隱形飛機的奧秘 －雷達(dá)吸波結(jié)構(gòu)復(fù)合材料
時間:2005-08-30
雷達(dá)吸波結(jié)構(gòu)復(fù)合材料簡稱吸波復(fù)合材料，主要指纖維增強吸波復(fù)合材料和夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料。纖維增強吸波復(fù)合材料一般由玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維等增強，樹脂基體中填充吸收劑或直接由本身吸收雷達(dá)波性能好的纖維與樹脂構(gòu)成。夾層結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料是用透波性能好、強度高的復(fù)合材料做成面板，其夾芯制成蜂窩、波紋或角錐結(jié)構(gòu)，在夾芯壁上涂覆吸波涂層或在夾芯中填充輕質(zhì)泡沫型吸收材料，構(gòu)成夾層結(jié)構(gòu)吸波材料。
1、吸波復(fù)合材料的優(yōu)點
吸波復(fù)合材料不僅具有一般復(fù)合材料比重低、比強度高、比模量高的力學(xué)優(yōu)點，同時還能有效地吸收和衰減雷達(dá)波，使反射信號顯著降低這種特點就決定了吸波復(fù)合材料在有效吸收衰減雷達(dá)波使飛機隱身的同時，本身還是一種結(jié)構(gòu)材料，起著承載和減重的作用。減重對隱身飛機來講有著更為特殊的意義。因為隱身飛機外涂的吸波材料如鐵氧體等，一般不能承載且增加重量；若能通過采用吸波復(fù)合材料抵消吸波涂料增加的重量，則可獲得更好的吸波效果且不會影響飛機的其他性能。
復(fù)合材料從制造工藝上能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)的大面積精確整體成型，從而更好地保證飛機的氣動外形。如號稱“飛翼”的B-2，高度的翼身融合，外形曲面極其復(fù)雜，若采用金屬結(jié)構(gòu)，將極為困難；但采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，則只要模具能制造出來，成型就不成問題，從而使制造工藝上的難題迎刃而解。
2、目前應(yīng)用的主要吸波復(fù)合材料
（1）碳-碳復(fù)合材料
美國威廉斯國際公司研制的碳-碳復(fù)合材料適用于高溫部位，能很好地抑制紅外輻射并吸收雷達(dá)波。在發(fā)動機部位用致密炭泡沫層來吸收發(fā)動機排氣的熱輻射，還可制成機翼前緣、機頭及機尾。
（2）含鐵氧體的玻璃鋼材料
這種材料質(zhì)輕、強度和剛度高，日本已將它裝備在空對艦導(dǎo)彈(ASM-1)的尾翼上，其彈翼也將使用這種材料改裝，使其隱身性能大為提高。
（3）充填石墨的復(fù)合材料
美國在石墨-熱塑性復(fù)合材料和石墨-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的研制方面取得很大進(jìn)展，這些材料在低溫下仍保持韌性。
（4）玻塑材料
這種由美國道爾化學(xué)公司研制的材料型號為Fibalog，是在塑料中加入玻璃纖維而制成的，據(jù)報道，這種材料較堅硬，可作為飛機蒙皮和一些內(nèi)部構(gòu)件，而無需加金屬加強筋，并具有較好的吸收雷達(dá)波特性。
（5）碳纖維復(fù)合材料
美國空軍材料實驗室研制的碳纖維復(fù)合材料能吸收輻射熱，而不反射輻射熱，既能降低雷達(dá)波特性，又能降低紅外線特征，用它可制作發(fā)動機艙蒙皮、機翼前緣以及機身前段。
（6）碳化硅纖維、碳化硅-碳纖維復(fù)合材料
碳化硅纖維中含硅，不僅吸波特性好，能減弱發(fā)動機紅外信號，而且具有耐高溫、相對密度小、韌性好、強度大、電阻率高等優(yōu)點，是國外發(fā)展很快的吸波材料之一，但仍存在一些問題，如電阻率太高等。將碳、碳化硅以不同比例，通過人工設(shè)計的方法，控制其電阻率，便可制成耐高溫、抗氧化、具有優(yōu)異力學(xué)性能和良好吸波性能的SiC-C復(fù)合纖維。SiC-C復(fù)合纖維與環(huán)氧樹脂制成的復(fù)合材料，由SiC-C纖維和接枝酰亞胺基團(tuán)與環(huán)氧樹脂共聚改性為基體組成的結(jié)構(gòu)材料，吸波性能都很優(yōu)異。
（7）混雜纖維增強復(fù)合材料
混雜纖維復(fù)合材料是指兩種或兩種以上的纖維增強同一種基體得到的復(fù)合材料。在力學(xué)性能上，混雜纖維復(fù)合材料不僅能保留單一纖維復(fù)合材料的優(yōu)點，還可做到不同纖維間性能取長補短、匹配協(xié)調(diào)，使之具有優(yōu)異的綜合性能。根據(jù)不同部位、不同結(jié)構(gòu)的不同要求，隱身飛機上可能較多地采用了混雜復(fù)合材料，以增加吸波效果、拓寬吸波頻帶。玻璃纖維、芳綸、碳纖維等可混雜使用，即可層內(nèi)混雜或?qū)娱g混雜。目前已能制造出吸波性能很好的混雜纖維增強復(fù)合材料，廣泛用于飛機制造中。
（8）特殊碳纖維增強的碳-熱塑性樹脂基復(fù)合材料
與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料具有耐高溫、韌性好、損傷容限能力強、便于大面積整體成型和再加工等一系列優(yōu)點，是國外正在發(fā)展的一種新型的復(fù)合材料。如PEEK、PEK和PPS等樹脂都具有比較好的雷達(dá)傳輸和介電透射特性，當(dāng)雷達(dá)波透射到這些樹脂基復(fù)合材料時，不容易形成爬行的電磁波。這種材料具有極好的吸波性能，能使頻率為0.1MHz～50GHz的脈沖大幅度衰減，現(xiàn)在已用于先進(jìn)戰(zhàn)斗機（ATF）的機身和機翼，其型號為APC（HTX）。另外APC-2是CelionG40-700碳纖維與PEEK復(fù)絲混雜紗單向增強的品級，特別適宜制造直升機旋翼和導(dǎo)彈殼體，美國隱身直升機LHX已經(jīng)采用此種復(fù)合材料。
（9）結(jié)構(gòu)手征復(fù)合材料
手征材料特征是指物體與其鏡像不存在幾何對稱性，而且不能使用任何方法使物體與鏡像相重合。手征材料的研究是當(dāng)前吸波材料的一個熱門領(lǐng)域，它與普通材料相比，有兩個優(yōu)勢：一是調(diào)整手征參數(shù)比調(diào)節(jié)介電參數(shù)和磁導(dǎo)率容易，大多數(shù)材料的介電參數(shù)和磁導(dǎo)率很難在較寬的頻帶上滿足反射要求；二是手征材料的頻率敏感性比介電參數(shù)和磁導(dǎo)率小，容易實現(xiàn)寬頻吸波。在實際應(yīng)用中主要有本征手征物體及結(jié)構(gòu)手征物體兩類，本征手征物體本身的幾何形狀如螺旋線等，使其成為手征物體，結(jié)構(gòu)手征物體各向異性的不同部分與其它成分成一角度關(guān)系，從而產(chǎn)生手征行為，結(jié)構(gòu)手征材料可由多層纖維增強材料構(gòu)成，其中纖維可以是碳纖維、玻璃纖維、凱夫拉纖維等，可將每層的纖維方向看作該層的軸線，將各層纖維材料以角度漸變的方式疊合時，構(gòu)成結(jié)構(gòu)手征復(fù)合材料。
