超材料技术在航空武器装备的应用前景分析

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。

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。

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。

图、电磁超材料可以具有负折射率性质

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。

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

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

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