孟祥吉 呂泉江

（中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

復合材料具有比強度大、比模量高、抗疲勞性能好、耐腐蝕以及可設(shè)計性強等很多優(yōu)異特性，已廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。研究表明，相對金屬材料，復合材料的防雷擊性能較弱，為了增加復合材料結(jié)構(gòu)的防雷擊性能，常采用的方法是在直升機結(jié)構(gòu)設(shè)計中增加含銅網(wǎng)鋪層。

在現(xiàn)代直升機的設(shè)計中，雷達隱身性能因能明顯提高飛行器的戰(zhàn)場生存力而越來越受到各國相關(guān)研究機構(gòu)的重視。雷達散射截面（RCS）是衡量飛行器雷達隱身性能的重要指標，降低直升機RCS的主要手段有外形隱身和材料隱身兩種方式。外形隱身通過改變飛行器的總體外形來改變雷達波的回波方向，并減弱特定方向的雷達回波強度。材料隱身是通過利用隱身涂層或隱身結(jié)構(gòu)來吸收、衰減和轉(zhuǎn)化雷達波，以達到雷達隱身目的。在外形隱身和材料隱身的設(shè)計中，結(jié)構(gòu)材料的反射率對該兩種設(shè)計的有效性具有較大影響。

目前，國內(nèi)、外在該方面的研究大多集中在吸波涂料的吸波性能，對其涂敷結(jié)構(gòu)反射率的研究較少，因此該文針對銅網(wǎng)鋪層對復合材料結(jié)構(gòu)的反射率特性的影響進行了研究。

1 試驗件設(shè)計

1.1 試驗件材料選擇

復合材料是通過物理和化學的方法將兩種或多種不同性質(zhì)的材料在宏觀尺度上組成的具有新性能的材料。在直升機結(jié)構(gòu)設(shè)計中廣泛使用的是纖維增強復合材料，由纖維和基體組成。常用的纖維有玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維等，基體一般采用樹脂基體。根據(jù)使用溫度的不同，可將復合材料分為中溫復合材料和高溫復合材料；根據(jù)成型結(jié)構(gòu)形式的不同，其可分為層壓復合材料和蜂窩夾層復合材料；根據(jù)材料增強相的區(qū)別，其可分為雙向布和單向帶。常用的復合材料見表1。

研究表明，復合材料的電導率低于金屬材料，相對金屬材料，其防雷擊性能較弱，為了增加復合材料結(jié)構(gòu)的防雷擊性能，提高其導電性，典型的方法就是對復合材料表面進行金屬化處理，如在表面噴涂金屬涂層、鋪設(shè)導電帶以及增加金屬鋪層等方式。其中在直升機結(jié)構(gòu)中常采用的方法是增加銅網(wǎng)鋪層，即在復合材料結(jié)構(gòu)外表面或者最外層玻璃布下方增加一層較薄的銅網(wǎng)鋪層，采用共固化工藝將其與復合材料結(jié)構(gòu)一體成型。該種方法廣泛應(yīng)用于機身蒙皮、垂尾、平尾及其他復合材料結(jié)構(gòu)，其不僅利用了銅網(wǎng)導電性能強、可增加復合材料導電性的優(yōu)點，以達到防雷擊的目的，而且還因銅網(wǎng)較薄且鋪覆性較好，還保證復合材料結(jié)構(gòu)厚度和重量不會發(fā)生較大變化。

表1 常用復合材料

目前在直升機復合材料結(jié)構(gòu)中采用較多的是菱形銅網(wǎng)鋪層?？蓪~網(wǎng)看作周期結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)格形狀為菱形，面密度為73g/m，厚度為0.05mm，長邊距為2.4mm，短邊距為1.6mm，梗寬為0.13mm，長邊電阻率不大于1.68×10Ω·m， 短邊電阻率不大于3.68×10Ω·m。銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.2 試驗件鋪層設(shè)計

在對復合材料結(jié)構(gòu)進行層合設(shè)計時，可通過調(diào)整不同復合材料的鋪層順序，來滿足不同力學性能的要求。結(jié)合直升機復合材料外蒙皮結(jié)構(gòu)，該文設(shè)計了3種采用不同鋪層順序的復合材料。在3種不同復合材料鋪層的基礎(chǔ)上再增加含銅網(wǎng)鋪層，因此該文一共設(shè)計了6種不同鋪層的復合材料，鋪層信息見表2。其中試驗件1、試驗件2分別為含銅網(wǎng)鋪層和不含銅網(wǎng)鋪層的中溫層壓板結(jié)構(gòu)，試驗件3、試驗件4分別為含銅網(wǎng)鋪層和不含銅網(wǎng)鋪層的中溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，試驗件5、試驗件6分別為含銅網(wǎng)鋪層和不含銅網(wǎng)鋪層的高溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，其中銅網(wǎng)鋪層位于復合材料最外層玻璃布下方。

表2 試驗件鋪層信息

該文應(yīng)用的測試波段為X波段（8GHz～12GHz），將用于反射率測試的試驗件設(shè)計為正方形平板件，尺寸為300mm×300mm，尺寸公差為±0.2mm。典型試驗件如圖2所示。

圖2 典型試驗件

2 試驗方法

常用的雷達波反射率的測試技術(shù)有弓形測試技術(shù)、同軸測試技術(shù)、遠場雷達散射截面（RCS）測試技術(shù)和樣板空間平移測試技術(shù)等。該文采用的試驗方法為遠場RCS測試法，測試在微波暗室進行。為降低環(huán)境對測試結(jié)果的影響，要求暗室的背景等效反射率不大于-60dB。測試頻率范圍為X波段（8GHz～12GHz），極化方式為垂直極化，試驗采用掃頻的方式，頻點間隔為1MHz，共計4001個頻點。試驗裝置主要由收發(fā)天線、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號收發(fā)設(shè)備、計算機和目標支架等組成，如圖3所示。信號收發(fā)設(shè)備將電磁波發(fā)射出去，經(jīng)過緊縮場后，電磁波被轉(zhuǎn)化為平面波入射到測試試驗件表面。其中一部分電磁波透過試驗件，一部分電磁波被試驗件吸收，剩余部分則反射回緊縮場，被信號收發(fā)設(shè)備接收，進而矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀將發(fā)射信號和接收信號傳輸至計算機，再由計算機計算出測試試驗件的反射率。其中目標支架選用低反射率泡沫板材料來制作，以降低支架對測試結(jié)果的影響，對準裝置用以保證測試試驗件與電磁波垂直。

在進行RCS測試前，首先需要通過定標體對測試系統(tǒng)進行標定，定標體為直徑72mm的金屬球。然后分別測量同尺寸的良導體金屬平板的反射功率和試驗件的反射功率，再通過公式（1）求得試驗件的反射率。

式中：P為良導體金屬平板反射電磁波功率；P為試驗件反射電磁波功率；Γ為試驗件反射率。

圖3 測試裝置圖

若以dB為單位表示，反射率Γ如公式（2）所示。

3 試驗結(jié)果分析

中溫層壓板的反射率試驗結(jié)果如圖4所示。根據(jù)圖4可知，當中溫層壓板在8GHz～12GHz時，含銅網(wǎng)層壓板和不含銅網(wǎng)層壓板的反射率均在-0.5dB以上，二者反射率最高頻點均為8GHz，且隨著頻率增加，二者的反射率均逐漸下降，在12GHz頻點達到最低。盡管含銅網(wǎng)中溫層壓板與不含銅網(wǎng)中溫層壓板的反射率均隨著頻率增加而逐漸降低，但是前者比后者的下降趨勢更緩。當頻點為8GHz時，二者的反射率差值為0.12dB；當頻點為10GHz時，二者的差值為0.13dB；當頻點為12GHz時，二者的差值為0.22dB，即差值逐漸增大。在8GHz～12GHz頻段內(nèi)，含銅網(wǎng)層壓板的反射率的平均值為-0.24dB，不含銅網(wǎng)層壓板的反射率的平均值為-0.39dB，前者較后者高0.15dB。根據(jù)試驗結(jié)果可知，在8GHz～12GHz頻段內(nèi)，不含銅網(wǎng)層壓板能將入射電磁波能量的90%反射回去。在復合材料中溫層壓板外表面增加銅網(wǎng)鋪層，能提高該結(jié)構(gòu)的反射率。隨著頻率的增加，銅網(wǎng)對中溫層壓板結(jié)構(gòu)的反射率提高值也逐漸增加。

中溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的反射率試驗結(jié)果如圖5所示。根據(jù)圖5可知，中溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在8GHz～12GHz頻段時，含銅網(wǎng)的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和不含銅網(wǎng)的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的反射率均在-0.84dB以上。二者反射率的最高頻點在8GHz，隨著頻率的增加，二者的反射率均逐漸下降，并在12GHz頻點達到最低，與中溫層壓板的情況一致。其中不含銅網(wǎng)的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的反射率曲線接近二次曲線，采用二次多項式進行擬合，其相關(guān)系數(shù)為0.99777；含銅網(wǎng)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的反射率曲線接近三次曲線，采用三次多項式進行擬合，其相關(guān)系數(shù)為0.99823。不含銅網(wǎng)的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的平均反射率為-0.48dB，含銅網(wǎng)的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的平均反射率為-0.36dB。當頻點為8GHz時，二者的反射率差值為0.14dB；當頻點為10.5GHz時，二者的反射率差值為0.07dB；當頻點為12GHz時，二者的反射率差值為0.2dB。隨著頻率的增加，二者反射率差值的變化趨勢是先逐漸降低，后逐漸增加。根據(jù)試驗結(jié)果可知，在8GHz～12GHz頻段內(nèi)，在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)外表面增加銅網(wǎng)鋪層，能提高結(jié)構(gòu)的反射率。在8GHz和12GHz頻點附近，銅網(wǎng)對中溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)反射率的提升效果最好。在10GHz頻點附近，其提升效果最差。

高溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的反射率試驗結(jié)果如圖6所示。根據(jù)圖6可知，高溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在8GHz～12GHz頻段的反射率特性與中溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)相似，反射率平均值、最高反射率和最低反射率均較接近，銅網(wǎng)對結(jié)構(gòu)反射率的提升效果也較接近，均為隨著頻率增加先降低、后增加。分析其原因，主要由于中溫蜂窩結(jié)構(gòu)和高溫蜂窩結(jié)構(gòu)中所含碳纖維鋪層的厚度接近，且鋪層中碳纖維面密度基本一致，中溫碳纖維布與高溫碳纖維布的電磁特性也較為接近。碳纖維鋪層具有較高的電導率，對不含銅網(wǎng)的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，碳纖維材料厚度對該結(jié)構(gòu)的反射率起決定作用。

圖4 中溫層壓板反射率

圖5 中溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)反射率

圖6 高溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)反射率

表3 含銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)的反射率

表3為含銅網(wǎng)的層壓板和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的反射率，含銅網(wǎng)層壓板的平均反射率比蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的反射率高0.12dB，層壓板的最高反射率和最低反射率差值為0.085dB，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的最高反射率和最低反射率差值為0.579dB。根據(jù)該比較結(jié)果可知，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與層壓板的平均反射率差異較小，但是二者的反射率在X波段內(nèi)的極差明顯不同，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)反射率隨頻率變化更顯著。

4 結(jié)論

綜上所述，該文得出的結(jié)論如下：1）在復合材料結(jié)構(gòu)外表面增加銅網(wǎng)鋪層能提高該結(jié)構(gòu)在X波段內(nèi)的反射率。2）在X波段內(nèi)，隨著頻率的增加，含銅網(wǎng)鋪層和不含銅網(wǎng)鋪層的復合材料結(jié)構(gòu)反射率均降低，銅網(wǎng)不曾不會影響復合材料結(jié)構(gòu)反射率隨頻率的變化規(guī)律。3）在X波段內(nèi)，中溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與高溫蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的反射特性相似，不含銅網(wǎng)鋪層結(jié)構(gòu)的反射率曲線接近二次曲線，含銅網(wǎng)鋪層結(jié)構(gòu)的反射率曲線接近三次曲線。4）在X波段內(nèi)，含銅網(wǎng)層壓板結(jié)構(gòu)比蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的平均反射率更高，最高反射率與最低反射率的差值更小。