胡燕萍 美国成功验证宽频可调的雷达吸波超材料样件

《空天防务观察》导读：如果不考虑网络空间和电磁频谱对抗手段，军用航空器的“隐身”该往何处发展?在“从不隐身到隐身”的时代，外形曾占据主导地位，但或许这已是过去时了；在“从隐身到更隐身”的时代，什么才会是主导呢?美国人曾说，得益于采用新的先进材料等因素，B-21“袭击者”轰炸机的隐身性能“比B-2好得多”……结合技术进展来看，也许材料就是“从隐身到更隐身”时代的一个关键。我们在此不判断这里的材料是否尤指超材料，但无论如何，超材料在隐身等许多领域的应用进展是非常值得关注的。2016年2月，美国爱荷华州立大学在美国防部和美国自然科学基金会共同资助下，研发出一种新型柔性雷达吸波超材料。这种超材料采用可拉伸的柔性硅基底，内嵌液态镓铟锡合金开口谐振环作吸波特征结构单元，通过拉伸基底可实现波频段在8～11吉赫兹连续可调，吸波带宽达2吉赫兹，吸波效能较常规雷达吸波材料高100倍。这种柔性、可伸缩超材料制成的智能蒙皮具有良好的吸波效果，有望应用于新一代隐身作战飞机、无人机、未来空间隐身飞行器等，提升武器装备的电磁隐身性能。一、超材料吸波体可打破常规隐身材料性能瓶颈，但只能作用于某一特定频率武器装备隐身性能可通过结构设计与隐身材料两种方式联合使用实现。随着装备平台的发展，结构设计升级空间日渐狭窄，隐身效能提升对材料的依赖加大。常规隐身材料一般是利用“吸波”原理，将进入材料的探测波通过多次折射，衰减吸收，从而减少波的反射，达到隐身效果。目前，利用折射吸波的常规隐身材料在吸波率及全向性这两个方面陷入瓶颈：一是，要达到高吸波率，需要增加吸波材料厚度，但由此会带来武器装备尺寸和重量的增加；二是，由于波入射方向直接影响到吸波效果，常规隐身材料仅对特定入射范围的探测波有高吸收率。超材料的问世为吸波材料突破技术瓶颈提供了一个新的思路。超材料是具备超常物理性能的一类人工设计材料。利用超材料的优异吸波特性制成的完美吸波体，已成为武器装备隐身材料研究的一个热点。超材料可以通过内部微观结构的人工设计，达到常规材料所不具备的超常的吸波性能，其原理是通过特定的开口谐振环的规则排列，将传输进来的探测波，通过谐振的方式，衰减吸收。谐振吸波有两个优点：一是，超材料吸波体理论上仅需等波长厚度即可达到100%的吸波率，吸波效率较折射吸波大大改善，厚度要求远小于常规折射吸波材料；二是，超材料吸波体对任何方向入射的波都具有同样的吸收效果，可实现全向隐身。美国2006年采用铜制开口谐振环制出雷达隐身超材料原型。此后，雷达吸波超材料的研究一直沿用此类固态金属谐振环，吸波带宽窄，频段无法调节。二、新型柔性超材料通过采用液态金属环拓宽频带，实现全向、高效隐身爱荷华州立大学的研究人员针对超材料吸波体仅在窄频带起吸波作用的问题，首次利用液态金属开口谐振环替代固态金属开口谐振环，开发出一款柔性、可伸缩、频段可调的新型超材料电磁谐振隐身样件。新型柔性雷达吸波超材料的上下层基底采用柔性硅材料，中间封装多个按特定规则排列的液态镓铟锡合金开口谐振环。雷达波照射后，开口谐振环与入射波产生共振，形成感应电路，吸收雷达波的能量。该超材料样件长14厘米、宽14厘米，内部均匀排列225个（15行×15列）半径2.5毫米、厚0.5毫米、开口宽度1毫米的谐振环。这种超材料的硅基底拉伸率达50%，开口谐振环采用室温液态的镓铟锡合金，通过拉伸基底改变开口谐振环尺寸，使吸波带宽达2吉赫兹，吸波频段8～11吉赫兹连续可调。将单层超材料包裹压电棒上制成标准件，在微波暗室进行雷达截面积（RCS）性能测试，结果表明，其RCS衰减高达40～60分贝平方米，与现役装备雷达吸波材料相比，隐身效能提高100倍。下一步的工作重点是缩小开口谐振环尺寸，提高吸波频率；发展替代镓铟锡液态合金的低成本材料和针对高温隐身应用的硅基底替代材料。

图1 传统铜制开口谐振环的超材料（上）与新型液态金属开口谐振环超材料（下）（爱荷华州立大学图片）

图2 超材料未拉伸（上）和拉伸后（下）（拉伸应变率29.7%）的内部结构变化（爱荷华州立大学图片）

图3 单层超材料包裹在柱状压电棒上进行RCS测试（爱荷华州立大学图片）三、超材料将为未来装备的全向全频高效隐身提供技术途径隐身技术是现代军事中具有极具战术价值和战略威慑作用的一项技术。未来武器装备对隐身性能有革命性的要求，在不增加重量、损害机动性的前提下，强调隐身材料的全向、宽频、高吸波效能，全面提升突防能力和战场生存力。这项技术的材料设计思路和研究成果验证了超材料吸波蒙皮的频率调节、波段拓宽以及多向波抑制的概念，为可见光／红外／电磁兼容等更高级隐身系统发展奠定了基础，为全向、宽频、高吸波效能的超薄隐身吸波材料提供了一个可行的技术途径。一旦该项技术走向实用化，将对武器装备的隐身效能带来颠覆性的变化。胡燕萍女士此前曾为《空天防务观察》提供9篇专栏文章，如下表：序号篇名发表日期（2015-2016）12014年度国外出台的五大材料发展战略规划2015年1月26日22014年度十大国防材料技术突破2月6日32014年度国外国防材料发展综述3月23日4美国首个《材料基因组战略规划》公布63个重点研究方向3月25日5欧盟“石墨烯旗舰计划”科技路线图确定13个重点研发领域3月27日62015年度国外航空材料技术重大进展2016年3月16日7日美竞相突破第三代碳纤维技术3月21日8超材料技术在航空武器装备的应用前景分析3月25日9碳纤维树脂基复合材料为航空发动机减重6月20日有兴趣的读者，可点击相关文章的“篇名”阅读原文。（中国航空工业发展研究中心 胡燕萍）关注本公众号有以下三种方式：1、点击本文顶部蓝色“空天防务观察”字样，点击“关注”；2、在微信的“通讯录”-“公众号”中，点击右上角的“＋”号，输入“AerospaceWatch”查到到本公众号之后点击，再点击“关注”；3、长按下面的图片，选择“识别图中二维码”，关注本号：