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美軍隱身飛機雷達吸波材料解析

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材料隱身技術的發展

U-2和“口蓋派”

自RAM問世以來,在減縮RCS方面發揮了積極作用。1943年,德國Horten兄弟設計了HoIX飛翼,機翼為膠合板夾層結構,夾芯混合了膠水、鋸末和粒狀碳。德國原本計劃在潛艇上使用RAM——一種叫作“Sumpf”的材料,即填充了碳粒的橡膠(部分來源說是磁性填料),準備涂在潛艇的通氣管和指揮塔上。到了1945年,麻省理工學院的輻射實驗室開發了一種填入碟狀鋁片的橡膠材料,稱為MX-410,具有反雷達特性。

為減少U-2飛機的RCS,洛克希德·馬丁公司的臭鼬工廠和麻省理工學院的雷達專家嘗試了多種方案。最終方案是加一層羰基鐵氧體的涂層,使U-2的RCS降低了一個數量級。然而,這些方案最終都無法阻止俄羅斯跟蹤到U-2飛機。

進氣道隱身技術示意圖

U-2的后繼者——美國中央情報局的A-12和美國空軍的SR-71,這兩款飛機利用突出的飛行速度和高度作為突防手段,但當局仍堅持要求臭鼬工廠減小這兩款飛機的RCS。最終,研究人員在外形修形方面取得了重要突破。以SR-71為例,飛機總體外形設計得更薄,超薄的前機身“頜部”光滑連續地延伸到短艙、前緣和機身。這樣的設計最終得出了連續光滑的機體和大體扁平的機身底部,使SR-71的RCS減縮了90%。

基于單層碳納米管纖維的雷達吸波材料

另外,SR-71飛機上約有18%的材料是RAM。這些RAM都是摻有鐵氧體的涂層,同時輔以石棉材料,用以抵抗高速飛行(Ma3)時產生的高溫。垂尾幾乎全部由RAM組成,向內傾斜15°。A-12的外邊緣最初由三角鈦片組成,但在后期,在機翼的鋸齒邊緣和機身頜部,都嵌入了包裹有玻璃纖維表面的阻性塑料蜂窩結構,當然形狀也是三角片,這些三角片被稱為 “口蓋派”。SR-71“黑鳥”的RCS最終相當于一架“幼狐”(Piper Cup)J-3單翼機,約為4m2。

“捕蟲器”

RAM的應用必須綜合到雷達吸波結構設計中來。如果不綜合考慮,會導致結構重量和體積增大。因此,隱身設計人員專門使用修形技術來控制對RCS貢獻最大的鏡面反射。第一架具有隱身能力的飛機F-117充分采用了表面修形來控制這類反射,大大節省了為控制腔體反射和表面波反射的RAM用量。

F-117的蒙皮由鋁合金制成,幾乎都涂覆了RAM。最初所用的材料是類似于油氈的鐵氧體聚合物薄板,這些薄板以不同的厚度黏結到機體的各個位置。采用RAM填泥或涂層來覆蓋緊固件、密封間隙和使不均勻的表面平整。艙門和維護口蓋在每次飛行前用金屬膠帶密封,并覆以RAM。起初,RAM的用量很少,因為很難控制厚度,而且需要使用有毒的溶劑。座艙玻璃涂了金,以盡量減少與蒙皮之間的阻抗過渡效應,同時阻止雷達波穿透座艙,因座艙里飛行員頭盔的RCS比飛機大100倍。

應特別注意發動機和進氣道,因為從前向角度來考慮的話,這些位置貢獻了飛機絕大部分的RCS。為了抑制這部分RCS,設計人員在F-117的進氣口布置了一個玻璃纖維制成的吸波柵格,作用相當于一個“捕蟲器”,即雷達電磁波能量被柵格吸收且不會逸散。更方便的是,這種材料具有導電性,可以加熱以防結冰。這種結構材料中的填料可能是碳,含量從前往后越來越高。這樣的話,入射波遇到的阻抗逐漸減弱,在傳播過程中更易穿過這部分材料,也容易被吸收;如果反射波從后往回彈回時,會遇到強烈的不利阻抗變化,因而被反射回進氣道深處,進氣道也可能敷設有RAM。

F-117項目中還有幾項改進RAM方案的措施。隱身主涂層的噴涂方式改用了機器人系統,即一個噴涂吊架確定好飛機的位置,由計算機控制噴管來噴涂雷達吸波涂料。此外,設計人員還試圖減少“前緣RCS”,并發展新的RAM蒙皮。曾經在一段時間內,F-117機隊應用了多種隱身RAM方案,直到20世紀90年代末期一個標準化項目出臺。

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