智能隐身材料在空空导弹结构设计中的应用展望

摘要：      空空导弹是战斗机夺取制空作战优势的重要武器， 总体设计技术的发展和作战使用需求的推动， 使空空导弹飞行距离越来越远， 将面临突防问题。 隐身是增强突防能力的关键， 隐身材料是空空导弹实现隐身的重要载体和关键技术， 也是其结构设计的重要组成部分。 本文分析了目前在可见光、 红外和雷达等技术领域的隐身材料和智能隐身技术的研究现状， 提出了下一阶段智能隐身技术的发展重点。

关键词：     空空导弹； 隐身材料； 结构设计； 智能隐身技术中图分类号：      TJ765.3; V257

文献标识码：    A文章编号：     1673-5048（2023）02-0021-10

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0127

0引言

随着空空导弹总体设计及相关技术的发展， 其性能不断提高， 表现在飞行距离、 飞行速度、 探测能力、 机动能力、 信息处理能力等多个方面。 目前国外现有的空空导弹结构和材料基本上使用的是金属材料和陶瓷材料， 将智能材料应用在空空导弹结构设计， 将是结构设计技术的重要发展方向之一。 智能材料（Intelligent/Smart Material）是20世纪90年代迅速发展起来的新型材料， 智能材料及其设计技术是多学科交叉的综合科学， 是未来最具有发展潜力的前瞻性研究领域之一［1］。 由于智能材料具有功能多样性、 复合性， 目前对其仍难以确切定义， 但是与功能单一的传统材料不同， 智能材料往往以复合、 组装、 交联等方式形成材料体系， 具备所需要的多种功能， 能达到提高性能、 减轻重量、 降低成本等使用需求。

智能材料是武器装备更新换代的基础性技术， 将智能材料应用于空空导弹隐身设计有着广阔的应用前景。 隐身技术是通过对目标可见光、 红外、 雷达、 声音等特征信号的控制， 使其尽可能地降低至与背景的可探测特征一致或接近， 从而实现目标的低可探测性［2］。 隐身材料是隐身技术的重要组成部分， 在空空导弹外形不改变的前提下， 隐身材料是实现隐身目标的物质基础。 随着材料技术向着低维化和智能化方向快速发展， 隐身材料也向着多功能和智能化方向发展， 智能隐身材料是集感知与响应一体的新型功能材料。 与传统隐身材料不同， 其通过感知目标及周围环境的变化， 将感知信息进行处理并作出响应， 自动地调节自身特性信号， 达到自适应隐身的目的［3］。

夺取并保持空中优势是空空导弹的首要任务， 在现代空战中， “先敌发现、 先敌发射、 先敌脱离、 先敌摧毁”是制胜的法则， 高速、 大机动、 远射程是空空导弹的重要发展方向［4-5］。 另一方面， 舵翼面、 吊挂、 导航天线等凸出弹体表面的零部件不可避免地会产生较大的雷达反射信号， 并且导弹在发动机工作阶段的尾焰和高速飞行时的气动加热均会产生较为强烈的红外特征信号， 随着战斗机和预警机探测性能的不断提升， 空空导弹尤其是远程空空导弹的隐身性能也就显得愈发重要［6］。 隐身材料的智能化， 为未来飞行器的隐身技术提供了新思路和新方案。 智能隐身材料具有感知、 回馈、 控制、 执行能力， 使得目标的特征信号随着环境的变化而变化， 这为下一代航空武器装备的自适应隐身设计提供了可能［7］。 根据不同的目标特征信号， 可以将智能隐身材料分为声学智能隐身、 可见光智能隐身、 红外智能隐身和雷达智能隐身等几大类。 本文主要对可见光、 红外、 雷达智能隐身材料的发展现状进行综述， 并对其在空空导弹上的应用前景进行展望。

1可见光隐身材料

1.1传统可见光隐身材料

传统的可见光隐身是通过涂敷伪装迷彩和覆盖伪装网等手段， 令目标与背景的区分度降低， 减少其被探测设备发现的机率［8］。 传统的可见光隐身材料主要为隐身迷彩涂料， 其主要由成膜物质、 颜料、 溶剂和助剂等组成。 实现隐身目标的关键在于颜料的选择与图案的设计， 由于海陆空环境的不同， 对迷彩颜色和图案的选择有较明显的差异。 地面作战中， 装备一般选用绿色、 褐色、 沙漠黄色、 黑色等以接近林地、 沙漠等战地环境， 在丛林中还会使用锯齿状、 叶片状的色斑。 而在空中， 作战飞机会根据探测角度的差异在不同部位选用不同的迷彩色， 上部常使用绿色与蓝色， 下部常使用灰色、 白色等浅色， 发动机尾喷管则使用钛金色。 在海洋环境中， 舰船一般采用灰色单色涂装， 也会由于探测系统的多方位观察， 在不同的部位采用差异化的色彩配置［9］。 现阶段最为常见的涂料仍是以聚氨酯和丙烯酸盐为基料， 加褐、 黑、 绿三种颜料配制而成的变形伪装涂料。 这种三色涂料对伪装颜色的划分更为合理与细致， 不仅提高了伪装性能， 也具有更好的物理机械性能和使用性能［10］。 更有研究人员将可见光、 红外和高光谱涂层组合在一个有限的单元中， 设计出单元范围内可见光/红外/高光谱特性的多光谱伪装涂层［11］。 传统可见光隐身材料虽然已装备于各种作战武器， 但其仅对低速运动的目标有较好的隐身效果， 限制了作战装备的机动性能。 为克服上述缺陷， 关于可见光智能隐身材料技术的研究逐渐增多。

1.2可见光智能隐身材料

智能可见光隐身材料可根据战地环境主动改变亮度、 色度从而实现对环境的动态自适应（如图1［12］）， 按驱动方式的不同可分为热致变色材料、 光致变色材料和电致变色材料［13］。 同时， 随着纳米技术的飞速发展， 纳米材料在可见光隐身技术中的应用也受到了广泛关注。

世界各国对智能热致变色材料的研究有一定的进展， 但热致变色的颜色变化与亮度调控尚难以满足应用要求［9］。 对于光致变色材料的研究发展迅速， 但其在隐身技术上的应用相对较少。 美国学者尝试将光导纤维与变色染料相结合， 以实现纤维颜色的自动控制。 Ding等［14］采用浸渍法在商用铜箔上合成了立方CuCl， 被光源照射30 min后， 其颜色可实现从铜色到黑色的变化， 在可见光隐身领域具有较大的应用前景（如图2）。 目前， 光致变色材料已成功在飞机上应用， 美国“肉食鸟”隐身战斗机的蒙皮即采用了这种材料， 在光致变色材料支持下， 战斗机能快速结合环境背景色进行颜色的调节， 令自身与背景融为一体， 从而降低被视频观察设备发现的概率［15］。

对于电致变色材料的研究， 美国学者通过模拟变色龙特点， 研制了一种变色薄膜。 通过电压的变化， 变色薄膜不仅能够实现白、 灰、 蓝等不同颜色的变化， 也可以同时对色调浓淡进行改变［7］。 俄罗斯技术人员研发了一种电致变色吸波薄膜， 该薄膜采用聚苯胺基复合材料可在自动调节蒙皮颜色和亮度的同时， 实现对雷达波的吸收， 同时实现可见光隐身和雷达隐身［3］。 后续也不断有研究人员对聚苯胺进行掺杂， 以期得到更好的隐身效果［16-17］。 Zhang等［18］通过循环电化学法制备了苯胺和邻硝基苯胺共聚物薄膜， 该薄膜响应速度快、 显色度高， 在-0.1 V， 0 V和0.8 V的电压下分别呈现出苹果绿、 深绿色和深蓝色。 随着电压的变化， 薄膜的反射率也具有较大的调制空间， 存在同时实现可见光与红外隐身的潜力。 除此之外， Liang等［19］利用锂离子在电场下， 在超薄石墨中的插层行为， 实现了材料的颜色变化以及红外反射率可调（如图3）， 图中黄色框内为电池中超薄石墨。

纳米材料在可见光隐身技术领域发挥着关键性作用， 相关研究主要依据光的折射、 反射原理实现。 美国普度大学研究人员将金属针置入锥形物体中， 通过调整针的角度和长度来改变材料对光的折射率， 以此实现可见光隐身［9］。 加州大学设计出一种可变折射率的纳米超材料， 通过调整该材料的微观结构来实现光线路径的改变， 从而实现可见光隐身［15］。 Qiao等［20］构建出一种新型核壳Fe3O4@SnO2纳米链复合材料（如图4）， 其具有优异的微波吸收性能， 最小反射损耗值为-39.4 dB（5.67 GHz）。 通过调整SnO2壳层的厚度可以令试验品呈现不同的颜色， 并表现出对可见光的选择性吸收。 此外， Fe3O4@SnO2在1～3 μm和3～5 μm的大气窗中分别具有0.64和0.51的红外反射率， 显示出红外隐身性能， 可用于多频段兼容隐形。 Chen等［21］采用磁控溅射法制备了Al-SiO2纳米掺杂复合膜， 当SiO2的体积含量为6.9%时， 复合膜的红外发射率低至0.12， 可见光吸收率高达67%。 同时Al-SiO2的低红外发射率和高可见光吸收率解决了红外隐身与可见光隐身之间的相容性问题。

综上， 智能可见光隐身材料主要通过改变材料的亮度和色度以及光反射特征以实现隐身目的。 在未来， 开发更多变色体系， 提高材料的变色响应速度， 可以令隐身材料适应更多变的环境， 减小被探测的几率。 除此之外， 将智能可见光隐身材料与结构设计相结合， 如设计发动机的排气涵道以及机身的结构布局可以进一步提高飞行器的可见光隐身效果［22］。

2红外隐身材料

所有温度高于热力学零度的物体都能发出红外辐射， 不同温度的物体发射出来的红外辐射波长不同， 红外探测系统就是依靠目标和背景温度不同而造成的热辐射差异来发现和识别目标。 因此要想实现红外隐身， 就要改变自身的红外辐射特征， 使其与背景的红外辐射接近， 尽可能融合到环境中去， 减小目标被探测到的几率， 达到隐身的目的。 辐射能力的大小由发射率和温度决定， 所以降低目标表面发射率和控制目标表面温度是实现红外隐身的基本途径［23］。 然而， 红外线热效应强， 极易被物质吸收， 因此只有部分波段的红外线可以在大气中传播， 其他波段的红外线在传播过程中会发生衰减， 其中3～5 μm和8～14 μm是空空导弹红外制导用探测器工作波段［24］， 红外隐身涂层主要针对于8～14 μm波段［25］。

2.1传统红外隐身材料

按照实现红外隐身的两个基本途径可将红外隐身材料分为低红外发射率材料和控温材料。

2.1.1低发射率材料

低红外发射率材料通过降低目标表面的红外发射率和红外辐射特征， 使其不易被红外探测系统探测和识别， 主要可分为结构型、 薄膜型、 涂料型。 结构型红外隐身材料主要是使目标的红外特征与背景一致， 多数研究都是通过进行材料的结构化设计来达到目标［26］。 英国学者研发了“热屏蔽森林”红外隐身材料， 将两片聚乙烯层压在金属铝层的上下两面， 通过金属铝的升华形成近似层状结构； 由于聚乙烯的透明性、 铝的高反射性， 这种结构的红外总发射率只有0.2［27］。 薄膜型材料研究重点是使用各种材料制成不同红外发射率的薄膜［26］。 涂料型红外隐身材料一般由填料和粘合剂组成［28］。 其中填料极大地影响着红外隐身涂料性能， 其组成、 纯度、 粒度、 形状、 热处理效果、 在涂料中的分散状态和含量等都会影响涂层的红外辐射效果。 粘合剂是红外隐身涂料的基本组成部分， 除满足物理、 机械性能外， 还具有低红外发射率和高透明性能、 与填料有较好的相容性、 与基材有较好的粘接性、 在工作条件下保持其结构稳定等特点［29］。

2.1.2控温材料

红外辐射能量与温度成正相关， 若可以控制物体的温度便可有效降低其红外辐射能量。 基于此原理， 控温红外隐身材料可通过降低目标表面温度变化范围的方法来实现红外隐身， 主要包括隔热材料和相变材料［26］。 隔热材料利用其热导率低的性质， 阻隔物体的热量发散， 从而达到降低物体红外辐射强度的目的， 起到红外隐身的效果［30］。 多孔材料是最常见的一类隔热材料， 由于材料内部具有很多孔隙， 而孔隙内的空气导热系数一般较低， 会阻碍热流的传递起到隔热的作用。 研究较多的是聚合物微球、 空心陶瓷微珠、 气凝胶等。 相变材料是以潜热形式储存和释放能量的材料， 利用其在相变温度发生物相转变时伴随的吸热或放热效应来保持温度不变的特性， 减小温度差， 从而达到红外隐身的目的［31］。

2.2智能红外隐身材料

智能红外隐身材料是在传统红外隐身材料的基础上， 通过使材料能够处理感知信号并调整自身发射率， 从而达到更高隐身性能的一类新型隐身材料， 包括电致变智能红外隐身材料、 热致变智能红外隐身材料、 智能温控复合材料等。