郭正玉　畢冉　馬征崢　羅楚養(yǎng)

摘要：? ? ? 空空導(dǎo)彈是戰(zhàn)斗機(jī)奪取制空作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)的重要武器， 總體設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展和作戰(zhàn)使用需求的推動(dòng)， 使空空導(dǎo)彈飛行距離越來(lái)越遠(yuǎn)， 將面臨突防問(wèn)題。 隱身是增強(qiáng)突防能力的關(guān)鍵， 隱身材料是空空導(dǎo)彈實(shí)現(xiàn)隱身的重要載體和關(guān)鍵技術(shù)， 也是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分。 本文分析了目前在可見(jiàn)光、 紅外和雷達(dá)等技術(shù)領(lǐng)域的隱身材料和智能隱身技術(shù)的研究現(xiàn)狀， 提出了下一階段智能隱身技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：? ? ?空空導(dǎo)彈； 隱身材料； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 智能隱身技術(shù)中圖分類號(hào)：? ? ? TJ765.3; V257

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：? ? A文章編號(hào)：? ? ?1673-5048（2023）02-0021-10

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0127

0引言

隨著空空導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展， 其性能不斷提高， 表現(xiàn)在飛行距離、 飛行速度、 探測(cè)能力、 機(jī)動(dòng)能力、 信息處理能力等多個(gè)方面。 目前國(guó)外現(xiàn)有的空空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)和材料基本上使用的是金屬材料和陶瓷材料， 將智能材料應(yīng)用在空空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 將是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。 智能材料（Intelligent/Smart Material）是20世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來(lái)的新型材料， 智能材料及其設(shè)計(jì)技術(shù)是多學(xué)科交叉的綜合科學(xué)， 是未來(lái)最具有發(fā)展?jié)摿Φ那罢靶匝芯款I(lǐng)域之一［1］。 由于智能材料具有功能多樣性、 復(fù)合性， 目前對(duì)其仍難以確切定義， 但是與功能單一的傳統(tǒng)材料不同， 智能材料往往以復(fù)合、 組裝、 交聯(lián)等方式形成材料體系， 具備所需要的多種功能， 能達(dá)到提高性能、 減輕重量、 降低成本等使用需求。

智能材料是武器裝備更新?lián)Q代的基礎(chǔ)性技術(shù)， 將智能材料應(yīng)用于空空導(dǎo)彈隱身設(shè)計(jì)有著廣闊的應(yīng)用前景。 隱身技術(shù)是通過(guò)對(duì)目標(biāo)可見(jiàn)光、 紅外、 雷達(dá)、 聲音等特征信號(hào)的控制， 使其盡可能地降低至與背景的可探測(cè)特征一致或接近， 從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的低可探測(cè)性［2］。 隱身材料是隱身技術(shù)的重要組成部分， 在空空導(dǎo)彈外形不改變的前提下， 隱身材料是實(shí)現(xiàn)隱身目標(biāo)的物質(zhì)基礎(chǔ)。 隨著材料技術(shù)向著低維化和智能化方向快速發(fā)展， 隱身材料也向著多功能和智能化方向發(fā)展， 智能隱身材料是集感知與響應(yīng)一體的新型功能材料。 與傳統(tǒng)隱身材料不同， 其通過(guò)感知目標(biāo)及周圍環(huán)境的變化， 將感知信息進(jìn)行處理并作出響應(yīng)， 自動(dòng)地調(diào)節(jié)自身特性信號(hào)， 達(dá)到自適應(yīng)隱身的目的［3］。

奪取并保持空中優(yōu)勢(shì)是空空導(dǎo)彈的首要任務(wù)， 在現(xiàn)代空戰(zhàn)中， “先敵發(fā)現(xiàn)、 先敵發(fā)射、 先敵脫離、 先敵摧毀”是制勝的法則， 高速、 大機(jī)動(dòng)、 遠(yuǎn)射程是空空導(dǎo)彈的重要發(fā)展方向［4-5］。 另一方面， 舵翼面、 吊掛、 導(dǎo)航天線等凸出彈體表面的零部件不可避免地會(huì)產(chǎn)生較大的雷達(dá)反射信號(hào)， 并且導(dǎo)彈在發(fā)動(dòng)機(jī)工作階段的尾焰和高速飛行時(shí)的氣動(dòng)加熱均會(huì)產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的紅外特征信號(hào)， 隨著戰(zhàn)斗機(jī)和預(yù)警機(jī)探測(cè)性能的不斷提升， 空空導(dǎo)彈尤其是遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈的隱身性能也就顯得愈發(fā)重要［6］。 隱身材料的智能化， 為未來(lái)飛行器的隱身技術(shù)提供了新思路和新方案。 智能隱身材料具有感知、 回饋、 控制、 執(zhí)行能力， 使得目標(biāo)的特征信號(hào)隨著環(huán)境的變化而變化， 這為下一代航空武器裝備的自適應(yīng)隱身設(shè)計(jì)提供了可能［7］。 根據(jù)不同的目標(biāo)特征信號(hào)， 可以將智能隱身材料分為聲學(xué)智能隱身、 可見(jiàn)光智能隱身、 紅外智能隱身和雷達(dá)智能隱身等幾大類。 本文主要對(duì)可見(jiàn)光、 紅外、 雷達(dá)智能隱身材料的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述， 并對(duì)其在空空導(dǎo)彈上的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1可見(jiàn)光隱身材料

1.1傳統(tǒng)可見(jiàn)光隱身材料

傳統(tǒng)的可見(jiàn)光隱身是通過(guò)涂敷偽裝迷彩和覆蓋偽裝網(wǎng)等手段， 令目標(biāo)與背景的區(qū)分度降低， 減少其被探測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)的機(jī)率［8］。 傳統(tǒng)的可見(jiàn)光隱身材料主要為隱身迷彩涂料， 其主要由成膜物質(zhì)、 顏料、 溶劑和助劑等組成。 實(shí)現(xiàn)隱身目標(biāo)的關(guān)鍵在于顏料的選擇與圖案的設(shè)計(jì)， 由于海陸空環(huán)境的不同， 對(duì)迷彩顏色和圖案的選擇有較明顯的差異。 地面作戰(zhàn)中， 裝備一般選用綠色、 褐色、 沙漠黃色、 黑色等以接近林地、 沙漠等戰(zhàn)地環(huán)境， 在叢林中還會(huì)使用鋸齒狀、 葉片狀的色斑。 而在空中， 作戰(zhàn)飛機(jī)會(huì)根據(jù)探測(cè)角度的差異在不同部位選用不同的迷彩色， 上部常使用綠色與藍(lán)色， 下部常使用灰色、 白色等淺色， 發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管則使用鈦金色。 在海洋環(huán)境中， 艦船一般采用灰色單色涂裝， 也會(huì)由于探測(cè)系統(tǒng)的多方位觀察， 在不同的部位采用差異化的色彩配置［9］。 現(xiàn)階段最為常見(jiàn)的涂料仍是以聚氨酯和丙烯酸鹽為基料， 加褐、 黑、 綠三種顏料配制而成的變形偽裝涂料。 這種三色涂料對(duì)偽裝顏色的劃分更為合理與細(xì)致， 不僅提高了偽裝性能， 也具有更好的物理機(jī)械性能和使用性能［10］。 更有研究人員將可見(jiàn)光、 紅外和高光譜涂層組合在一個(gè)有限的單元中， 設(shè)計(jì)出單元范圍內(nèi)可見(jiàn)光/紅外/高光譜特性的多光譜偽裝涂層［11］。 傳統(tǒng)可見(jiàn)光隱身材料雖然已裝備于各種作戰(zhàn)武器， 但其僅對(duì)低速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)有較好的隱身效果， 限制了作戰(zhàn)裝備的機(jī)動(dòng)性能。 為克服上述缺陷， 關(guān)于可見(jiàn)光智能隱身材料技術(shù)的研究逐漸增多。

1.2可見(jiàn)光智能隱身材料

智能可見(jiàn)光隱身材料可根據(jù)戰(zhàn)地環(huán)境主動(dòng)改變亮度、 色度從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)（如圖1［12］）， 按驅(qū)動(dòng)方式的不同可分為熱致變色材料、 光致變色材料和電致變色材料［13］。 同時(shí)， 隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展， 納米材料在可見(jiàn)光隱身技術(shù)中的應(yīng)用也受到了廣泛關(guān)注。

世界各國(guó)對(duì)智能熱致變色材料的研究有一定的進(jìn)展， 但熱致變色的顏色變化與亮度調(diào)控尚難以滿足應(yīng)用要求［9］。 對(duì)于光致變色材料的研究發(fā)展迅速， 但其在隱身技術(shù)上的應(yīng)用相對(duì)較少。 美國(guó)學(xué)者嘗試將光導(dǎo)纖維與變色染料相結(jié)合， 以實(shí)現(xiàn)纖維顏色的自動(dòng)控制。 Ding等［14］采用浸漬法在商用銅箔上合成了立方CuCl， 被光源照射30 min后， 其顏色可實(shí)現(xiàn)從銅色到黑色的變化， 在可見(jiàn)光隱身領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景（如圖2）。 目前， 光致變色材料已成功在飛機(jī)上應(yīng)用， 美國(guó)“肉食鳥(niǎo)”隱身戰(zhàn)斗機(jī)的蒙皮即采用了這種材料， 在光致變色材料支持下， 戰(zhàn)斗機(jī)能快速結(jié)合環(huán)境背景色進(jìn)行顏色的調(diào)節(jié)， 令自身與背景融為一體， 從而降低被視頻觀察設(shè)備發(fā)現(xiàn)的概率［15］。

對(duì)于電致變色材料的研究， 美國(guó)學(xué)者通過(guò)模擬變色龍?zhí)攸c(diǎn)， 研制了一種變色薄膜。 通過(guò)電壓的變化， 變色薄膜不僅能夠?qū)崿F(xiàn)白、 灰、 藍(lán)等不同顏色的變化， 也可以同時(shí)對(duì)色調(diào)濃淡進(jìn)行改變［7］。 俄羅斯技術(shù)人員研發(fā)了一種電致變色吸波薄膜， 該薄膜采用聚苯胺基復(fù)合材料可在自動(dòng)調(diào)節(jié)蒙皮顏色和亮度的同時(shí)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)波的吸收， 同時(shí)實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光隱身和雷達(dá)隱身［3］。 后續(xù)也不斷有研究人員對(duì)聚苯胺進(jìn)行摻雜， 以期得到更好的隱身效果［16-17］。 Zhang等［18］通過(guò)循環(huán)電化學(xué)法制備了苯胺和鄰硝基苯胺共聚物薄膜， 該薄膜響應(yīng)速度快、 顯色度高， 在-0.1 V， 0 V和0.8 V的電壓下分別呈現(xiàn)出蘋果綠、 深綠色和深藍(lán)色。 隨著電壓的變化， 薄膜的反射率也具有較大的調(diào)制空間， 存在同時(shí)實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光與紅外隱身的潛力。 除此之外， Liang等［19］利用鋰離子在電場(chǎng)下， 在超薄石墨中的插層行為， 實(shí)現(xiàn)了材料的顏色變化以及紅外反射率可調(diào)（如圖3）， 圖中黃色框內(nèi)為電池中超薄石墨。

納米材料在可見(jiàn)光隱身技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵性作用， 相關(guān)研究主要依據(jù)光的折射、 反射原理實(shí)現(xiàn)。 美國(guó)普度大學(xué)研究人員將金屬針置入錐形物體中， 通過(guò)調(diào)整針的角度和長(zhǎng)度來(lái)改變材料對(duì)光的折射率， 以此實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光隱身［9］。 加州大學(xué)設(shè)計(jì)出一種可變折射率的納米超材料， 通過(guò)調(diào)整該材料的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)光線路徑的改變， 從而實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光隱身［15］。 Qiao等［20］構(gòu)建出一種新型核殼Fe3O4@SnO2納米鏈復(fù)合材料（如圖4）， 其具有優(yōu)異的微波吸收性能， 最小反射損耗值為-39.4 dB（5.67 GHz）。 通過(guò)調(diào)整SnO2殼層的厚度可以令試驗(yàn)品呈現(xiàn)不同的顏色， 并表現(xiàn)出對(duì)可見(jiàn)光的選擇性吸收。 此外， Fe3O4@SnO2在1～3 μm和3～5 μm的大氣窗中分別具有0.64和0.51的紅外反射率， 顯示出紅外隱身性能， 可用于多頻段兼容隱形。 Chen等［21］采用磁控濺射法制備了Al-SiO2納米摻雜復(fù)合膜， 當(dāng)SiO2的體積含量為6.9%時(shí)， 復(fù)合膜的紅外發(fā)射率低至0.12， 可見(jiàn)光吸收率高達(dá)67%。 同時(shí)Al-SiO2的低紅外發(fā)射率和高可見(jiàn)光吸收率解決了紅外隱身與可見(jiàn)光隱身之間的相容性問(wèn)題。

綜上， 智能可見(jiàn)光隱身材料主要通過(guò)改變材料的亮度和色度以及光反射特征以實(shí)現(xiàn)隱身目的。 在未來(lái)， 開(kāi)發(fā)更多變色體系， 提高材料的變色響應(yīng)速度， 可以令隱身材料適應(yīng)更多變的環(huán)境， 減小被探測(cè)的幾率。 除此之外， 將智能可見(jiàn)光隱身材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合， 如設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣涵道以及機(jī)身的結(jié)構(gòu)布局可以進(jìn)一步提高飛行器的可見(jiàn)光隱身效果［22］。

2紅外隱身材料

所有溫度高于熱力學(xué)零度的物體都能發(fā)出紅外輻射， 不同溫度的物體發(fā)射出來(lái)的紅外輻射波長(zhǎng)不同， 紅外探測(cè)系統(tǒng)就是依靠目標(biāo)和背景溫度不同而造成的熱輻射差異來(lái)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別目標(biāo)。 因此要想實(shí)現(xiàn)紅外隱身， 就要改變自身的紅外輻射特征， 使其與背景的紅外輻射接近， 盡可能融合到環(huán)境中去， 減小目標(biāo)被探測(cè)到的幾率， 達(dá)到隱身的目的。 輻射能力的大小由發(fā)射率和溫度決定， 所以降低目標(biāo)表面發(fā)射率和控制目標(biāo)表面溫度是實(shí)現(xiàn)紅外隱身的基本途徑［23］。 然而， 紅外線熱效應(yīng)強(qiáng)， 極易被物質(zhì)吸收， 因此只有部分波段的紅外線可以在大氣中傳播， 其他波段的紅外線在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生衰減， 其中3～5 μm和8～14 μm是空空導(dǎo)彈紅外制導(dǎo)用探測(cè)器工作波段［24］， 紅外隱身涂層主要針對(duì)于8～14 μm波段［25］。

2.1傳統(tǒng)紅外隱身材料

按照實(shí)現(xiàn)紅外隱身的兩個(gè)基本途徑可將紅外隱身材料分為低紅外發(fā)射率材料和控溫材料。

2.1.1低發(fā)射率材料

低紅外發(fā)射率材料通過(guò)降低目標(biāo)表面的紅外發(fā)射率和紅外輻射特征， 使其不易被紅外探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)和識(shí)別， 主要可分為結(jié)構(gòu)型、 薄膜型、 涂料型。 結(jié)構(gòu)型紅外隱身材料主要是使目標(biāo)的紅外特征與背景一致， 多數(shù)研究都是通過(guò)進(jìn)行材料的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到目標(biāo)［26］。 英國(guó)學(xué)者研發(fā)了“熱屏蔽森林”紅外隱身材料， 將兩片聚乙烯層壓在金屬鋁層的上下兩面， 通過(guò)金屬鋁的升華形成近似層狀結(jié)構(gòu)； 由于聚乙烯的透明性、 鋁的高反射性， 這種結(jié)構(gòu)的紅外總發(fā)射率只有0.2［27］。 薄膜型材料研究重點(diǎn)是使用各種材料制成不同紅外發(fā)射率的薄膜［26］。 涂料型紅外隱身材料一般由填料和粘合劑組成［28］。 其中填料極大地影響著紅外隱身涂料性能， 其組成、 純度、 粒度、 形狀、 熱處理效果、 在涂料中的分散狀態(tài)和含量等都會(huì)影響涂層的紅外輻射效果。 粘合劑是紅外隱身涂料的基本組成部分， 除滿足物理、 機(jī)械性能外， 還具有低紅外發(fā)射率和高透明性能、 與填料有較好的相容性、 與基材有較好的粘接性、 在工作條件下保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn)［29］。

2.1.2控溫材料

紅外輻射能量與溫度成正相關(guān)， 若可以控制物體的溫度便可有效降低其紅外輻射能量。 基于此原理， 控溫紅外隱身材料可通過(guò)降低目標(biāo)表面溫度變化范圍的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外隱身， 主要包括隔熱材料和相變材料［26］。 隔熱材料利用其熱導(dǎo)率低的性質(zhì)， 阻隔物體的熱量發(fā)散， 從而達(dá)到降低物體紅外輻射強(qiáng)度的目的， 起到紅外隱身的效果［30］。 多孔材料是最常見(jiàn)的一類隔熱材料， 由于材料內(nèi)部具有很多孔隙， 而孔隙內(nèi)的空氣導(dǎo)熱系數(shù)一般較低， 會(huì)阻礙熱流的傳遞起到隔熱的作用。 研究較多的是聚合物微球、 空心陶瓷微珠、 氣凝膠等。 相變材料是以潛熱形式儲(chǔ)存和釋放能量的材料， 利用其在相變溫度發(fā)生物相轉(zhuǎn)變時(shí)伴隨的吸熱或放熱效應(yīng)來(lái)保持溫度不變的特性， 減小溫度差， 從而達(dá)到紅外隱身的目的［31］。

2.2智能紅外隱身材料

智能紅外隱身材料是在傳統(tǒng)紅外隱身材料的基礎(chǔ)上， 通過(guò)使材料能夠處理感知信號(hào)并調(diào)整自身發(fā)射率， 從而達(dá)到更高隱身性能的一類新型隱身材料， 包括電致變智能紅外隱身材料、 熱致變智能紅外隱身材料、 智能溫控復(fù)合材料等。

2.2.1電致變材料

電致變智能隱身材料是在電場(chǎng)或電流的作用下， 使得材料組分發(fā)生化學(xué)變化， 改變材料的紅外發(fā)射率， 主要使用導(dǎo)電高分子材料和三氧化鎢等［29］（如圖5）。 Chandrasekhar等［32-33］采用導(dǎo)電高分子（Conductive Polymers， CPs）電致變色材料， 制備了紅外發(fā)射率數(shù)值不同的紅外發(fā)射器件。 不同的CPs電致變色材料， 施加電場(chǎng)后的紅外發(fā)射率不同， 可根據(jù)CPs電致變色材料的不同成分、 含量、 電壓或電流改變紅外發(fā)射率， 在0.4～45 μm波段范圍內(nèi)的紅外反射率可實(shí)現(xiàn)在0.3～0.7范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)可調(diào)， 達(dá)到紅外隱身的目的。 Sauvet等［34］研究了三氧化鎢在3～5 μm和8～12 μm波段紅外發(fā)射率的變化情況， 通過(guò)控制導(dǎo)電因素， 可使得三氧化鎢薄膜的紅外發(fā)射率變化幅度達(dá)到0.4。 Ly等［35］設(shè)計(jì)了一種可見(jiàn)光到中紅外寬帶調(diào)制金屬氧化物基電致變色涂層。 涂層在漂白狀態(tài)下的透射光譜與用于光電流收集的太陽(yáng)光譜曲線（0.3～1.2 μm）吻合， 并且在450 nm處的太陽(yáng)輻射峰值處透射率高達(dá)88%。 涂層的平均中紅外（2～16 μm）發(fā)射率為80%， 平均可調(diào)性為20%。 通過(guò)多層結(jié)構(gòu)之間的阻抗匹配和優(yōu)化形態(tài)的三氧化鎢結(jié)晶度控制， 涂層成功地呈現(xiàn)了從太陽(yáng)能發(fā)射器和熱發(fā)射器到具有紅外隱身能力的保溫涂層的可逆轉(zhuǎn)變。

2.2.2熱致變材料

熱致變材料通過(guò)改變目標(biāo)的表面溫度來(lái)改變材料的紅外發(fā)射率， 材料紅外發(fā)射率隨溫度變化［36-37］如圖6～7所示。 Bergeron等［38］通過(guò)在聚酯薄膜和銫化鋅上沉積銅， 制備了一種膜材料， 該薄膜在0.3～2.4 μm波段紅外吸收率在0.51～0.83可調(diào)， 在8～12 μm波段紅外發(fā)射率在0.20～0.73可調(diào)。 Kim等［39］通過(guò)在二氧化釩中梯度摻雜鎢， 擴(kuò)大了金屬絕緣體的過(guò)渡寬度， 其平滑的發(fā)射率變化可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)熱隱身功能。 這種方法也適用于其他類似的熱偽裝材料， 以改善其被動(dòng)隱身性。

2.2.3智能溫控復(fù)合材料

智能溫控材料是一種可以通過(guò)溫控元件， 將目標(biāo)與環(huán)境的溫差控制在較小范圍內(nèi)， 從而無(wú)法被紅外探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)到的新型智能材料。 一般由目標(biāo)材料、 溫控元件、 溫度傳感器、 控制器、 驅(qū)動(dòng)器和散熱器等六部分組成（如圖8）［26］。? 張升康等［40］構(gòu)造了電致變溫模塊陣列，? 將吸波材料和可見(jiàn)光隱身材料與其結(jié)合， 并和傳感器、 微處理器共同構(gòu)成紅外隱身系統(tǒng)， 該系統(tǒng)工作時(shí)的熱像幾乎與環(huán)境相同。 呂相銀等［41］將半導(dǎo)體變溫器件附著于目標(biāo)材料表面， 根據(jù)傳感器檢測(cè)信號(hào)與控制系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)表面輻射溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 基于變換熱學(xué)， 研究人員推導(dǎo)了變換空間中不同形狀熱集中與熱隱身斗篷的材料參數(shù)， 將不同屬性的熱敏材料集成， 并進(jìn)行線路的設(shè)計(jì)， 可以隨著溫度的變化同時(shí)智能地控制器件沿不同線路進(jìn)行熱集中和隱身［42-43］。 劉洋等［44］將自適應(yīng)熱源引入熱斗篷中， 并對(duì)其熱流控制方法及效果進(jìn)行了研究。 通過(guò)對(duì)不同形狀截面的目標(biāo)隱身效果進(jìn)行仿真， 認(rèn)為自適應(yīng)熱源的引入對(duì)任意對(duì)稱的二維界面都有良好的控溫效果。

綜上， 智能紅外隱身材料將隱身材料技術(shù)由單純控制發(fā)射率和控制溫度， 向著自適應(yīng)控制發(fā)射率和控制溫度相結(jié)合的方向發(fā)展， 隨著新型復(fù)合材料技術(shù)、 微機(jī)械技術(shù)和增材制造技術(shù)的發(fā)展， 智能紅外隱身材料將逐漸小型化、 定制化、 低成本化， 將其與空空導(dǎo)彈的應(yīng)用場(chǎng)景相結(jié)合并進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)， 具備著廣泛的應(yīng)用前景。

3雷達(dá)隱身材料

3.1傳統(tǒng)雷達(dá)隱身材料

雷達(dá)隱身是指通過(guò)改變目標(biāo)的氣動(dòng)外形、 結(jié)構(gòu)特征、 材料特性和電磁特征來(lái)降低其雷達(dá)散射截面積（Radar Cross Section，? RCS）， 使敵方雷達(dá)無(wú)法發(fā)現(xiàn)或識(shí)別［45］。 雷達(dá)隱身材料可以在不犧牲氣動(dòng)外形的基礎(chǔ)上使目標(biāo)獲得較高的隱身性能， 因此在隱身設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。 傳統(tǒng)雷達(dá)隱身材料主要分為涂覆型［46］和結(jié)構(gòu)型［47］兩大類。 涂覆型雷達(dá)隱身材料主要是將吸波劑與有機(jī)溶液混合制成復(fù)合功能涂料涂覆在飛行器表面， 結(jié)構(gòu)型雷達(dá)隱身材料是將吸波劑分散在結(jié)構(gòu)材料（碳纖維復(fù)合材料）中， 使結(jié)構(gòu)具有吸波/承載一體化功能［48］。 通常來(lái)說(shuō)， 吸波劑需要有較高的吸收和耗散電磁波的性能， 基體材料則需具有良好的透波性能。 按作用機(jī)理的不同可以將吸波劑分為電介質(zhì)型、 磁介質(zhì)型和電阻型三類［49］。 介電損耗主導(dǎo)的吸波劑包括ZnO， TiO2， MnO2和BaTiO3等非磁性金屬氧化物， SiC等介電陶瓷， SiO2等其他無(wú)機(jī)非金屬材料［50-53］。 磁損耗為主的吸波劑往往含有磁合金、 磁性金屬氧化物等高磁導(dǎo)率的材料， 如磁性金屬粉末、 羰基鐵、 鐵氧體、 氮化鐵等［54-57］。 導(dǎo)電損耗主導(dǎo)的吸波劑通常具有優(yōu)異的導(dǎo)電性， 如碳材料和導(dǎo)電聚合物等［58-60］。 盡管傳統(tǒng)雷達(dá)隱身材料已經(jīng)取得了長(zhǎng)足發(fā)展， 如含鐵氧體、 陶瓷材料、 碳材料、 金屬微粉的吸波涂層或復(fù)合材料已經(jīng)成功的在戰(zhàn)斗機(jī)和巡航導(dǎo)彈上廣泛應(yīng)用。 但是， 隨著反隱身技術(shù)的快速發(fā)展， 傳統(tǒng)雷達(dá)隱身材料存在的吸波頻帶窄、 密度大、 高溫吸波性能不佳等缺點(diǎn)， 已無(wú)法滿足新一代武器裝備的隱身要求。 為此， 以智能材料、 手性材料、 納米材料為代表的新型吸波材料成為了下一代雷達(dá)隱身材料的主要發(fā)展方向。

3.2智能雷達(dá)隱身材料

隨著智能材料和傳感技術(shù)的發(fā)展， 融合了感知、 處理、 控制等技術(shù)的智能雷達(dá)隱身材料得到了廣泛關(guān)注， 并逐漸在新一代武器裝備中開(kāi)展應(yīng)用研究， 主要包括動(dòng)態(tài)自適應(yīng)雷達(dá)隱身材料（Dynamically Adaptive Radar-Absorbing Materials，? DARAM）［61］和智能蒙皮［62-63］兩個(gè)方向。 前者主要是對(duì)目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)特征智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究， 后者主要對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境智能感應(yīng)系統(tǒng)的研究。 DARAM通過(guò)感應(yīng)入射的電磁波， 實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)吸波材料的電磁參數(shù)， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)寬頻電磁波的強(qiáng)吸收， 其主要研究方向是電磁參數(shù)可調(diào)聚合物材料和主動(dòng)頻率選擇表面（Absorptive Frequency Selective Surface，? AFSS）［64］。

3.2.1可調(diào)表面吸收頻率技術(shù)

頻率選擇表面（Frequency Selective Surface， FSS）是由大量的導(dǎo)電貼片或孔徑元件構(gòu)成的二維周期性陣列［65］， 將其與雷達(dá)吸波材料結(jié)合， 可同時(shí)具備頻率選擇和吸波能力， 從而實(shí)現(xiàn)智能雷達(dá)隱身［66］。 Chang等［67］提出了可電控FSS的概念， 進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)試并建立了等效模型。 姜曉宇等［68］在FSS單元四邊縫隙中加載PIN二極管， 在 0.6～ 3.2 GHz 的范圍內(nèi)， 其透射系數(shù)均可以調(diào)整至0.7以上， 具有較強(qiáng)的靈活性。 曾憲亮等［69］構(gòu)造出一種含PIN管的多層AFSS吸波體， 通過(guò)改變二極管兩端的偏壓狀態(tài)， 可在2.5～9.1 GHz對(duì)AFSS 吸波體的反射率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控。 Narayan等［70］將有源FSS作為接地層用于隱形應(yīng)用。 有源FSS結(jié)構(gòu)通過(guò)改變二極管的開(kāi)閉， 令電磁特性可以實(shí)現(xiàn)由反射模式到發(fā)射模式的可調(diào)。 在二極管導(dǎo)通狀態(tài)下， FSS 用作天線的接地平面， 可降低其帶外 RCS； 在關(guān)閉狀態(tài)下， FSS 可傳輸9.3～10.7 GHz的探測(cè)信號(hào)， 覆蓋天線的工作頻率范圍， 從而降低天線的帶內(nèi)結(jié)構(gòu)RCS。 Liang等［71］提出了一種雙功能可切換且頻率可調(diào)諧的FSS， 將二極管嵌入到雙層FSS結(jié)構(gòu)中， 通過(guò)調(diào)節(jié)偏置電壓控制二極管， 實(shí)現(xiàn)FSS濾波和吸收模式切換， 其工作頻率可連續(xù)調(diào)節(jié)（如圖9）。 通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其雙功能切換和調(diào)諧特性。

3.2.2電磁參數(shù)可調(diào)聚合物材料

電磁參數(shù)可調(diào)聚合物材料在外加條件下具有介電性能的可控性［66］。 對(duì)導(dǎo)電高分子進(jìn)行摻雜， 通過(guò)改變摻雜物的濃度， 可改變其電磁特性， 得到理想的電磁特性材料［73-74］。 Barnes等［75-76］研究了聚苯胺-銀復(fù)合材料在可變電場(chǎng)下的反應(yīng)， 發(fā)現(xiàn)施加不同直流電勢(shì)可以控制其發(fā)生可逆反應(yīng)， 令其具有不同的導(dǎo)電性。 將該材料構(gòu)造成多層吸波結(jié)構(gòu)， 改變外加電壓， 可令該結(jié)構(gòu)的吸收峰可調(diào)。 除導(dǎo)電高分子材料外， 液晶分子材料也是研究較多的電磁參數(shù)可調(diào)聚合物材料。 Goelden等［77］利用液晶分子在電場(chǎng)作用下的取向變化對(duì)其介電性能進(jìn)行調(diào)控。 Hu等［78］將向列液晶引入FSS主動(dòng)吸波結(jié)構(gòu)， 通過(guò)外加電壓可以令該結(jié)構(gòu)在一定頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)透射與反射功能的轉(zhuǎn)換。 添加液晶的可調(diào)諧FSS工作機(jī)理與實(shí)物圖如圖10所示。

3.2.3吸波復(fù)合材料設(shè)計(jì)技術(shù)

通過(guò)將吸波材料與傳統(tǒng)材料復(fù)合， 將各自宏觀尺度效應(yīng)和微觀尺度效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合， 實(shí)現(xiàn)多尺度效應(yīng)， 可改善結(jié)構(gòu)的吸波性能。 Huang等［80］提出了一種無(wú)面板縱向波紋結(jié)構(gòu)（如圖11）， 該結(jié)構(gòu)具有棱柱形晶格排列， 其非均質(zhì)化設(shè)計(jì)和可控的加工性提高了波紋結(jié)構(gòu)表面與空氣之間的阻抗匹配， 大多數(shù)入射雷達(dá)波遇到波紋結(jié)構(gòu)降低了反射能力， 材料吸收帶寬增強(qiáng)， 其設(shè)計(jì)的波紋材料和結(jié)構(gòu)在2.31～18 GHz的帶寬內(nèi)具有超過(guò)90%的吸收率。 Fan等［81］對(duì)橡膠基體柔性雷達(dá)吸收復(fù)合材料的組件和構(gòu)型進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)， 在材料成分上使用片狀羰基鐵顆粒增強(qiáng)氫化丙烯腈丁二烯橡膠， 確保了材料的滲透性、 柔韌性、 機(jī)械強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率； 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上通過(guò)全波計(jì)算提出一種修正階躍構(gòu)型（如圖12）， 通過(guò)元件的集成設(shè)計(jì)， 采用5 mm厚的材料結(jié)構(gòu)， 可以在2～30 GHz具有-10 dB的吸收帶寬。 Zhou等［82］采用α-Fe增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂， 提出了一種新型超寬帶兩層周期性階梯式雷達(dá)吸收結(jié)構(gòu)， 具有微觀和中觀尺度結(jié)合的多尺度效應(yīng)， 使得有效阻抗與寬頻率下的自由空間阻抗匹配， 大部分入射能量通過(guò)波形共振、 晶胞強(qiáng)共振和邊緣衍射效應(yīng)而消散， 其設(shè)計(jì)的階梯式材料結(jié)構(gòu)在2.64～40.0 GHz的頻率范圍內(nèi)具有超過(guò)90%的吸收率。 Kwak等［83］設(shè)計(jì)并制備了一種具有鍍鎳玻璃織物的蜂窩夾層雷達(dá)吸收復(fù)合材料， 由兩個(gè)蜂窩芯層和三片皮膚材料組成， 其所設(shè)計(jì)的復(fù)合材料應(yīng)用在機(jī)翼模型的前緣進(jìn)行測(cè)試， 在水平和垂直極化下， 模擬回波降低了10 dB。 Pei等［84］以聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯為基體， 羰基鐵顆粒和片狀銅為吸波材料， 通過(guò)增材制造制備了新型梯度蜂窩吸波結(jié)構(gòu)（如圖13）， 該結(jié)構(gòu)在8～12 GHz范圍內(nèi)具有優(yōu)異的吸收性能（最小反射損耗： -28 dB）， 屏蔽效率大于20 dB。 即使入射波是傾斜的， 其也具有良好的吸波性能（最小反射損耗： -35 dB@35°）， 在入射角度范圍為0～70°， 反射損耗小于-10 dB， 證明該結(jié)構(gòu)材料能夠較好地提高隱身性能。

對(duì)于智能雷達(dá)隱身材料的研究， 目前大都是針對(duì)改變材料吸波特性和反射特性， 技術(shù)途徑包括改變材料電導(dǎo)率和介電常數(shù)、 電磁參數(shù)， 以及改變材料結(jié)構(gòu)等， 后續(xù)的研究需要重點(diǎn)針對(duì)結(jié)構(gòu)材料隱身機(jī)理的深入分析， 準(zhǔn)確地形成吸收和反射峰產(chǎn)生的位置、 帶寬， 材料的吸收程度精準(zhǔn)控制及小型化， 隱身與材料強(qiáng)度一體化設(shè)計(jì)等方向。

4總結(jié)

空空導(dǎo)彈作為機(jī)載戰(zhàn)術(shù)武器裝備在制空作戰(zhàn)中首當(dāng)其用。 目前世界各軍事強(qiáng)國(guó)基本裝備了第四代空空導(dǎo)彈， 逐步開(kāi)展了對(duì)未來(lái)空空導(dǎo)彈的探索研究。 伴隨機(jī)載平臺(tái)的裝備技術(shù)水平和遠(yuǎn)程作戰(zhàn)支援能力的提高， 世界軍事強(qiáng)國(guó)在空戰(zhàn)武器發(fā)展方面， 逐步從視距內(nèi)格斗、 中遠(yuǎn)距攔射向超視距、 超遠(yuǎn)程攔截的方向擴(kuò)展， 可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離上提前對(duì)敵方重要目標(biāo)進(jìn)行打擊。 對(duì)空空導(dǎo)彈來(lái)說(shuō)， 射程越來(lái)越遠(yuǎn)， 隱身對(duì)于其進(jìn)攻和突防來(lái)說(shuō)都具有重要的意義， 隱身是未來(lái)空空導(dǎo)彈技術(shù)發(fā)展和進(jìn)一步提高戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的關(guān)鍵技術(shù)。 目前隱身材料已在飛行器上有了較多的應(yīng)用， 如Agusta公司的A-129武裝直升機(jī)將綠色涂層與排氣口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合， 降低了其閃光信號(hào)［22］。 美國(guó)F-22整個(gè)機(jī)身表面有偽裝涂層， 可以抑制飛機(jī)的紅外輻射［85］。 其在機(jī)載武器上的應(yīng)用也不斷發(fā)展， 英國(guó)的“風(fēng)暴前兆”巡航導(dǎo)彈、 俄羅斯的Kh-102導(dǎo)彈均應(yīng)用了雷達(dá)隱身材料。 “風(fēng)暴前兆”彈體采用了碳纖維夾層材料， 令雷達(dá)波耗散于夾層的泡沫塑料中； Kh-102在發(fā)動(dòng)機(jī)渦扇葉片上使用了隱身材料， 令雷達(dá)反射截面大幅降低［86］。 隱身材料可以在不改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的情況下提高導(dǎo)彈的隱身性能， 但要實(shí)現(xiàn)其更廣范圍的應(yīng)用還需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上取得進(jìn)一步發(fā)展。 首先， 智能材料應(yīng)覆蓋更多的隱身頻段以兼顧全頻段隱身效果； 其次， 智能材料應(yīng)具備利用深度學(xué)習(xí)等技術(shù)對(duì)目標(biāo)信息特征的精準(zhǔn)測(cè)量和預(yù)測(cè)能力， 以提高對(duì)于目標(biāo)信息的感應(yīng)精度， 從而精準(zhǔn)調(diào)整自身材料的特性和隱身能力； 再次， 智能材料應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新的復(fù)合材料和新型結(jié)構(gòu)， 利用變形變體等新技術(shù)， 形成多功能復(fù)合結(jié)構(gòu)和材料， 提高隱身效果； 最后， 應(yīng)該進(jìn)一步探索新的隱身機(jī)理， 利用仿生學(xué)、 超材料、 可調(diào)節(jié)/重構(gòu)隱身、 電磁對(duì)消等技術(shù)， 形成能夠應(yīng)用于空空導(dǎo)彈的新型隱身方式。

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Application Prospect of Intelligent Stealth

Materials in Air-to-Air Missile Structure Design

Guo ZhengyuBi Ran Ma Zhengzheng Luo Chuyang

（1． China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China；

2． National Key Laboratory of Air-based Information Perception and Fusion， Luoyang 471009， China；

3． Center for Civil Aviation Composites， Donghua University， Shanghai 201620，? China）

Abstract： Air-to-air missile is an important weapon for aircraft to gain the superiority of air control combat. With the development of overall design technology and the promotion of operational use requirements，? air-to-air missile will fly farther and farther and face the problem of penetration. Stealth capacity is crucial for the missile penetration. Stealth material is an important carrier and key technology for air-to-air missile stealth，? and also an important part of its structure design. This paper analyzes the current research status of stealth materials and intelligent stealth technology in visible light，? infrared，? radar and other technical fields，? and puts forward the development focus of intelligent stealth technology in the next stage.

Key words： air-to-air missile； stealth materials； structure design； intelligent stealth technology