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海归+民企研制,歼20顶级隐身黑科技究竟是什么神器?

更新时间:2018-10-13 09:17

在不考虑当前因为发动机限制而造成某些局限的情况下,歼-20毫无疑问是一款谋求全面五代机标准的先进战斗机。这其中当然包括隐身能力,歼-20在隐身上所下的功夫都堪比美国的F-22和F-35战机。

据总设计师杨伟院士介绍,歼-20采用了民间企业研制的碳纤维与超材料。超材料堪称顶级隐身战机必不可少的“黑科技”,歼-15/FC-31总师孙聪在央视《我是未来》节目中介绍深圳光启企业研发的超材料时称,它可根据电磁方程式想要的结果,逆推回去所需的边界条件来设计材料特性,可用在雷达隐身的关键位置。今天,北国防务就来说说歼-20所用超材料究竟是什么“黑科技”。

杨伟亲承歼-20使用了超材料技术

根据电气和电子工程师协会(IEEE)的定义, “超材料”指得是电磁特性与天然材料截然不同的人造材料,例如其电容率与磁导率为负值,导致电磁波穿过的折射率也是负值。其原理是利用纳米尺度的人造结构对电磁波产生共振效应,因而改变其传导特性。

因此,超材料的制造需要纳米材料技术的支持,虽然俄罗斯科学家在1967年就提出了超材料的理论结构,但直到2000年才由美国科学家实际制造出来。在此之后,许多科学家投入超材料的应用,例如分辨率超过绕射极限的超级透镜、能够往后扫描的微波天线、以及最受军方重视的隐身材料。

美国杜克大学David Smith博士领导的团队在2006年发展的隐形装置,利用特殊结构的超材料可以让特定频率微波穿越该装置而不被其中的物体所反射。该团队的成员刘若鹏回国成立深圳光启企业

在雷达隐身的设计理论中,最有名的话就是洛·马工程师所说的: “形状、形状、形状与材料”,意即先设计出能避免雷达波反射回天线的外型,因此孙聪在节目中也是从隐身外型的平行角度原则开始介绍起。然而,飞机无法设计成完美的隐身外型,势必会留下一些 “隐身缺口”,这时就需要特殊材料消除回波,使雷达隐身达到近乎完美的水平。

常见的隐身材料是能够吸收雷达波,转换成热能的材料,因此又称为 “吸波材料”。早期的吸波材料是利用介电材料掺杂适当电容与磁导特性的颗粒来吸收能量,例如荷兰科学家在1936年提出用高电容性的氧化钛作为介质,掺杂石墨颗粒来吸收能量。德国在二战主要使用两种吸波材料:Wesch是在橡胶中掺杂碳氧化铁粉,厚度仅7.62mm,但只能对抗3GHz的盟军反潜雷达;Jaumann则是多层塑料与电容介质堆栈而成,厚度高达76mm,但能将2-15GHz雷达波的反射都降低为1/100。

吸波材料不能取代隐身形状,两者要互相搭配才能达到隐身需求

吸波材料主要的挑战在于厚度与带宽难以两全,要增加吸收带宽就要采用多层式结构,厚度就居高不下,难以运用在飞行器上。上世纪60年代,碳氧化铁或氧化铁制成的磁性材料逐渐受到重视,因为它们可以较薄的厚度达到相同吸波效果,即便多层叠加也比传统材料来得低。但它的问题是密度较大,而且较为脆弱,如何让它贴附在飞机蒙皮上承受气动负载成为高度机密的军事技术。

美国在二战后秘密进行隐身材料与回波量测技术的研究,曾在T-33(右二)表面贴附2.5厘米厚的吸波材料进行空中测试,飞行员形容该机像云霄飞车般难以驾驭

美国在上世纪60年代发展的SR-71可能就用上了这类吸波材料,可惜外型不够隐身而没有发挥太大效果。上世纪70年代发展的F-117虽然运用了隐身外型的原理,但由于计算机计算能力不足,表面由大量平面拼接而成,理论上在表面爬行的电磁波在边缘会产生大范围散射而削减隐身效果,但洛克希德公司就在金属蒙皮外包覆吸波材料来吸收这些能量,藉由外型与材料的搭配产生世上第一架隐身飞机。

早期隐身飞机采用的黏贴式吸波材料在拆除时需要大量人工,后来都改用喷漆方式加快速度。诺·格公司在近年也为B-2研发了吸波涂料取代掉900多米长的吸波 “胶带”,采用机器人喷洒以精确控制吸波涂料的厚度

然而,吸波材料要黏贴在蒙皮上需要动用剧毒的有机溶剂,这使得隐身维修作业需要大量专业人力,且平常需要封闭的空调机库来降低耗损。因此从F-22开始,除了使用喷洒式吸波涂料来缩短工时外,也开始将吸波材料嵌入飞机结构,而省却维修工作。

前面提到,石墨很早就被用来当作吸波材料,因为它的电能损耗与导电性成正比,因此电波能量在传递的同时也被转换成热能。而在上世纪70年代后,将石墨纤维嵌入塑料的复合材料由于具有重量轻,强度高的特点,逐渐被应用在飞机上。两种需求一拍即合,F-22的表面大量采用碳纤维复合材料制成,传闻其纤维排列可能就运用了吸波原理,使其同时具备吸收电磁波能量的隐身效果。

深圳光启公司在2016年珠海航展中展出的多种超材料隐身结构与天线

而F-35战机为了降低后勤成本,更加倚重吸波结构而非涂料。2011年,洛·马宣布F-35机身开始有部分零件使用纳米碳管嵌入有机聚合物的复合材料,理由是其强度为碳纤复材的数倍,但重量却减轻25-30%。但外界推测内情并不单纯,这些纳米碳管可能兼具吸波材料的效果,并可能运用上超材料的技术。不过,这里的超材料并不是像隐形斗蓬般可以让电磁波从表面流过—这种概念仍然有太多问题要克服—-而是采用吸波材料的原理,但在极薄厚度中设计出高阻抗微结构,使雷达波 “进得来但是出不去”。

超材料的另一种运用是它对频率的限制较为精准,可以让特定频率通过,却阻挡其他频率的电磁波。由于隐身飞机的雷达罩需要对自己的雷达透明,但却能避免敌军电波的穿透,一直是隐身材料中的最高工艺,很可能也能用纳米尺度的超材料来强化效果。由此可知,歼-20采用的超材料应该是纳米尺度的碳结构,目的就是强化隐身效果。

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