Hoe een hardere huid de vorm van stealth-vliegtuigen zou kunnen veranderen

Stealth-jagers en bommenwerpers behoren tot de duurste vliegtuigen ter wereld en ze vertrouwen op een radarabsorberende polymeerhuid om detectie te voorkomen. Maar dat polymeer is zo kwetsbaar dat deze high-end vliegtuigen moeten worden ontworpen op manieren die de huid beschermen – zelfs als dat betekent dat hun prestaties in de lucht worden aangetast.

Een nieuw materiaal staat klaar om dat te veranderen. Door een hardere huid te creëren die ook meer wenselijke stealth-eigenschappen heeft, denken onderzoekers dat het nieuwe materiaal ontwerpers in staat zal stellen om de stealth-jet te heroverwegen.

“Het komt hierop neer: als we de ondersteuning krijgen die we nodig hebben om dit op te schalen, kunnen vliegtuigfabrikanten stealth-vliegtuigen fundamenteel opnieuw ontwerpen”, zegt Chengying “Cheryl” Xu, wiens onderzoeksteam bij NC State de hardere radar heeft ontwikkeld. absorberend materiaal. “Het materiaal dat we hebben ontwikkeld, is niet alleen meer radarabsorberend, het zal ook de volgende generatie stealth-vliegtuigen sneller, wendbaarder en in staat stellen om verder te reizen.”

De uitdagingen

Bestaande stealth-vliegtuigen zijn bekleed met radarabsorberende polymeren. Deze materialen kunnen 70-80% van de energie van radar absorberen. In combinatie met andere ontwerpkenmerken kan dit het radarsignaal van het vliegtuig erg zwak maken. Hoewel dit het vliegtuig niet echt “onzichtbaar” maakt voor de radar, zijn ze wel erg moeilijk te zien. En dat geeft het vliegtuig een enorm voordeel in militaire situaties. (Dit is de reden waarom de uitgaven aan stealth-vliegtuigen naar verwachting zullen toenemen.)

Deze radarabsorberende materialen hebben echter aanzienlijke beperkingen.

Om te beginnen zijn radarabsorberende polymeren niet erg stevig. Blootstelling aan zout, vocht en schurende materialen kunnen deze materialen zeer snel aantasten of zelfs afschilferen.

Een ander probleem is dat radarabsorberende polymeren ontleden bij temperaturen boven 250 graden Celsius, wat leidt tot twee belangrijke ontwerpuitdagingen.

Er zijn twee plaatsen op een jet die bijzonder heet kan worden. Voor supersonische vliegtuigen is een van die plaatsen de voorrand van de vleugels. Als de rand van een vleugel de tegemoetkomende lucht met hoge snelheid raakt, genereert dit een enorme hoeveelheid wrijving. Hierdoor kunnen hotspots op de vleugelrand van meer dan 250 ° C ontstaan. Dit beïnvloedt het ontwerp van de vleugel zelf om wrijving te verminderen – en de bijbehorende hotspots. Deze overwegingen bij het ontwerp zijn echter van invloed op de prestaties van het vliegtuig.

Het tweede hogetemperatuurgebied bevindt zich aan de achterkant van het vliegtuig, omdat zelfs de koelste jetuitlaattemperaturen ruim boven de 250 ° C liggen. uitlaatmondstukken worden niet te heet voor de radarabsorberende huid. Helaas maken de vorm en het gewicht van deze nozzles het vliegtuig minder zuinig, langzamer en minder manoeuvreerbaar.

Een veelbelovende oplossing

Om deze reeks indrukwekkende uitdagingen het hoofd te bieden, hebben Xu en haar medewerkers een keramisch materiaal gemaakt met een even indrukwekkende reeks attributen.

Ten eerste blijkt uit laboratoriumtests dat het keramiek meer radarabsorberend is dan de bestaande polymeren, omdat het 90% of meer van de energie van radar kan absorberen. Het is in feite veel moeilijker voor radar om te ‘zien’.

Daarnaast is het materiaal waterafstotend en harder dan zand. Met andere woorden, het is beter bestand tegen zware omstandigheden.

Bovendien behoudt het keramische materiaal zijn radarabsorberende eigenschappen bij temperaturen tot 1.800 C (en zo koud als -100 C).

Het keramiek kan op het oppervlak van het hele vliegtuig worden aangebracht, en de combinatie van taaiheid en temperatuurbestendigheid zou lucht- en ruimtevaartingenieurs in staat stellen vliegtuigen te ontwerpen die niet worden beperkt door de kwetsbaarheid van de polymeren die door eerdere generaties stealth-voertuigen werden gebruikt.

In feite is het aanbrengen van de keramische “huid” vrij eenvoudig. Een vloeibare keramische precursor wordt op het oppervlak van het vliegtuig gesproeid. En aangezien de vloeibare precursor wordt blootgesteld aan omgevingslucht, ondergaat het een reeks chemische reacties en wordt het omgezet in het vaste keramische materiaal.

“Dit proces duurt een tot twee dagen”, zegt Xu.

Wat is het volgende?

De eigenschappen van het materiaal zijn vastgesteld door middel van laboratoriumtesten. Vanwege kostenbeperkingen hebben onderzoekers echter alleen monsters gemaakt en getest die klein genoeg zijn om in uw hand te passen.

“We hebben onlangs financiering verkregen van het Air Force Office of Scientific Research, waardoor we veel grotere monsters kunnen produceren en testen, dus daar werken we nu aan”, zegt Xu. “Uiteindelijk hopen we samen te werken met industriële partners om dit op te schalen en te gaan werken aan de volgende generatie stealth-vliegtuigen.”

Het werk tot nu toe wordt beschreven in een drietal artikelen die in het tijdschrift zijn gepubliceerd ACS toegepaste materialen en interfaces: “Breedband afstembare microgolfabsorberende keramische composieten gemaakt van polymeer afgeleid SiOC-keramiek en in situ gedeeltelijk oppervlakte-geoxideerd ultra-hoge temperatuur keramiek”, “ultrahoge temperatuur keramiek-polymeer afgeleide SiOC keramische composieten voor hoogwaardige elektromagnetische Interferentie-afscherming “en” Multifunctioneel keramisch composietsysteem voor gelijktijdige thermische bescherming en elektromagnetische interferentie-afscherming voor koolstofvezelversterkte polymeercomposieten. ”