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)計復合材料結(jié)構(gòu)時，不僅需要方便、準確的預(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理學院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（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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