臨近空間高超聲速飛行器電磁窗關鍵技術探索研究

軒立新

臨近空間（Near Space）通常是指20～100千米的高空，隨著航空航天技術的迅猛發展和軍事斗爭領域的不斷拓展，臨近空間作為未來戰爭陸海空天電五維一體化戰場的重要組成部分，憑借獨特的空間和環境優勢，其潛在的軍事應用價值越來越受到各國的關注。臨近空間將傳統的航空空間與航天空間連成一體，不僅能在預警探測、偵察監視、通信保障、電子對抗等方面實現空天地信息的有效中繼和銜接，還可以為現有的防空反導作戰提供新的思路。同時，臨近空間極大地拓展了空天戰場的范圍與縱深，形成了一個嶄新的作戰領域，上可制天，下可制空、制海、制地，成為未來戰爭的新高地。臨近空間高超聲速飛行器是一種運行在臨近空間的具有較高聲速（Ma≥5）的機動飛行器，飛行高度一般為30～60千米，通過高超聲速飛行可以實現快速全球打擊。這類飛行器一般無人駕駛、飛行速度快、升空時間短、攻擊能力強、突防概率高，可進行天地往返運輸，還可用于摧毀敵方空間系統、攔截彈道導彈和對地進行精確打擊等。臨近空間高超聲速飛行器是未來臨近空間飛行器系統的重要組成部分，具有很強的打擊能力和機動能力，現有的防空反導系統對其也無能為力，因此，發展臨近空間高超聲速飛行器迫在眉睫。

電磁窗（雷達天線罩）是用來保護天線或整個微波系統（雷達、通信系統等等）在惡劣環境下能夠正常工作的一種氣動/結構/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力載荷和環境熱氣流、雨流的沖刷及其載荷的振動沖擊性能，又要滿足微波系統對功率傳輸效率、瞄準誤差、天線方向圖畸變等電性能的要求。沒有高性能的電磁窗，高性能的微波系統也將失去其應有的效用。因此高性能電磁窗已經成為臨近空間高超聲速飛行器不可分割的重要組成部分，對臨近空間高超聲速飛行器性能產生著重要的影響。

臨近空間高超聲速飛行器電磁窗必須滿足電性能要求、氣動性能要求、結構及接口要求、力學性能要求和隱身性能等要求，同時還要滿足可靠性要求、維修性要求、保障性要求、測試性要求、安全性要求和環境適應性等要求。因此，電磁窗技術是一項涉及到電磁場學、結構力學、空氣動力學、傳熱學、材料學、工藝學等多學科領域技術的復雜工程。

國外臨近空間高超聲速飛行器電磁窗相關信息

X-43A飛行器是一架超高音速無人駕駛飛行器，設計最高馬赫數為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35千米遠的高空。為了軌跡追蹤和進行溫度測量，X-43A高超聲速飛行器于尾端部位安裝有多部S波段發射機和一部C波段轉發器。飛行器上下表面采用厚度大約為1.3cm的氧化鋁增強熱障陶瓷進行熱防護，電磁窗在熱防護陶瓷防護下。根據HyTech計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℃，推測天線安裝部位的最高溫度不高于927℃。

X-51A“乘波者”驗證機設計速度為Ma7，從X-51A的總體結構分析，彈身后段有一對中單操縱尾翼。彈身內有指控設備、遙測設備，指控設備主要工作在L波段，遙測設備主要工作在S波段。彈身尾端部位裝有天線、敏感機、舵機等部件。另外，凸鏟形進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位于彈身尾端的電磁窗口。

X-37B是一種可重復使用的飛行器，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機載多頻段通信天線，兩組太陽能帆板提供電能，不論飛機的方向、角度和軌道如何變化，太陽能帆板始終對準太陽，通信天線始終對準地球和通信衛星。X-37B裝有某種形式的天線桁架，推測或許在這架X-37B上裝有沒被透漏的更先進的某種天線。

通過以上對美國X-43A、X-51A和X-37B等高超聲速飛行器相關信息研究發現，臨近空間高超聲速飛行器的應用環境主要是對地偵察、探測等，通信的主要方向為地面及衛星通信。根據臨近空間高超聲速飛行器氣動加熱后最低溫度分布在后端，初步推測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最終的工作環境為太空，臨近空間僅僅為其進入太空的路徑，認為X-37B的通訊窗口在不工作時處于熱防護結構的保護中。

臨近空間高超聲速飛行器電磁窗關鍵技術

臨近空間自然環境復雜，臭氧、紫外線強烈，飛行器在大氣層邊緣高速飛行時又會產生極高的溫度，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計技術、結構設計技術、強度計算仿真及試驗技術和電磁窗用高溫材料等關鍵技術。

（一）電性能設計及試驗關鍵技術

熱變形與承載變形聯合作用下電磁窗電性能設計方法研究。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，會使電磁窗的外形發生改變，需對飛行過程引起的不同外形條件電磁窗的電性能設計方法進行研究，保證不同狀態下電磁窗電性能指標的實現。

材料介電性能變化情況下電磁窗電性能設計方法研究。臨近空間高超聲速飛行器在高速飛行時，電磁窗與空氣發生劇烈的摩擦作用，飛行器的大部分動能轉化為熱能，致使電磁窗溫度急劇升高，并且隨著飛行馬赫數的增加，氣動加熱將更趨嚴重。在不同的溫度狀態下電磁窗材料的介電性能會發生變化，導致電磁窗的電性能發生變化，因此需要對材料介電性能變化情況下電磁窗電性能設計方法開展研究。

電磁窗壁厚隨時間非均勻變化的電性能設計方法研究。臨近空間高超聲速飛行器以高馬赫數飛行時，由于受到氣流的沖刷作用而產生氣動加熱，電磁窗會發生高溫燒蝕。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，整個電磁窗的壁厚分布隨時間變化呈現非均勻變化的趨勢。在電性能設計過程中，需要對壁厚隨時間非均勻變化的電性能設計方法進行研究。

電磁窗電性能綜合優化設計方法研究。針對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化設計方法。

（二）結構設計關鍵技術

電磁窗連接結構設計。臨近空間高超聲速飛行器在大氣層中高速飛行時，電磁窗所經受的環境溫度會迅速升高，因此電磁窗連接結構要能夠耐受住飛行中的高溫環境。

高溫主動防熱和隔熱結構設計。臨近空間高超聲速飛行器在大氣層中以高馬赫數飛行時，電磁窗還需要進行防熱結構與主體結構一體化設計，設計時要確保足夠的強度剛度，足夠的環境適應性能力。熱防護結構應具備長壽命、重復性使用的特征。并且要準確識別復雜溫度場情況下熱載荷作用狀態，辨別到最大熱載荷工況。

（三）強度分析與試驗關鍵技術

強度分析關鍵技術。臨近空間高超聲速飛行器在高速飛行時，由于電磁窗的溫度極高，溫升速率極快，高溫度梯度產生的熱應力可能會造成電磁窗的破壞，需進行熱流場的評估和熱沖擊計算仿真。而且由于飛行速度快，機動性高，其靜力載荷、慣性載荷、振動載荷以及沖擊載荷等會很大，需進行電磁窗靜強度和動強度的計算仿真。此外，在高超聲速飛行時，受到的不是單純的熱載荷或靜載荷，而是兩者的疊加，因此，需對靜熱聯合載荷作用下的強度進行評估和仿真。

試驗關鍵技術。根據上面的強度計算仿真，其相應的試驗關鍵技術包括：a）熱沖擊試驗，不僅可驗證計算的準確性和有效性，同時可為后續更高溫度和溫升率要求的飛行器提供強有力的試驗數據支持。b）靜力試驗，有效地驗證結構的靜強度和剛性，破壞載荷試驗可監測到裂紋的軌跡。c）振動和沖擊試驗，有效地驗證結構的耐振動和沖擊性能，同時發現在計算仿真中沒有發現的其它問題。d）靜熱聯合試驗，可有效地驗證電磁窗在綜合應力環境下的力學性能。

（四）電磁窗材料關鍵技術

電磁窗用高溫耐燒蝕、透波復合材料設計技術。高溫透波材料經歷了從陶瓷材料逐步向復合材料轉變的發展過程。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構可靠性無法滿足更高熱力環境下使用要求，因此發展了第二代高溫透波材料，以連續纖維編織體為增強體，通過循環浸漬致密化形成陶瓷基復合材料，典型代表包括石英纖維增強二氧化硅基復合材料和纖維增強磷酸鹽基復合材料。較第二代高溫透波材料具有更好的高溫強度及耐燒蝕性能的第三代高溫透波材料是一個值得關注的重要發展方向。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，材料力學性能明顯提高；B、N等元素的引入，可改變材料燒蝕機制，調控材料燒蝕性能。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）為增強纖維的Si-B-N-O基復合材料，該材料體系具有更為優異的綜合性能。第三代高溫透波材料的關鍵技術是新型陶瓷纖維的研制，目前技術還不成熟，需要進行技術攻關。

電磁窗表面封孔涂層技術。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合材料，都是連續纖維增強陶瓷基復合材料，其制備工藝的缺陷性導致這種復合材料的致密度較差，因此在復合材料表面必須進行封孔處理。當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。如前所述，當飛行器在臨近空間高超聲速飛行時，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陶瓷基復合材料，特別是氮化物陶瓷材料，其熱導率較高，因此電磁窗艙內溫度也很高。為保證飛行器電子設備的正常工作，電磁窗的隔熱問題已經成為制約臨近空間高超聲速飛行器綜合技術的瓶頸之一，必須開展電磁窗用隔熱、透波、承載一體化的耐高溫輕質隔熱材料綜合技術研究，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具有穩定的介電性能。

臨近空間高超聲速飛行器的開發和應用已經成為各航空航天大國關注的熱點，臨近空間也必將成為未來空間爭奪的重要戰場。要在未來空間軍事斗爭中占據一席之地，就必須加大臨近空間高超聲速飛行器相關技術的研究。臨近空間嚴酷的飛行環境和不斷超越的飛行速度對電磁窗電性能設計、結構設計、強度計算仿真及試驗、電磁窗材料等領域提出了重大挑戰。因此需要大力開展有針對性的關鍵技術研究，盡快突破臨近空間高超聲速飛行器電磁窗關鍵技術。