详解美军隐身飞机雷达吸波材料背后的魔法

万磁王

　　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。

万磁王

边缘处理、镀银层和S形进气道
　　在F-117之后，诺斯罗普·格鲁门公司研制了B-2隐身轰炸机，据称对外形隐身的依赖程度要大于F-117，而对RAM应用较少。由于F-117的外形修形工作已经将镜面反射处理得很好，因此，B-2的外形隐身可能指的是表面波抑制。B-2飞机的上下表面都是完整的曲面，外形没有不连续之处，因此不会产生很强的表面波，只有飞机边缘处除外。
　　不过，随着技术进步，工程师们对边缘表面波有了应对之策。从B-2开始，美国所有的隐身飞机都呈现出独特的“边缘处理”风格，在机体边缘可以看到不同颜色标识的带状结构，这些结构实际暗藏玄机。在三角楔的内部是轻量材料，如玻璃纤维蜂窝结构，其中填充了碳，从外表面顶部向基部集中。因此，阻抗从机身结构尖锐边缘处开始下降，直到其后部导电表面，阻抗逐渐降为0。这种设计使得表面电流能够缓慢而非陡峭地流动，同时也被吸收。这样的布置抑制了RCS的三大贡献源：通过减缓表面电流的转捩，减少了边缘波散射；通过吸收电流，减少了行波反射；通过吸收入射的雷达波，减少了边缘衍射。每个方向的RCS都由此显著降低，特别是偏离法向的RCS。

从B-2开始，美国所有的隐身飞机都呈现出独特的“边缘处理”风格

万磁王

　　B-2飞机采用了相当厚度的吸波结构，由介质材料构成。然而，有报告指B-2还使用了一种磁性材料，可在VHF波段提供更好的吸波能力。为了加强锥度和尽量减少衍射，下方的导电表面可能缓慢过渡成楔形。
　　虽然边缘处理能吸收表面电流，但无法完全阻止这些电流到达机身边缘处。如果表面不连续，可以防止电流到达机身边缘，但却会加强辐射。弹舱门、起落架舱门和维护口盖周围无可避免地存在缝隙，所以，B-2机体尽量减少了口盖数量。雷达能量能够诱使门和口盖产生表面电流，如果这些电流遇到不连续结构表面，尤其是口盖这种尺寸较小的结构，将会在其边缘处发射强烈的边缘波和行波。因此，这些缝隙必须用导电“填泥”和胶带连接起来。在最开始时，每架B-2需要用到大约915m长的胶带。另外，B-2的蒙皮有镀银层。不连续性结构的影响取决于结构尺寸和两边结构的导电性。银是传导性最强的金属，把银涂在不连续处可以最大限度地减少缝隙对RCS的影响，同时还能吸收电流，阻挡雷达穿透。

B-2的S形进气口

万磁王

　　为了抑制发动机的回波，B-2使用了内衬有RAM的S形进气道。形状和材料是这种RCS缩减技术的关键。RAM很薄，但进气道的弯度可使来波多次反射，增加了吸收效果。比起直线进气道，未经处理的S形进气道能将正中方向的RCS减小30dB，但在偏离中心线5°以外则毫无效果。如果增加RAM手段，正中处的RCS还可再减小30dB；而且无论是直线形还是S形进气道，这个效果的作用范围扩大到偏离中心线10°方向范围内。

万磁王

　　1990年以来，B-2的RAM方案发生了改变，重点转向减少维护负担和降低RCS，引入了质量更好的胶带，使铆缝更紧密，固化时间更短。2003—2010年期间，B-2还应用了先进高频材料（AHFM），即一种可用机械臂涂覆到口盖上的磁性RAM材料，可缩短常规维护时间。具有弹性的“刀片密封”材料成为部分口盖的导电桥，某些间隙周围环绕着窄带磁性RAM材料，被形象地称为“画框”。

F-22机腹维护口盖边缘的“画框”RAM材料

万磁王

　　F-22继承了B-2的多种RCS减缩技术。F-22的外形由翼身融合体组成，可减少表面波。设计人员对机翼、操纵面和发动机进气口周边做了很明显的边缘处理。另外，F-22采用了S形进气道，其内表面敷设了RAM衬里；F-22还在一些口盖和阻抗间隙上应用磁性RAM。

F-22设计人员对机翼、操纵面和发动机进气口周边做了很明显的边缘处理

万磁王

“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

万磁王

　　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。