吸波涂層損傷對隱身性能的影響

王彥豐， 張 琳， 李益文， 李玉琴， 魏小龍， 陳 戈， 文建中

(空軍工程大學等離子體動力學重點實驗室，西安，710038)

隱身技術[1-3]是一種研究如何減小目標的可探測性，使目標不易被探測器發現的技術，它在提高現代武器的生存能力方面發揮著重要作用，因此引起世界各國學者的廣泛關注。目前，對雷達的不可見性[4-6]是隱身技術研究的關鍵點，并且已經進行了許多相應的研究以減少目標對電磁能量的散射。

吸波涂層[4,7-8]可以在不改變裝備原有配置的情況下實現隱身功能，因此廣泛應用于需要隱身的場合。吸波涂層常應用于飛機、導彈等設備，但其隱身性能可能會在平時的儲存、運輸、訓練過程中，受到外界因素的影響而引起涂層發生物理或化學變化，產生如磨損、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導致裝備的隱身性能的下降，但不同的損傷模式由于機制和影響模式不同而產生不同的效果。現有的一些文獻分析了雷達吸波涂層的機理[9]，并根據損傷的原因和位置對損傷模式進行了分類[10]。鄭國禹等從吸收機制的角度分析了退變因素、修復技術的發展和進一步的修復建議[9]。文獻[10]通過理論計算，評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，一些文獻也總結了美軍相應的修復技術和建議[10-12]。 然而，在損傷評估過程中，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隱身的實際影響。

針對部分裝備工作在干燥且受烈日照射的環境中，表面涂覆的吸波涂層常發生磨損、鼓包和紫外線導致的老化損傷，制作了一批帶有上述類型損傷的雷達和紅外-雷達兼容的吸波涂層樣板，同時通過定性和定量分析討論了損壞模式對隱身的影響。首先簡要介紹了吸波涂層的吸收機理和相關的測量方法和測量參數。在實驗中首先分析了磨損、鼓包、老化損傷的機制。而后，通過弓形法測量[15-17]各吸波涂層樣板的反射率和相位，通過微波成像[18-20]方法獲得它們的散射分布圖像。再通過測量反射率、相位和相應的微波圖像對損傷影響進行定量分析。通過比較，實驗結果與定性分析相吻合。

1 實驗原理

1.1 吸波涂層的吸波機理

雷達吸波涂層的工作原理是通過將入射波的能量轉化為歐姆損耗來降低反射能量。電磁波照射吸波涂層時，在自由空間與涂層的界面發生反射和透射，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入到吸波涂層中。 吸波涂層的反射系數定義為

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和磁導率；εr、μr是吸波涂層的相對介電常數和磁導率，它們是復數。此外，材料內部的能量損耗也被設計為有效損耗，它由衰減特性反映：

(3)

式中：ω為角頻率；c為真空中的光速。

吸波涂層的復相對介電常數和復相對磁導率寫為：

(4)

由式(4)可知，若電磁參數的虛部大而實部小，則會導致材料內部電磁波的快速衰減。

在實際應用分析中，用介電損耗和磁損耗的正切來描述內部電磁波的衰減能力：

(tanδE=ε″/ε′
tanδM=μ″/μ′)

(5)

1.2 弓形法測量反射率和相位

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

弓形法測量裝置如圖1所示，電磁波由發射天線發射出去，被樣板反射后返回接收天線，將信號傳送到網絡分析儀。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，通常對此比值取對數形式表達，即稱為被測涂層樣板的反射率，見式(6)：

圖1 弓形法測量裝置

Γ=10lg(Pa/Pm)

(6)

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

測量涂層樣板的相位用傳輸系數的輻角來表征。在弓形法所用的雙端口網絡的輸出端的出波b2和輸入端的進波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。

1.3 微波成像

微波成像是獲取目標散射分布的一種手段，微波發射機發射微波照射目標，接收機接收散射能量，通過背景濾波和數據處理重建散射特性。微波成像設備如圖2所示，微波發射機經由天線發射的微波照射到成像目標上，微波相干控制接收機通過天線接收其反射能量，利用距離徙動算法處理回波數據并重建目標散射中心圖像。

圖2 微波成像測量裝置

2 實驗過程

為了分析吸波涂層的損傷模式對隱身性能的影響，實驗中選擇了2種類型的涂層樣板——覆蓋在金屬表面的雷達吸波涂層和紅外-雷達兼容涂層。帶有2 mm厚度的涂層樣板購自一家從事吸波涂料設計的公司。雷達吸波涂層是樹脂基材料，兼容涂層由上層含有鐵氧體的紅外涂層和下層的雷達吸波涂層組成。涂層中鋪設低散射纖維網，在加固涂層、預防脫粘的同時，不干擾涂層的吸波功能。本文針對兩類涂層樣板制備了3種常見的損傷模式，分別是外力導致的磨損損傷、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列出了測試樣板，(S1)和(S2)分別代表完好的雷達吸波涂層和紅外-雷達兼容涂層樣板。 (S1-a)和(S2-a)是4個角帶有磨損損傷的涂層樣板，(S1-b)和(S2-b)是帶有3個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 測試樣板

為研究吸波涂層損傷對其隱身性能的影響，首先，依照標準[17]搭建弓形架，并分別測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備對涂層樣板做散射特性成像。其中，弓形法測量反射率的頻率范圍為2～18 GHz；并根據反射率測量結果，選擇在吸波能力較強的8～18 GHz頻段測量涂層樣板的相位變化和微波成像。

3 實驗結果及分析

3.1 反射率測量結果

3.1.1 完好的吸波涂層樣板

本節采用弓形法對無損傷吸波涂層樣品的反射率曲線進行測試，如圖4所示，可見反射率小于-8 dB的有效吸收帶為10～18 GHz，而紅外-雷達兼容涂層的頻率為11.1～13.7 GHz。測量結果作為兩種類型吸波涂層的基準，下面的3.1.2節將進行比較，以研究損傷模式對吸收性能的影響。

圖4 標準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。磨損損傷常發生在裝備的迎風面或者活動舵的交匯處。鼓包損傷常由高溫環境下的吸波涂層內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，鼓包損傷也會造成的涂層局部不均勻和纖維網彎曲，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，老化損傷可能導致涂層表面甚至涂層內部發生化學變化，從而改變涂層的電磁參數，改變涂層的反射率。對于常受烈日照射的裝備上的涂層，紫外線導致涂層結構變化和電磁參數變化的現象值得重視[21]。下面，我們將研究3種損傷模式對吸波涂層吸波性能的影響。

弓形法是測量吸波涂層反射率最常用的方法。 圖5展示了3種不同損傷的標準吸波涂層的反射率的比較，測量頻率范圍為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損傷相比有所降低。對于圖5(b)所示的紅外-雷達兼容涂層，磨損損壞導致有效吸收帶消失，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。損傷模式的發生都伴隨著有效吸收帶的縮減和移動，表1列出了2種類型的吸波涂層的有效吸收帶寬分數。

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數

定義有效吸收帶寬分數(k)為：

k=Babsorb/Btest×100%

(8)

式中：Babsorb為涂層的有效吸收頻帶帶寬；Btest為測試頻帶的總帶寬。設置有效吸收帶寬分數可以直觀地對比分析各涂層狀態的吸波能力。

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吸波涂層和紅外-雷達兼容涂層都具有相對較低的分數帶寬。磨損損傷從兩個方面影響吸波性能，一方面，粗糙的磨損表面會引起材料成分和均勻性的變化，改變涂層的波阻抗Z，進而導致阻抗失配。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，這直接導致吸收的電磁能減少，從而最終導致反射率增加。相比之下，對鼓包、老化損傷的吸波性能的劣化比磨損損傷要弱，這是因為磨損導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引起對吸波性能影響相對較弱的化學變化。此外，應注意圖5(b)中描繪的藍色曲線，受伺服因素的組合效應影響，帶有鼓包損傷的兼容涂層樣板的有效吸收帶寬發生明顯的頻移。一方面，鼓包損傷的凸起位置會導致形成空氣腔，其相對于未損壞情況的介電常數降低，導致有效吸收帶的移動。另一方面，紅外-雷達兼容涂層由不同于雷達涂層的特定成分組成，因此損傷對兼容涂層的性能影響將對相對于雷達涂層的更為嚴重。

3.2 相位測量結果

本節在涂層吸收能力較強的8～18 GHz頻段下，測量各個涂層樣板的相位，并對比完好涂層樣板與損傷涂層樣板間的相位變化，相位測量結果如圖6所示。

圖6 吸波涂層的相位

由圖6的相位對比數據可以看出，對于雷達吸波涂層，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，相位差逐漸縮小；而磨損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。

對于磨損損傷，理論上磨損后的涂層的相位應落后完好涂層，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，因此造成了較為嚴重的相位前移。而老化損傷往往不會導致涂層形變，因此相位通常變化不大。

3.3 微波成像測量結果

根據微波成像設備的可用頻段和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吸波涂層樣品的微波圖像，見圖7。對比圖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個損傷角的散射區域向外延伸較強，且大于完好的散射區域。從圖7(c)和圖7(d)所示的散射分布圖像中可以看出，在損傷區域有較少的散射強度增強。但由于散射耦合產生的雜波和不均勻的吸收特性，鼓包和老化損傷的強散射效應很難從整體涂層樣板中識別出來。

圖7 不同頻率下吸波涂層的微波圖像

4 結論

本文同時從理論和實驗的角度探討了吸波涂層常見的損傷模式及其對隱身性能的影響。定性和定量分析表明，在2～18 GHz頻段，磨損損傷對隱身性能的影響最嚴重:雷達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。這是因為它會引起吸波涂層的嚴重損傷，這將進一步導致阻抗失配和涂層能夠吸收的電磁能量急劇下降。同時，從散射分布圖像中的磨損損傷部位散射強度增強和成像中的形狀外擴的現象也可以得出同樣的結論。對于鼓包和老化損傷，由于物理和化學反應，對吸波涂層的影響比較復雜，但不論從反射率測量結果還是微波成像結果來看，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，鼓包損傷會給涂層帶來十分嚴重的相位前移，雖然相位不是傳統的吸波涂層性能檢測參數，特別在應對相控陣雷達這類帶有移相器件的探測設備時，有必要將涂層損傷與相位變化聯系在一起。

在以后的研究中，一方面將結合阻抗匹配和材料損耗角正切，分析吸波涂層損傷對斜入射條件下的電磁波影響；另一方面將結合實驗測量和電磁仿真計算，研究對涂覆涂層的曲面目標的發射率等參數的測量技術。