В материаловедении радиопоглощающий материал (RAM) — это материал, специально разработанный и сформированный для поглощения падающего радиочастотного излучения (также известного как неионизирующее излучение). максимально эффективно и с максимально возможного количества направлений инцидента. Чем эффективнее ОЗУ, тем ниже результирующий уровень отраженного ВЧ-излучения. Многие измерения электромагнитной совместимости (ЭМС) и диаграмм направленности антенн требуют, чтобы паразитные сигналы, возникающие в испытательной установке, включая отражения, были незначительными, чтобы избежать риска возникновения ошибок измерения и неоднозначности.
Введение
Один из самых эффективных типов RAM состоит из массивов пирамидальных деталей, каждая из которых изготовлена из материала с подходящими потерями. Для эффективной работы все внутренние поверхности безэховой камеры должны быть полностью покрыты RAM. Секции RAM могут быть временно удалены для установки оборудования, но их необходимо заменить перед выполнением любых испытаний. Чтобы быть достаточно потеряющими, RAM не может быть ни хорошим электрическим проводником, ни хорошим электрическим изолятором, поскольку ни один из типов фактически не поглощает никакой энергии. Обычно пирамидальная RAM будет состоять из прорезиненного вспененного материала, пропитанного контролируемыми смесями углерода и железа. Длина от основания до вершины пирамидальной структуры выбирается на основе самой низкой ожидаемой частоты и требуемой величины поглощения. Для низкочастотного затухания это расстояние часто составляет 60 см (24 дюйма), в то время как высокочастотные панели имеют длину всего от 7,5 до 10 см (от 3 до 4 дюймов). Панели RAM обычно устанавливаются на стенах испытательной камеры ЭМС кончиками внутрь камеры. Пирамидальная RAM ослабляет сигнал двумя эффектами: рассеянием и поглощением. Рассеивание может происходить как когерентно, когда отраженные волны находятся в фазе, но направлены от приемника, так и некогерентно, когда волны улавливаются приемником, но находятся в противофазе и, таким образом, имеют более низкую силу сигнала. Это некогерентное рассеяние также происходит внутри пенопластовой структуры, при этом взвешенные углеродные частицы способствуют деструктивной интерференции. Внутреннее рассеяние может привести к затуханию до 10 дБ. Между тем, пирамидальные формы срезаны под углами, которые максимизируют количество отскоков волны внутри структуры. С каждым отскоком волна теряет энергию в пенопластовом материале и, таким образом, выходит с более низкой силой сигнала. Альтернативный тип RAM состоит из плоских пластин ферритового материала в форме плоских плиток, закрепленных на всех внутренних поверхностях камеры. Этот тип имеет меньший эффективный частотный диапазон, чем пирамидальная RAM, и предназначен для крепления к хорошо проводящим поверхностям. Он, как правило, проще в установке и более долговечен, чем RAM пирамидального типа, но менее эффективен на более высоких частотах. Однако его производительность может быть вполне адекватной, если испытания ограничены более низкими частотами (ферритовые пластины имеют кривую затухания, которая делает их наиболее эффективными в диапазоне 30–1000 МГц). Существует также гибридный тип, феррит в пирамидальной форме. Содержа преимущества обеих технологий, диапазон частот может быть максимизирован, в то время как пирамида остается небольшой, около 10 см (3,9 дюйма).
Для физически реализуемых материалов, поглощающих излучение, существует компромисс между толщиной и шириной полосы пропускания: оптимальное отношение толщины к ширине полосы пропускания материала, поглощающего излучение, определяется пределом Розанова.
Использование в технологии «стелс»
Радаропоглощающие материалы используются в технологии скрытности для маскировки транспортного средства или конструкции от обнаружения радаром. Поглощающая способность материала на заданной частоте радарной волны зависит от его состава. RAM не может идеально поглощать радар на любой частоте, но любой заданный состав имеет большую поглощающую способность на некоторых частотах, чем на других; ни один RAM не подходит для поглощения всех радиолокационных частот. Распространенное заблуждение заключается в том, что RAM делает объект невидимым для радара. Радаропоглощающий материал может значительно уменьшить радиолокационную поверхность объекта на определенных радиолокационных частотах, но он не приводит к «невидимости» на любой частоте.
История
Самыми ранними формами стелс-покрытий были краски, поглощающие радиолокационные лучи, разработанные майором К. Мано из Технического института Тама и доктором Шибой из Токийского инженерного колледжа для IJAAF. Были испытаны многочисленные смеси красок с оксидом железа и жидкой резиной, а также оксидом железа, асфальтом и аэрозольной смазкой для самолетов, показавшие наилучшие результаты. Несмотря на успех в лабораторных испытаниях, краски не нашли практического применения, поскольку были тяжелыми и могли существенно повлиять на характеристики любого самолета, на который их наносили.
Напротив, IJN увидел большой потенциал в антирадарных материалах, и Второй военно-морской технический институт начал исследования слоистых материалов для поглощения радиолокационных волн вместо краски. Резина и пластик с углеродным порошком в различных соотношениях были наложены слоями для поглощения и рассеивания радиолокационных волн. Результаты были многообещающими против частот 3000 мегагерц, но плохими против радара с длиной волны 3 см. Работа над программой была остановлена из-за бомбардировок союзников, но исследования были продолжены американцами после войны с умеренным успехом.
В сентябре 1944 года появились материалы под названием Sumpf и Schornsteinfeger, покрытия, использовавшиеся немецким флотом во время Второй мировой войны для шноркелей (или перископов) подводных лодок, чтобы снизить их отражательную способность в 20-сантиметровом диапазоне радиолокационных излучений, который использовали союзники. Материал имел слоистую структуру и был основан на частицах графита и других полупроводниковых материалах, внедренных в резиновую матрицу. Эффективность материала частично снижалась под воздействием морской воды.
Аналогичное применение планировалось для самолета Horten Ho 229. Клей, скреплявший листы фанеры в его обшивке, был пропитан частицами графита, которые должны были снизить его заметность для британских радаров.
Типы радиопоглощающих материалов (РПМ)
Поглотитель краски в виде железного шарика
Одним из наиболее известных типов RAM является краска с железными шариками. Она содержит крошечные сферы, покрытые карбонильным железом или ферритом. Радарные волны вызывают молекулярные колебания из переменного магнитного поля в этой краске, что приводит к преобразованию энергии радара в тепло. Затем тепло передается самолету и рассеивается. Частицы железа в краске получаются путем разложения пентакарбонила железа и могут содержать следы углерода, кислорода и азота. Одна из технологий, используемых в F-117A Nighthawk и других подобных самолетах-невидимках, заключается в использовании электрически изолированных шариков карбонильного железа определенных размеров, взвешенных в двухкомпонентной эпоксидной краске. Каждая из этих микроскопических сфер покрыта диоксидом кремния в качестве изолятора с помощью запатентованного процесса. Затем, во время процесса изготовления панели, пока краска еще жидкая, прикладывается магнитное поле с определенной силой Гаусса и на определенном расстоянии для создания узоров магнитного поля в шариках карбонильного железа внутри жидкой феррожидкости краски. Затем краска затвердевает под действием магнитного поля, удерживающего частицы в их магнитном узоре. Были проведены некоторые эксперименты с применением противоположных магнитных полей север-юг к противоположным сторонам окрашенных панелей, в результате чего частицы карбонильного железа выстраиваются в ряд (стоят на торчке, так что они трехмерно параллельны магнитному полю). Краска с шариками карбонильного железа наиболее эффективна, когда шарики равномерно распределены, электрически изолированы и представляют градиент постепенно увеличивающейся плотности для входящих радиолокационных волн. Схожий тип RAM состоит из листов неопренового полимера с зернами феррита или проводящими частицами сажи (содержащими около 0,30% кристаллического графита по отвержденному весу), встроенными в полимерную матрицу. Плитки использовались на ранних версиях F-117A Nighthawk, хотя более поздние модели используют окрашенные RAM. Покраска F-117 выполняется промышленными роботами, поэтому краску можно наносить последовательно с определенной толщиной и плотностью слоя. Самолет покрыт плитками, «приклеенными» к фюзеляжу, а оставшиеся зазоры заполнены «клеем» из железных шариков. Военно-воздушные силы США представили краску, поглощающую радиолокационные лучи, изготовленную из феррожидкостных и немагнитных веществ. Уменьшая отражение электромагнитных волн, этот материал помогает снизить заметность самолетов, окрашенных RAM, на радарах. Израильская фирма Nanoflight также создала краску, поглощающую радиолокационные лучи, которая использует наночастицы. Военные Китайской Республики (Тайвань) также успешно разработали краску, поглощающую радиолокационные лучи, которая в настоящее время используется на тайваньских военных кораблях-невидимках и на тайваньском реактивном истребителе-невидимке, который в настоящее время разрабатывается в ответ на разработку технологии стелс их конкурентом, материковой Китайской Народной Республикой, которая, как известно, демонстрировала публике как военные корабли-невидимки, так и самолеты.
Пенный поглотитель
Пенный поглотитель используется в качестве облицовки безэховых камер для измерения электромагнитного излучения. Этот материал обычно состоит из огнестойкой уретановой пены, загруженной проводящей углеродной сажей [сферические частицы карбонильного железа и/или частицы кристаллического графита] в смесях от 0,05% до 0,1% (по весу в готовом продукте), и нарезанной на квадратные пирамиды с размерами, установленными в соответствии с интересующими длинами волн. Дальнейшие улучшения могут быть сделаны, когда проводящие частицы наслаиваются в градиенте плотности, так что вершина пирамиды имеет самый низкий процент частиц, а основание содержит самую высокую плотность частиц. Это представляет собой «мягкое» изменение импеданса для входящих радиолокационных волн и дополнительно уменьшает отражение (эхо). Длина от основания до вершины и ширина основания пирамидальной структуры выбираются на основе самой низкой ожидаемой частоты, когда ищется широкополосный поглотитель. Для низкочастотного демпфирования в военных приложениях это расстояние часто составляет 60 см (24 дюйма), в то время как высокочастотные панели имеют длину всего 7,5–10 см (3–4 дюйма). Примером высокочастотного приложения может служить полицейский радар (радар измерения скорости K и Ka-диапазона), пирамиды будут иметь размер около 10 см (4 дюйма) в длину и основание 5 см × 5 см (2 дюйма × 2 дюйма). Эта пирамида будет установлена на кубическом основании 5 см × 5 см и высотой 2,5 см (1 дюйм) (общая высота пирамиды и основания около 12,5 см или 5 дюймов). Четыре края пирамиды представляют собой мягко сходящиеся дуги, придающие пирамиде слегка «раздутый» вид. Эта дуга обеспечивает некоторое дополнительное рассеивание и не позволяет любому острому краю создавать когерентное отражение. Панели RAM устанавливаются с вершинами пирамид, направленными в сторону источника радиолокационного излучения. Эти пирамиды также могут быть скрыты за внешней почти прозрачной для радаров оболочкой, где требуется аэродинамика. Пирамидальная RAM ослабляет сигнал за счет рассеяния и поглощения. Рассеивание может происходить как когерентно, когда отраженные волны находятся в фазе, но направлены от приемника, так и некогерентно, когда волны могут отражаться обратно к приемнику, но находятся в противофазе и, таким образом, имеют более низкую силу сигнала. Хорошим примером когерентного отражения является граненая форма самолета-невидимки F-117A, которая представляет углы к источнику радиолокационного излучения таким образом, что когерентные волны отражаются от точки происхождения (обычно источника обнаружения). Некогерентное рассеяние также происходит внутри пенопластовой структуры, при этом взвешенные проводящие частицы способствуют деструктивной интерференции. Внутреннее рассеяние может привести к затуханию до 10 дБ. Между тем, формы пирамид срезаны под углами, которые максимизируют количество отскоков волны внутри структуры. С каждым отскоком волна теряет энергию в пенопластовом материале и, таким образом, выходит с более низкой силой сигнала. Другие пенопластовые поглотители доступны в плоских листах, использующих увеличивающийся градиент углеродных нагрузок в разных слоях. Поглощение внутри пенопластового материала происходит, когда энергия радара преобразуется в тепло в проводящей частице. Поэтому в приложениях, где задействованы высокие энергии радара, охлаждающие вентиляторы используются для отвода выделяемого тепла.
Поглотитель Яуманна
Поглотитель Яуманна или слой Яуманна — это вещество, поглощающее радиолокационные волны. Впервые представленный в 1943 году, слой Яуманна состоял из двух равноудаленных отражающих поверхностей и проводящей заземляющей плоскости. Его можно рассматривать как обобщенный многослойный экран Солсбери, поскольку принципы схожи. Будучи резонансным поглотителем (т. е. он использует интерференцию волн для подавления отраженной волны), слой Яуманна зависит от расстояния λ/4 между первой отражающей поверхностью и заземляющей плоскостью и между двумя отражающими поверхностями (в общей сложности λ/4 + λ/4 ). Поскольку волна может резонировать на двух частотах, слой Яуманна создает два максимума поглощения в диапазоне длин волн (при использовании конфигурации из двух слоев). Эти поглотители должны иметь все слои, параллельные друг другу и заземляющей плоскости, которую они скрывают. Более сложные поглотители Яуманна используют ряд диэлектрических поверхностей, которые разделяют проводящие листы. Проводимость этих листов увеличивается с приближением к заземляющей плоскости.
Разрезной кольцевой резонатор-поглотитель
Разрезные кольцевые резонаторы (SRR) в различных тестовых конфигурациях показали себя чрезвычайно эффективными в качестве поглотителей радаров. Технология SRR может использоваться в сочетании с технологиями, указанными выше, для обеспечения кумулятивного эффекта поглощения. Технология SRR особенно эффективна при использовании на граненых формах с идеально плоскими поверхностями, которые не отражаются напрямую обратно на источник радара (например, F-117A). Эта технология использует фотографический процесс для создания слоя резиста на тонкой (около 0,18 мм или 0,007 дюйма) медной фольге на диэлектрической подложке (тонкий материал печатной платы), вытравленной в настроенные резонаторные решетки, причем каждый отдельный резонатор имеет форму «C» (или другую форму, например, квадрат). Каждый SRR электрически изолирован, и все размеры тщательно указаны для оптимизации поглощения на определенной длине волны радара. Не будучи замкнутым контуром «O», отверстие в «C» представляет собой зазор определенного размера, который действует как конденсатор. На частоте 35 ГГц диаметр «С» составляет около 5 мм (0,20 дюйма). Резонатор можно настроить на определенные длины волн, а несколько SRR можно сложить вместе с изолирующими слоями определенной толщины между ними, чтобы обеспечить широкополосное поглощение энергии радара. При сложении, меньшие SRR (высокочастотные) в диапазоне сначала обращены к источнику радара (как стопка пончиков, которые постепенно увеличиваются по мере удаления от источника радара), было показано, что стопки из трех штук эффективны для обеспечения широкополосного затухания. Технология SRR действует во многом так же, как антибликовые покрытия работают на оптических длинах волн [сомнительно – обсудите]. Технология SRR обеспечивает наиболее эффективное затухание радаров из всех известных ранее технологий и на один шаг ближе к достижению полной невидимости (полной скрытности, «маскировки»). Работа также продвигается в области визуальных длин волн, а также инфракрасных длин волн (материалы, поглощающие LIDAR).
Углеродная нанотрубка
Радары работают в диапазоне микроволновых частот, который может поглощаться многослойными нанотрубками (MWNT). Применение MWNT к самолету приведет к поглощению радара и, следовательно, к уменьшению эффективной площади рассеяния. Одним из таких применений может быть нанесение нанотрубок на самолет. Недавно в Мичиганском университете была проведена работа относительно полезности углеродных нанотрубок в качестве технологии невидимости на самолетах. Было обнаружено, что в дополнение к свойствам поглощения радаров нанотрубки не отражают и не рассеивают видимый свет, делая его по существу невидимым ночью, что очень похоже на покраску современных самолетов-невидимок в черный цвет, только гораздо более эффективно. Однако текущие ограничения в производстве означают, что текущее производство самолетов, покрытых нанотрубками, невозможно. Одна из теорий преодоления этих текущих ограничений заключается в покрытии мелких частиц нанотрубками и подвешивании частиц, покрытых нанотрубками, в среде, такой как краска, которую затем можно наносить на поверхность, как на самолетах-невидимках.