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小火箭出品
本文作者：邢强博士
说起飞行器，大家当然会想到火箭、。这些潇洒地翱翔驰骋在天空的人类造物，充分诠释了我们对天空和自由的无限憧憬。
或许很多人认为，当她们在天际畅游的时候，已经能够凌驾于对流层之上，俯瞰茫茫云海，从此与缪斯女神作伴，聆听空气动力学与结构力学的优美音乐，不用再像我们这些困在地面的人类遭受暴雨带来的窘迫了吧！
然而，现实往往会以各种方式来吵醒我们充满浪漫主义情怀的美梦。飞行器和雨滴之间的并非没有交集。相反，回顾自第二次世界大战以来的飞行器设计，小火箭发现了飞行器和雨滴之间的纠葛，尤其在飞行器的尖端，也就是雷达天线罩上，凝结了太多和雨滴之间的恩恩怨怨。现在就让小火箭回顾过往展望未来，梳理出一部飞行器雷达天线罩和雨滴的抗争史吧！
看上去美美的 但却伤物于无形
1944年6月15日，盟军首次使用B-29轰炸机对日本本土进行轰炸。在寇蒂斯·爱默生·李梅将军的领导下，美军展开了“马特霍恩行动”。68架B-29轰炸机从成都起飞，轰炸位于日本北九州的八幡钢铁厂。
B-29向日本33个城市投下宣传单，警告在之后数天将空袭上面所列的12座城市。
随着战争的进行，B-29轰炸机编队对日本本土的轰炸便逐渐常态化。为了能够提高作战效能，B-29轰炸机上配备了可伸缩收放的AN/APQ-13雷达。该雷达被放置在一个半球形的透波外壳内，安放在B-29轰炸机的机腹的两个弹舱之间。该雷达罩的最大直径为 76.3 厘米，伸出来时向机身下部凸出 60 厘米。
本来，这个雷达还是发挥了不小的作用的。但是，1945年的一天，出事儿了。美军一名地勤人员对B-29轰炸机进行例行检查的时候发现：雷达天线罩上面出现了裂纹，并有进一步发展为裂缝的可能。他立即上上级汇报了这件事情。
起初，这仅仅是被当做一起有关生产质量的小问题来处理的。战时生产的质量难免出现一点瑕疵。但是，渐渐地，关于雷达天线罩的裂纹的报告越来越多。美国军方决定让生产厂商关注这个问题，并让飞机和雷达的供货商随时准备提供“真正合格”的雷达天线罩。
这就引起了风波。B-29轰炸机是波音公司的得意之作，可以说是集中了当时最先进的航空科技。比如，如上图所示的B-29炮塔的减阻设计，相对于传统炮塔来说，更符合空气动力学要求。该机的增压座舱、遥控炮塔等设计也算是开了现代轰炸机的先河。波音当然不允许美国军方对飞机的设计产生怀疑。
而B-29上面的这部雷达，则是大名鼎鼎的贝尔实验室和麻省理工学院联合研制的。虽然那个半球状的凸出并不十分符合空气动力学要求，但是这是保证雷达正常工作的一种设计。雷达的生产由西部电气公司代工。在1869年成立的西部电气公司无论如何也不会让别人说自己生产了不合格的产品。
最后，麻省理工学院主动请缨，接下了彻查B-29雷达天线罩“不合格”原因的调查任务。
麻省理工学院检测了整个雷达系统的电气、结构和气动，并未发现异常。对大量天线罩样品的力学测试也证明，B-29轰炸机飞行产生的气动力并不会损伤天线罩。正在人们一筹莫展的时候，项目组中的一名学生发现了一个规律：带有“不合格”雷达天线罩的B-29轰炸机的作战记录和当时执行任务时候的气象记录之间有非常明显的“巧合”：凡是雷达罩出现了裂纹的B-29轰炸机，在执行任务的时候都曾经穿越了降雨区域！
B-29轰炸机的巡航速度为350千米/小时，也就是97.2米/秒。当B-29轰炸机在飞行过程中遇到雨滴的时候，雨滴会以这样的相对速度撞击到雷达罩表面，对雷达罩造成伤害。麻省理工学院制造了试验装置，模拟了高速水滴连续撞击雷达罩表面的情况，结果复现了美军地勤人员描述的那种创伤。
其实，自古以来，人们对水的力量就有所了解。古人云，水滴石穿。（比如：罗大京《鹤林玉露》卷十：“一日一钱，千日千钱，绳锯木断，水滴石穿。”）这个说法通常被语文老师解释为“坚持的力量是无比巨大的”。但是，如果把这个现象拿给做物理的人，就会是另一番说法了。
在流动的液体中，当压力在非常短的时间内比饱和蒸气压低的时候，液体会滚沸并出现大量直径在100微米以下小气泡。当气泡破裂时，周围的液体向着气泡中心冲去，产生细小而强劲的压力波，引起噪声和振动，并对接触到气泡的物体表面造成伤害。
上世纪20年代，正是大吨位的远洋巨轮快速发展的时期。工程师们对螺旋桨无法在海洋中长时间保持理想状态曾经迷惑不解。直到后来的空穴效应理论成熟发展之后，有关螺旋桨在水中工作不久就会出现奇特的侵蚀现象才得到了解释。注意上图中的螺旋桨上的由气泡造成的伤害。
当下落的水滴遇到坚硬物体的时候，水滴先被碰扁，然后向四面八方溅落，而就在水滴如花朵般绽放的瞬间，大量的极其细小的气泡便同时产生了。于是，当气泡破裂的时候，水的威力便显现了出来。
给天线罩穿雨衣
找到了问题的来源，那么剩下的就是寻找解决问题的方法了。（麻省理工学院的师生后来设计出了流线型的雷达天线罩，取代之前的圆球，使其力学特性好了很多，这是题外话了。）
既然是防雨，那么工程师们首先想到的就是雨衣了。能不能给天线罩穿一层雨衣呢？天线罩的制造商与雷达设计师充分讨论后，认为这个方案是可行的。毕竟当时雨衣的主要成分都与金属不太沾边（其实现在也是），几乎不会对雷达的性能造成明显的影响。
于是，从上世纪50年代开始，飞行器的雷达天线罩上就普遍穿上了雨衣。最早的天线罩雨衣是什么材料的呢？这就得问杜邦公司了。
1930年4月17日杜邦公司的华莱士·卡罗瑟斯博士制成了一种很结实的材料。1931年11月，杜邦公司宣布发明了氯丁橡胶，并于1937年正式将其推向市场。实际上，氯丁橡胶是世界上第一个实行了工业化生产的合成橡胶品种。（另外值得一提的是，尼龙也是华莱士·卡罗瑟斯博士发明的，看上图的样子，有没有和小火箭一样，想到传统相声《卖布头》中的唱段呢？“是禁洗又禁晒，禁铺又禁盖，禁拉又禁拽，是禁蹬又禁踹！”）
这是由氯丁橡胶制成的游泳衣。氯丁橡胶有良好的物理机械性能，耐日光、耐燃、耐油、耐臭氧、耐酸碱、耐化学试剂。
带有氯丁橡胶涂层的雷达天线罩终于能够抵御雨滴的侵袭了。但是，这仅限于亚声速飞行的时候。氯丁橡胶在超声速飞行的飞行器上的使用效果不佳。这使得当时有着一个规定，就是原则上不建议飞行器以超声速的状态穿越降雨区域。
到了上世纪60年代，更好的“雨衣”出现了，这就是聚氨酯天线罩涂层。聚氨酯比氯丁橡胶有着更好的抗热性能：聚氨酯可以在24小时内持续处于175℃的环境中而保持足够的机械性能和抗雨性能，而氯丁橡胶在90℃的环境中不一会儿就不行了。
如今，聚氨酯材料在飞机雷达天线罩上依然有着大量的应用，底漆、抗静电层和防雨侵蚀涂层中，都有聚氨酯材料的身影。更有试验证明，聚氨酯涂层与玻璃纤维增强的环氧复合材料的结合有着超出人们期望的高强度。
一名美国海军的工程师正在维护P-3巡逻机的机头雷达天线罩。这个天线罩最外面一层便是25至26微米厚的聚氨酯防雨侵蚀涂层。
由于能够在更高的温度环境中使用，采用聚氨酯涂层的飞行器可以在速度不超过2马赫的情况下安心应对风雨。而采用氯丁橡胶涂层的飞行器则只能以亚声速的状态穿越降雨区域。
当然，经过十年的摸索，工程师们选用聚氨酯可不仅仅只有抗热这么一个原因。氯丁橡胶的喷涂难度较大，而且要求在极低湿度的环境中进行喷涂。聚氨酯则好涂多了，在40%湿度环境中也可以进行喷涂。这对于建设在海边的维护基地来说，是个令人兴奋的优势（喷涂工厂再也不用常年开着噪声巨大的抽湿设备了）。
另外，聚氨酯可以在天线罩上可靠地附着36个月以上，而氯丁橡胶在半年后就得实施补喷。不过，老氯丁橡胶的透波性能要更好一些，透过率高达98.8%，聚氨酯的透过率为93.4%。好在涂层非常薄，差别也就没那么明显了。
进入量化研究时代
上世纪70年代之后，高分子复合材料飞速发展，各种各样的涂层开始出现。而飞行器的性能也得到了快速进步。于是，传统的雷达天线罩抗雨侵蚀技术的研究方法就不太适用了。
美国工程师在新墨西哥州搭建了一个长长的轨道，然后以火箭为动力，将被测物体加速到需要的速度。
这个设施从1949年8月份开始就在建造，一直到最近，该试验基地一直处于不断扩建的状态中。
而从上世纪70年代开始，防雨侵蚀材料的研究开始大量借用这个长长的火箭助推测试平台。这条轨道长15.24千米。用来进行防雨侵蚀材料试验的时候，火箭助推器会把绑在滑车上的试件加速推进3.8千米，然后开始一段接近匀速直线运动的状态。
在5.5千米处，一台带有大喷嘴的洒水设备开始向高速运动的试件喷水。当距离轨道终点还有5.9千米的时候，火箭滑车减速，直到停止运动。以该火箭滑车和轨道的技术状态来说，即使是模拟5倍声速状态下的雨侵蚀情况也是能够实现的。
在火箭助推滑车的轨道旁边，经常能够看到各种战斗机的机头，除了用来测试防雨侵蚀雷达天线罩外，还能够测试弹射座椅、机上航电设备等。
瑞典的萨博飞机公司没有采用美国那样的“土豪”方法，而是用一个旋转机构来产生试件所需的速度。
防雨侵蚀试件被固定在一个旋臂的一端。旋臂旋转起来以后，测试设备的上部架起来的横梁中设置的喷水孔向下喷水，制造出一个降雨环境。
这是瑞典萨博公司的防雨侵蚀材料测试设备中进行测试的12个试样的测试结果。
小火箭在这里解释一下：12个试样的照片排成3行4列的样子。第1行的4个试样是有机玻璃；第2行是某型复合材料；第3行是玻璃纤维复合材料。
然后再看列：第1列是对照组。该组试样在没有雨滴的环境中转动后，从设备上取下，以便和受到雨滴侵蚀的试样进行比对。
第2列是试样以100米/秒的线速度运动1.5小时的样子。（这种环境类似于美军的B-29在1945年轰炸日本时遇到的情况）
第3列是试样以200米/秒的线速度运动5分钟的样子。
第4列是试样在300米/秒的线速度运动5分钟的样子。（已经面目全非）
另外要说的是，第2列、第3列和第4列的降雨环境均为：模拟每小时24毫米的降雨量，模拟雨滴的直径为2毫米。（雨滴直径与侵蚀效果之间有直接关系）
，其典型飞行速度通常在2.5马赫以内。，与如今的民用产品之间没有太大差别。。在尖端，飞行时温度比较高的地方，涂有耐热树脂。有的批次涂的是酚醛树脂（我记得之前的高中化学课堂上有制备这种树脂的试验，不知现在还有没有），有的批次涂的是双马来酰亚胺树脂（不过这种树脂在隐身涂料上用得更多一些）。
，但也是在3马赫以内，因此，其雷达天线罩同样不是很考究，采用了和霍克类似的玻璃纤维增强聚酯复合材料工艺，不过防热和防侵蚀涂层采用了聚酰亚胺。苏联人钟爱聚酰亚胺这种材料，自上世纪60年代甚至更早的时候开始，一直到上世纪80年代，各种以聚酰亚胺为核心的研究层出不穷，形成了自己的高分子材料的研究流派。。详见小火箭的微信公众号文章《冲压发动机！不断挑战工程极限！》。
.5马赫。她虽然也是苏联设计生产的，但是她的雷达天线罩一点儿都没马虎。苏联设计师选用石英纤维增强酚醛树脂复合材料打造了她的天线罩，很有现代感。
当然，把雷达导引头剖开来看，依然是浓浓的苏联味道。
像麻雀、，其飞行速度超过2.5马赫（后期型号超过4马赫），之前说的那种聚氨酯涂层也不好用了。另外，，被里面的导引头所接收。
因此，麻雀用熔融浇筑的石英来制造天线罩。在最容易被雨滴侵蚀的尖部，藏了一块金属材料，以增强天线罩的强度。不过，这块金属着实给制导专业的工程师们带来了不少麻烦。
。
，看起来也和麻雀一个样，不过她的雷达天线罩是由氧化铝陶瓷材料制成的。不过从防侵蚀的性能上来看，和麻雀的几乎一模一样。
后来，美国开始采用堇青石玻璃陶瓷材料。这种材料制成的天线罩，其弹性模量达到了15.79MPa以上，而且能够适应更高的飞行速度。上图左侧为堇青石原石，右侧为打磨之后的堇青石宝石。
堇青石
，，其雷达天线罩大多都是采用的这种材料。
，因此其天线罩也是由石英制成的。
美军的9606系的天线罩材料今后会让位给9603系或者更先进的材料。毕竟，像高超声速类的飞行器对防侵蚀和防热的要求会更高。
，以色列有自己的特色。他们采用多孔氮化硅结构来进行制作，。不过，要想摆弄好氮化硅可不是一件容易的事情。需要把氮化硅打成极细的粉尘，然后再用特殊的设备压制成型，然后烧结定型。
另外，美俄在高超声速飞行器上的涂层已经超越了防雨滴侵蚀的范畴，比如俄罗斯某型飞行器上使用的涂层，采用磷酸铝、磷酸铬以及磷酸铬铝为材料，同时继承了苏联独特的编织物衬层透波结构，在保证较高透波率的前提下，能够抵抗1200℃以上的高温，另外，能够长时间以高超声速穿行在云层和降雨区域。
雷达天线罩除了要考虑防雨滴侵蚀外，实际上更重要的还是要保证气动外形和电磁学形状（由此看来，麻省理工的学生们当年在未更换天线罩材料，没有添加涂层的情况下，率先改变天线罩形状的做法是比较合理的。）
雷达天线罩的形状精度要求很高，比如协和飞机的雷达天线罩的加工公差为±0.127毫米，相较于全机61.66米的总长度来说，可谓是一个要求极为严苛的精度了。
至于飞行器雷达天线罩的气动外形和电磁学形状的问题，就留待以后详谈吧。小火箭认为，自从人类发现了雨滴对飞行器的影响以来，这几十年的种种改进和试验，展示了一种由定性分析到定量分析的过程，同时也蕴含着一种科学乐观主义。无论在工程技术上还是在生活中遇到怎样的难题，只要肯静下心来，认真分析，仔细计算，大量试验，大部分情况下总归还是能够找到解决方法的。
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