。

F-35的“画框”又密又多
F-35的“画框”又密又多
F-35的“画框”又密又多

  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)

原文刊载于《国际航空》2017年第3期。

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