王彥豐， 張 琳， 李益文， 李玉琴， 魏小龍， 陳 戈， 文建中

(空軍工程大學(xué)等離子體動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安，710038)

隱身技術(shù)[1-3]是一種研究如何減小目標(biāo)的可探測(cè)性，使目標(biāo)不易被探測(cè)器發(fā)現(xiàn)的技術(shù)，它在提高現(xiàn)代武器的生存能力方面發(fā)揮著重要作用，因此引起世界各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前，對(duì)雷達(dá)的不可見(jiàn)性[4-6]是隱身技術(shù)研究的關(guān)鍵點(diǎn)，并且已經(jīng)進(jìn)行了許多相應(yīng)的研究以減少目標(biāo)對(duì)電磁能量的散射。

吸波涂層[4,7-8]可以在不改變裝備原有配置的情況下實(shí)現(xiàn)隱身功能，因此廣泛應(yīng)用于需要隱身的場(chǎng)合。吸波涂層常應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈等設(shè)備，但其隱身性能可能會(huì)在平時(shí)的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、訓(xùn)練過(guò)程中，受到外界因素的影響而引起涂層發(fā)生物理或化學(xué)變化，產(chǎn)生如磨損、鼓脹、老化等模式的損傷[4,9-11]。幾乎所有類型的涂層損傷都會(huì)導(dǎo)致裝備的隱身性能的下降，但不同的損傷模式由于機(jī)制和影響模式不同而產(chǎn)生不同的效果?，F(xiàn)有的一些文獻(xiàn)分析了雷達(dá)吸波涂層的機(jī)理[9]，并根據(jù)損傷的原因和位置對(duì)損傷模式進(jìn)行了分類[10]。鄭國(guó)禹等從吸收機(jī)制的角度分析了退變因素、修復(fù)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)一步的修復(fù)建議[9]。文獻(xiàn)[10]通過(guò)理論計(jì)算，評(píng)估了涂層損傷引起的黏附性能劣化，提出了損傷模式分析的方法。同時(shí)，一些文獻(xiàn)也總結(jié)了美軍相應(yīng)的修復(fù)技術(shù)和建議[10-12]。 然而，在損傷評(píng)估過(guò)程中，大部分工作是基于定性分析[4,9-14]，難以明確解釋損傷模式類型對(duì)隱身的實(shí)際影響。

針對(duì)部分裝備工作在干燥且受烈日照射的環(huán)境中，表面涂覆的吸波涂層常發(fā)生磨損、鼓包和紫外線導(dǎo)致的老化損傷，制作了一批帶有上述類型損傷的雷達(dá)和紅外-雷達(dá)兼容的吸波涂層樣板，同時(shí)通過(guò)定性和定量分析討論了損壞模式對(duì)隱身的影響。首先簡(jiǎn)要介紹了吸波涂層的吸收機(jī)理和相關(guān)的測(cè)量方法和測(cè)量參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中首先分析了磨損、鼓包、老化損傷的機(jī)制。而后，通過(guò)弓形法測(cè)量[15-17]各吸波涂層樣板的反射率和相位，通過(guò)微波成像[18-20]方法獲得它們的散射分布圖像。再通過(guò)測(cè)量反射率、相位和相應(yīng)的微波圖像對(duì)損傷影響進(jìn)行定量分析。通過(guò)比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與定性分析相吻合。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 吸波涂層的吸波機(jī)理

雷達(dá)吸波涂層的工作原理是通過(guò)將入射波的能量轉(zhuǎn)化為歐姆損耗來(lái)降低反射能量。電磁波照射吸波涂層時(shí)，在自由空間與涂層的界面發(fā)生反射和透射，反射波的能量比例主要取決于自由空間與吸波涂層的阻抗匹配程度。因此，為提高雷達(dá)涂層材料的吸收效率，要求涂層的波阻抗與自由空間的波阻抗相匹配，以減少反射，使入射波盡可能地進(jìn)入到吸波涂層中。 吸波涂層的反射系數(shù)定義為

R=(Z-Z0)/(Z+Z0)

(1)

式中：Z0是自由空間的波阻抗；Z是吸波涂層的波阻抗。

(2)

式中：ε0、μ0是自由空間中的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率；εr、μr是吸波涂層的相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，它們是復(fù)數(shù)。此外，材料內(nèi)部的能量損耗也被設(shè)計(jì)為有效損耗，它由衰減特性反映：

(3)

式中：ω為角頻率；c為真空中的光速。

吸波涂層的復(fù)相對(duì)介電常數(shù)和復(fù)相對(duì)磁導(dǎo)率寫為：

(4)

由式(4)可知，若電磁參數(shù)的虛部大而實(shí)部小，則會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部電磁波的快速衰減。

在實(shí)際應(yīng)用分析中，用介電損耗和磁損耗的正切來(lái)描述內(nèi)部電磁波的衰減能力：

(tanδE=ε″/ε′
tanδM=μ″/μ′)

(5)

1.2 弓形法測(cè)量反射率和相位

弓形法是測(cè)量涂層樣板反射率最常用的方法之一。由于本文中的測(cè)量的目標(biāo)表面的涂層帶有多種損傷，損傷將導(dǎo)致涂層厚度或電磁參數(shù)分布的不均勻，必然會(huì)引起涂層平板反射的電磁波的相位變化，因此本文同時(shí)測(cè)量反射率與相位兩個(gè)參數(shù)。

弓形法測(cè)量裝置如圖1所示，電磁波由發(fā)射天線發(fā)射出去，被樣板反射后返回接收天線，將信號(hào)傳送到網(wǎng)絡(luò)分析儀。以相同入射角度、相同功率、相同極化的電磁波入射到待測(cè)涂層樣板和相同尺寸金屬板平面，兩者反射功率的比值，通常對(duì)此比值取對(duì)數(shù)形式表達(dá)，即稱為被測(cè)涂層樣板的反射率，見(jiàn)式(6)：

圖1 弓形法測(cè)量裝置

Γ=10lg(Pa/Pm)

(6)

式中：Γ為待測(cè)涂層樣板的反射率，單位為dB；Pa為待測(cè)涂層樣板反射功率；Pm為同尺寸金屬板的反射功率。

測(cè)量涂層樣板的相位用傳輸系數(shù)的輻角來(lái)表征。在弓形法所用的雙端口網(wǎng)絡(luò)的輸出端的出波b2和輸入端的進(jìn)波a1之間的相位差，為：

φ21=arg (b2/a1)=argS21

(7)

式中:S21為輸出端到輸入端的電壓傳輸系數(shù)。

1.3 微波成像

微波成像是獲取目標(biāo)散射分布的一種手段，微波發(fā)射機(jī)發(fā)射微波照射目標(biāo)，接收機(jī)接收散射能量，通過(guò)背景濾波和數(shù)據(jù)處理重建散射特性。微波成像設(shè)備如圖2所示，微波發(fā)射機(jī)經(jīng)由天線發(fā)射的微波照射到成像目標(biāo)上，微波相干控制接收機(jī)通過(guò)天線接收其反射能量，利用距離徙動(dòng)算法處理回波數(shù)據(jù)并重建目標(biāo)散射中心圖像。

圖2 微波成像測(cè)量裝置

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為了分析吸波涂層的損傷模式對(duì)隱身性能的影響，實(shí)驗(yàn)中選擇了2種類型的涂層樣板——覆蓋在金屬表面的雷達(dá)吸波涂層和紅外-雷達(dá)兼容涂層。帶有2 mm厚度的涂層樣板購(gòu)自一家從事吸波涂料設(shè)計(jì)的公司。雷達(dá)吸波涂層是樹(shù)脂基材料，兼容涂層由上層含有鐵氧體的紅外涂層和下層的雷達(dá)吸波涂層組成。涂層中鋪設(shè)低散射纖維網(wǎng)，在加固涂層、預(yù)防脫粘的同時(shí)，不干擾涂層的吸波功能。本文針對(duì)兩類涂層樣板制備了3種常見(jiàn)的損傷模式，分別是外力導(dǎo)致的磨損損傷、局部脫粘和再加熱引起的鼓包損傷和局部紫外線輻射引起的老化損傷。圖3列出了測(cè)試樣板，(S1)和(S2)分別代表完好的雷達(dá)吸波涂層和紅外-雷達(dá)兼容涂層樣板。 (S1-a)和(S2-a)是4個(gè)角帶有磨損損傷的涂層樣板，(S1-b)和(S2-b)是帶有3個(gè)凸起的鼓包損傷的涂層樣板，(S1-c)和(S2-c) 帶有老化損傷的涂層樣板。

圖3 測(cè)試樣板

為研究吸波涂層損傷對(duì)其隱身性能的影響，首先，依照標(biāo)準(zhǔn)[17]搭建弓形架，并分別測(cè)量涂層樣板的反射率和相位。而后，在微波暗室用微波成像設(shè)備對(duì)涂層樣板做散射特性成像。其中，弓形法測(cè)量反射率的頻率范圍為2～18 GHz；并根據(jù)反射率測(cè)量結(jié)果，選擇在吸波能力較強(qiáng)的8～18 GHz頻段測(cè)量涂層樣板的相位變化和微波成像。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 反射率測(cè)量結(jié)果

3.1.1 完好的吸波涂層樣板

本節(jié)采用弓形法對(duì)無(wú)損傷吸波涂層樣品的反射率曲線進(jìn)行測(cè)試，如圖4所示，可見(jiàn)反射率小于-8 dB的有效吸收帶為10～18 GHz，而紅外-雷達(dá)兼容涂層的頻率為11.1～13.7 GHz。測(cè)量結(jié)果作為兩種類型吸波涂層的基準(zhǔn)，下面的3.1.2節(jié)將進(jìn)行比較，以研究損傷模式對(duì)吸收性能的影響。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)吸波涂層樣板的反射率

3.1.2 帶有損傷模式的吸波涂層

最常發(fā)生在吸波涂層上的損傷模式是磨損、鼓包和老化。磨損損傷常發(fā)生在裝備的迎風(fēng)面或者活動(dòng)舵的交匯處。鼓包損傷常由高溫環(huán)境下的吸波涂層內(nèi)的微小缺陷演變而成，帶有鼓包損傷的涂層十分脆弱，極易在外力作用下脫落。同時(shí)，鼓包損傷也會(huì)造成的涂層局部不均勻和纖維網(wǎng)彎曲，影響吸波性能。老化損傷是由紫外線照射、海水鹽霧腐蝕等多種外界因素引起的，老化損傷可能導(dǎo)致涂層表面甚至涂層內(nèi)部發(fā)生化學(xué)變化，從而改變涂層的電磁參數(shù)，改變涂層的反射率。對(duì)于常受烈日照射的裝備上的涂層，紫外線導(dǎo)致涂層結(jié)構(gòu)變化和電磁參數(shù)變化的現(xiàn)象值得重視[21]。下面，我們將研究3種損傷模式對(duì)吸波涂層吸波性能的影響。

弓形法是測(cè)量吸波涂層反射率最常用的方法。 圖5展示了3種不同損傷的標(biāo)準(zhǔn)吸波涂層的反射率的比較，測(cè)量頻率范圍為2～18 GHz，采樣步幅為80 MHz。從圖5(a)中可以看出，3種損傷模式的雷達(dá)吸波涂層樣板的有效吸收頻帶分別為10.4～15.4 GHz、10.7～16.2 GHz、10.4～15.8 GHz，3種損傷模式下的吸收帶與無(wú)損傷相比有所降低。對(duì)于圖5(b)所示的紅外-雷達(dá)兼容涂層，磨損損壞導(dǎo)致有效吸收帶消失，影響最為明顯。鼓包模式和老化模式的有效吸收頻帶分別為5.7～6.8 GHz、11.2～12.5 GHz。損傷模式的發(fā)生都伴隨著有效吸收帶的縮減和移動(dòng)，表1列出了2種類型的吸波涂層的有效吸收帶寬分?jǐn)?shù)。

圖5 帶損傷模式的吸波涂層的反射率

表1 損傷模式下涂層有效吸收帶寬分?jǐn)?shù)

定義有效吸收帶寬分?jǐn)?shù)(k)為：

k=Babsorb/Btest×100%

(8)

式中：Babsorb為涂層的有效吸收頻帶帶寬；Btest為測(cè)試頻帶的總帶寬。設(shè)置有效吸收帶寬分?jǐn)?shù)可以直觀地對(duì)比分析各涂層狀態(tài)的吸波能力。

從圖5、表1中可以得到，相較于完好涂層樣板，具有磨損損傷的雷達(dá)吸波涂層和紅外-雷達(dá)兼容涂層都具有相對(duì)較低的分?jǐn)?shù)帶寬。磨損損傷從兩個(gè)方面影響吸波性能，一方面，粗糙的磨損表面會(huì)引起材料成分和均勻性的變化，改變涂層的波阻抗Z，進(jìn)而導(dǎo)致阻抗失配。因此，隨著波阻抗的變化，大部分入射電磁波在涂層界面反射。另一方面，涂層厚度隨著磨損損傷而減小，這直接導(dǎo)致吸收的電磁能減少，從而最終導(dǎo)致反射率增加。相比之下，對(duì)鼓包、老化損傷的吸波性能的劣化比磨損損傷要弱，這是因?yàn)槟p導(dǎo)致吸波涂層的完全破壞，而鼓包和老化只是部分損傷。圖 5(a)和圖 5(b)所示的紫外線照射引起的老化損傷會(huì)引起對(duì)吸波性能影響相對(duì)較弱的化學(xué)變化。此外，應(yīng)注意圖5(b)中描繪的藍(lán)色曲線，受伺服因素的組合效應(yīng)影響，帶有鼓包損傷的兼容涂層樣板的有效吸收帶寬發(fā)生明顯的頻移。一方面，鼓包損傷的凸起位置會(huì)導(dǎo)致形成空氣腔，其相對(duì)于未損壞情況的介電常數(shù)降低，導(dǎo)致有效吸收帶的移動(dòng)。另一方面，紅外-雷達(dá)兼容涂層由不同于雷達(dá)涂層的特定成分組成，因此損傷對(duì)兼容涂層的性能影響將對(duì)相對(duì)于雷達(dá)涂層的更為嚴(yán)重。

3.2 相位測(cè)量結(jié)果

本節(jié)在涂層吸收能力較強(qiáng)的8～18 GHz頻段下，測(cè)量各個(gè)涂層樣板的相位，并對(duì)比完好涂層樣板與損傷涂層樣板間的相位變化，相位測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

圖6 吸波涂層的相位

由圖6的相位對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于雷達(dá)吸波涂層，鼓包損傷造成了明顯的相位前移，整體的前移輻角約為8.65°，且隨頻率下降，相位差逐漸縮小；而磨損損傷與老化損傷在相位上略落后于完好涂層樣板，落后輻角分別為2°、4°。相似地，對(duì)兼容涂層而言，鼓包損傷造成了約40.39°的前移，且隨頻率上升，相位差逐漸縮?。欢p損傷與老化損傷在相位上與完好涂層基本接近，略有落后，落后輻角在1°以內(nèi)。

對(duì)于磨損損傷，理論上磨損后的涂層的相位應(yīng)落后完好涂層，由于損傷面積不大、涂層本身厚度不及電磁波波長(zhǎng)1/10，因此相位變化不明顯。而鼓包損傷損傷處的涂層的明顯凸起，使得損傷處較早地反射電磁波，因此造成了較為嚴(yán)重的相位前移。而老化損傷往往不會(huì)導(dǎo)致涂層形變，因此相位通常變化不大。

3.3 微波成像測(cè)量結(jié)果

根據(jù)微波成像設(shè)備的可用頻段和2種涂層樣品的吸收頻帶，我們分別選取了11 GHz和14 GHz頻率下不同損傷類型的雷達(dá)吸波涂層樣品的微波圖像，見(jiàn)圖7。對(duì)比圖7(b)所示的四角磨損損傷與圖7(a)所示的完好涂層的散射圖像，可以看出4個(gè)損傷角的散射區(qū)域向外延伸較強(qiáng)，且大于完好的散射區(qū)域。從圖7(c)和圖7(d)所示的散射分布圖像中可以看出，在損傷區(qū)域有較少的散射強(qiáng)度增強(qiáng)。但由于散射耦合產(chǎn)生的雜波和不均勻的吸收特性，鼓包和老化損傷的強(qiáng)散射效應(yīng)很難從整體涂層樣板中識(shí)別出來(lái)。

圖7 不同頻率下吸波涂層的微波圖像

4 結(jié)論

本文同時(shí)從理論和實(shí)驗(yàn)的角度探討了吸波涂層常見(jiàn)的損傷模式及其對(duì)隱身性能的影響。定性和定量分析表明，在2～18 GHz頻段，磨損損傷對(duì)隱身性能的影響最嚴(yán)重:雷達(dá)吸波涂層的有效吸收頻帶占比由52.8%下降至39%；兼容涂層的有效吸收頻帶占比由21.2%下降至0。這是因?yàn)樗鼤?huì)引起吸波涂層的嚴(yán)重?fù)p傷，這將進(jìn)一步導(dǎo)致阻抗失配和涂層能夠吸收的電磁能量急劇下降。同時(shí)，從散射分布圖像中的磨損損傷部位散射強(qiáng)度增強(qiáng)和成像中的形狀外擴(kuò)的現(xiàn)象也可以得出同樣的結(jié)論。對(duì)于鼓包和老化損傷，由于物理和化學(xué)反應(yīng)，對(duì)吸波涂層的影響比較復(fù)雜，但不論從反射率測(cè)量結(jié)果還是微波成像結(jié)果來(lái)看，這兩種損傷模式下涂層的隱身性能的劣化程度都弱于磨損損傷。值得注意的是，鼓包損傷會(huì)給涂層帶來(lái)十分嚴(yán)重的相位前移，雖然相位不是傳統(tǒng)的吸波涂層性能檢測(cè)參數(shù)，特別在應(yīng)對(duì)相控陣?yán)走_(dá)這類帶有移相器件的探測(cè)設(shè)備時(shí)，有必要將涂層損傷與相位變化聯(lián)系在一起。

在以后的研究中，一方面將結(jié)合阻抗匹配和材料損耗角正切，分析吸波涂層損傷對(duì)斜入射條件下的電磁波影響；另一方面將結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量和電磁仿真計(jì)算，研究對(duì)涂覆涂層的曲面目標(biāo)的發(fā)射率等參數(shù)的測(cè)量技術(shù)。