En la ciencia de los materiales , el material absorbente de radiación ( RAM ) es un material que ha sido especialmente diseñado y moldeado para absorber la radiación de RF incidente (también conocida como radiación no ionizante ), de la manera más eficaz posible, desde tantas direcciones incidentes como sea posible. Cuanto más eficaz sea el RAM, menor será el nivel resultante de radiación de RF reflejada . Muchas mediciones en compatibilidad electromagnética (CEM) y patrones de radiación de antena requieren que las señales espurias que surgen de la configuración de prueba, incluidas las reflexiones, sean insignificantes para evitar el riesgo de causar errores de medición y ambigüedades.
Uno de los tipos más eficaces de RAM comprende conjuntos de piezas en forma de pirámide , cada una de las cuales está construida con un material con la pérdida adecuada . Para que funcione de manera eficaz, todas las superficies internas de la cámara anecoica deben estar completamente cubiertas con RAM. Secciones de RAM se pueden quitar temporalmente para instalar equipos, pero se deben reemplazar antes de realizar cualquier prueba. Para que sea lo suficientemente susceptible, la RAM no puede ser ni un buen conductor eléctrico ni un buen aislante eléctrico , ya que ninguno de los dos tipos absorbe realmente energía. Normalmente, la RAM piramidal estará compuesta por un material de espuma de goma impregnado con mezclas controladas de carbono y hierro . La longitud desde la base hasta la punta de la estructura piramidal se elige en función de la frecuencia más baja esperada y la cantidad de absorción requerida. Para la amortiguación de baja frecuencia, esta distancia suele ser de 60 cm (24 pulgadas), mientras que los paneles de alta frecuencia son tan cortos como 7,5 a 10 cm (3 a 4 pulgadas). Los paneles de RAM se instalan normalmente en las paredes de una cámara de prueba EMC con las puntas apuntando hacia el interior de la cámara. La RAM piramidal atenúa la señal por dos efectos: dispersión y absorción. La dispersión puede ocurrir de manera coherente, cuando las ondas reflejadas están en fase pero se dirigen lejos del receptor, o de manera incoherente, cuando las ondas son captadas por el receptor pero están desfasadas y, por lo tanto, tienen una intensidad de señal menor. Esta dispersión incoherente también ocurre dentro de la estructura de espuma, donde las partículas de carbono suspendidas promueven la interferencia destructiva. La dispersión interna puede resultar en una atenuación de hasta 10 dB. Mientras tanto, las formas piramidales se cortan en ángulos que maximizan el número de rebotes que hace una onda dentro de la estructura. Con cada rebote, la onda pierde energía en el material de espuma y, por lo tanto, sale con una intensidad de señal menor. [1] Un tipo alternativo de RAM comprende placas planas de material de ferrita , en forma de baldosas planas fijadas a todas las superficies interiores de la cámara. Este tipo tiene un rango de frecuencia efectivo más pequeño que la RAM piramidal y está diseñado para fijarse a buenas superficies conductoras. Generalmente es más fácil de colocar y más duradero que la RAM de tipo piramidal, pero es menos eficaz a frecuencias más altas. Sin embargo, su rendimiento puede ser bastante adecuado si las pruebas se limitan a frecuencias más bajas (las placas de ferrita tienen una curva de amortiguamiento que las hace más efectivas entre 30 y 1000 MHz). También existe un tipo híbrido, una ferrita en forma piramidal. Al contener las ventajas de ambas tecnologías, el rango de frecuencia se puede maximizar mientras que la pirámide permanece pequeña, aproximadamente 10 cm (3,9 pulgadas). [2]
En el caso de materiales absorbentes de radiación físicamente realizables, existe un equilibrio entre espesor y ancho de banda: la relación óptima espesor/ancho de banda de un material absorbente de radiación viene dada por el límite de Rozanov. [3]
Los materiales absorbentes de radar se utilizan en la tecnología de sigilo para ocultar un vehículo o una estructura de la detección por radar . La capacidad de absorción de un material a una determinada frecuencia de onda de radar depende de su composición. El material absorbente de radar no puede absorber perfectamente el radar a ninguna frecuencia, pero cualquier composición dada tiene mayor capacidad de absorción a algunas frecuencias que a otras; ningún material absorbente de radar es adecuado para absorber todas las frecuencias de radar. Un malentendido común es que el material absorbente de radar hace que un objeto sea invisible al radar. Un material absorbente de radar puede reducir significativamente la sección transversal de radar de un objeto en frecuencias de radar específicas, pero no da como resultado "invisibilidad" en ninguna frecuencia. [4]
Las primeras formas de revestimiento furtivo fueron las pinturas que absorben el radar desarrolladas por el Mayor K. Mano del Instituto Técnico de Tama y el Dr. Shiba de la Escuela de Ingeniería de Tokio para la IJAAF. Se probaron múltiples mezclas de pintura con óxido férrico y caucho líquido, así como óxido férrico, asfalto y aditivo para aviones, obteniendo los mejores resultados. A pesar del éxito en las pruebas de laboratorio, las pinturas tuvieron poca aplicación práctica, ya que eran pesadas y afectarían significativamente el rendimiento de cualquier aeronave a la que se aplicaran. [5]
Por el contrario, la Armada Imperial Japonesa vio un gran potencial en los materiales antirradar y el Segundo Instituto Técnico Naval comenzó a investigar sobre materiales estratificados para absorber las ondas de radar en lugar de pintura. Se aplicaron capas de caucho y plástico con polvo de carbono en proporciones variables para absorber y dispersar las ondas de radar. Los resultados fueron prometedores contra frecuencias de 3000 megaciclos, pero pobres contra radares de longitud de onda de 3 cm. El trabajo en el programa se detuvo debido a los bombardeos aliados, pero los estadounidenses continuaron la investigación después de la guerra con un éxito moderado. [5]
En septiembre de 1944, [6] se introdujeron en el mercado materiales denominados Sumpf y Schornsteinfeger , recubrimientos utilizados por la marina alemana durante la Segunda Guerra Mundial para los snorkels (o periscopios ) de los submarinos , con el fin de reducir su reflectividad en la banda de radar de 20 cm que utilizaban los aliados. El material tenía una estructura en capas y estaba basado en partículas de grafito y otros materiales semiconductores embebidos en una matriz de caucho . La eficacia del material se vio parcialmente reducida por la acción del agua de mar. [7] [8]
Se planeó un uso similar para el avión Horten Ho 229. El adhesivo que unía las láminas de madera contrachapada en su revestimiento estaba impregnado con partículas de grafito que tenían como objetivo reducir su visibilidad para el radar británico. [9] [10]
Uno de los tipos de RAM más conocidos es la pintura de bolas de hierro. Contiene pequeñas esferas recubiertas de hierro carbonílico o ferrita . Las ondas de radar inducen oscilaciones moleculares a partir del campo magnético alterno en esta pintura, lo que conduce a la conversión de la energía del radar en calor. Luego, el calor se transfiere a la aeronave y se disipa. Las partículas de hierro en la pintura se obtienen por descomposición del pentacarbonilo de hierro y pueden contener trazas de carbono , oxígeno y nitrógeno . [ cita requerida ] Una técnica utilizada en el F-117A Nighthawk y otras aeronaves furtivas similares es utilizar bolas de hierro carbonílico aisladas eléctricamente de dimensiones específicas suspendidas en una pintura epoxi de dos partes. Cada una de estas esferas microscópicas está recubierta de dióxido de silicio como aislante a través de un proceso patentado. Luego, durante el proceso de fabricación del panel, mientras la pintura aún está líquida, se aplica un campo magnético con una fuerza de Gauss específica y a una distancia específica para crear patrones de campo magnético en las bolas de hierro carbonílico dentro del ferrofluido de pintura líquida . La pintura se endurece con el campo magnético que mantiene las partículas en su patrón magnético. Se han realizado algunos experimentos aplicando campos magnéticos opuestos norte-sur a lados opuestos de los paneles pintados, lo que hace que las partículas de hierro carbonílico se alineen (de pie, de modo que sean tridimensionalmente paralelas al campo magnético). La pintura de bolas de hierro carbonílico es más efectiva cuando las bolas están dispersas uniformemente, aisladas eléctricamente y presentan un gradiente de densidad progresivamente mayor a las ondas de radar entrantes. [ cita requerida ] Un tipo relacionado de RAM consiste en láminas de polímero de neopreno con granos de ferrita o partículas conductoras de negro de carbono (que contienen aproximadamente un 0,30% de grafito cristalino por peso curado) incrustadas en la matriz de polímero. Las baldosas se usaron en las primeras versiones del F-117A Nighthawk, aunque los modelos más recientes usan RAM pintado. La pintura del F-117 se realiza con robots industriales, por lo que la pintura se puede aplicar de manera uniforme en espesores y densidades de capa específicos. El avión está cubierto de baldosas "pegadas" al fuselaje y los huecos restantes están rellenos con "pegamento" de bolas de hierro. [ cita requerida ] La Fuerza Aérea de los Estados Unidos introdujo una pintura absorbente de radar hecha de ferrofluidosy sustancias no magnéticas. Al reducir la reflexión de las ondas electromagnéticas, este material ayuda a reducir la visibilidad de los aviones pintados con RAM en el radar. La empresa israelí Nanoflight también ha fabricado una pintura que absorbe el radar que utiliza nanopartículas . [11] El ejército de la República de China (Taiwán) también ha desarrollado con éxito una pintura que absorbe el radar que se utiliza actualmente en los buques de guerra furtivos taiwaneses y en el avión de combate furtivo de fabricación taiwanesa que se encuentra actualmente en desarrollo en respuesta al desarrollo de tecnología furtiva por parte de su rival, la República Popular China continental , que es conocida por haber exhibido tanto buques de guerra furtivos como aviones al público. [12] [13]
El absorbedor de espuma se utiliza como revestimiento de cámaras anecoicas para mediciones de radiación electromagnética. [ cita requerida ] Este material consiste típicamente en una espuma de uretano ignífuga cargada con negro de carbono conductor [partículas esféricas de hierro carbonílico y/o partículas de grafito cristalino] en mezclas entre 0,05% y 0,1% (en peso en el producto terminado), y cortada en pirámides cuadradas con dimensiones específicas establecidas para las longitudes de onda de interés. Se pueden realizar mejoras adicionales cuando las partículas conductoras se colocan en capas en un gradiente de densidad, de modo que la punta de la pirámide tenga el menor porcentaje de partículas y la base contenga la mayor densidad de partículas. Esto presenta un cambio de impedancia "suave" para las ondas de radar entrantes y reduce aún más la reflexión (eco). La longitud desde la base hasta la punta y el ancho de la base de la estructura de la pirámide se eligen en función de la frecuencia esperada más baja cuando se busca un absorbedor de banda ancha. Para la amortiguación de baja frecuencia en aplicaciones militares, esta distancia suele ser de 60 cm (24 pulgadas), mientras que los paneles de alta frecuencia son tan cortos como 7,5 a 10 cm (3 a 4 pulgadas). Un ejemplo de una aplicación de alta frecuencia sería el radar de la policía (radar de medición de velocidad de banda K y Ka), las pirámides tendrían una dimensión de alrededor de 10 cm (4 pulgadas) de largo y una base de 5 cm × 5 cm (2 pulgadas × 2 pulgadas). Esa pirámide se colocaría sobre una base cúbica de 5 cm x 5 cm que tiene 2,5 cm (1 pulgada) de alto (altura total de la pirámide y la base de aproximadamente 12,5 cm o 5 pulgadas). Los cuatro bordes de la pirámide son arcos suavemente barridos que le dan a la pirámide un aspecto ligeramente "hinchado". Este arco proporciona cierta dispersión adicional y evita que cualquier borde afilado cree una reflexión coherente. [ cita requerida ] Los paneles de RAM se instalan con las puntas de las pirámides apuntando hacia la fuente del radar. Estas pirámides también pueden estar ocultas detrás de una capa exterior casi transparente al radar, donde se requiere aerodinámica. [ cita requerida ]La RAM piramidal atenúa la señal por dispersión y absorción. La dispersión puede ocurrir de manera coherente, cuando las ondas reflejadas están en fase pero se dirigen lejos del receptor, o de manera incoherente, donde las ondas pueden reflejarse de vuelta al receptor pero están desfasadas y, por lo tanto, tienen una intensidad de señal menor. Un buen ejemplo de reflexión coherente es la forma facetada del avión furtivo F-117A, que presenta ángulos con respecto a la fuente del radar tales que las ondas coherentes se reflejan lejos del punto de origen (generalmente la fuente de detección). La dispersión incoherente también ocurre dentro de la estructura de espuma, donde las partículas conductoras suspendidas promueven la interferencia destructiva. La dispersión interna puede resultar en hasta 10 dB de atenuación. Mientras tanto, las formas piramidales se cortan en ángulos que maximizan el número de rebotes que hace una onda dentro de la estructura. Con cada rebote, la onda pierde energía en el material de espuma y, por lo tanto, sale con una intensidad de señal menor. [14] Otros absorbentes de espuma están disponibles en láminas planas, que utilizan un gradiente creciente de cargas de carbono en diferentes capas. La absorción dentro del material de espuma ocurre cuando la energía del radar se convierte en calor en la partícula conductora. Por lo tanto, en aplicaciones donde se utilizan energías de radar altas, se utilizan ventiladores de refrigeración para extraer el calor generado. [ cita requerida ]
Un absorbente de Jaumann o capa de Jaumann es una sustancia absorbente de radar. [ cita requerida ] Cuando se introdujo por primera vez en 1943, la capa de Jaumann consistía en dos superficies reflectantes espaciadas de manera uniforme y un plano de tierra conductor. Se puede pensar en ella como una pantalla Salisbury generalizada de múltiples capas , ya que los principios son similares. Al ser un absorbente resonante (es decir, utiliza la interferencia de ondas para cancelar la onda reflejada), la capa de Jaumann depende del espaciado λ/4 entre la primera superficie reflectante y el plano de tierra y entre las dos superficies reflectantes (un total de λ/4 + λ/4 ). Debido a que la onda puede resonar a dos frecuencias, la capa de Jaumann produce dos máximos de absorción a lo largo de una banda de longitudes de onda (si se utiliza la configuración de dos capas). Estos absorbentes deben tener todas las capas paralelas entre sí y el plano de tierra que ocultan. Los absorbentes de Jaumann más elaborados utilizan una serie de superficies dieléctricas que separan las láminas conductoras. La conductividad de esas láminas aumenta con la proximidad al plano de tierra.
Se ha demostrado que los resonadores de anillo dividido (SRR) en diversas configuraciones de prueba son extremadamente eficaces como absorbedores de radar. La tecnología SRR se puede utilizar junto con las tecnologías anteriores para proporcionar un efecto de absorción acumulativa. La tecnología SRR es particularmente eficaz cuando se utiliza en formas facetadas que tienen superficies perfectamente planas que no presentan reflexiones directas hacia la fuente de radar (como el F-117A). Esta tecnología utiliza un proceso fotográfico para crear una capa de resistencia sobre una lámina de cobre delgada (aproximadamente 0,18 mm o 0,007 pulgadas) sobre un soporte dieléctrico (material delgado de placa de circuito) grabado en matrices de resonadores sintonizados, cada resonador individual tiene forma de "C" (u otra forma, como un cuadrado). Cada SRR está aislado eléctricamente y todas las dimensiones se especifican cuidadosamente para optimizar la absorción en una longitud de onda de radar específica. Al no ser un bucle cerrado "O", la abertura en la "C" presenta un espacio de dimensión específica que actúa como un condensador. A 35 GHz, el diámetro de la "C" es de cerca de 5 mm (0,20 pulgadas). El resonador se puede ajustar a longitudes de onda específicas y se pueden apilar múltiples SRR con capas aislantes de espesores específicos entre ellos para proporcionar una absorción de banda ancha de la energía del radar. Cuando se apilan, los SRR más pequeños (de alta frecuencia) en el rango se enfrentan primero a la fuente del radar (como una pila de donas que se hacen progresivamente más grandes a medida que uno se aleja de la fuente del radar); se ha demostrado que las pilas de tres son efectivas para proporcionar atenuación de banda ancha. La tecnología SRR actúa de la misma manera que los recubrimientos antirreflectantes funcionan en longitudes de onda ópticas [ dudoso - discutir ] . La tecnología SRR proporciona la atenuación de radar más efectiva de todas las tecnologías conocidas anteriormente y está un paso más cerca de alcanzar la invisibilidad completa (sigilo total, "encubrimiento"). El trabajo también está avanzando en longitudes de onda visuales, así como en longitudes de onda infrarrojas (materiales que absorben LIDAR). [ cita requerida ]
Los radares funcionan en el rango de frecuencia de microondas, que puede ser absorbido por nanotubos de pared múltiple (MWNT). La aplicación de los MWNT a la aeronave haría que el radar fuera absorbido y, por lo tanto, parecería tener una sección transversal de radar más pequeña . Una de esas aplicaciones podría ser pintar los nanotubos sobre el avión. Recientemente, se ha realizado un trabajo en la Universidad de Michigan sobre la utilidad de los nanotubos de carbono como tecnología furtiva en las aeronaves. Se ha descubierto que, además de las propiedades de absorción del radar, los nanotubos no reflejan ni dispersan la luz visible, lo que los hace esencialmente invisibles de noche, muy parecido a pintar de negro los aviones furtivos actuales , excepto que es mucho más efectivo. Sin embargo, las limitaciones actuales en la fabricación significan que la producción actual de aviones recubiertos con nanotubos no es posible. Una teoría para superar estas limitaciones actuales es cubrir pequeñas partículas con los nanotubos y suspender las partículas cubiertas de nanotubos en un medio como la pintura, que luego se puede aplicar a una superficie, como un avión furtivo. [15]
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