Радиационно-поглощающий материал

Радиочастотная безэховая камера, используемая для испытаний на ЭМС.

В материаловедении материал , поглощающий радиацию ( RAM ), представляет собой материал, который был специально разработан и сформирован для поглощения падающего радиочастотного излучения (также известного как неионизирующее излучение максимально эффективного ) с максимально возможного количества направлений падения. 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

Большая радиочастотная безэховая испытательная камера. Обратите внимание на оранжевые предупреждающие конусы для справки по размеру.

Пирамида ОЗУ. Серая краска помогает защитить хрупкий материал, поглощающий радиацию.

Один из наиболее эффективных типов оперативной памяти состоит из массивов частей пирамидальной формы, каждая из которых изготовлена ​​из материала с подходящим уровнем потерь . Для эффективной работы все внутренние поверхности безэховой камеры должны быть полностью покрыты РАМ. Разделы оперативной памяти могут быть временно удалены для установки оборудования, но их необходимо заменить перед проведением каких-либо испытаний. Чтобы иметь достаточные потери, 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 состоит из прорезиненного пенопласта , пропитанного контролируемыми смесями углерода и железа . Длина от основания до вершины пирамидальной структуры выбирается исходя из самой низкой ожидаемой частоты и требуемой величины поглощения. Для низкочастотного демпфирования это расстояние часто составляет 60 см (24 дюйма), а для высокочастотных панелей - всего от 7,5 до 10 см (от 3 до 4 дюймов). Панели оперативной памяти обычно устанавливаются на стенах испытательной камеры на ЭМС кончиками, направленными внутрь камеры. Пирамидальная RAM ослабляет сигнал за счет двух эффектов: рассеяния и поглощения. Рассеяние может происходить как когерентно, когда отраженные волны синфазны, но направлены в сторону от приемника, так и некогерентно, когда волны улавливаются приемником, но не совпадают по фазе и, следовательно, имеют меньшую мощность сигнала. Это некогерентное рассеяние также происходит внутри структуры пенопласта, при этом взвешенные частицы углерода способствуют деструктивному взаимодействию. Внутреннее рассеяние может привести к затуханию до 10 дБ. Между тем, формы пирамиды срезаны под углами, которые максимизируют количество отскоков волны внутри конструкции. С каждым отскоком волна отдает энергию пенопласту и, таким образом, уходит с более низким уровнем сигнала. Альтернативный тип оперативной памяти представляет собой плоские пластины из ферритового материала в виде плоских плиток , прикрепленных ко всем внутренним поверхностям камеры. Этот тип имеет меньший эффективный частотный диапазон, чем пирамидальный RAM, и предназначен для крепления к хорошо проводящим поверхностям. Как правило, его легче установить и он более долговечен, чем ОЗУ пирамидального типа, но он менее эффективен на более высоких частотах. Однако его характеристики могут быть вполне адекватными, если испытания будут ограничены более низкими частотами (ферритовые пластины имеют кривую затухания, которая делает их наиболее эффективными в диапазоне 30–1000 МГц). Существует также гибридный тип — феррит пирамидальной формы. Обладая преимуществами обеих технологий, можно максимально расширить диапазон частот, сохраняя при этом пирамиду небольшой, около 10 см (3,9 дюйма).

Для физически реализуемых поглощающих излучение материалов существует компромисс между толщиной и шириной полосы: оптимальное соотношение толщины и ширины полосы поглощающего излучение материала определяется пределом Розанова.

Использование в стелс-технологиях

Радиопоглощающие материалы используются в технологиях малозаметности для маскировки транспортного средства или конструкции от радарного обнаружения. Поглощающая способность материала на данной частоте радиолокационной волны зависит от его состава. RAM не может идеально поглощать радар на любой частоте, но любой данный состав имеет большее поглощение на некоторых частотах, чем на других; ни одна RAM не подходит для поглощения всех радиолокационных частот. Распространенным заблуждением является то, что RAM делает объект невидимым для радара. Радиопоглощающий материал может значительно уменьшить радиолокационное сечение объекта на определенных радиолокационных частотах, но не приводит к «невидимости» ни на одной частоте.

История

Самыми ранними формами стелс-покрытия были радиопоглощающие краски, разработанные майором К. Мано из Технического института Тама и доктором Шибой из Токийского инженерного колледжа для IJAAF. Несколько смесей красок были протестированы с оксидом железа и жидкой резиной, а также с оксидом железа, асфальтом и авиационным аэрозолем, показавшим наилучшие результаты. Несмотря на успех в лабораторных испытаниях, краски не нашли практического применения, поскольку они были тяжелыми и существенно влияли на характеристики любого самолета, на который они были нанесены.

И наоборот, IJN увидел большой потенциал в антирадарных материалах, и Второй военно-морской технический институт начал исследования слоистых материалов, которые поглощают радиолокационные волны, а не красят. Резина и пластик с углеродным порошком в различных соотношениях были наложены слоями для поглощения и рассеивания радиолокационных волн. Результаты были многообещающими для частот 3000 мегагерц, но плохими для 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 материалы под названием Sumpf и Schornsteinfeger — покрытия, используемые немецким флотом во время Второй мировой войны для трубок (или перископов ) подводных лодок , чтобы снизить их отражательную способность в 20-сантиметровом радиолокационном диапазоне, который использовали союзники. Материал имел слоистую структуру и основывался на частицах графита и других полупроводниковых материалов, внедренных в резиновую матрицу. Эффективность материала частично снизилась под действием морской воды.

Аналогичное использование планировалось для самолета Horten Ho 229 . Клей, которым скреплялись листы фанеры на его обшивке, был пропитан частицами графита, которые должны были уменьшить его видимость для британских радаров.

Виды радиопоглощающего материала (РАМ)

Поглотитель краски из железного шарика

Lockheed F-117 Nighthawk использует краску в виде железных шариков

Одним из наиболее распространенных типов оперативной памяти является краска в виде железных шариков. Он содержит крошечные сферы, покрытые карбонильным железом или ферритом . Радарные волны вызывают в этой краске молекулярные колебания из переменного магнитного поля, что приводит к преобразованию энергии радара в тепло. Затем тепло передается самолету и рассеивается. Частицы железа в краске образуются в результате разложения и пентакарбонила железа могут содержать следы углерода , кислорода и азота . Один из методов, используемых в F-117A Nighthawk и других подобных самолетах-невидимках, заключается в использовании электрически изолированных шариков из карбонильного железа определенных размеров, подвешенных 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, прикладывается магнитное поле с определенной силой Гаусса и на определенном расстоянии для создания структуры магнитного поля в шариках карбонильного железа внутри феррожидкости жидкой 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 выравнивались (вставали дыбом, чтобы они были трехмерно параллельны магнитному полю). Краска с шариками карбонильного железа наиболее эффективна, когда шарики равномерно распределены, электрически изолированы и представляют собой градиент постепенно увеличивающейся плотности для входящих радиолокационных волн. Родственный тип RAM состоит из листов неопренового полимера с ферритовыми зернами или частицами проводящей сажи (содержащими около 0,30% кристаллического графита по отвержденной массе), внедренными в полимерную матрицу. Плитки использовались на ранних версиях F-117A Nighthawk, хотя в более поздних моделях используется окрашенная ОЗУ. Покраска F-117 выполняется промышленными роботами, поэтому краску можно наносить равномерно, с определенной толщиной и плотностью слоя. Самолет покрыт плиткой, «приклеенной» к фюзеляжу, а оставшиеся зазоры заполнены «клеем» из железных шариков. ВВС США представили радиопоглощающую краску, изготовленную как из феррожидкостных , так и из немагнитных веществ. Уменьшая отражение электромагнитных волн, этот материал помогает снизить заметность окрашенных в таран самолетов на радарах. Израильская фирма Nanoflight также создала радиопоглощающую краску с использованием наночастиц . также Китайской Республики (Тайвань) Вооруженные силы успешно разработали радиопоглощающую краску, которая в настоящее время используется на тайваньских военных кораблях-невидимках, и построенный на Тайване реактивный истребитель-невидимка, который в настоящее время находится в разработке в ответ на разработку технологии малозаметности их соперником. , материковой Китайской Народной Республики , которая, как известно, демонстрировала публике как военные корабли-невидимки, так и самолеты.

Пенный поглотитель

Пенопластовый поглотитель применяется в качестве футеровки безэховых камер для измерения электромагнитного излучения. Этот материал обычно состоит из огнестойкого пенополиуретана, наполненного проводящей сажей [сферические частицы карбонильного железа и/или частицы кристаллического графита] в смесях от 0,05% до 0,1% (по массе в готовом продукте), и нарезанного на квадратные пирамиды с размерами установить специально для интересующих длин волн. Дальнейшие улучшения могут быть достигнуты, когда проводящие частицы наслаиваются с градиентом плотности, поэтому на вершине пирамиды находится самый низкий процент частиц, а в основании — самая высокая плотность частиц. Это обеспечивает «мягкое» изменение импеданса входящих радиолокационных волн и еще больше уменьшает отражение (эхо). Длина от основания до вершины и ширина основания пирамидальной структуры выбираются исходя из наименьшей ожидаемой частоты при поиске широкополосного поглотителя. Для демпфирования низких частот в военных целях это расстояние часто составляет 60 см (24 дюйма), а для высокочастотных панелей - всего от 7,5 до 10 см (от 3 до 4 дюймов). Примером высокочастотного применения может быть полицейский радар (радар измерения скорости K и Ka-диапазона), пирамиды будут иметь размер около 10 см (4 дюйма) в длину и 5 см × 5 см (2 дюйма × 2 дюйма). в) база. Эта пирамида будет стоять на кубическом основании размером 5 x 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 плавные дуги, придающие пирамиде слегка «раздутый» вид. Эта дуга обеспечивает некоторое дополнительное рассеяние и не позволяет острым краям создавать когерентное отражение. Панели ОЗУ установлены вершинами пирамид, направленными в сторону радиолокационного источника. Эти пирамиды также могут быть спрятаны за внешней, почти радиопрозрачной оболочкой, где требуется аэродинамика. Пирамидальная RAM ослабляет сигнал за счет рассеяния и поглощения. Рассеяние может происходить как когерентно, когда отраженные волны синфазны, но направлены от приемника, так и некогерентно, когда волны могут отражаться обратно к приемнику, но не в фазе и, следовательно, иметь меньшую мощность сигнала. Хорошим примером когерентного отражения является граненая форма самолета-невидимки F-117A, который имеет такие углы к радиолокационному источнику, что когерентные волны отражаются от точки происхождения (обычно источника обнаружения). Некогерентное рассеяние также происходит внутри структуры пенопласта, при этом взвешенные проводящие частицы способствуют деструктивным помехам. Внутреннее рассеяние может привести к затуханию до 10 дБ. Между тем, формы пирамиды срезаны под углами, которые максимизируют количество отскоков волны внутри конструкции. С каждым отскоком волна отдает энергию пенопласту и, таким образом, уходит с более низким уровнем сигнала. Другие пенопластовые поглотители доступны в виде плоских листов, в которых используется возрастающий градиент содержания углерода в разных слоях. Поглощение пенопластом происходит, когда радиолокационная энергия преобразуется в тепло в проводящих частицах. Поэтому в приложениях, где задействованы высокие энергии радара, для отвода выделяемого тепла используются охлаждающие вентиляторы.

Яуманн поглощает

Поглотитель Яумана или слой Яуманна представляет собой радиопоглощающее вещество. Впервые представленный в 1943 году слой Яумана состоял из двух равноотстоящих друг от друга отражающих поверхностей и проводящей заземляющей пластины. 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 Яумана зависит от расстояния λ/4 между первой отражающей поверхностью и плоскостью земли, а также между двумя отражающими поверхностями (в общей сложности λ/4). + λ/4). Поскольку волна может резонировать на двух частотах, слой Яумана создает два максимума поглощения в полосе длин волн (при использовании конфигурации с двумя слоями). Все слои этих поглотителей должны быть параллельны друг другу и плоскости заземления, которую они скрывают. В более сложных поглотителях Jaumann используется ряд диэлектрических поверхностей, разделяющих проводящие листы. Проводимость этих листов увеличивается по мере приближения к земле.

Разъемный резонатор-поглотитель

Основная статья: Разъемный резонатор

Было показано, что разрезные кольцевые резонаторы (SRR) в различных испытательных конфигурациях чрезвычайно эффективны в качестве поглотителей радаров. Технология SRR может использоваться в сочетании с вышеперечисленными технологиями для обеспечения кумулятивного эффекта поглощения. Технология SRR особенно эффективна при использовании на граненых объектах с идеально плоскими поверхностями, которые не отражаются напрямую от источника радара (например, F-117A). В этой технологии используется 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), выгравированной на настроенных матрицах резонаторов, причем каждый отдельный резонатор имеет форму буквы «С» ( или другой формы, например квадрата). Каждый SRR электрически изолирован, и все размеры тщательно определены для оптимизации поглощения на определенной длине волны радара. Не являясь замкнутым контуром «O», отверстие в «C» представляет собой зазор определенного размера, который действует как конденсатор. На частоте 35 ГГц диаметр буквы «C» составляет около 5 мм (0,20 дюйма). Резонатор можно настроить на определенные длины волн, а несколько SRR можно соединить между собой изолирующими слоями определенной толщины, чтобы обеспечить широкополосное поглощение радиолокационной энергии. При штабелировании меньшие SRR (высокочастотные) в диапазоне сначала обращены к источнику радара (например, стопка пончиков, которые постепенно увеличиваются по мере удаления от источника радара). Было показано, что стопки из трех штук эффективны для обеспечения широкого диапазона. -полосное затухание. Технология SRR действует во многом так же, как антибликовые покрытия работают на оптических длинах волн. . Технология SRR обеспечивает наиболее эффективное подавление радаров среди всех известных ранее технологий и является на шаг ближе к достижению полной невидимости (полная скрытность, «маскировка»). Работа также продолжается в области визуальных длин волн, а также инфракрасных волн (материалы, поглощающие лидар).

Углеродные нанотрубки

Основная статья: Углеродные нанотрубки

Радары работают в микроволновом диапазоне частот, который могут поглощать многостенные нанотрубки (МУНТ). Применение МУНТ к самолету приведет к поглощению радара и, следовательно, к уменьшению радиолокационного сечения . Одним из таких приложений может быть нанесение нанотрубок на плоскость. была проведена некоторая работа Недавно в Мичиганском университете по использованию углеродных нанотрубок в качестве технологии малозаметности на самолетах. Было обнаружено, что в дополнение к свойствам поглощения радиолокационных сигналов нанотрубки не отражают и не рассеивают видимый свет, что делает его практически невидимым в ночное время, что очень похоже на окраску современных самолетов-невидимок в черный цвет, только гораздо более эффективно. Однако текущие ограничения в производстве означают, что нынешнее производство самолетов с нанотрубками невозможно. Одна из теорий преодоления этих текущих ограничений состоит в том, чтобы покрыть небольшие частицы нанотрубками и суспендировать покрытые нанотрубками частицы в такой среде, как краска, которую затем можно наносить на поверхность, как на самолете-невидимке.

См. также

• Лидар
• Радарное сечение (ЭПР)
• Стелс-технология
• Радиолокационные помехи и обман

Ссылки

Библиография

• Проект Шорнштейнфегер , Отчет CIOS XXVI-24.

Внешние ссылки

• Сильва, MWB; Кретли, LC (октябрь 2011 г.). «Новая концепция материала, поглощающего радиационное излучение RAM: применение гофрированных поверхностей для улучшения отражательной способности». 2011 Международная конференция SBMO/IEEE MTT-S по микроволновой и оптоэлектронике (IMOC 2011) . стр. 556–560. дои : 10.1109/IMOC.2011.6169338 . ISBN  978-1-4577-1664-5 . S2CID   31245210 .
• Ким, Дон Ён; Юн, Ён Хо; Джо, Кван-Джун; Юнг, Гил-Бонг; Ан, Чонг-Чул (2016). «Влияние толщины листа на характеристики поглощения электромагнитных волн композита Li0,375Ni0,375Zn0,25-феррит как материала, поглощающего излучение» . Журнал электромагнитной техники и науки . 16 (3): 150–158. дои : 10.5515/JKIEES.2016.16.3.150 .
• Поставщики радиопоглощающих материалов