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全新令牌形低频碳纤维行波测试载体的研究

2020-10-19 200 上传者：管理员

摘要：刀刃形行波测试载体在吸波材料性能测试时,出现后缘行波散射分离不彻底,其刃形边缘易被碰伤,划伤测试人员,且在碳纤维测试载体上加工刃边极易造成碳纤维分层破坏。为解决这些问题,设计了一种新型的令牌形碳纤维测试载体。从原理、仿真、测试等方面对2种测试载体做了对比。测试结果表明:令牌形碳纤维测试载体具有行波散射分离度高、无前后缘散射耦合现象、适用于碳纤维材质、安全性高等特点,解决了国内现有刀刃形行波测试载体安全性差,不适用于低频、大尺寸碳纤维材质的难题。

关键词：
令牌形碳纤维测试载体
低频吸波材料
刀刃形行波
化工工业
有机化工
测试载体
行波散射
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在飞行器上,吸波涂料[1]主要用于衰减机体表面电流所引起的行波、爬行波散射[2],因此,在吸波材料行波衰减效果[3,4]测试中,必须使用合适的载体,尽量消除载体其他部位的散射,仅体现表面波在载体后缘形成的行波散射。

目前,国内普遍使用的行波测试载体是前、后缘为刀刃形的长条板,通过将前缘加工成极薄的刀刃状,以消除前缘的散射,而体现出后缘的行波散射。这种行波载体主要用于8～18GHz的较高频率测试。从散射特性来说,这种行波载体并不适用于低频吸波涂料[5]测试。虽然将前缘加工为刃形可在高频时削弱前缘的散射,但在低频时效果较差。一方面,低频时,刀刃形行波测试载体前缘仍存在较强的散射;另一方面,随着测试时入射角的变化,分别来自于前缘与后缘的反射波会交替出现相位叠加与相消的耦合现象,使RCS(雷达散射截面面积)出现大幅度的波动。这些因素都会对后缘行波散射造成掩盖效应,使后缘行波散射分离不彻底。

在制造、操作方面,刀刃形边缘行波测试载体也存在诸多问题。如果飞机隐身设计的重点频段为低频段,行波载体的尺寸需加大。在更宽的边缘上加工成刀刃形,尺寸及形状精度难以保证;大尺寸试件的搬运、安装操作较为困难,刃形边缘易被碰伤,也易划伤操作人员。大多数隐身飞机机体表面大量采用了碳纤维材料,为研究碳纤维表面的行波散射,需进行大量碳纤维试件的行波散射测试。在碳纤维板上加工刃边,极易造成碳纤维分层破坏。

为解决刃形边缘行波测试载体在低频测试及碳纤维材质应用上的问题,文中提出了一种全新的令牌形低频碳纤维行波测试载体。

1、行波散射机理

当电磁波以低入射角照射到细长光滑结构或电场的一个方向与目标表面相切,并在入射平面内时,会激起行波散射。此行波效应使目标表面单元不能单独散射,因为这些单元间通过沿表面传输的场而强烈耦合。行波以接近光速的速度在目标表面行进,若目标表面出现不连续性(如缝隙、凸出物、楔状物等)时,此行波将返回,并以一定分布规律朝来波方向散射,形成行波后向散射,如图1所示。对飞行器目标的散射而言,飞机的机身、外挂物,甚至机翼或垂尾的金属蒙皮都可能成为行波形成的地方,图2是飞机机身形成的行波散射。

行波散射的机理是表面电流沿目标表面传播过程中,遇后缘不连续性特征时返回而产生的电磁散射。在行波测试中,测试载体的散射应尽可能只呈现出载体后缘所产生的行波散射,而尽量避免呈现前缘、侧边等其他部位所产生的散射。

图1表面行波散射机理

图2机身表面行波散射机理示例

2、刀刃形行波测试载体和令牌形行波测试载体对比结果

刀刃型行波测试载体和令牌型行波测试载体外形[6]如图3、图4所示。传统的刀刃形行波载体是将一个长方形的前后缘加工成刃形的形状;新的行波载体外形为令牌形,前端采用尖角设计,通过将前端设计为尖角来消除前缘的散射,且前、后边缘不平行,不会存在相位的叠加与相消现象。

图5、图6分别为刀刃形和令牌形测试载体行波散射原理示意,图7、图8分别为刀刃型测试载体和令牌形行波测试载体在频率为L波段时,行波电流仿真结果。从图5、图7可以看出,刀刃形载体在被电磁波照射时,表面电流梯度按原照射方向分布,前缘反射波和后缘反射波处于同一方向:当前缘、后缘的距离使两者的反射波为同相位时,前缘、后缘反射波出现叠加现象;当前缘、后缘的距离使两者的反射波为反向时,前缘、后缘反射波出现相消现象。从散射类型来说,后缘反射波为行波散射,前缘反射波为边缘散射,因此,行波测试仅关注后缘反射波的情况,而刀刃形载体的反射波能量为前缘绕射波和后缘行波的叠加或相消的结果,后缘行波散射出现分离不彻底现象,导致测试结果不准确。

图3刀刃形波测试载体

图4令牌形波测试载体

图5刀刃形行波测试载体行波散射原理

图6令牌形行波测试载体行波散射原理

图7刀刃形行波测试载体L频段行波电流分布

图8令牌形行波测试载体L频段行波电流分布

从图6和图8可以看出,令牌形测试载体在被电磁波照射时,前缘处的表面电流梯度出现偏折现象,后缘表面电流梯度按原照射方向分布,说明前缘的反射波出现偏振,使得反射能量避开了来波方向,并且避免了前、后缘散射回波的相消或叠加现象,从而接收机接收的反射波为单纯的后缘散射能量,提高了测试结果的准确性。

3、行波载体仿真、测试对比

对相同尺寸的2种行波载体进行了低频RCS仿真和测试[7],仿真和测试频段均选取L波段,方位角为0～90°,两者的仿真和测试RCS曲线对比见图9。从图9可以看出,仿真结果和测试结果基本一致,令牌形碳纤维行波载体RCS更低。在第1行波散射波峰(15°方位角处)的RCS值比刀刃形载体的RCS值低大约4.5dBsm,在其他方位角处的RCS波动幅度明显低于刀刃形载体,低大约2dBsm,说明令牌形载体消除了前、后缘散射的相位叠加,及相消所造成的RCS曲线波动现象。

图92种测试载体在L波段时RCS仿真、测试曲线对比

4、令牌形行波载体其他方面的优势

在制造与使用操作方面,如果要在刀刃形测试载体上,测试低频涂料的行波散射特性,需要增大外形尺寸,在更宽的边缘上加工成刀刃形,尺寸精度难于保证,也使得大尺寸的测试载体搬运和测试都较为困难。由于刀刃形边缘使得测试载体边缘变得薄且十分锋利,及易被碰伤,也易划伤操作人员。令牌形行波载体尖角形状位于板面内,加工简单且更易保证加工精度,碳纤维材质也可加工,使得测试载体变得轻巧,且仅前端为尖角,仍有一定的厚度,搬运、安装时不易碰伤试件,对操作人员也更为安全。

5、结束语

针对低频测试与碳纤维材质的要求,设计了新型的低频行波测试载体,并对低频行波测试载体进行了仿真测试。结果表明,低频行波载体具有分离度高、无前后缘散射耦合现象、适用于碳纤维材质、安全性高等特点,解决了国内现有长条形行波测试载体不适用于低频、大尺寸、碳纤维材质,且安全性差的难题。

参考文献:

[1]庞建峰,马喜军,谢兴勇.电磁吸波材料的研究进展[J].电子元件与材料,2015(2):7-12.

[2]桑建华.飞行器隐身技术[M].北京:航空工业出版社,2013.

[3]孙敏,于名讯.隐身材料技术[M].北京:国防工业出版社,2013.

[4]王超,李恩,郑虎.雷达吸波材料表面波抑制性能测试技术[J].宇航材料工艺,2016,46(3):75-78.

[5]宦峰,谢国治,陈将伟,等.低频吸波材料研究进展[J].材料导报,2014,28(1):17-19.

[6]成伟业.CATIAVR20完全自学一本通[M].北京:电子工业出版社,2015.

[7]王允圃,刘玉环,等.雷达吸波涂料性能测试[J].化工进展,2015,34(8):3183-3187.

周萍,李景虎,郭文,聂暾,翟培韬.一种令牌形低频碳纤维行波测试载体设计[J].飞机设计,2020,40(05):21-23+27.