隱身飛機(jī)雷達(dá)吸波材料背后的“魔法”

一般來說，隱身外形對于減小雷達(dá)截面積（RCS）的貢獻(xiàn)占90%，而雷達(dá)吸波材料（RAM）只占10%。如果說，使用RAM可以將飛行器的RCS減小一個數(shù)量級，那么利用隱身外形則可以將RCS降低3～4個數(shù)量級。但是，在某些目標(biāo)信號特征范圍內(nèi)，RAM發(fā)揮的作用遠(yuǎn)超上述水平。值得注意的是，外形隱身技術(shù)進(jìn)展緩慢，似乎已經(jīng)逼近天花板，而隱身材料技術(shù)的研究卻飛速發(fā)展。

材料對隱身的作用

一種物質(zhì)吸收電磁波的能力取決于兩個參數(shù)，即介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。兩者分別描述的是一種物質(zhì)儲存電勢能和磁能的能力。存在電勢能/磁能的本質(zhì)是因?yàn)椴牧现写嬖谠蛹墶⒎肿蛹壔蚓Ц窦壍碾娕紭O子/磁偶極子。

當(dāng)電磁波作用到材料上時，這些偶極子指向與磁場相反的方向。在某些材料中，當(dāng)電磁波消失時，這些偶極子很容易恢復(fù)為中性。在另外一些材料中，這些偶極子具有“黏性”，既需要更多的電磁波能量才能使其指向與磁場相反的方向，也需要對之施加額外的能量才能使其恢復(fù)到中性。因這部分額外的能量最終在材料中損耗掉了，所以稱這種材料的介電常數(shù)或磁導(dǎo)率具有吸收分量。

RAM是由基體材料和填充物組成的復(fù)合材料。基體通常選擇的是介電常數(shù)損耗分量較低的材料，這類材料相對介電常數(shù)通常較小而磁導(dǎo)率可忽略不計(jì)。電磁波穿過基體材料時損耗很小，這正是選擇基體材料時需要考慮的物理特性。典型的基體材料一般是不導(dǎo)電的聚合物，包括塑料、玻璃、樹脂、聚氨酯和橡膠等。陶瓷具有較高的磁導(dǎo)率和較強(qiáng)的耐熱性，而泡沫和蜂窩結(jié)構(gòu)由于包含有大量空氣，介電常數(shù)（即電能儲存能力）特別低。

有人可能設(shè)想用一些能透過電磁波的材料來制造飛機(jī)蒙皮，但是蒙皮里的物體， 如傳感器、燃油、金屬機(jī)體、發(fā)動機(jī)零件甚至飛行員也會反射雷達(dá)波。事實(shí)上，隱身蒙皮的底層是高導(dǎo)電率的材料（金屬），這種材料能夠強(qiáng)烈反射電磁波，從而避免電磁波透過蒙皮并在其他物體上產(chǎn)生復(fù)雜的回波。

RAM填料通常是由“損耗材料”（即介電常數(shù)損耗分量較高）制成的顆粒，或者是覆有“損耗材料”涂層的顆粒。碳是一種良好的“損耗材料”，因?yàn)殡姄p耗與電導(dǎo)率成正比，而碳的電導(dǎo)率處于金屬和絕緣體之間。磁吸收層需要應(yīng)用介電常數(shù)一般但磁導(dǎo)率（表征磁能儲存能力）很大的材料，一般是羰基鐵（純粉末狀的金屬）或是氧化鐵（也稱為鐵氧體）。這些材料可以混入橡膠或是分散到涂層材料中，而鐵氧體通常燒結(jié)到某種貼片材料中。

材料的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和損耗分量越大，材料能夠吸收的電磁能就越多。但是，當(dāng)電磁波傳播到兩種介質(zhì)的邊界處時，能量會被反射而不是進(jìn)入另外一種介質(zhì)。反射能量的多少取決于兩種介質(zhì)的阻抗，即每種材料磁導(dǎo)率和介電常數(shù)比值的平方根。在穿越邊界時阻抗改變越大，反射的能量越多，被吸收的能量越少。因此，RAM設(shè)計(jì)必須綜合考慮吸收率與表面反射率，以最大限度地吸收電磁波。

材料的電磁特性也會隨頻率而變。在頻率較高的雷達(dá)頻段，任何磁性材料的阻抗都不可能接近空氣（因?yàn)殡姶挪ㄟ_(dá)到飛機(jī)表面時，飛機(jī)表面就是邊界，兩邊的介質(zhì)分別是蒙皮材料和空氣），因此不可避免地會產(chǎn)生較強(qiáng)的表面反射。但是，如果表面吸波材料厚度為1/4波長，金屬底層反射的電磁波就會與表面反射產(chǎn)生相干抵消效應(yīng)。由于磁性RAM的磁導(dǎo)率較高，所需材料厚度較小。采用諧振頻率為1～18GHz、厚度為0.1～0.5cm的商用“諧振吸收體”即可達(dá)到20dB（99%）的吸收性能。該項(xiàng)技術(shù)固有的作用范圍不大，屬于窄帶，在諧振頻率點(diǎn)以外15%的范圍內(nèi)都有顯著的吸波效果。

考慮到帶寬有限、重量大和成本高，介電吸收體是高頻段的首選寬帶吸收材料。由于電介質(zhì)沒有磁性特征，其阻抗與空氣相差太大，但通過應(yīng)用分層材料——每層材料中碳粒越來越集中，就可以實(shí)現(xiàn)在介電常數(shù)、電導(dǎo)性和介電損耗都逐步增大的同時阻抗逐漸減弱。通過調(diào)整分層材料的設(shè)計(jì)，還可以使對消最大。這種阻抗?jié)u變的介電吸收體能使反射減少20dB，且其帶寬很容易覆蓋高頻區(qū)。不過，分層材料的厚度需要達(dá)到一定值才能在低頻段實(shí)現(xiàn)吸收——X波段(8～12GHz)需要2.5cm，500MHz需要11.4cm。

另一種方法是應(yīng)用物理梯度。這些“幾何過渡”的吸收體采用的是垂直于波的均勻材料尖體，其中最常見的一種是吸波暗室（用于RCS測試）里的錐形吸收體。在高頻段下，波在這些結(jié)構(gòu)中來回反射，但每次反射都會有能量損失。如果波長相對于結(jié)構(gòu)足夠大，波表現(xiàn)出來的效果好像是穿過一種性能漸變的材料。這類吸收體能將反射減少60dB，但要想在30MHz起作用，結(jié)構(gòu)厚度需要4.57m。

與常識相反的是，在低頻段時，部分磁性材料更有效，因?yàn)樗鼈兊哪芰績Υ婺芰创艑?dǎo)率增大了。在30M～1000MHz范圍內(nèi)，某些鐵氧體表現(xiàn)出極高的電磁波壓縮效應(yīng)，阻抗接近空氣。厚度為0.64cm、面積密度為34.18kg/m2的商用鐵氧體磁瓦，能將甚高頻(VHF)波段的反射減少20dB以上，將超高頻(UHF)波段的發(fā)射減弱10dB。

到目前為止，我們討論的都是如何減少鏡面反射，實(shí)際上，RAM在減少表面波輻射方面也是非常有效的。這些電磁波是雷達(dá)照射目標(biāo)時因?qū)щ姳砻娈a(chǎn)生的電流而發(fā)射出來的。當(dāng)這些表面波沿表面移動時，會發(fā)射出行波，通常其發(fā)射角與入射余角相近；當(dāng)表面波遭遇不連續(xù)性表面，比如達(dá)到機(jī)體邊緣時，或者遇到表面縫隙、結(jié)構(gòu)臺階或是材料變化時，會激勵出邊緣波。邊緣波的能量更集中，接近鏡面反射。表面電流并非沿著材料的厚度方向而是沿著長度方向穿過，RAM的作用相當(dāng)于波導(dǎo)，捕獲電流并加以吸收。厚度僅為0.076cm的磁性RAM就能很好地抑制表面電流。

當(dāng)然，上述多種技術(shù)可以進(jìn)行組合應(yīng)用。0.76cm厚的分層磁性材料能在2～20GHz范圍內(nèi)減縮10dB。由物理梯度介電層作為正面材料，由磁性材料作為背面，可以組成混合RAM，以減弱從VHF波段到Ku波段的雷達(dá)反射。

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