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将碳纤维复合材料结合散射机制实现宽频段雷达散射截面缩减

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-10-09  作者:杨甜甜  浏览次数:1890
核心提示:随着各种高新技术的发展,现代战争对军用飞机和军舰的隐身能力提出了很高的要求,其中,雷达散射截面(RCS)是隐身领域的关键概
     随着各种高新技术的发展,现代战争对军用飞机和军舰的隐身能力提出了很高的要求,其中,雷达散射截面(RCS)是隐身领域的关键概念之一,用于描述被探测目标的回波强度。为了使得新武器具备良好的隐身效能,需要通过各种有效的技术措施降低军事目标的雷达散射截面积。到目前为止,隐身技术已经发展了若干个阶段,但有效的外形设计仍然是减小雷达散射截面的主要方式。实际上,设计者在设计复合材料结构时,不仅需要方便、准确的预测设计模型,而且需要制作过程简单,并且具备能降低宽频段RCS能力的方法来实现更好的隐身性能。
 
    为了研究这一问题,中国人民解放军空军工程大学理学院Yang Jiaheng(第一作者)、Pang Yongqiang(通讯作者)及其团队在《Composites Science and Technology》上发表了题为“Achieving broadband RCS reduction using carbon fiber connected composite via scattering mechanism”的文章,提出了一种由玻璃纤维复合材料和花纹碳纤维组成的结构单元设计简单、制造工艺一体化的雷达隐身结构,实现了在较宽频带内降低RCS的目的。
 
    该研究首先制备了用于设计隐身结构的复合材料(图1),首先将一定量玻璃纤维制备的织物堆积叠放(图1(a)),然后利用刺针将连续的玻璃纤维按照图1(b)中花纹图案进行针刺穿孔连接,并进行纵横方向的针刺,从而获得完整的纵横两区域图案(图1(c))。值得注意的是,在利用真空辅助树脂传递模塑技术制备复合材料时,将相同数量的玻璃织物堆叠在花型层的顶部,以确保用玻璃纱线围绕的花型嵌入在预制体的中间(图1(e))。
图1 CF连接复合材料的制造工艺:(a)由玻璃纤维制备的织物的堆积;(b)针刺穿孔花纹的侧视图;(c)局部针刺织物;(d)完整的CF针刺织物的垂直视图;(e) 真空辅助树脂传递模塑技术过程。
 
    为了满足最大RCS减缩条件,研究提出了在结构中嵌入玻璃纤维的方法(图2),其中,在制备的含花型图案的玻璃纤维复合材料中间嵌入一条完整的玻璃纤维纱带,此外,在结构底部放置相同尺寸的PEC板,用于放置电磁波的泄露。在此设计中,复合材料单元高度H、针间距离D以及用于嵌入的玻璃纤维束长度P均采用参数扫描法获得,分别为:H = 4.2 mm, D = 2.1 mm, P = 3 mm。并利用商业仿真软件CST进行RCS模拟性能的分析。
图2 设计的区域单元示意图:(a)透视图;(b)侧面图。
 
   图3(a)、(b)分别为在不同电磁响应下的区域单元的反射振幅和相位,其中根据电场方向的不同, CF带放置平行于电场沿y方向被定义为情况0(图3(c)), CF带放置垂直电场沿x方向被定义为情况1(图3(d))。结果表明,两种情况下的反射层不同,产生了相位差,而且在整个工作频带中,情况0的反射相位比情况1的反射相位提前。
图3 情况0和情况1的反射振幅(a),相位(b);两种情况下的电场分布:(c)情况0,(d)情况1。
 
    由于在电场方向相同的情况下,两个区域之间可以产生合适的相位差并进行调节,因此通过以上两种情况,提出了利用CF连接复合材料形成棋盘图案(图4),然后利用设计的该结构进行模拟仿真。结果表明,RCS在一个宽频段中已经大大减少(图5(a)),仿真结果与计算结果具有良好一致性。

图5 (a)设计的结构和PEC板的计算和模拟结果的RCS谱;(b)CF连接结构中散射、吸收和反射等部分的能量分布。
 
    最后,对设计的试样在暗室中进行反射率测试(图6(a)),测量的反射率结果(图6(c))表明,设计增添的结构部件对RCS降低性能的影响较小。更重要的是,增加连续CF纱线使设计制备过程更容易。TE和TM模式的结果可以满足在宽带内RCS降低超过10 dB的目标(图6(d))。因此,所提出的结构可以实现在不同的极化条件对RCS的降低。
图6(a)暗室反射率测试环境;(b)制备的试样,包括主体及剖面图;(c) RCS还原谱计算、模拟和测量结果的比较;(d)TE和TM极化条件下的RCS还原谱。
 
参考文献: 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:杨甜甜)
 
 
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