众多应用研究显示,电磁超材料相较于传统隐身材料的技术优势主要体现为两个方面。其一,电磁超材料能够对电磁波的传输特性进行调控,特定频率的电磁波在超材料表面会出现电磁偏折、频率选择性透过等现象,为隐身设计提供了全新的技术途径。其二,超材料具有极高的可设计性,能够依据不同的散射机理有针对性地设计吸收方案,达成更优的吸波成效。
尽管电磁超材料已经取得了部分应用研究成果,然而要更好地应用于航空武器装备仍面临着三方面的挑战。首先,受限于当前的仿真方法与能力,在对超材料隐身结构的电磁散射特性进行分析时,需要对电磁模型和电磁参数进行大量的简化与等效处理,使得仿真评估结果与实际情况存在一定的偏差,方案设计的迭代在很大程度上仍依赖实物测试,进而导致研制周期长、成本高。其次,隐身技术旨在降低目标与背景的对比度,由于天空背景的散射极低,所以航空武器装备对隐身性能的追求是尽可能降低电磁散射。超材料隐身结构被应用于翼面边缘等强散射部位,由于使用部位本身具有较高的散射量值,所以需要超材料具备强大的吸波性能。目前,超材料在低频段相比传统隐身材料具有较为明显的性能优势,但在高频段性能接近,宽频吸波性能仍需提升。同时,超材料的微结构单元在某些情况下会产生次级散射。如何在进一步提升超材料隐身结构吸波性能的同时降低自身次级散射,是航空电磁超材料设计面临的难题。最后,航空武器装备的使用环境伴有振动、高温等极端情况,因此超材料结构不仅要质量轻,还需具备高强度、耐环境性能以及高可靠性。同时,为满足飞机的功能性需求,超材料结构还需要有宽频、高效的电磁吸波能力。如何在有限的空间内和严格的质量条件约束下满足隐身、强度、耐环境等多种性能要求,是超材料从理论研究迈向工程应用需要突破的瓶颈问题。
电磁超材料在调控或吸收雷达波方面表现出色,成为航空武器装备隐身设计的研究焦点。从作用机理划分,航空电磁超材料有电磁偏折型、电磁吸收型和频率选择型三种类型,目前已在部分航空武器装备中得以应用,尽管隐身效果优于传统吸波材料及结构,但仍存在性能优化的设计余地。在质量与空间有限的条件约束下,在满足强度和耐环境要求的同时达成最优隐身性能,乃是航空电磁超材料的设计目标。当下,电磁超材料的设计主要依托于电磁仿真,仿真能力直接左右着方案的迭代速率和最大可设计规模,构建大型仿真环境是进行超材料应用研究的必备条件,同时还应建立超材料微结构性能数据库,收录典型微结构的关键性能参数,以加快方案设计的收敛速度。
随着探测技术持续发展,一方面探测器的灵敏度不断提升,另一方面探测器的工作频谱从雷达、红外、可见光波段扩展至紫外、激光波段。为适应未来战场需求,电磁超材料需从拓展吸波频谱、强化吸波性能、实现吸波智能可调这三个方面谋求发展。
其一,拓展吸波频谱。当前航空电磁超材料主要针对雷达波进行设计,仅对毫米至米级波长的电磁波具有良好吸收效果。考虑到未来的探测威胁,电磁超材料的吸波频谱应进一步向红外、紫外、激光等波段拓展。
其二,增强吸波性能。随着航空武器装备对隐身能力的需求持续提高,航空电磁超材料的吸波性能也需要进一步提升。为满足未来航空武器装备的需求,必须突破现有的吸波机理,持续针对设计和工艺方案开展技术攻关,优化提升航空电磁超材料的宽频吸波性能。
其三,吸波智能可调。将电磁超材料与可调器件相结合进行设计,通过有源加载改变可调器件的工作状态,能够调控超材料的电磁响应,从而实现超材料吸波频段的智能可调。采用智能可调设计可以进一步拓宽超材料的吸波带宽,甚至有望在多个频谱同时实现电磁吸收。
文章参考:航空电磁超材料研究进展及发展建议-SciEngine