一般來說，隐身外形對于減小雷達截面積（RCS）的貢獻占90%，而雷達吸波材料（RAM）隻占10%。如果說，使用RAM可以将飛行器的RCS減小一個數量級，那麼利用隐身外形則可以将RCS降低3~4個數量級。但是，在某些目标信号特征範圍内，RAM發揮的作用遠超上述水平。值得注意的是，外形隐身技術進展緩慢，似乎已經逼近天花闆，而隐身材料技術的研究卻飛速發展。

B-2隐身轟炸機噴塗RAM塗層

材料對隐身的作用

　　一種物質吸收電磁波的能力取決于兩個參數，即介電常數和磁導率。兩者分别描述的是一種物質儲存電勢能和磁能的能力。存在電勢能/磁能的本質是因為材料中存在原子級、分子級或晶格級的電偶極子/磁偶極子。

　　當電磁波作用到材料上時，這些偶極子指向與磁場相反的方向。在某些材料中，當電磁波消失時，這些偶極子很容易恢複為中性。在另外一些材料中，這些偶極子具有“黏性”，既需要更多的電磁波能量才能使其指向與磁場相反的方向，也需要對之施加額外的能量才能使其恢複到中性。因這部分額外的能量最終在材料中損耗掉了，所以稱這種材料的介電常數或磁導率具有吸收分量。

　　RAM是由基體材料和填充物組成的複合材料。基體通常選擇的是介電常數損耗分量較低的材料，這類材料相對介電常數通常較小而磁導率可忽略不計。電磁波穿過基體材料時損耗很小，這正是選擇基體材料時需要考慮的物理特性。典型的基體材料一般是不導電的聚合物，包括塑料、玻璃、樹脂、聚氨酯和橡膠等。陶瓷具有較高的磁導率和較強的耐熱性，而泡沫和蜂窩結構由于包含有大量空氣，介電常數（即電能儲存能力）特别低。

　　有人可能設想用一些能透過電磁波的材料來制造飛機蒙皮，但是蒙皮裡的物體， 如傳感器、燃油、金屬機體、發動機零件甚至飛行員也會反射雷達波。事實上，隐身蒙皮的底層是高導電率的材料（金屬），這種材料能夠強烈反射電磁波，從而避免電磁波透過蒙皮并在其他物體上産生複雜的回波。

　　RAM填料通常是由“損耗材料”（即介電常數損耗分量較高）制成的顆粒，或者是覆有“損耗材料”塗層的顆粒。碳是一種良好的“損耗材料”，因為電損耗與電導率成正比，而碳的電導率處于金屬和絕緣體之間。磁吸收層需要應用介電常數一般但磁導率（表征磁能儲存能力）很大的材料，一般是羰基鐵（純粉末狀的金屬）或是氧化鐵（也稱為鐵氧體）。這些材料可以混入橡膠或是分散到塗層材料中，而鐵氧體通常燒結到某種貼片材料中。

RAM填料通常是由“損耗材料”制成的顆粒，或者是覆有“損耗材料”塗層的顆粒

　　材料的介電常數、磁導率和損耗分量越大，材料能夠吸收的電磁能就越多。但是，當電磁波傳播到兩種介質的邊界處時，能量會被反射而不是進入另外一種介質。反射能量的多少取決于兩種介質的阻抗，即每種材料磁導率和介電常數比值的平方根。在穿越邊界時阻抗改變越大，反射的能量越多，被吸收的能量越少。因此，RAM設計必須綜合考慮吸收率與表面反射率，以最大限度地吸收電磁波。

　　材料的電磁特性也會随頻率而變。在頻率較高的雷達頻段，任何磁性材料的阻抗都不可能接近空氣（因為電磁波達到飛機表面時，飛機表面就是邊界，兩邊的介質分别是蒙皮材料和空氣），因此不可避免地會産生較強的表面反射。但是，如果表面吸波材料厚度為1/4波長，金屬底層反射的電磁波就會與表面反射産生相幹抵消效應。由于磁性RAM的磁導率較高，所需材料厚度較小。采用諧振頻率為1~18GHz、厚度為0.1~0.5cm的商用“諧振吸收體”即可達到20dB（99%）的吸收性能。該項技術固有的作用範圍不大，屬于窄帶，在諧振頻率點以外15%的範圍内都有顯著的吸波效果。

　　考慮到帶寬有限、重量大和成本高，介電吸收體是高頻段的首選寬帶吸收材料。由于電介質沒有磁性特征，其阻抗與空氣相差太大，但通過應用分層材料——每層材料中碳粒越來越集中，就可以實現在介電常數、電導性和介電損耗都逐步增大的同時阻抗逐漸減弱。通過調整分層材料的設計，還可以使對消最大。這種阻抗漸變的介電吸收體能使反射減少20dB，且其帶寬很容易覆蓋高頻區。不過，分層材料的厚度需要達到一定值才能在低頻段實現吸收——X波段（8~12GHz）需要2.5cm，500MHz需要11.4cm。

　　另一種方法是應用物理梯度。這些“幾何過渡”的吸收體采用的是垂直于波的均勻材料尖體，其中最常見的一種是吸波暗室（用于RCS測試）裡的錐形吸收體。在高頻段下，波在這些結構中來回反射，但每次反射都會有能量損失。如果波長相對于結構足夠大，波表現出來的效果好像是穿過一種性能漸變的材料。這類吸收體能将反射減少60dB，但要想在30MHz起作用，結構厚度需要4.57m。

尖棱錐形吸波結構是構造微波暗室的基礎材料

　　與常識相反的是，在低頻段時，部分磁性材料更有效，因為它們的能量儲存能力即磁導率增大了。在30M~1000MHz範圍内，某些鐵氧體表現出極高的電磁波壓縮效應，阻抗接近空氣。厚度為0.64cm、面積密度為34.18kg/m2的商用鐵氧體磁瓦，能将甚高頻（VHF）波段的反射減少20dB以上，将超高頻（UHF）波段的發射減弱10dB。

　　到目前為止，我們讨論的都是如何減少鏡面反射，實際上，RAM在減少表面波輻射方面也是非常有效的。這些電磁波是雷達照射目标時因導電表面産生的電流而發射出來的。當這些表面波沿表面移動時，會發射出行波，通常其發射角與入射餘角相近；當表面波遭遇不連續性表面，比如達到機體邊緣時，或者遇到表面縫隙、結構台階或是材料變化時，會激勵出邊緣波。邊緣波的能量更集中，接近鏡面反射。表面電流并非沿着材料的厚度方向而是沿着長度方向穿過，RAM的作用相當于波導，捕獲電流并加以吸收。厚度僅為0.076cm的磁性RAM就能很好地抑制表面電流。

這塊 F-117 翼面殘骸清晰地展示出了内部的柱狀蜂窩吸波結構

　　當然，上述多種技術可以進行組合應用。0.76cm厚的分層磁性材料能在2~20GHz範圍内減縮10dB。由物理梯度介電層作為正面材料，由磁性材料作為背面，可以組成混合RAM，以減弱從VHF波段到Ku波段的雷達反射。

材料隐身技術的發展

U-2和“口蓋派”

　　自RAM問世以來，在減縮RCS方面發揮了積極作用。1943年，德國Horten兄弟設計了HoIX飛翼，機翼為膠合闆夾層結構，夾芯混合了膠水、鋸末和粒狀碳。德國原本計劃在潛艇上使用RAM——一種叫作“Sumpf”的材料，即填充了碳粒的橡膠（部分來源說是磁性填料），準備塗在潛艇的通氣管和指揮塔上。到了1945年，麻省理工學院的輻射實驗室開發了一種填入碟狀鋁片的橡膠材料，稱為MX-410，具有反雷達特性。

HoIX也就是Go 229飛翼戰鬥機

　　為減少U-2飛機的RCS，洛克希德·馬丁公司的臭鼬工廠和麻省理工學院的雷達專家嘗試了多種方案。最終方案是加一層羰基鐵氧體的塗層，使U-2的RCS降低了一個數量級。然而，這些方案最終都無法阻止俄羅斯跟蹤到U-2飛機。

U-2高空偵察機

　　U-2的後繼者——美國中央情報局的A-12和美國空軍的SR-71，這兩款飛機利用突出的飛行速度和高度作為突防手段，但當局仍堅持要求臭鼬工廠減小這兩款飛機的RCS。最終，研究人員在外形修形方面取得了重要突破。以SR-71為例，飛機總體外形設計得更薄，超薄的前機身“颌部”光滑連續地延伸到短艙、前緣和機身。這樣的設計最終得出了連續光滑的機體和大體扁平的機身底部，使SR-71的RCS減縮了90%。

SR-71生産車間，注意機翼前後緣的吸波區結構框架設計

　　另外，SR-71飛機上約有18%的材料是RAM。這些RAM都是摻有鐵氧體的塗層，同時輔以石棉材料，用以抵抗高速飛行（Ma3）時産生的高溫。垂尾幾乎全部由RAM組成，向内傾斜15°。A-12的外邊緣最初由三角钛片組成，但在後期，在機翼的鋸齒邊緣和機身颌部，都嵌入了包裹有玻璃纖維表面的阻性塑料蜂窩結構，當然形狀也是三角片，這些三角片被稱為 “口蓋派”。SR-71“黑鳥”的RCS最終相當于一架“幼狐”（Piper Cup）J-3單翼機，約為4m²。

SR-71三面圖，注意機翼前後緣排列的鋸齒狀三角錐形吸波結構

“捕蟲器”

　　RAM的應用必須綜合到雷達吸波結構設計中來。如果不綜合考慮，會導緻結構重量和體積增大。因此，隐身設計人員專門使用修形技術來控制對RCS貢獻最大的鏡面反射。第一架具有隐身能力的飛機F-117充分采用了表面修形來控制這類反射，大大節省了為控制腔體反射和表面波反射的RAM用量。

　　F-117的蒙皮由鋁合金制成，幾乎都塗覆了RAM。最初所用的材料是類似于油氈的鐵氧體聚合物薄闆，這些薄闆以不同的厚度黏結到機體的各個位置。采用RAM填泥或塗層來覆蓋緊固件、密封間隙和使不均勻的表面平整。艙門和維護口蓋在每次飛行前用金屬膠帶密封，并覆以RAM。起初，RAM的用量很少，因為很難控制厚度，而且需要使用有毒的溶劑。座艙玻璃塗了金，以盡量減少與蒙皮之間的阻抗過渡效應，同時阻止雷達波穿透座艙，因座艙裡飛行員頭盔的RCS比飛機大100倍。

F-117的進氣口栅格

　　應特别注意發動機和進氣道，因為從前向角度來考慮的話，這些位置貢獻了飛機絕大部分的RCS。為了抑制這部分RCS，設計人員在F-117的進氣口布置了一個玻璃纖維制成的吸波栅格，作用相當于一個“捕蟲器”，即雷達電磁波能量被栅格吸收且不會逸散。更方便的是，這種材料具有導電性，可以加熱以防結冰。這種結構材料中的填料可能是碳，含量從前往後越來越高。這樣的話，入射波遇到的阻抗逐漸減弱，在傳播過程中更易穿過這部分材料，也容易被吸收；如果反射波從後往回彈回時，會遇到強烈的不利阻抗變化，因而被反射回進氣道深處，進氣道也可能敷設有RAM。

　　F-117項目中還有幾項改進RAM方案的措施。隐身主塗層的噴塗方式改用了機器人系統，即一個噴塗吊架确定好飛機的位置，由計算機控制噴管來噴塗雷達吸波塗料。此外，設計人員還試圖減少“前緣RCS”，并發展新的RAM蒙皮。曾經在一段時間内，F-117機隊應用了多種隐身RAM方案，直到20世紀90年代末期一個标準化項目出台。

邊緣處理、鍍銀層和S形進氣道

　　在F-117之後，諾斯羅普·格魯門公司研制了B-2隐身轟炸機，據稱對外形隐身的依賴程度要大于F-117，而對RAM應用較少。由于F-117的外形修形工作已經将鏡面反射處理得很好，因此，B-2的外形隐身可能指的是表面波抑制。B-2飛機的上下表面都是完整的曲面，外形沒有不連續之處，因此不會産生很強的表面波，隻有飛機邊緣處除外。

　　不過，随着技術進步，工程師們對邊緣表面波有了應對之策。從B-2開始，美國所有的隐身飛機都呈現出獨特的“邊緣處理”風格，在機體邊緣可以看到不同顔色标識的帶狀結構，這些結構實際暗藏玄機。在三角楔的内部是輕量材料，如玻璃纖維蜂窩結構，其中填充了碳，從外表面頂部向基部集中。因此，阻抗從機身結構尖銳邊緣處開始下降，直到其後部導電表面，阻抗逐漸降為0。這種設計使得表面電流能夠緩慢而非陡峭地流動，同時也被吸收。這樣的布置抑制了RCS的三大貢獻源：通過減緩表面電流的轉捩，減少了邊緣波散射；通過吸收電流，減少了行波反射；通過吸收入射的雷達波，減少了邊緣衍射。每個方向的RCS都由此顯著降低，特别是偏離法向的RCS。

從B-2開始，美國所有的隐身飛機都呈現出獨特的“邊緣處理”風格

　　B-2飛機采用了相當厚度的吸波結構，由介質材料構成。然而，有報告指B-2還使用了一種磁性材料，可在VHF波段提供更好的吸波能力。為了加強錐度和盡量減少衍射，下方的導電表面可能緩慢過渡成楔形。

　　雖然邊緣處理能吸收表面電流，但無法完全阻止這些電流到達機身邊緣處。如果表面不連續，可以防止電流到達機身邊緣，但卻會加強輻射。彈艙門、起落架艙門和維護口蓋周圍無可避免地存在縫隙，所以，B-2機體盡量減少了口蓋數量。雷達能量能夠誘使門和口蓋産生表面電流，如果這些電流遇到不連續結構表面，尤其是口蓋這種尺寸較小的結構，将會在其邊緣處發射強烈的邊緣波和行波。因此，這些縫隙必須用導電“填泥”和膠帶連接起來。在最開始時，每架B-2需要用到大約915m長的膠帶。另外，B-2的蒙皮有鍍銀層。不連續性結構的影響取決于結構尺寸和兩邊結構的導電性。銀是傳導性最強的金屬，把銀塗在不連續處可以最大限度地減少縫隙對RCS的影響，同時還能吸收電流，阻擋雷達穿透。

B-2的S形進氣口

　　為了抑制發動機的回波，B-2使用了内襯有RAM的S形進氣道。形狀和材料是這種RCS縮減技術的關鍵。RAM很薄，但進氣道的彎度可使來波多次反射，增加了吸收效果。比起直線進氣道，未經處理的S形進氣道能将正中方向的RCS減小30dB，但在偏離中心線5°以外則毫無效果。如果增加RAM手段，正中處的RCS還可再減小30dB；而且無論是直線形還是S形進氣道，這個效果的作用範圍擴大到偏離中心線10°方向範圍内。

　　1990年以來，B-2的RAM方案發生了改變，重點轉向減少維護負擔和降低RCS，引入了質量更好的膠帶，使鉚縫更緊密，固化時間更短。2003—2010年期間，B-2還應用了先進高頻材料（AHFM），即一種可用機械臂塗覆到口蓋上的磁性RAM材料，可縮短常規維護時間。具有彈性的“刀片密封”材料成為部分口蓋的導電橋，某些間隙周圍環繞着窄帶磁性RAM材料，被形象地稱為“畫框”。

F-22機腹維護口蓋邊緣的“畫框”RAM材料

　　F-22繼承了B-2的多種RCS減縮技術。F-22的外形由翼身融合體組成，可減少表面波。設計人員對機翼、操縱面和發動機進氣口周邊做了很明顯的邊緣處理。另外，F-22采用了S形進氣道，其内表面敷設了RAM襯裡；F-22還在一些口蓋和阻抗間隙上應用磁性RAM。

F-22設計人員對機翼、操縱面和發動機進氣口周邊做了很明顯的邊緣處理

“魔法”層和RAM的未來

　　B-2和F-22應用的隐身材料降低了飛機的RCS，但這些材料的耐久性不盡如人意，需要頻繁更換，維護工作量很大，導緻保障成本很高，占用的維修時間也很多，因而限制了飛機的可用性。RAM的填充材料是從幾微米到幾十微米直徑不等的球形微粒，這些微粒聚集在一起，雖然可以提高吸波效果，卻影響了耐用性，而且黏合到飛機上的難度不小。

　　因此，從F-35項目一開始，洛克希德·馬丁公司（洛馬）就将隐身設計工作的目标定為：飛機達到預期的隐身水平，同時減少隐身的維護需求。以此為指導，F-35繼續使用多種RAM技術，包括采用S形進氣道、RAM襯裡、邊緣處理和處理縫隙的“畫框”技術。從洛馬的早期報告還可看出，F-35大大減少了外蒙皮的塊數，此外，采用激光測量技術，使得結構裝配精度非常高，報告稱“99%的維護工作不再需要修複隐身表面”。F-35的目标很可能是大幅減少當前頻繁進行的縫隙彌合工序。

F-35的“畫框”又密又多

　　研發期間，項目負責人曾透露F-35可能比F-22隐身性能更好。但是，由于F-35的外形不如F-22規整，這一結論難以令人信服。為進一步宣傳F-35，官方抛出一個所謂的秘密，宣稱使用了某種材料：“導電層即是魔法所在”。2010年5月，負責F-35項目的執行副總裁的Tom Burbage披露，F-35采用了一項“纖維氈”技術，并将該技術描述成是“F-35項目最大的技術突破”。

　　纖維氈可以取代許多RAM貼花，通過與複合材料蒙皮結合，提高了耐久性。F-35項目負責人進一步說明了這種材料的特性是“全向編織”，即能保證電磁特性不随角度而改變。熔入蒙皮後，這層材料能根據需要改變厚度，但洛馬公司以保密為借口拒絕提供更多細節。雖然沒有更多證據，但可以明确的是，“纖維氈”一詞意味着這種材料用的是纖維而不是顆粒，纖維能使表面更強韌；而“導電性”這個詞指的應該是碳基RAM。

　　就在F-35負責人放出消息一個月後，洛馬就申請了一項專利，專利中宣稱首次采用新方法生産了耐用的RAM口蓋。專利對方法做了具體介紹：可在玻璃、碳等纖維、陶瓷或金屬上生長出碳納米管（CNT），并可控制其長度、密度、管壁層數、可連接性甚至方向，而且控制精度達到前所未有的水平。注入了CNT的纖維能吸收和反射雷達波，各個CNT之間可連接，能為感應電流提供流動通道。

　　更為重要的是，CNT能浸入鐵或鐵氧體納米顆粒中。沿着纖維長度方向，CNT密度可以不同，且同質纖維能鋪層或混合。具體應用包括：與空氣阻抗匹配的正面層、1/4波長厚度用于對消、非連續或連續CNT密度梯度，以及在不同厚度采用不同的CNT密度，可提高寬頻吸波能力。纖維能置于材料中的“任意方向”，适用的材料包括“織物、無紡纖維氈和纖維鋪層”。

　　專利稱，基于CNT纖維的複合材料能吸收0.1MHz~60GHz範圍内的電磁波，這是商用吸收體此前未曾達到的範圍，并對L波段到K波段都有效果。專利沒有具體說明該材料的吸收能力，但稱這種材料制成的面闆“在面對各雷達波段時幾乎可視為黑體”。有趣的是，這種材料制成的正面層具有可設計特性，可使連接在其上的計算機讀取到纖維中的感應電流，這樣正面層就成為一台雷達接收裝置。

　　雖然專利中提到了隐身飛機，但沒有特别提及F-35，而且未公布當時該材料的制造成熟度。不過，專利公布時正是披露“纖維氈”的時間，這個巧合不容忽視。當被問到基于CNT纖維的RAM是否在F-35上使用以及這項技術是否就是洛馬負責人曾提過的技術時，洛馬官方發言人表示，“對專利以外的内容不予置評”。

　　即使CNT纖維不是F-35的“魔法”層，也代表了最新的RAM技術。不過，雖然這可能是RAM技術中最大的一項革新，但也不會是唯一的一項。工程師們一直在試驗新材料。尤其值得關注的是，一些采用了亞波長幾何結構的超材料，被賦予了自然界不存在的新特性，其在隐身領域的熱度越來越高。總而言之，隐身技術在未來的前景，已經離不開RAM的發展。（王亞林、李悅霖，編譯自AW&ST，2016-10-30）

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