隨著各種高新技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭對軍用飛機和軍艦的隱身能力提出了很高的要求，其中，雷達散射截面（RCS）是隱身領(lǐng)域的關(guān)鍵概念之一，用于描述被探測目標(biāo)的回波強度。為了使得新武器具備良好的隱身效能，需要通過各種有效的技術(shù)措施降低軍事目標(biāo)的雷達散射截面積。到目前為止，隱身技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了若干個階段，但有效的外形設(shè)計仍然是減小雷達散射截面的主要方式。實際上，設(shè)計者在設(shè)計復(fù)合材料結(jié)構(gòu)時，不僅需要方便、準(zhǔn)確的預(yù)測設(shè)計模型，而且需要制作過程簡單，并且具備能降低寬頻段RCS能力的方法來實現(xiàn)更好的隱身性能。
為了研究這一問題，中國人民解放軍空軍工程大學(xué)理學(xué)院Yang Jiaheng（第一作者）、Pang Yongqiang（通訊作者）及其團隊在《Composites Science and Technology》上發(fā)表了題為“Achieving broadband RCS reduction using carbon fiber connected composite via scattering mechanism”的文章，提出了一種由玻璃纖維復(fù)合材料和花紋碳纖維組成的結(jié)構(gòu)單元設(shè)計簡單、制造工藝一體化的雷達隱身結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了在較寬頻帶內(nèi)降低RCS的目的。
該研究首先制備了用于設(shè)計隱身結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料（圖1），首先將一定量玻璃纖維制備的織物堆積疊放（圖1（a）），然后利用刺針將連續(xù)的玻璃纖維按照圖1（b）中花紋圖案進行針刺穿孔連接，并進行縱橫方向的針刺，從而獲得完整的縱橫兩區(qū)域圖案（圖1（c））。值得注意的是，在利用真空輔助樹脂傳遞模塑技術(shù)制備復(fù)合材料時，將相同數(shù)量的玻璃織物堆疊在花型層的頂部，以確保用玻璃紗線圍繞的花型嵌入在預(yù)制體的中間（圖1（e））。
圖1 CF連接復(fù)合材料的制造工藝:（a）由玻璃纖維制備的織物的堆積；（b）針刺穿孔花紋的側(cè)視圖；（c）局部針刺織物；（d）完整的CF針刺織物的垂直視圖；（e） 真空輔助樹脂傳遞模塑技術(shù)過程。
為了滿足最大RCS減縮條件，研究提出了在結(jié)構(gòu)中嵌入玻璃纖維的方法（圖2），其中，在制備的含花型圖案的玻璃纖維復(fù)合材料中間嵌入一條完整的玻璃纖維紗帶，此外，在結(jié)構(gòu)底部放置相同尺寸的PEC板，用于放置電磁波的泄露。在此設(shè)計中，復(fù)合材料單元高度H、針間距離D以及用于嵌入的玻璃纖維束長度P均采用參數(shù)掃描法獲得，分別為：H = 4.2 mm, D = 2.1 mm, P = 3 mm。并利用商業(yè)仿真軟件CST進行RCS模擬性能的分析。
圖2 設(shè)計的區(qū)域單元示意圖:（a）透視圖；（b）側(cè)面圖。
圖3（a）、（b）分別為在不同電磁響應(yīng)下的區(qū)域單元的反射振幅和相位，其中根據(jù)電場方向的不同， CF帶放置平行于電場沿y方向被定義為情況0（圖3（c））， CF帶放置垂直電場沿x方向被定義為情況1（圖3（d））。結(jié)果表明，兩種情況下的反射層不同，產(chǎn)生了相位差，而且在整個工作頻帶中，情況0的反射相位比情況1的反射相位提前。
圖3 情況0和情況1的反射振幅（a），相位（b）；兩種情況下的電場分布:（c）情況0，（d）情況1。
由于在電場方向相同的情況下，兩個區(qū)域之間可以產(chǎn)生合適的相位差并進行調(diào)節(jié)，因此通過以上兩種情況，提出了利用CF連接復(fù)合材料形成棋盤圖案（圖4），然后利用設(shè)計的該結(jié)構(gòu)進行模擬仿真。結(jié)果表明，RCS在一個寬頻段中已經(jīng)大大減少（圖5（a）），仿真結(jié)果與計算結(jié)果具有良好一致性。
圖5 （a）設(shè)計的結(jié)構(gòu)和PEC板的計算和模擬結(jié)果的RCS譜；（b）CF連接結(jié)構(gòu)中散射、吸收和反射等部分的能量分布。
最后，對設(shè)計的試樣在暗室中進行反射率測試（圖6（a）），測量的反射率結(jié)果（圖6（c））表明，設(shè)計增添的結(jié)構(gòu)部件對RCS降低性能的影響較小。更重要的是，增加連續(xù)CF紗線使設(shè)計制備過程更容易。TE和TM模式的結(jié)果可以滿足在寬帶內(nèi)RCS降低超過10 dB的目標(biāo)（圖6（d））。因此，所提出的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)在不同的極化條件對RCS的降低。
圖6（a）暗室反射率測試環(huán)境；（b）制備的試樣，包括主體及剖面圖;（c） RCS還原譜計算、模擬和測量結(jié)果的比較;（d）TE和TM極化條件下的RCS還原譜。
參考文獻： Yang Jiaheng; Pang Yongqiang; Wang Jiafu; Sui Sai; Jiang Wei; Zhang Jieqiu; Qu Shaobo. Achieving broadband RCS reduction using carbon fiber connected composite via scattering mechanism[J]. Composites Science and Technology,2020, 200: 108410
（作者：楊甜甜）
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