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

  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

  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

  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

“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

  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。

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

  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。