超材料技术在航空武器装备的应用前景分析

2016-03-29 来源:空天防务观察作者:胡燕萍 我要评论(0) 字号:

近年来,在军用天线等应用领域,国外超材料技术取得了突破性进展。例如,英国BAE系统公司和伦敦玛丽女王学院研制出一种新型超材料平面天线,利用超材料平面汇聚电磁波的特性,替代了传统天线的抛物面反射器或球形“镜头”,实现了天线减重、小型化和带宽扩展、信号增强。超材料平面天线研制的突破可能使飞机、舰艇、无线电和卫星等的天线设计产生重大变革,进而影响到这些武器平台的设计。

一、超材料的原理和特点

超材料(metamaterial)是指通过人为设计微结构特征单元及其排列位置和方式,在宏观上表现出天然材料所不具备的某些超常物理性能的人工材料。从20世纪60年代开始,借助于计算材料科学和计算机技术的快速发展,超材料研究首先在电磁领域开展,随后快速拓宽到声、光等领域。与常规材料相比,超材料具有以下三大特点。

超材料研制实现了材料设计模式的变革。超材料的研制方法采用从功能到结构的“自上而下”的新颖逆向设计方法,可按功能实现基本特征微结构单元的设计及其排布的精确剪裁,突破了试凑法为主的传统材料研发方法。

超材料结构设计的典型案例

图、超材料结构设计的典型案例

超材料作用范围可以横跨整个波谱频段。理论上,针对不同的波长,都可以设计出在此波谱范围起作用的超材料。结构特征单元的尺度及形貌由工作波段的波长决定。典型的超材料有对光起作用的光子晶体,其单元大小在纳米和微米量级;对电磁起作用的左手材料、超磁材料,其单元大小在微米到厘米量级;对声波起作用的声子晶体、金属水,其单元大小在厘米到米量级。

不同工作频段超材料的基本特征结构单元

图、不同工作频段超材料的基本特征结构单元

超材料具备超常的物理性质。这些性质包括负折射、反多普勒效应、反常光压等。以电磁性能为例,传统材料的介电常数和磁导率均大于零,而超材料可以实现介电常数和磁导率均为负值,从而具备负折射率。此时,电磁波在超材料界面上发生负折射,即波的折射发生反向。除传统电磁波外,还可利用超材料对光、声波的传播方向进行控制。

电磁超材料可以具有负折射率性质

图、电磁超材料可以具有负折射率性质

超材料对光的负折射现象

图、超材料对光的负折射现象

二、超材料国外技术发展状况及应用进展

从国外公开信息判断,目前超材料尚处于基础研究及应用研究阶段。进入新世纪以来,在基本原理发现及武器装备应用方面的重大研究成果频出,显示了提升武器装备性能的巨大潜力及良好发展前景。2010年美国《科学》杂志将超材料评为过去2000年以来人类十大科技突破之一。美、日、俄等国及美国波音、雷神公司等企业高度重视超材料研究,给予长期支持。2012年,美国国防部长办公厅将超材料列为六大颠覆性基础研究领域之一;美空军研究实验室将超材料列入“十大关键领域”;美海、陆、空军共支持了90多家企业进行超材料应用研究。日本政府也将超材料列入新学术领域研究的重点,成立了由东北大学、东北工业大学及国立研究所等牵头的电磁超材料研究会,并在2012年明确表示在下一代战斗机中使用超材料技术;此外有报道显示,俄罗斯也将超材料技术列为其在研的第五代战斗机PAK FA的关键技术。

从目前国外研究进展来看,超材料可能首先在以下四个方面得到军事应用。

1.实现军机宽频隐身和潜艇声隐身

传统军机隐身主要依赖于外形及细节设计和吸波隐身(如采用雷达吸波材料),超材料隐身技术突破了传统的吸波隐身概念,合理设计的超材料具备人为控制的电磁折射率,从而控制电磁波的传播方向,通过“扭曲”电磁波达到隐身效果。2006年美国杜克大学研制出首款在微波频段内工作的二维隐身斗篷,工作频率为8.5吉赫;2012年美国东北大学采用掺杂钪的M类型钡铁氧体薄片与铜线组合,设计和制备了可在36~44吉赫电磁波段内实现可调负折射率的超材料。在光隐身方面,2012年俄罗斯和丹麦研究人员使用掺杂铝的氧化锌制备了在近红外波段隐身的新型Al:ZnO/ZnO材料。超材料还可用于其它武器装备的隐身。例如,2011年西班牙国家研究委员会开发出用于水下目标的二维声学“隐身衣”;2014年3月美国杜克大学研制出世界首个三维声隐身斗篷原型,可以在任何角度让声波绕过。

超材料隐身“斗篷”的原理图

图、超材料隐身“斗篷”的原理图。(a)没有覆盖超材料时,波遇到对象,产生反射,因而被探测到;(b)覆盖了超材料的对象,电磁波传播方向发生改变,绕过对象继续传播,从而实现隐身

美国杜克大学开发出的首个在微波波段工作二维隐身斗篷

图、美国杜克大学开发出的首个在微波波段工作二维隐身斗篷

美国杜克大学开发的首个三维隐身声学斗篷

图、美国杜克大学开发的首个三维隐身声学斗篷

2.用于雷达罩,实现带内高透波/带外高截止

军、民用航空器上采用传统透波材料制成的雷达罩往往会因为热损耗和反射损耗等因素使天线的辐射方向图变差,降低雷达性能。如在雷达罩中引入超材料覆层,无需特别设计雷达罩外形,就可能使电磁波只能在雷达罩垂直面附近的小角度内传播,而其它方向的传播被限制,增强了天线的聚焦性和方向性,并可实现雷达隐身。2008年,法国科学家设计了一种开口环共振器结构的超材料雷达罩,其操作频率为2.17兆赫,使增益提高了3.4分贝,方向性提高了2.9分贝。2012年,美国国防部通过小企业技术转移项目资助纳米声学公司开展有关E-2预警机大型雷达罩材料研究,目的是利用超材料技术解决E-2原天线罩存在的结构肋导致天线图产生偏差的问题。德国航宇研究中心也研制出工作频带在36.9吉赫的超材料雷达罩,实现了高带通。

高透波超材料雷达罩

图、高透波超材料雷达罩

3.革新传统天线设计,制作小型超轻的宽频天线

现代军、民用航空器对探测、通信等能力提出了更高的需求,天线小型化和轻量化是发展的必然趋势。将超材料应用到天线的馈电网络、辐射单元和辐射背景等基本构成组件上,可大大降低天线能耗、提高天线增益、拓展天线工作带宽、增强信号的方向性。2012年,印度国家技术研究所采用左手和右手结合的传输线型超材料设计了椭圆形零阶谐振天线,目的是解决零阶谐振天线带宽较窄的问题。这种天线由两个椭圆形单元组成,工作频率范围为4.7~4.9兆赫。试验结果表明,在频率为4.88兆赫的情况下,天线的带宽、增益和辐射效率分别提高5%、2.1分贝和65.9%,呈现出较好的低剖面、宽带和低辐射特性。2014年4月,BAE系统公司采用一种新型功能性复合材料制成的超材料,开发出可以汇聚电磁波的超材料平面。用超材料平面替代传统抛物面天线的反射面,可使天线形状更流线化、尺寸小型化、设备减重;可对电磁参数进行调整,控制波的传播方向,压缩波束宽度,提高了天线的增益;其测试带宽从1~2吉赫到18~20吉赫,可实现多频操作,故可用一副天线替换多副天线,为军机设计和降低雷达截面积带来新选择。BAE系统公司由此成为世界首家成功应用超材料,在不损失任何带宽性能的情况下完成传统曲面天线功能的企业。

英国BAE公司利用超材料平面透镜原理开发出平面天线

图、英国BAE公司利用超材料平面透镜原理开发出平面天线

4.改写传统光学衍射定律,创造军用光学超薄高分辨透镜

传统的显微镜、眼镜以及放大镜无法观测到尺寸小于光波长度的物体。超材料制成的“理想透镜”突破了传统透镜的衍射极限,能对电磁波近场进行成像,从而获得远小于波长的超高分辨能力,极大地提高透镜成像的分辨力。2012年,美国密歇根大学完成了一种新型超材料超级透镜研究,可用于观察尺寸小于100纳米的物体,且工作性能在从红外光到可见光和紫外光的频谱范围内均良好。2013年,美国国家标准与技术研究院展示了一种由银和二氧化钛纳米交替覆盖制作成型的超材料平板透镜。这种超材料透镜制作简单,实现了创纪录的最短波长,可实现约两个紫外光波长距离内的折射,可以弯曲并聚焦紫外线,呈现浮在自由空间中的物体的三维图像。

图、(a)超材料透镜能对所有电光源成像;(b)超材料透镜也能对衰减波放大成像;(c)超材料光学透镜的实验演示。上端:带有超材料透镜的原子力显微镜图像,线宽89纳米,下端:没有超材料透镜的原子力显微图像,线宽321.1纳米

三、超材料的主要技术难点分析

虽然超材料具有广阔的应用前景,但为实现大规模生产应用,尚有许多技术难点有待解决,主要包括以下三个方面。

超材料的小尺度加工精度有待提高。对在可见光和红外波段工作的超材料,其微结构单元尺度在微米、甚至纳米级,现有的加工设备和工艺还难以对其进行精确制造,更难以批量生产,近年微尺度增材制造(3D打印)技术快速发展,加工精度已可达50纳米,这一难题有望得到逐步解决。

超材料的工作频段需要拓宽。现有超材料研究一般局限于某一个波段范围,发展同时具备可见光、红外、雷达波等多个频段及声波隐身功能的蒙皮/壳体或多个发射频段的超材料天线,对于新型军机等武器装备意义重大。

超材料的尺寸需扩展到三维。受设计和生产的难度所限,现有超材料的研究一般局限在二维结构,只能让超材料在某一个固定的角度对波起作用,但未来武器装备必然要求超材料制成的“隐身斗篷”具备全向隐身功能。

四、结束语

从超材料的设计方法和应用前景分析中,可以得出以下三点启示。

· 超材料是材料开发设计模式的创新,打破了传统以化学成分设计调控材料性能的设计模式,转而从材料结构设计的角度出发,从而实现材料的超常性能。

· 超材料的设计对象可以是金属材料、非金属材料,也可以是复合材料,大大放宽了材料设计的自由度,其设计方法适用于所有材料。

· 超材料可实现常规天然材料所不具备的超常物理性能,扩展了设备功能,由此可带来航空武器装备的性能提升和设计自由度的放宽,一旦投入全面应用,将会带来军、民用航空器及其他工业产品设计的变革。

作者:航空工业发展研究中心  胡燕萍

作者简介:

胡燕萍,航空工业发展研究中心青年学者,国防材料情报研究专家。长期跟踪国外国防材料领域研究进展,准确掌握国外国防材料战略发展动向和国防军用材料技术进展,对国外国防关键材料技术及新兴材料技术有深入的研究和独到见解。

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