臨近空間高超聲速飛行器電磁窗關(guān)鍵技術(shù)探索研究

軒立新

臨近空間（Near Space）通常是指20～100千米的高空，隨著航空航天技術(shù)的迅猛發(fā)展和軍事斗爭(zhēng)領(lǐng)域的不斷拓展，臨近空間作為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)陸海空天電五維一體化戰(zhàn)場(chǎng)的重要組成部分，憑借獨(dú)特的空間和環(huán)境優(yōu)勢(shì)，其潛在的軍事應(yīng)用價(jià)值越來(lái)越受到各國(guó)的關(guān)注。臨近空間將傳統(tǒng)的航空空間與航天空間連成一體，不僅能在預(yù)警探測(cè)、偵察監(jiān)視、通信保障、電子對(duì)抗等方面實(shí)現(xiàn)空天地信息的有效中繼和銜接，還可以為現(xiàn)有的防空反導(dǎo)作戰(zhàn)提供新的思路。同時(shí)，臨近空間極大地拓展了空天戰(zhàn)場(chǎng)的范圍與縱深，形成了一個(gè)嶄新的作戰(zhàn)領(lǐng)域，上可制天，下可制空、制海、制地，成為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的新高地。臨近空間高超聲速飛行器是一種運(yùn)行在臨近空間的具有較高聲速（Ma≥5）的機(jī)動(dòng)飛行器，飛行高度一般為30～60千米，通過高超聲速飛行可以實(shí)現(xiàn)快速全球打擊。這類飛行器一般無(wú)人駕駛、飛行速度快、升空時(shí)間短、攻擊能力強(qiáng)、突防概率高，可進(jìn)行天地往返運(yùn)輸，還可用于摧毀敵方空間系統(tǒng)、攔截彈道導(dǎo)彈和對(duì)地進(jìn)行精確打擊等。臨近空間高超聲速飛行器是未來(lái)臨近空間飛行器系統(tǒng)的重要組成部分，具有很強(qiáng)的打擊能力和機(jī)動(dòng)能力，現(xiàn)有的防空反導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)其也無(wú)能為力，因此，發(fā)展臨近空間高超聲速飛行器迫在眉睫。

電磁窗（雷達(dá)天線罩）是用來(lái)保護(hù)天線或整個(gè)微波系統(tǒng)（雷達(dá)、通信系統(tǒng)等等）在惡劣環(huán)境下能夠正常工作的一種氣動(dòng)/結(jié)構(gòu)/透波功能一體化部件。電磁窗既要承受臨近空間高超聲速飛行器空氣動(dòng)力載荷和環(huán)境熱氣流、雨流的沖刷及其載荷的振動(dòng)沖擊性能，又要滿足微波系統(tǒng)對(duì)功率傳輸效率、瞄準(zhǔn)誤差、天線方向圖畸變等電性能的要求。沒有高性能的電磁窗，高性能的微波系統(tǒng)也將失去其應(yīng)有的效用。因此高性能電磁窗已經(jīng)成為臨近空間高超聲速飛行器不可分割的重要組成部分，對(duì)臨近空間高超聲速飛行器性能產(chǎn)生著重要的影響。

臨近空間高超聲速飛行器電磁窗必須滿足電性能要求、氣動(dòng)性能要求、結(jié)構(gòu)及接口要求、力學(xué)性能要求和隱身性能等要求，同時(shí)還要滿足可靠性要求、維修性要求、保障性要求、測(cè)試性要求、安全性要求和環(huán)境適應(yīng)性等要求。因此，電磁窗技術(shù)是一項(xiàng)涉及到電磁場(chǎng)學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)、材料學(xué)、工藝學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)的復(fù)雜工程。

國(guó)外臨近空間高超聲速飛行器電磁窗相關(guān)信息

X-43A飛行器是一架超高音速無(wú)人駕駛飛行器，設(shè)計(jì)最高馬赫數(shù)為10，試飛中X-43A飛行器做出了接近Ma9.8的超高速飛行，飛離地表超過35千米遠(yuǎn)的高空。為了軌跡追蹤和進(jìn)行溫度測(cè)量，X-43A高超聲速飛行器于尾端部位安裝有多部S波段發(fā)射機(jī)和一部C波段轉(zhuǎn)發(fā)器。飛行器上下表面采用厚度大約為1.3cm的氧化鋁增強(qiáng)熱障陶瓷進(jìn)行熱防護(hù)，電磁窗在熱防護(hù)陶瓷防護(hù)下。根據(jù)HyTech計(jì)劃提到研制的熱屏蔽及電磁窗用材料耐溫要求為不低于927℃，推測(cè)天線安裝部位的最高溫度不高于927℃。

X-51A“乘波者”驗(yàn)證機(jī)設(shè)計(jì)速度為Ma7，從X-51A的總體結(jié)構(gòu)分析，彈身后段有一對(duì)中單操縱尾翼。彈身內(nèi)有指控設(shè)備、遙測(cè)設(shè)備，指控設(shè)備主要工作在L波段，遙測(cè)設(shè)備主要工作在S波段。彈身尾端部位裝有天線、敏感機(jī)、舵機(jī)等部件。另外，凸鏟形進(jìn)氣口后端有一整流罩，該整流罩一直延伸到彈身尾端，此整流罩存在的目的之一就是為保護(hù)位于彈身尾端的電磁窗口。

X-37B是一種可重復(fù)使用的飛行器，軌道高度在204～926千米，能在臨近空間中以Ma5～25的速度超聲速飛行。X-37B機(jī)載多頻段通信天線，兩組太陽(yáng)能帆板提供電能，不論飛機(jī)的方向、角度和軌道如何變化，太陽(yáng)能帆板始終對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，通信天線始終對(duì)準(zhǔn)地球和通信衛(wèi)星。X-37B裝有某種形式的天線桁架，推測(cè)或許在這架X-37B上裝有沒被透漏的更先進(jìn)的某種天線。

通過以上對(duì)美國(guó)X-43A、X-51A和X-37B等高超聲速飛行器相關(guān)信息研究發(fā)現(xiàn)，臨近空間高超聲速飛行器的應(yīng)用環(huán)境主要是對(duì)地偵察、探測(cè)等，通信的主要方向?yàn)榈孛婕靶l(wèi)星通信。根據(jù)臨近空間高超聲速飛行器氣動(dòng)加熱后最低溫度分布在后端，初步推測(cè)臨近空間高超聲速飛行器電磁窗口一般安裝在飛行器的中后端?？紤]X-37B最終的工作環(huán)境為太空，臨近空間僅僅為其進(jìn)入太空的路徑，認(rèn)為X-37B的通訊窗口在不工作時(shí)處于熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的保護(hù)中。

臨近空間高超聲速飛行器電磁窗關(guān)鍵技術(shù)

臨近空間自然環(huán)境復(fù)雜，臭氧、紫外線強(qiáng)烈，飛行器在大氣層邊緣高速飛行時(shí)又會(huì)產(chǎn)生極高的溫度，承受極大的載荷。臨近空間高超聲速飛行器電磁窗主要涉及電性能設(shè)計(jì)技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、強(qiáng)度計(jì)算仿真及試驗(yàn)技術(shù)和電磁窗用高溫材料等關(guān)鍵技術(shù)。

（一）電性能設(shè)計(jì)及試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)

熱變形與承載變形聯(lián)合作用下電磁窗電性能設(shè)計(jì)方法研究。臨近空間高超聲速飛行器在高速飛行過程中，電磁窗窗體的溫度和承受的載荷變化很大，會(huì)使電磁窗的外形發(fā)生改變，需對(duì)飛行過程引起的不同外形條件電磁窗的電性能設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，保證不同狀態(tài)下電磁窗電性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

材料介電性能變化情況下電磁窗電性能設(shè)計(jì)方法研究。臨近空間高超聲速飛行器在高速飛行時(shí)，電磁窗與空氣發(fā)生劇烈的摩擦作用，飛行器的大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，致使電磁窗溫度急劇升高，并且隨著飛行馬赫數(shù)的增加，氣動(dòng)加熱將更趨嚴(yán)重。在不同的溫度狀態(tài)下電磁窗材料的介電性能會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致電磁窗的電性能發(fā)生變化，因此需要對(duì)材料介電性能變化情況下電磁窗電性能設(shè)計(jì)方法開展研究。

電磁窗壁厚隨時(shí)間非均勻變化的電性能設(shè)計(jì)方法研究。臨近空間高超聲速飛行器以高馬赫數(shù)飛行時(shí)，由于受到氣流的沖刷作用而產(chǎn)生氣動(dòng)加熱，電磁窗會(huì)發(fā)生高溫?zé)g。電磁窗不同部位受到的燒蝕作用各不相同，電磁窗因燒蝕減少的厚度也各不相同，整個(gè)電磁窗的壁厚分布隨時(shí)間變化呈現(xiàn)非均勻變化的趨勢(shì)。在電性能設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)壁厚隨時(shí)間非均勻變化的電性能設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。

電磁窗電性能綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究。針對(duì)臨近空間高超聲速飛行器在飛行過程中電磁窗遇到的外形變化、材料介電性能變化、厚度非均勻變化等問題進(jìn)行綜合考慮，建立臨近空間高超聲速飛行器電磁窗電性能綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

（二）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

電磁窗連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。臨近空間高超聲速飛行器在大氣層中高速飛行時(shí)，電磁窗所經(jīng)受的環(huán)境溫度會(huì)迅速升高，因此電磁窗連接結(jié)構(gòu)要能夠耐受住飛行中的高溫環(huán)境。

高溫主動(dòng)防熱和隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。臨近空間高超聲速飛行器在大氣層中以高馬赫數(shù)飛行時(shí)，電磁窗還需要進(jìn)行防熱結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)要確保足夠的強(qiáng)度剛度，足夠的環(huán)境適應(yīng)性能力。熱防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)具備長(zhǎng)壽命、重復(fù)性使用的特征。并且要準(zhǔn)確識(shí)別復(fù)雜溫度場(chǎng)情況下熱載荷作用狀態(tài)，辨別到最大熱載荷工況。

（三）強(qiáng)度分析與試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)

強(qiáng)度分析關(guān)鍵技術(shù)。臨近空間高超聲速飛行器在高速飛行時(shí)，由于電磁窗的溫度極高，溫升速率極快，高溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能會(huì)造成電磁窗的破壞，需進(jìn)行熱流場(chǎng)的評(píng)估和熱沖擊計(jì)算仿真。而且由于飛行速度快，機(jī)動(dòng)性高，其靜力載荷、慣性載荷、振動(dòng)載荷以及沖擊載荷等會(huì)很大，需進(jìn)行電磁窗靜強(qiáng)度和動(dòng)強(qiáng)度的計(jì)算仿真。此外，在高超聲速飛行時(shí)，受到的不是單純的熱載荷或靜載荷，而是兩者的疊加，因此，需對(duì)靜熱聯(lián)合載荷作用下的強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估和仿真。

試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)上面的強(qiáng)度計(jì)算仿真，其相應(yīng)的試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)包括：a）熱沖擊試驗(yàn)，不僅可驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性和有效性，同時(shí)可為后續(xù)更高溫度和溫升率要求的飛行器提供強(qiáng)有力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。b）靜力試驗(yàn)，有效地驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和剛性，破壞載荷試驗(yàn)可監(jiān)測(cè)到裂紋的軌跡。c）振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)，有效地驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的耐振動(dòng)和沖擊性能，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在計(jì)算仿真中沒有發(fā)現(xiàn)的其它問題。d）靜熱聯(lián)合試驗(yàn)，可有效地驗(yàn)證電磁窗在綜合應(yīng)力環(huán)境下的力學(xué)性能。

（四）電磁窗材料關(guān)鍵技術(shù)

電磁窗用高溫耐燒蝕、透波復(fù)合材料設(shè)計(jì)技術(shù)。高溫透波材料經(jīng)歷了從陶瓷材料逐步向復(fù)合材料轉(zhuǎn)變的發(fā)展過程。第一代高溫透波材料以陶瓷為主，典型材料包括氧化鋁、微晶玻璃、石英陶瓷。由于陶瓷材料的熱結(jié)構(gòu)可靠性無(wú)法滿足更高熱力環(huán)境下使用要求，因此發(fā)展了第二代高溫透波材料，以連續(xù)纖維編織體為增強(qiáng)體，通過循環(huán)浸漬致密化形成陶瓷基復(fù)合材料，典型代表包括石英纖維增強(qiáng)二氧化硅基復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)磷酸鹽基復(fù)合材料。較第二代高溫透波材料具有更好的高溫強(qiáng)度及耐燒蝕性能的第三代高溫透波材料是一個(gè)值得關(guān)注的重要發(fā)展方向。第三代高溫透波材料的主要特征是成分體系從M-O二元體系向Si-B-N-O多元體系演化。研究表明，在材料主成分中引入N元素，材料力學(xué)性能明顯提高；B、N等元素的引入，可改變材料燒蝕機(jī)制，調(diào)控材料燒蝕性能。第三代高溫透波材料的典型代表是以新型陶瓷纖維（包括SiBN纖維、Si3N4纖維、BN纖維等）為增強(qiáng)纖維的Si-B-N-O基復(fù)合材料，該材料體系具有更為優(yōu)異的綜合性能。第三代高溫透波材料的關(guān)鍵技術(shù)是新型陶瓷纖維的研制，目前技術(shù)還不成熟，需要進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

電磁窗表面封孔涂層技術(shù)。不管臨近空間高超聲速飛行器電磁窗材料采用第二代還是第三代高溫透波復(fù)合材料，都是連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，其制備工藝的缺陷性導(dǎo)致這種復(fù)合材料的致密度較差，因此在復(fù)合材料表面必須進(jìn)行封孔處理。當(dāng)前的封孔材料不能滿足臨近空間高超聲速飛行器的耐溫要求，需要進(jìn)行耐高溫的封孔涂層及封孔工藝研究。

電磁窗隔熱透波材料技術(shù)。如前所述，當(dāng)飛行器在臨近空間高超聲速飛行時(shí)，電磁窗表面的溫度急劇升高。飛行器電磁窗材料采用纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，特別是氮化物陶瓷材料，其熱導(dǎo)率較高，因此電磁窗艙內(nèi)溫度也很高。為保證飛行器電子設(shè)備的正常工作，電磁窗的隔熱問題已經(jīng)成為制約臨近空間高超聲速飛行器綜合技術(shù)的瓶頸之一，必須開展電磁窗用隔熱、透波、承載一體化的耐高溫輕質(zhì)隔熱材料綜合技術(shù)研究，尤其是材料必須具有良好的隔熱、透波性能，而且在一定的頻帶和溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的介電性能。

臨近空間高超聲速飛行器的開發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)成為各航空航天大國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)，臨近空間也必將成為未來(lái)空間爭(zhēng)奪的重要戰(zhàn)場(chǎng)。要在未來(lái)空間軍事斗爭(zhēng)中占據(jù)一席之地，就必須加大臨近空間高超聲速飛行器相關(guān)技術(shù)的研究。臨近空間嚴(yán)酷的飛行環(huán)境和不斷超越的飛行速度對(duì)電磁窗電性能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算仿真及試驗(yàn)、電磁窗材料等領(lǐng)域提出了重大挑戰(zhàn)。因此需要大力開展有針對(duì)性的關(guān)鍵技術(shù)研究，盡快突破臨近空間高超聲速飛行器電磁窗關(guān)鍵技術(shù)。