CN101053121A - 用于减小交通工具的红外和雷达信号的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种吸收雷达面板(9)包括蜂窝芯材(11)和下表层(13)，下表层(13)附着在蜂窝芯材(11)的底部。蜂窝芯材(11)由多个单个隔室(15)组成，所述隔室(15)填充有气凝胶。所述隔室(15)具有六边形形状，尺寸为1/2英寸。

Description

用于减小交通工具的红外和雷达信号的方法和装置

技术领域

本发明一般地涉及用于减小交通工具的红外和雷达信号的方法。特别涉及使用绝缘和吸收材料以减小由交通工具某个部位发出的红外辐射数量以及反射的雷达信号。

背景技术

军事行动中交通工具需要减少敌方对其的可见性。对于现代军事力量用于侦察和瞄准敌人的所有方法，都存在上述需求。所述方法示例包括视觉侦察、音频检测、主动和被动雷达和红外侦察。对于诸如飞机和直升机的飞行器来说，由于其具有被敌方的空军和地面部队通过使用上述的一些侦察方法和所有的侦察方法而成为目标的极高的可能性，因而避免被侦察到的需求特别强烈。

为了减小飞机的红外信号，已研制出一些方法。这些方法包括使用特殊的排放管道和屏蔽来减小飞机发出的热信号，年起在飞机的外表面上添加红外绝缘和吸收材料。虽然当被适当使用时，这些方法非常有效，但是上述每种方法均有缺陷。在大多数情况下，在飞机外层上添加红外绝缘和吸收材料明显增加了飞机重量，并可能扰乱飞机的空气动力平衡，减小飞机的性能和航程。

针对减小飞机雷达信号的目标，可以通过优化飞机表面形状和飞机表面材料，以减小雷达信号。不幸的是，额外的吸收雷达材料自身具有额外的重量，并且为减小雷达信号而优化飞机表面形状通常在空气动力性上不够理想。

图1是具有蜂窝结构和下表层组件的吸收雷达面板的透视图，其根据Riley等人的2003年12月4日公开的国际申请WO2003/100364A3，在其中，蜂窝结构的多个单个隔室填充有气凝胶。Riley的申请公开了一种提供重量轻的面板1的措施，以在减小红外和雷达信号的同时很少增加交通工具的重量或不增加交通工具的重量。Riley等人教导了在飞行器的组合表层上热绝缘体和吸收雷达蜂窝3的独特的组合应用。Riley等人教导了将气凝胶5充入通常填充有空气的蜂窝3的单个隔室7内的好处。在特定情况下，气凝胶5发挥固体填充物的功能。特别地，Riley等人在军用直升飞机上使用填充了气凝胶5的蜂窝3。

通过采用Riley等人教导的方式，将气凝胶5与吸收雷达蜂窝3结合，可以以可以忽略的飞行器重量的差异来实现飞机雷达和热信号的减小。Riley等人还教导了，如果适当地使用组合的夹心结构，对于飞机外表面，蜂窝3可以提供显著的结构完整性。这样，蜂窝3不是“累赘”。

虽然通常气凝胶5在结构上没有用，但是对于在给定体积下减小重量它们具有明显的优势。此外，气凝胶5是极好的绝缘体，从而，相对小的体积并因此质量小的气凝胶5可以显著地改进热性能。Riley等人教导了，可以同时减小交通工具的红外信号和雷达信号而不对这些相关区域导致任何的不利影响。

虽然在减小雷达和热信号领域已经取得了显著进步，但是仍具有很大的改进空间。

发明内容

本发明可以对现有技术进行很大的改进。能够应用本发明的交通工具类型的示例是军用直升飞机，但是本发明并不局限于此，在本发明精神和范围内，可以适用于任何特殊的交通工具。例如本发明可以应用于旋翼飞行器、飞行器、无人驾驶飞行交通工具或地面交通工具。本发明的指导思想适用于希望减小雷达和/或红外信号的任何军用或非军用交通工具。

本发明体现出如下的发现，可以成功地使用具有尺寸为3/8英寸至1英寸甚至更大尺寸的单个隔室的蜂窝结构，以减小交通工具的雷达/微波和热/红外信号。在整个说明书中，“大的”隔室是蜂窝状芯材的隔室或其它芯材结构中的隔室，在芯材“W”方向(横向或宽度方向)上每英寸上包含小于2.7个隔室。在本发明之前，用于减小飞机雷达信号的蜂窝结构通常将单个隔室尺寸限制在1/8～3/16英寸的范围内，在很少情况下，达到1/4英寸。本发明消除了在使用尺寸大于3/16英寸的隔室方面上的几个普通的错误概念，这些错误概念包括，在蜂窝结构中加入大尺寸隔室将使蜂窝结构的结构完整性显著地下降到不可接受的水平；为维持蜂窝结构的结构完整性，加入大尺寸的隔室必须将结构性填充材料布置在单个隔室内的；加入大尺寸隔室将显著减小蜂窝结构的雷达衰减性能；加入大尺寸隔室需要使用与隔室大尺寸结合的雷达衰减方法。加入大尺寸隔室的主要优点是在相等隔室材料密度下产生更轻的蜂窝结构。由于结构更轻，因添加蜂窝结构而增加到交通工具上的重量被减小。大尺寸隔室的另一个优点是随着隔室尺寸的增大，芯材的成本下降。

本发明还体现出如下的发现，可以使用预浸渍的材料形成吸收雷达面板的芯材；吸收雷达面板可以包括多层芯材；吸收雷达面板可以包括位于芯材上、下方或位于芯材之间的阻挡板、织物或垫板；可以在气凝胶中施用乳浊化涂料，用于有选择地对气凝胶进行分层，以产生导电梯度；膜粘结剂可以是网状的，以减小面板的整体重量；可以在面板内或在其中加入低辐射性涂层或层；可以将雷达衰减材料组合在膜粘结剂内。

附图说明

为了更完整地理解本发明的特征和优点，下文将结合附图对本发明进行详尽描述，在不同附图中使用相同的附图标记表示相同的部件。附图中：

图1是现有技术的吸收雷达的蜂窝面板的透视图；

图2是本发明的吸收雷达的蜂窝面板的透视图；

图3是图2的蜂窝面板的示意侧视图；

图4是图2的吸收雷达的蜂窝面板的另一替换实施例的透视图；

图5是图4的蜂窝面板的示意侧视图；

图6是图2的吸收雷达的蜂窝面板的另一替换实施例的示意侧视图；

图7是图2的吸收雷达的蜂窝面板的另一替换实施例的简化示意侧视图。

具体实施方式

虽然下文将使用不同实施例对本发明进行详细介绍，但是应该理解的是，本发明提供多种可应用的发明概念，其可以应用在广泛的不同领域。下文所介绍的特定的实施例仅以特定的方式表示本发明的制造和使用，并不限制本发明。

现在参考图2和3，分别图示了本发明的吸收雷达的面板9的优选实施例的部分透视图及示意性示图。如图2中所示，面板9包括蜂窝状芯材11和附在芯材11底部的下表层13。如图2所示，芯材11包括各单个隔室15的阵列，优选地在隔室15中填充有气凝胶17。下表层13通常被构成为由环氧树脂保持的编织的玻璃纤维的不连续层的组合，但是也可以由其它任何适合材料构成，或结合各种材料而成。虽然图2中未示出，但完全装配好的面板9将包括被连接到蜂窝状芯材11上侧的上表层19。

如图所示，所述隔室的尺寸大致为二分之一英寸(相比于图1所示的现有技术的非常小的隔室尺寸1/8英寸)，然而隔室15的尺寸可以缩小至3/8英寸，或增大至1英寸。隔室15优选具有六边形横截面区域，然而应该理解的是，单个隔室15可以具有不同几何形状的横截面区域。根据所希望获得的效果，芯材11可以由具有不同横截面形状和从3/8英寸至1英寸尺寸范围的隔室15形成。在本申请说明书中，“大”隔室是蜂窝状芯材的隔室或其它芯材结构中的隔室，在芯材“W”方向(横向或宽度方向)上每英寸上的隔室数量小于2.7个。此外，隔室15可以具有不同隔室几何形状，包括标准展开、过度展开、展开不足和挠曲的隔室几何形状

根据所希望的应用，芯材11可以由任何的本领域公知的多种材料组成。传统用于制造芯材11的材料包括诺梅克斯(Nomex)、玻璃纤维、凯夫拉尔(Kevlar)、石英和科尔克斯(Korex)，但是并不局限于这些材料。为了提供雷达/微波吸收，芯材11通常涂敷有炭泥，一种吸收雷达混合物。通过将芯材11浸泡在所述混合物内，或将炭泥混合物喷洒到芯材11上，或通过其它适合措施，所述炭泥被涂覆在芯材11上。可以改变所述炭泥涂层的厚度和准确成分，以产生所希望的吸收雷达效果。可以在面板9的厚度上产生导电梯度地，或作为均匀或恒定装料地对这种雷达衰减炭泥进行涂敷。应该理解的是，随着添加到芯材11上的炭泥涂层增多，面板9的总体重量增加。通常，任何面板9重量的显著增加都是不希望的，特别是当面板9应用在飞机上时。

通过图3可以更清楚地理解，面板9由多个不连续的层组成。如图所示，下表层13包括设置在下表层13内的接地平面21。所述接地平面21如图所示，作为一个导电材料层被夹持在下表层13的复合材料的不连续玻璃纤维层20之间。接地平面21通过帮助在面板9的厚度上提供导导电梯度而典型地改善了雷达/微波信号衰减。从上表层19到下表层13优选地导电水平得到增加。具体地说，与面板9内其它的远离下表层13的组分元件相比，接地平面21提供相对高的导电水平。应该理解的是，在本发明的该实施例和其它实施例中，整个下表层13可以替换地由导电材料层组成。例如，下表层13可以由碳/环氧树脂组合材料制成。应该理解的是，组合接地平面21是可任意选择的，在本发明其它实施例中(参考图7)，也可以不使用接地平面21。还应该理解的是，接地平面21取得的优点可替换地通过对没有接地平面21的不连续玻璃纤维层20内存在的织物进行涂敷、浸渍或其它处理同样地取得。应该理解的是，在本发明其它实施例中(参考图7)，玻璃纤维之外的材料也作为替代物形成上表层19和下表层13的不连续层。

本发明的一个发现是，面板9可选择地包括预浸泡芯材(下文简称为“预浸渍”)来代替用于形成芯材11的传统的诺梅克斯(Nomex)、玻璃纤维、凯夫拉尔(Kevlar)、石英和科尔克斯(Korex)材料。预浸渍材料通常是树脂浸泡的布、纤维、编织垫、带状织物或纤丝。预浸渍合成材料经常被局部硬化到不剥落状态以用于操作，随后在烘箱或高压釜内被完全硬化。预浸渍芯材呈现出传统芯材的功能，但是由于预浸渍芯材对潮湿不敏感，无需密封，因而整体重量轻，从而确保使用网状粘结层将芯材粘结在表皮上。特别是由于预浸渍芯材的特殊的优异的强度数值，预浸渍芯材优于传统芯材。预浸渍芯材的高的特殊强度数值允许使用低密度芯材，确保进一步减小重量。预浸渍芯材也可以被修整，以提高用于特定应用的临界强度模式。此外，预浸渍芯材可以由“有空隙织物”预浸渍材料制造，其进一步改善湿度容忍度，减小重量，增加绝缘效率。此外，添加剂可以与树脂混合，以获得特殊性能。例如一预浸渍材料制造的芯材优选可以包括雷达/红外吸收材料，诸如被整体分布在树脂内的铁和/或炭泥混合物。由此除了减小预浸渍芯材的整体重量之外，预浸渍芯材呈现出多种雷达/微波吸收性能的选择。例如由吸收树脂混合物浸泡后的预浸渍芯材可以如传统芯材那样由炭泥涂敷，从而提供吸收方法的组合。

隔室15填充一种或多种形式的气凝胶17，所述形式包括颗粒状。气凝胶17可以被预制为横截面与芯材11的单个隔室15的横截面形状对应的形状，或气凝胶17可以是疏松的颗粒形式。对于气凝胶17采用颗粒形式的那些应用，气凝胶17可以由封皮保持在一起，颗粒可以在隔室15内自由移动，或颗粒可以紧密地填塞在隔室15内。如果希望，隔室15可以填充气凝胶17，以便进一步改进芯材11的结构整体性及面板19的整体热/红外信号衰减性能。

根据用途，所使用的气凝胶17的类型可以变化。众多类型的气凝胶17对于本领域技术人员是众所周知的。适合气凝胶的具体示例包括硅石、氧化铝和氧化锆气凝胶。根据用途，可以改变每个隔室15填充有气凝胶17的份额。可以使用任意数量的工序对芯材的被选择的隔室15填充气凝胶，例如包括颗粒气凝胶17的筛选、摆动或粗筛。

在某些应用中，隔室15可以部分地填充气凝胶17，还可以部分地填充额外的吸收雷达和/或额外的红外线吸收材料。虽然由形成芯材11的壁的材料执行吸收雷达功能，该材料通常是不良的热绝缘体。对隔室15部分地填充吸收雷达材料非常有益，由于通过使芯材11的隔室15变大，并向气凝胶17内添加吸收雷达的材料，可以维持结构完整性，减小导热性，增加雷达吸收。例如，通过将石墨碳添加到气凝胶17中，可以显著地改进面板9的吸收雷达性能。此外可以理解的是，可以将众多类型材料添加到气凝胶17中，以改进面板9的所选择性能，例如导电性、导热性、吸收雷达等。

而且通过使下表层13具有低发射率特性，可以减小红外信号。低发射率特性用作热能的反射屏障。可以采用多种方式获得低发射率特性，其中包括：将铝、金、银或其它适合箔/材料设置在下表层13的下表面上、在下表层13内或下表层13和芯材11之间；通过喷溅或其它方式，沉积低发射率材料，将低发射率材料涂覆到纤维、编织垫或其它基板上，将处理后的材料设置在下表层13的下表面上、在下表层13内或下表层13和芯材11之间；通过喷溅或其它方式沉积低发射率材料，将低发射率材料涂覆在下表层13与芯材11毗邻的层上，同时已经描述的低发射率特性已经被设置在下表层13上或下表层13内或下表层13和芯材11之间，低发射率特性可以配置在面板9产生不同的热反射性能的其它部位上。当然，这些技术可以优选地与本发明其它实施例结合。加入低发射率特性也可以提供类似于接地平面21的导电性，并且因此其可以以使面板9用于特定应用的方式设置在面板9内。事实上，低发射率特性可以完全替代接地平面21，从而节省额外重量。

通过有选择地将不同材料组合在吸收雷达芯材11的单个隔室15内，面板9总的特性可以有选择地改变为特定的应用。例如低频微波通常用于侦察固定翼的飞机或高空飞机，可以通过改变面板9，使其更好地吸收低频范围的信号，从而面板9被改变为特定地减小这些飞机的雷达/微波信号。同样，通过将不同级别乳浊化涂料涂到气凝胶17，并且然后对隔室15内的处理后和未处理的气凝胶进行有选择地分层或填充，实现所希望的传导性梯度，可以获得所选择的传导性梯度。通过多种方法，包括由碳或金红石对气凝胶17进行涂敷，可以实现乳浊化。在已有技术中公知的减小雷达和/或微波信号的方法是，面板9的传导性梯度最好沿面板9的最外层向面板9最靠近与其相连的交通工具表层的部分传导性增加。当然更多的传导性涂料可以施加在气凝胶17内，或额外导电性的或磁性填充剂可以布置在隔室15内，以产生所希望的导电梯度。应该理解的是，有选择地使乳浊化气凝胶17、非乳浊化气凝胶17及其它填充物分层可以使用在本发明任何一个实施例中。

当所选择的隔室15由所选择的气凝胶17和/或其它材料的组合填充到所希望的程度后，将上表层19(参考图3)附加在芯材11的顶部上，完成面板9的制作。如图3所示，芯材11由两层膜粘结剂22夹持。膜粘结剂22用于将芯材11与下表层13和上表层19连接在一起。根据不同用途，可以改变表层的材料。适合的表层材料包括玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉尔纤维和石英。在使用某些材料的某些应用中，可以使用室温固化。其它固化方法可能要求高温和/或压力，以便实现适合的固化。应该理解的是，面板9可以采用单独一种固化方式或一系列固化操作。

可以确定的是，与结合气凝胶17和空气相比，在热性能方面，对隔室15抽真空具有显著的好处。另外，隔室15可以填充低密度气体，从而无需由通过在下表层13和上表层19的压差施加的额外的机械应力，就能改进热性能。

现在参考附图中的图4和5，其分别图示了具有多个根据本发明芯材的吸收雷达面板23的部分透视图和示意图。如图所示，面板23包括上芯材25(参考图5)、下芯材27、底表层29和顶部表层31(参考图5)。更具体地说，面板23优选还包括设置在顶部表层31和上芯材25之间的膜粘结剂33、设置在上芯材25和下芯材27之间的膜粘结剂33、设置在下芯材27和底表层29之间的膜粘结剂33、设置在底表层29内位于不连续的玻璃纤维层32之间的接地平面30。应该理解的是，吸收/阻挡垫或板(将在下文介绍)可以在如图5所示的一个或多个位置上毗邻膜粘结剂33地设置。上芯材25包括多个上隔室35，下芯材27包括多个下隔室36。上隔室35和下隔室36优选填充气凝胶37。如上所述，气凝胶37优选可以由多种涂料处理，从而改善或改变气凝胶37的雷达/微波衰减性能。更具体地说，如上所述，具有不同级别乳浊化涂料的气凝胶37可以在上隔室35和下隔室36内有选择地分层，以在整个面板23的厚度方向上产生所希望的传导性梯度。

如图4所示，上芯材25和下芯材27优选地设置成使上芯材25的上隔室35和下芯材27的下隔室36在垂直方向上明显地对准，与上隔室35和下隔室36处于非对准的状态相比，叠置后的芯材25和27的垂直对齐的上隔室35和下隔室36通常产生改进的红外/热信号减小性以及结构的完整性。膜粘结剂33(带支撑的类型)通常为一连续板，其包括涂敷或浸泡了未固化的粘结剂的纤维或玻璃纤维的网状物/稀织布，然而膜粘结剂33可以是不带支撑的类型，其仅包括粘结层。此外，可以理解的是，膜粘结剂33可以被穿孔、成网状，或切除某些部分，从而当使上芯材25和下芯材27适合地对齐时，网状膜粘结剂33仅覆盖上芯材25和下芯材27需要接触和结合的区域。通过使膜粘结剂33变成网状，可以显著地减少面板23的整体重量。当然，可以在本发明任一个实施例中使用网状膜粘结剂。

现在参考附图中的图6，其示意性地图示根据本发明的雷达吸收面板39的示意图。所示的面板39包括上表层41、吸收或阻挡垫或板43、吸收膜粘结剂45、吸收预浸渍芯材47、导电接地平面49以及下表层51。上表层41、预浸渍芯材47、接地平面49、多个玻璃纤维层50和下表层51在结构上和功能上非常类似于面板23中的类似元件。如图所示的吸收/阻力垫或板43位于在上表层41内的不连续玻璃纤维板之间，并且位于下表层51和与芯材47的底部相连的膜粘结剂45的层之间。然而，板43和/或类似的板或织物可以位于面板39或面板23内不同的不连续的水平位置，以实现所希望的传导性梯度。值得注意地，在面板39中典型的膜粘结剂的玻璃纤维网孔基板优选由雷达/微波吸收材料替代。通过将雷达/微波吸收装置组合在膜粘结剂45内，面板39的传导性梯度进一步有选择地被改变。当然，吸收膜粘结剂45可以应用在本发明其它实施例内。

现在参考附图中的图7，其图示出根据本发明的雷达吸收面板53的示意性简化示图。面板53包括第一芯材55、第二芯材57、第三芯材59、上表层61和下表层63。芯材55、57、59结构上类似于上述其它实施例的芯材。表层61、63在结构上类似于上述其它实施例的表层。非常重要的是，如图所示，面板53包括两个以上的芯材。应该理解的是，其它实施例也可以具有3个以上的芯材。芯材55、57、59逐渐变厚，然而不同实施例的面板53可以具有多个芯材，从而尺寸不同的芯材不要堆叠得逐渐增大或逐渐变小。例如尺寸不同的芯材可以用任何其它适合顺序进行堆叠。此外，面板可以由任何数量的芯材组成，每个芯材具有任何适合厚度，所述芯材采用任何适合顺序或方式进行堆叠。

很明显已经描述并图示了具有显著优点的发明，虽然以有限形式表示本发明，但是本发明并不局限于此，而是在不脱离本发明实质精神范围内，能够进行各种改进和修正。

Claims (21)

1一种交通工具的面板，包括：

第一表层；

第二表层；

设置在第一表层和第二表层之间的蜂窝结构，其由多个大的隔室排列组成，每个隔室具有选择的体积，并设置在第一表层和第二表层之间；及

其特征在于：所述蜂窝结构适于衰减交通工具的电磁信号。

2根据权利要求1所述面板，其进一步包括：

设置在蜂窝结构的多个隔室内的热绝缘材料，并且其中所述热绝缘材料减小交通工具的电磁信号。

3根据权利要求2所述面板，其特征在于：所述热绝缘材料是气凝胶。

4根据权利要求3所述面板，其特征在于：至少一部分气凝胶经乳浊化涂料的处理。

5根据权利要求4所述面板，其特征在于：将所述气凝胶设置在多个隔室内，从而在所述隔室内有选择地产生导电梯度。

6根据权利要求1所述面板，其特征在于：所述隔室具有六边形横截面形状。

7根据权利要求1所述面板，其特征在于：所述蜂窝结构由预浸渍材料形成。

8根据权利要求7所述面板，其特征在于：所述预浸渍材料被预先由吸收雷达材料浸渍。

9根据权利要求1所述面板，其特征在于：所述隔室的尺寸至少为3/8英寸。

10根据权利要求1所述面板，其还包括：

在第一表层和第二表层之间设置的第二蜂窝结构

11根据权利要求1所述面板，其还包括设置在第一表层内的接地平面。

12一种交通工具面板，其包括：

第一表层；

第二表层；

由多个隔室排列组成的第一蜂窝结构，每个隔室具有选择的体积，并设置在第一表层和第二表层之间；

由多个隔室排列组成的第二蜂窝结构，每个隔室具有选择的体积，并设置在第一表层和第二表层之间；

设置在第一蜂窝结构的隔室和第二蜂窝结构的隔室内的热绝缘材料；及

其特征在于：

第一蜂窝结构、第二蜂窝结构及热绝缘材料都适于衰减交通工具的电磁信号。

13根据权利要求12所述面板，其特征在于：第一蜂窝结构和第二蜂窝结构的厚度大致相同。

14根据权利要求12所述面板，其特征在于：第一蜂窝结构的隔室和第二蜂窝结构的隔室基本对准。

15根据权利要求12所述面板，其特征在于：第一蜂窝结构的隔室和第二蜂窝结构的隔室有选择地填充乳浊化气凝胶，从而产生传导性梯度。

16根据权利要求12所述面板，其特征在于：第一表层由碳和环氧树脂的复合材料制造。

17根据权利要求12所述面板，其特征在于：第一蜂窝结构和第二蜂窝结构由预浸渍材料形成。

18根据权利要求17所述面板，其特征在于：预浸渍材料被预先由吸收雷达材料浸渍。

19一种同时减小交通工具的雷达信号和红外信号的方法，包括下述步骤：

设置第一表层；

设置第二表层；

由预浸渍材料形成一蜂窝结构，该蜂窝结构具有隔室排列；

将所述蜂窝结构设置在第一表层和第二表层之间；

在蜂窝结构的隔室内设置热绝缘材料。

20根据权利要求19所述方法，其特征在于：所述隔室很大。

21根据权利要求19所述方法，其还包括下述步骤：

由预浸渍材料形成第二蜂窝结构，该第二蜂窝结构具有隔室排列；及

将所述第二蜂窝结构设置在第一表层和第二表层之间。

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