Введение

В материаловедении, радиопоглощающий материал (RAM) – это материал, специально разработанный и сформированный для максимально эффективного поглощения падающего радиочастотного (РЧ) излучения (также известного как неионизирующее излучение) с как можно большего числа направлений. Чем эффективнее RAM, тем ниже уровень отраженного РЧ-излучения. Многие измерения в области электромагнитной совместимости (ЭМС) и характеристик излучения антенн требуют, чтобы паразитные сигналы, возникающие от измерительной аппаратуры, включая отражения, были пренебрежимо малы, чтобы избежать риска ошибок и неоднозначности измерений.

Введение

Один из наиболее эффективных типов поглощающих материалов (RAM) состоит из массивов пирамидальных элементов, каждый из которых изготовлен из подходящего материала с высоким коэффициентом потерь. Для эффективной работы все внутренние поверхности безэховой камеры должны быть полностью покрыты RAM. Секции RAM могут быть временно удалены для установки оборудования, но должны быть возвращены на место перед проведением каких-либо испытаний. Чтобы обеспечивать достаточное поглощение, RAM не должен быть ни хорошим электропроводником, ни хорошим диэлектриком, поскольку ни один из этих типов не поглощает энергию. Как правило, пирамидальный RAM представляет собой резиновый пеноматериал, пропитанный контролируемыми смесями углерода и железа. Длина пирамидальной структуры от основания до вершины выбирается исходя из минимальной ожидаемой частоты и требуемого уровня поглощения. Для низкочастотного подавления это расстояние часто составляет 60 см (24 дюйма), в то время как высокочастотные панели могут быть всего 7,5–10 см (3–4 дюйма) в высоту. Панели RAM обычно устанавливаются на стенки экранированной камеры с направленными внутрь пирамидами. Пирамидальный RAM ослабляет сигнал двумя эффектами: рассеянием и поглощением. Рассеяние может быть когерентным, когда отраженные волны находятся в фазе, но направлены в сторону от приемника, или некогерентным, когда волны принимаются приемником, но находятся в противофазе и, следовательно, имеют меньшую амплитуду. Некогерентное рассеяние также происходит внутри структуры пены, при этом взвешенные частицы углерода способствуют деструктивной интерференции. Внутреннее рассеяние может приводить к ослаблению сигнала до 10 дБ. Между тем, пирамидальные элементы вырезаются под углами, которые максимизируют количество отражений волны внутри структуры. При каждом отражении волна теряет энергию в пеноматериале и, следовательно, покидает структуру с меньшей амплитудой. Альтернативный тип RAM состоит из плоских пластин ферритового материала в виде плиток, закрепленных на всех внутренних поверхностях камеры. Этот тип имеет меньший эффективный частотный диапазон, чем пирамидальный RAM, и предназначен для крепления к хорошим проводящим поверхностям. Обычно его легче устанавливать и он более долговечен, чем пирамидальный RAM, но менее эффективен на высоких частотах. Однако его производительность может быть достаточной, если испытания ограничены более низкими частотами (ферритовые пластины имеют характеристику затухания, которая делает их наиболее эффективными в диапазоне 30–1000 МГц). Существует также гибридный тип – феррит в пирамидальной форме. Сочетая преимущества обеих технологий, можно максимизировать частотный диапазон, сохраняя небольшие размеры пирамиды (10 см). Для физически реализуемых радиопоглощающих материалов существует компромисс между толщиной и полосой пропускания: оптимальное соотношение толщины к полосе пропускания определяется пределом Розанова.

Использование в технологии стелс

Радарные поглощающие материалы используются в технологиях снижения заметности для маскировки транспортного средства или сооружения от радиолокационного обнаружения. Способность материала поглощать радиолокационные волны на определенной частоте зависит от его состава. Радарные поглощающие материалы не могут идеально поглощать радиолокационное излучение на всех частотах, однако каждая конкретная композиция обладает большей поглощающей способностью в определенном диапазоне частот, чем в других; не существует универсального материала, способного поглощать все радиолокационные частоты. Распространенное заблуждение состоит в том, что радарные поглощающие материалы делают объект невидимым для радаров. Радарный поглощающий материал может значительно уменьшить эффективную площадь рассеяния объекта на конкретных радиолокационных частотах, но не обеспечивает "невидимость" ни на одной из них.

История

Самыми ранними формами стелс-покрытия были материалы под названием Sumpf и Schornsteinfeger – покрытие, использовавшееся немецким военно-морским флотом во время Второй мировой войны для шноркелей (или перископов) подводных лодок с целью снижения их отражающей способности в радиолокационном диапазоне 20 см, используемом союзниками. Материал имел слоистую структуру и был основан на частицах графита и других полупроводниковых материалов, внедрённых в резиновую матрицу. Эффективность материала частично снижалась воздействием морской воды. Аналогичное применение планировалось для самолета Horten Ho 229. Клей, которым склеивались листы фанеры обшивки, был пропитан частицами графита, предназначенными для уменьшения его заметности для британских радаров.

Поглотитель краски из железных шариков

Одним из наиболее известных видов РАМ является железная шариковая краска. Она содержит крошечные сферы, покрытые карбонильным железом или ферритом. Радарные волны вызывают молекулярные колебания под воздействием переменного магнитного поля в этой краске, что приводит к преобразованию энергии радара в тепло. Тепло затем передается самолету и рассеивается. Железные частицы в краске получают 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 карбонильных железных шариков определенных размеров, суспендированных в двухкомпонентной эпоксидной краске. Каждая из этих микроскопических сфер покрыта диоксидом кремния в качестве изолятора посредством запатентованного процесса. Затем, в процессе изготовления панели, пока краска еще жидкая, к карбонильным железным шарикам в жидкой феррожидкости применяется магнитное поле определенной напряженности (в Гауссах) с определенного расстояния для создания узоров магнитного поля. После этого краска затвердевает, а магнитное поле удерживает частицы в соответствии с этими узорами. Проводились эксперименты с применением противоположных магнитных полей (северный и южный полюса) к противоположным сторонам окрашенных панелей, что приводило к выравниванию частиц карбонильного железа (они вставали вертикально, становясь трехмерно параллельными магнитному полю). Железная шариковая краска наиболее эффективна, когда шарики равномерно распределены, электрически изолированы и создают градиент плотности, постепенно возрастающий по направлению к входящим радарным волнам. Другой связанный тип РАМ состоит из листов неопренового полимера с ферритными зернами или проводящими частицами углеродной сажи (содержащими около 0,30% кристаллического графита по массе в высушенном состоянии), внедренными в полимерную матрицу. Эти плитки использовались на ранних версиях F 117A Nighthawk, хотя в более поздних моделях применяется окрашенная РАМ. Окраска F 117 выполняется промышленными роботами, что обеспечивает равномерное нанесение краски с заданной толщиной слоя и плотностью. Самолет покрыт плитками, "приклеенными" к фюзеляжу, а оставшиеся зазоры заполняются железным шариковым "клеем". ВВС США разработали радарную поглощающую краску, изготовленную как из феррофлюидных, так и из немагнитных веществ. Уменьшая отражение электромагнитных волн, этот материал помогает снизить заметность самолетов, окрашенных в РАМ, на радарах. Израильская компания Nanoflight также разработала радарную поглощающую краску, использующую наночастицы. Военные Республики Китай (Тайвань) также успешно разработали радарную поглощающую краску, которая в настоящее время используется на тайваньских стелс-кораблях и тайваньском стелс-истребителе, находящемся в разработке в ответ на развитие стелс-технологий их соперником – Китайской Народной Республикой, которая демонстрировала как стелс-корабли, так и самолеты общественности.

Поглотитель пены

Поглотитель пены используется в качестве облицовки эхокамер для измерений электромагнитного излучения. Этот материал обычно состоит из огнестойкой пенополиуретана, наполненной проводящими частицами углерода [сферическими частицами карбонильного железа и/или частицами кристаллического графита] в смесях от 0,05% до 0,1% (в массе готового продукта) и разрезанной на квадратные пирамиды с размерами, подобранными в соответствии с интересующими длинами волн. Дальнейшее улучшение достигается при создании градиента плотности проводящих частиц, когда вершина пирамиды содержит наименьший процент частиц, а основание – наибольший. Это создает "мягкое" изменение импеданса для входящих радарных волн и дополнительно снижает отражение (эхо). Длина от основания до вершины и ширина основания пирамидальной структуры выбираются исходя из минимальной ожидаемой частоты при создании широкополосного поглотителя. Для низкочастотного подавления в военных приложениях это расстояние часто составляет 60 см (24 дюйма), в то время как высокочастотные панели могут быть всего 7,5–10 см (3–4 дюйма) в высоту. Например, для полицейского радара (радар измерения скорости K и Ka диапазонов) пирамиды имеют размеры около 10 см (4 дюйма) в длину и 5x5 см (2"x2") в основании. Такая пирамида устанавливается на кубическое основание 5x5 см (2"x2") высотой 2,5 см (общая высота пирамиды и основания около 12,5 см или 5 дюймов). Четыре грани пирамиды имеют форму мягких дуг, придающих ей слегка "округлый" вид. Эта дуга обеспечивает дополнительное рассеяние и предотвращает образование резких граней, способных создавать когерентное отражение. Панели РАМ устанавливаются вершинами пирамид в направлении источника радара. Эти пирамиды также могут быть скрыты под внешним, почти прозрачным для радара, кожухом, когда важна аэродинамика. Пирамидальный поглотитель ослабляет сигнал за счет рассеяния и поглощения. Рассеяние может быть когерентным, когда отраженные волны находятся в фазе, но направлены в сторону от приемника, или некогерентным, когда волны отражаются обратно к приемнику, но сдвинуты по фазе и, следовательно, имеют меньшую амплитуду. Хорошим примером когерентного отражения является фасетчатая форма стелс-самолета F-117A, который представляет углы к источнику радара таким образом, что когерентные волны отражаются в сторону от точки происхождения (обычно источника обнаружения). Некогерентное рассеяние также происходит внутри структуры пены, где взвешенные проводящие частицы способствуют деструктивной интерференции. Внутреннее рассеяние может приводить к ослаблению сигнала до 10 дБ. Кроме того, пирамидальные формы вырезаются под углами, максимизирующими количество отражений волны внутри структуры. При каждом отражении волна теряет энергию в материале пены и, следовательно, выходит с меньшей амплитудой. Другие пенопоглотители доступны в виде плоских листов с возрастающим градиентом концентрации углерода по слоям. Поглощение в пене происходит, когда энергия радара преобразуется в тепло в проводящих частицах. Поэтому в приложениях с высокой мощностью радара используются вентиляторы для отвода выделяемого тепла.

Поглотитель Jaumann

Поглотитель Яумана или слой Яумана — это радиопоглощающее вещество. Впервые представленный в 1943 году, слой Яумана состоял из двух равноудалённых отражающих поверхностей и проводящей опорной плоскости. Его можно рассматривать как обобщённый многослойный экран Солсбери, поскольку принципы работы схожи. Являясь резонансным поглотителем (то есть использующим интерференцию волн для подавления отражённой волны), слой Яумана зависит от расстояния между первой отражающей поверхностью и опорной плоскостью, а также между двумя отражающими поверхностями, которое должно составлять λ/4 для каждого промежутка (в сумме λ/4 + λ/4). Поскольку волна может резонировать на двух частотах, слой Яумана обеспечивает два максимума поглощения в диапазоне длин волн (при использовании двухслойной конфигурации). Все слои этих поглотителей должны быть параллельны друг другу и опорной плоскости, которую они маскируют. Более сложные поглотители Яумана используют последовательность диэлектрических слоёв, разделяющих проводящие листы. Проводимость этих листов возрастает по мере приближения к опорной плоскости.

Амортизатор резонатора с разделительным кольцом

Разделенные кольцевые резонаторы (РКР) в различных тестовых конфигурациях показали высокую эффективность в качестве поглотителей радиолокационных сигналов. Технология РКР может использоваться в сочетании с вышеуказанными технологиями для достижения кумулятивного эффекта поглощения. Технология РКР особенно эффективна при применении к фасетчатым формам с идеально плоскими поверхностями, не создающими прямых отражений обратно к источнику радара (например, F 117A). Эта технология использует фотолитографический процесс для создания резистивного слоя на тонкой (около 0,1778 мм или 0,007 дюйма) медной фольге, нанесенной на диэлектрическую подложку (тонкий материал печатной платы), с последующим травлением настроенных массивов резонаторов, каждый из которых имеет форму буквы "С" (или другую форму, например, квадрат). Каждый РКР электрически изолирован, а все его размеры тщательно определены для оптимизации поглощения на определенной длине волны радара. Отсутствие замкнутого контура в форме "О" создает зазор определенного размера в "С", который функционирует как конденсатор. При частоте 35 ГГц диаметр "С" составляет около 5 мм. Резонатор можно настроить на определенные длины волн, а несколько РКР можно укладывать друг на друга с изолирующими слоями определенной толщины между ними для обеспечения широкого диапазона поглощения радиолокационной энергии. При укладке меньшие РКР (высокочастотные) в диапазоне располагаются ближе к источнику радара (подобно стопке пончиков, диаметр которых постепенно увеличивается по мере удаления от источника радара). Показано, что стопки из трех элементов эффективно обеспечивают широкое полосное затухание. Технология РКР действует аналогично антиотражающим покрытиям в оптическом диапазоне длин волн. Технология РКР обеспечивает наиболее эффективное ослабление радиолокационных сигналов среди всех известных ранее технологий и приближает к достижению полной невидимости (полной скрытности, "маскировки"). Ведутся работы также в области видимого и инфракрасного диапазонов длин волн (материалы, поглощающие LIDAR).

Углеродные нанотрубки

Радары работают в диапазоне микроволновых частот, которые могут поглощаться многостенными углеродными нанотрубками (MWNT). Нанесение MWNT на самолет приведет к поглощению радиолокационного сигнала, тем самым уменьшая его эффективную площадь рассеяния. Одним из способов реализации этого является нанесение нанотрубок в виде краски на поверхность самолета. Недавно в Мичиганском университете проводились исследования, посвященные применению углеродных нанотрубок в технологиях снижения заметности летательных аппаратов. Было установлено, что помимо поглощения радиолокационных волн, нанотрубки не отражают и не рассеивают видимый свет, делая объект практически невидимым в ночное время, подобно тому, как современные самолеты-невидимки окрашиваются в черный цвет, но с гораздо большей эффективностью. Однако текущие ограничения в производстве не позволяют в настоящее время создавать самолеты с нанотрубковым покрытием. Одно из предлагаемых решений – покрывать мелкие частицы нанотрубками и диспергировать эти покрытые частицы в среде, например, в краске, которую затем можно наносить на поверхность, в том числе и на самолет-невидимку.