電磁・水中ステルスおよび抗力低減統合上部構造の付加製造と性能研究

出典：第3回航空宇宙積層造形会議優秀論文集の章内容著者：Chi Baihong、Liu Jiaxin、Lu Kuan、Li Yuanyuan、Zhang Yibei著者ユニット：航空宇宙科学技術イノベーション研究所、

はじめに：本論文では、電磁ステルス、水中遮音、超疎水性抗力低減の統合メタマテリアル構造を提案する。この構造は、クロスメディア航空機の外皮構造に適用でき、空中ステルス、水中騒音低減、水中抗力低減などの複数の機能を実現し、メタマテリアル構造の小型化と軽量化を実現する。設計された回転積層ピラミッド吸収体は、電磁波吸収帯域幅を拡大します。斜めハニカム5モード材料は、高い構造強度を持ちながら、水中音波の効率的な遮断を実現し、電磁メタマテリアルの基板としても機能します。電磁メタマテリアルをベースに、積層造形と超音波キャビテーション技術を使用して、異なるマイクロナノスケールの異方性表面超疎水性構造を形成し、水中抵抗を減らし、流れの制御を実現します。この統合された上部構造材料は、クロスメディア航空機構造設計の分野で幅広い応用の見通しを持っています。

クロスメディア航空機は、空中飛行と水中潜行が可能な新概念の航空機であり、航空機のスピードと潜水艦のステルス性を併せ持ち、空中、水上、水中で敵と味方の情報を入手し、敵の防衛システムの弱点を狙い、空中と水中の手段を総合的に活用して侵入するなど、マルチタスク能力を備えている。

本論文では、クロスメディア航空機の生存性と攻撃能力を向上させるために、空中レーダー波ステルス、水中ソナーステルス、水中航行抵抗低減を備えた電磁/水中ステルスと抗力低減統合上部構造を研究する。これは、敵のマルチシステム検出システムの下で航空機の空中および水中侵入の確率を高めるのに役立ち、水上艦、潜水艦、対潜ヘリコプターなどの伝統的な海上戦闘力に対する切り札兵器となる。

1 構造設計とシミュレーション解析

1.1 全体的な構造設計
レーダー波ステルス、水中ソナーステルス、水中航行時の抗力低減のニーズを満たすため、全体の設計は3層構造になっています。最上層は回転積層ピラミッド吸収体で、電磁波吸収帯域幅の拡大に使用されます。中間層は六角形斜めハニカム5モード遮音材で、水中音波の効率的な遮断を実現し、高い構造強度を備えています。電磁メタマテリアルの支持基板として使用できます。最下層は、異なるマイクロナノスケールの異方性表面超疎水性構造で、水中抵抗を減らし、水流ノイズを低減するために使用されます。全体の構造を図1に示します。

図1 全体構造
1.2 回転積層ピラミッド構造とシミュレーション解析 共鳴広帯域吸収体の設計と研究において、金属誘電体積層構造は常に人気のある設計アイデアでした。主に狭帯域吸収ピークの連続的な重ね合わせを利用して広帯域吸収の設計コンセプトを形成するため、金属層の数を増やすことが吸収帯域幅を拡大する鍵となります。この方法は、ピラミッドや円錐台などの円錐構造によく適用されます。しかし、円錐構造自体の高さのため、吸収体の帯域幅をさらに広げることは困難です。吸収帯域幅を改善するために、非線形ピラミッド構造、多重ピラミッド構造、複数の誘電体材料の積層構造などの方法も多くの研究者によって提案されています。しかし、これらの構造はすべて、性能が向上するにつれてサイズが大きくなるという欠点があります。

本論文では、ピラミッド型吸収体の吸収帯域幅を効果的に改善する新しい方法を提案する。従来のピラミッド構造を中心軸に沿って層ごとに回転させることにより、つまり金属パッチの各層に一定の回転角度を導入することにより、構造の高周波吸収帯域幅を効果的に拡大することができます。 FIG2 は、層ごとの回転法に従って設計されたねじれピラミッド型メタマテリアル吸収体です。図２ａは、複数の金属誘電体層から構成される従来のピラミッド型吸収体を示しており、各金属パッチの厚さはｗ１であり、パッチ間の誘電体層の厚さはｗ２である。金属パッチは、側面傾斜角αで垂直方向に層ごとに配置されます。図2cは、私たちが提案したねじれピラミッド型電波吸収体の吸収ユニットです。図中の吸収ユニットは、図2aに示す従来のピラミッド吸収構造ユニットをベースにしており、金属パッチの各層ごとに中心軸の周りに回転角度β/20が導入され、合計回転角度はβです。

図2 ピラミッド型吸収体の構造単位の模式図 (a) 従来のピラミッド型吸収体（対照群） (b) 従来のピラミッド型吸収体の吸収体の側面図 (c) ねじれピラミッド型吸収体 (d) ねじれピラミッド型吸収体の吸収体の上面図図3aに示すように、本論文では、回転積層ピラミッド型吸収体を電磁ステルス構造として設計している。対照群の従来のピラミッド構造と比較して、吸収率が高く、さらに基本吸収帯域幅外の高周波領域で超広帯域吸収効果を発揮し、90%以上の吸収率を維持できる。

図3bに示すように、ねじれピラミッド構造の3次共振周波数は従来のピラミッド構造の共振周波数よりもはるかに低いため、ねじれピラミッド構造の3次磁気共鳴モードは高周波広帯域範囲の基本磁気共鳴モードと結合し、追加の広帯域吸収を実現できます。

図3 電子構造層のシミュレーション結果 (a) 従来のピラミッドとねじれピラミッドの吸収率、(b) 共鳴層表面のエネルギー損失分布
1.3 斜めハニカム遮音構造とシミュレーション解析 局所共鳴やブラッグ散乱により遮音効果を生み出すバンドギャップ材料を使用する場合と比較して、インピーダンス不整合による水音の遮音には、広帯域効果という利点があります。等方性固体の法線入射条件下での音響インピーダンスは、質量密度と縦波速度の積であり、その音響インピーダンスは基本的に一定であり変化しません。設計された異方性固体は、特定の方向の音響インピーダンスが非常に小さく、傾斜ハニカムは準横波と準縦波を励起して波の速度を調整し、音響インピーダンスの不整合を形成して遮音効果を実現します。各種ハニカムの遮音効果を図4に示します。

図4 各種ハニカムの遮音効果の模式図本論文で設計した異方性斜めハニカム構造を図5aに示します。具体的なパラメータは次のとおりです。全体の構造はインピーダンスが極めて小さく、250Hz～3500Hzの範囲の低周波水中音を遮断するために使用されます。シミュレーション分析の結果、平均音響透過損失は43dBです。

図5 a) 斜めハニカムの具体的な構造、b) 斜めハニカム遮音構造のシミュレーション解析結果
1.4 マイクロナノ超疎水性構造 材料表面に低表面エネルギー（化学組成）と適切なマイクロナノ粗構造（形態制御）を与えることで、構築された超疎水性界面は、超低表面エネルギー、界面上の高密度ガス層、および極めて小さい固液接触面積を示し、それによって高い疎水性（反発効果）または超低水滴付着性（結合力）を示します。基礎構造は、稲の葉の構造を模倣した超疎水性構造です。稲の葉は異方性があり、水滴は葉脈と平行な方向に転がる傾向があります。本論文で設計された超疎水性構造は、図 6b に示すように、2 つのレベルの構造に分かれています。第 1 レベルは、周期的に配置されたマイクロメートルスケールのプリズム構造であり、第 2 レベルは、多数のナノスケールのシリカ粒子です。

図6 二次マイクロナノ超疎水性構造
2 上部構造の準備 本論文では、回転積層ピラミッド構造を用いて空中での電磁ステルスを実現することを目指し、統合製造プロセスを採用し、積層造形技術におけるマイクロ液滴ジェット形成（MJM）技術を選択して多層メタマテリアル吸収体を製造した。図7に示すように、紫外線（395nm）硬化樹脂基板と赤外線（815nm）硬化ナノスケール導電性銀ペーストを原料とし、非接触インクジェット堆積技術を採用して2つの材料の同期混合印刷を実現した。

図7 デュアルノズル非接触インクジェット堆積の原理水中遮音用の斜めハニカム遮音構造を実現するために、本論文では金属積層造形法を使用して斜めハニカム格子構造を製造します。

本論文では、水中抵抗を低減する超疎水性構造を実現するために、積層造形法と超音波キャビテーション法を用いて、稲の葉の表面を模倣した多層の粗いマイクロナノ構造を作製します。積層造形法で製造されたミクロンスケールの流動構造に基づいて、超音波キャビテーションの原理を使用して多数のナノスケールのシリカ粒子を投射し、流動構造の表面にエッチングして固定することで、異方性の流体濡れ性を実現し、効率的な抗力低減の目的を達成します。

図8 (a) 統合上部構造、(b) 回転積層ピラミッド構造、(c) 斜めハニカム遮音構造、(d) マイクロナノ超疎水性構造
3テストと分析 本論文では、電磁ステルスを実現するために回転積層ピラミッド構造サンプルの反射率テストを実施しました。図9aはマイクロ波暗室でのサンプルの実際の測定環境を示し、図9bは異なる入射角でのTE偏波の吸収試験結果を示しています。2〜22GHzの範囲では、入射角が0〜45°の場合、動作帯域幅全体の吸収率は70％以上を維持しています。図9cはTM偏波の吸収曲線です。2〜22GHzの範囲で、入射角が0〜60°の場合、吸収体全体の動作帯域幅は常に安定した広帯域吸収を維持します。さらに、基本共振モードによって励起される広帯域吸収と比較して、3 次共振モードによって励起される高周波広帯域吸収は、TE 偏波と TM 偏波の両方に対して、より優れた入射角不感性を示します。

図9 (a) 吸収構造層試験、(b) TEモードで測定された吸収率、(c) TMモードで測定された吸収率。水中遮音実験試験は、遮音用に使用される高異方性斜めハニカム微細構造サンプルに対して実施されました。測定結果によると、入射水音の250〜1600 Hzの低周波範囲では、遮音性が20 dBを超え、平均遮音性が37 dBであり、シミュレーション結果と基本的に一致しています。

図6 (a) 遮音構造層試験、(b) 遮音構造層試験結果。稲の葉の表面を模した異方性超疎水性構造の表面濡れ性試験を実施した。実験測定の結果、サンプルによって構築された表面は優れた疎水性と異方性を持ち、最高接触角は145°に達することが示された。

図3: 構造表面の濡れ性
4 結論 本論文では、空中電磁ステルス、水中遮音、クロスメディア航空機の超疎水性抗力低減の統合に適したメタマテリアル構造を革新的に提案し、空中電磁ステルス、水中音響ステルス、航行抗力低減の機能を実現できる。この構造では、遮音性5モード材料が水中の音波を効果的に調整できるだけでなく、主な耐荷重構造としても機能します。回転積層ピラミッド吸収体は主に航空レーダーの検出可能性を低減する機能を果たします。異方性マイクロナノ粗面は水と表面の接触角を効果的に高め、超疎水性抗力低減と流量制御機能を実現します。各機能層の製造は積層造形技術によって実現され、実験テストを通じて全体的なパフォーマンスは次のようになります。

（１）電磁ステルス性：広い周波数帯域（２～２２GHz）と大きな入射角でレーダー波の安定した吸収を実現。TEモードでは入射角４５°以下のレーダー波の安定吸収率が７０％以上、TMモードでは入射角６０°以下のレーダー波の安定吸収率が８０％以上。

（２）水中遮音：人工的に設計された異方性斜めハニカム遮音・耐荷重一体構造、200～1600Hzの低周波域での遮音性能は20dB以上。

（３）抗力を低減する超疎水性：異方性マイクロナノ超疎水性構造は稲の葉を模倣しており、接触角は145°以上である。

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