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July

2016

科普小百科—耐高温吸波材料与军事对抗中的雷达隐身技术

发布时间:2016/7/22 15:48:47757次

据有色金属在线报道:

  随着现代战争中探测和制导技术的迅猛发展,军事目标的生存能力和武器装备的突防能力日益受到严重威胁。在现代军事对抗中,针对飞行器的探测技术日益完善,夺取和保持信息权已成为信息化作战的焦点,失去信息获取和控制的能力将变成“看不见”“听不见”的活靶子,“被发现即被摧毁”在现代战争中已成为事实。因而,如何将武器装备隐身,提高其战场生存与突防能力,已受到世界各国广泛重视,并迅速发展成为一项专门技术——隐身技术。

  隐身技术是顺应现代武器装备发展而出现的一项高新技术,是当今世界三大军事尖端技术之一。隐身技术对现代武器装备的发展和未来战争将产生深远影响,是现代战争取胜的决定性因素之一。

  海湾战争中,美军动用了44架F117隐身战斗机,出动近1271架次,以仅占2%的总出动架次,承担了攻击目标总数的40%,竟无一受损。

  1991年,美军隐身飞机悄无声息地穿越伊拉克雷达覆盖区,向伊拉克境内军事目标发起攻击。

  1999年,美国空军出动两架B-2隐身轰炸机参与科索沃战争,对南联盟境内目标投下了多枚全球定位系统制导的炸弹。当今世界军事强国已把隐身技术提升到与电子信息战技术同等地位来发展。隐身技术又称为“低可探测技术”,是指在一定范围内降低武器装备的可探测信号特征,减小武器装备被敌方信号探测系统发现概率或者缩短发现距离的综合性技术。

  应用于现代战争中的隐身技术主要有可见光隐身技术、雷达微波隐身技术、红外隐身技术、激光隐身技术、声波隐身技术以及复合隐身技术等。在目前的侦察、探测系统中,雷达仍是探测军事目标最主要和最可靠的手段,占80%以上;对红外侦察系统而言,要对目标实施精确致命打击仍需雷达系统作引导。因此,雷达隐身技术仍是当前隐身技术研究的重点。

  雷达隐身技术是通过缩减雷达目标特征,最大限度地降低雷达探测系统发现和识别目标的概率,从而极大提升飞行器在战争环境中突防、生存能力的低可探测技术。它涉及空气动力学、材料学、电磁学等多学科交叉融合。雷达的最大探测距离正比于目标雷达散射截面,目标雷达散射截面越大,则目标越早被探测雷达发现,目标被追踪打击的概率越大。因此,提升目标雷达隐身性能的关键在于如何缩减目标雷达散射截面。

  随着雷达隐身技术的发展,各类目标的雷达散射截面已几乎与目标体积大小没有关系,提升武器装备生存能力的关键在于缩减目标雷达散射截面。缩减雷达散射截面的方法主要有赋形、雷达吸波材料、无源及有源阻抗加载。一般来讲,赋形是控制目标雷达散射截面的第一步,然后采用雷达吸波材料弥补赋形缩减技术的不足之处。

  雷达吸波材料是指能够吸收并损耗雷达波,达到减少目标雷达散射截面,使雷达难以发现目标,赋予目标雷达隐身功能的一种功能材料。当雷达波辐照到吸波材料表面,由于吸波材料与空气间的阻抗差异,雷达波将在吸波材料-空气界面处发生部分反射,而透射部分将进入吸波材料内部被转换成热能等形式被消耗掉,从而损耗掉探测雷达波的电磁能量,破坏探测雷达回波信号的完整性,降低雷达发现目标的概率,为武器装备的突防和生存赢取宝贵时间。

  自20世纪50年代开始,美国就已开展结构吸波材料,现役的F-117A隐身战斗机、B-2战略轰炸机及F-22先进战术隐身战机,均在不同部位大量使用了结构吸波材料。1990年以来,各国研制出了多种高性能结构吸波材料,并应用于第四代战机承载与隐身设计。国外已有大量结构吸波材料的应用实例。如美国Emerson和Cuming公司研制的SF-RB系列结构吸波材料在入射角60°~85°范围内大幅度缩减雷达散射截面。Emerson公司研制的EccosorbMC,以蜂窝结构为隔离层,不仅质量轻、强度高,且工作频段内的衰减达到20dB左右。F-19A上大量采用硼纤维复合材料和有吸波性能的碳纤维复合材料,不仅作为承力部件,还能有效减少雷达波反射,吸波性能优异。

  随着新一代空中飞行器的快速发展,以超音速巡航导弹和高马赫数的飞行器为代表,飞行速度越来越快,其某些特殊部位经历高温、热气流冲击等局部温度可达1000℃以上。例如,超声速和高超声速飞行器等新一代空中武器装备的头锥、进气道、尾喷管、翼缘等部位受到燃气和(或)高速气流冲刷,局部工作温度将达1000℃以上,是显著的雷达暴露源,迫切需求耐高温结构隐身一体化材料;飞行器在30km高空飞行时,由于气动加热,表面蒙皮的温度随飞行速度的提升而急剧增加。当飞行器穿梭于空气密集的低空大气层时,短时间内其表面温度将会达到几百甚至上千摄氏度,现有的常温雷达结构吸波材料已难以满足实际需求。因此,为保持内部材料及设备的正常工作,确保新一代空中飞行器的作战效能,亟待发展吸波/承载一体化耐高温雷达吸波材料。

  理想吸波材料需同时满足以下两个条件,几乎可吸收并损耗掉所有入射的雷达波,使探测雷达无法接收到任何回波信号,从而完美地实现雷达隐身功能。

  (1)雷达波能最大限度进入材料内部(匹配特性)

  (2)雷达波能迅速被衰减在材料内部(损耗特性)

  碳纤维复合材料具有低密度、高比强、高比模、低膨胀系数、耐环境性能优良等优点,并且其结构和电性能具有较强的可设计性,易于实现介电性能匹配,制备出高性能的耐高温结构隐身材料,是当前能突破1000℃以上高温的结构隐身材料体系之一,可望应用于新型空中武器装备关键部件。

  未来,吸波材料将会朝着以下方向发展:

  (1)轻质、高比强、高比模量以及高韧性

  高比强、高比模量的低密度高温结构吸波材料,能降低空中武器装备的自身重量,并且有利于其机动性的提高。高韧性可保证空中武器装备隐身构件在服役过程的可靠性和稳定性,也是未来吸波材料发展的重点。

  (2)宽频、高效吸波

  随着雷达探测系统及技术升级,对武器系统的隐身能力提出了严峻挑战,现有的雷达吸波材料一般针对某一特定频率段,而雷达探测系统却由不同探测频段的地基、天基雷达组成,如在海湾战争中崭露头角的F117隐身飞机,在科索沃空袭中却被低频预警雷达捕捉。因此,为进一步提升材料吸波性能,需向宽频段、高吸收方向发展。

  (3)耐温性

  随着飞行器速度的不断提升,其蒙皮工作温度不断提高,研究表明马赫数为3.0的飞机前缘温度可达240℃以上,马赫数4.0以上的导弹表面温度高至450℃。而现在研制的高声速飞行器马赫数均在6.0以上,如洛克希德·马丁公司研发的SR-72双发隐形无人机飞行马赫数可达6.0,依靠B-52轰炸机投放后的X-43A试验机马赫数可达7.0(约8200km/h),印度成功试射了马赫数为7.5的“萨尤尔亚”导弹。因此,吸波材料需进一步提高耐温性来适应武器装备的不断升级。

  (4)稳定性

  近年来,由于高昂的维护费用,吸波涂层逐渐被结构吸波材料取代,吸波材料的稳定性不仅体现在常温—高温范围内吸波性能的稳定性,还包含多次热循环后材料物理、化学性质的稳定性,结构吸波材料的更换成本比吸波涂层更高,因此大力发展结构吸波材料,需提升材料耐温性及耐热震性能。

  (5)雷达、红外隐身兼容

  高温下,武器装备与背景的红外辐射差异越发明显,这增加了武器装备躲避红外波段探测的难度。因此,在满足雷达隐身的同时,兼容红外隐身是必然的发展方向。

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