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美军隐身飞机雷达吸波材料解析

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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。

进气道隐身技术示意图

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%。

基于单层碳纳米管纤维的雷达吸波材料

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。

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