详解美军隐身飞机雷达吸波材料背后的魔法

万磁王

作者：王亚林、李悦霖  
来自空翼

　　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

万磁王

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。

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　　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

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　　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

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　　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

　　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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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。

HoIX也就是Go 229飞翼战斗机

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　　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。

U-2高空侦察机

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　　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%。

SR-71生产车间，注意机翼前后缘的吸波区结构框架设计

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　　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。

SR-71三面图，注意机翼前后缘排列的锯齿状三角锥形吸波结构

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“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。

F-117的进气口栅格