第一章綜述

1.1 雷達(dá)罩在雷達(dá)系統(tǒng)中的功能角色與技術(shù)定位

雷達(dá)罩（Radome），字面意為“雷達(dá)之屋”，是包裹在雷達(dá)天線外部的保護(hù)性結(jié)構(gòu)殼體，其本質(zhì)是一個(gè)兼具物理防護(hù)與電磁功能的雙重介質(zhì)界面。在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中，雷達(dá)罩是直接影響雷達(dá)探測(cè)性能、系統(tǒng)可靠性與戰(zhàn)場(chǎng)生存能力的關(guān)鍵子系統(tǒng)。據(jù)行業(yè)研究機(jī)構(gòu)報(bào)告，全球雷達(dá)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)在2033年達(dá)到700億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率約為6.3%。其中雷達(dá)罩市場(chǎng)規(guī)模同年將達(dá)到92億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)為10.8%。從產(chǎn)品類型看，非球形雷達(dá)罩占據(jù)半數(shù)以上市場(chǎng)份額，機(jī)載雷達(dá)罩是主要需求來源。國(guó)際主要參與者包括General Dynamics、Saint-Gobain、Parker Meggitt等企業(yè)。

圖1 艦載雷達(dá)罩

在材料類型分布上，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是雷達(dá)罩應(yīng)用最廣泛的材料，這類材料集結(jié)構(gòu)、防熱、透波于一體，具有優(yōu)良的電性能。樹脂基體主要采用環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂等傳統(tǒng)材料，近年來高性能樹脂如氰酸酯樹脂、聚酰亞胺樹脂的應(yīng)用也在增加。增強(qiáng)材料方面，玻璃纖維是最常用的，特別是D-玻璃纖維、高硅氧玻璃纖維和S-玻璃纖維；石英纖維在高端軍用領(lǐng)域應(yīng)用增長(zhǎng)迅速，但價(jià)格昂貴；芳綸纖維和高模量聚乙烯纖維也有一定應(yīng)用。值得注意的是，碳纖維因?qū)щ娦詮?qiáng)，無法直接用于雷達(dá)罩的透波區(qū)域，僅能用于結(jié)構(gòu)增強(qiáng)或功能涂層的微量添加。

從系統(tǒng)工程角度看，雷達(dá)罩承擔(dān)著三重核心功能：物理屏障功能，抵御風(fēng)雨、沙塵、冰雹、鳥撞、鹽霧、紫外線輻射及極端溫度變化等外部環(huán)境侵蝕；電磁通道功能，作為雷達(dá)電磁波發(fā)射與接收的必經(jīng)之路，必須在工作頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)高透波率、低插入損耗、低相位畸變；戰(zhàn)術(shù)隱身功能（軍用場(chǎng)景），通過結(jié)構(gòu)外形優(yōu)化與材料功能化設(shè)計(jì)，降低雷達(dá)反射截面積（RCS），提升系統(tǒng)在電子對(duì)抗環(huán)境下的生存能力。正因?yàn)槠涔δ艿奶厥庑?，雷達(dá)罩被形象地稱為“雷達(dá)的眼睛保護(hù)罩”——既要透明（透波），又要堅(jiān)固（結(jié)構(gòu)），還要隱身（低可探測(cè)性）。

1.2 復(fù)合材料替代金屬的必然性與演進(jìn)邏輯

復(fù)合材料相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料，為雷達(dá)罩應(yīng)用帶來了革命性的核心優(yōu)勢(shì)。首先是卓越的電磁透明度，這是雷達(dá)罩最根本的功能屬性。FRP材料對(duì)無線電波的低衰減特性，確保了內(nèi)部雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)能夠無阻礙地向外傳播。其次是顯著的輕量化效益。復(fù)合材料，特別是碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP），其密度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)航空鋁合金，但強(qiáng)度和剛度卻毫不遜色。在航空航天領(lǐng)域，減輕每一克的重量都意味著可以直接轉(zhuǎn)化為航程的增加、有效載荷的提升或燃料消耗的降低。第三項(xiàng)核心優(yōu)勢(shì)是優(yōu)異的耐腐蝕性和環(huán)境適應(yīng)性。金屬材料在潮濕、鹽霧等惡劣環(huán)境中容易發(fā)生氧化和腐蝕，而復(fù)合材料中的聚合物基體和纖維本身具有極佳的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠有效抵抗大氣、雨水、鳥糞等自然環(huán)境的侵蝕，極大地延長(zhǎng)了雷達(dá)罩的使用壽命和維護(hù)周期。此外，復(fù)合材料還具備高比強(qiáng)度和高比模量、良好的設(shè)計(jì)靈活性以及非導(dǎo)電、非磁性的特性。這些綜合性優(yōu)勢(shì)共同決定了復(fù)合材料已成為現(xiàn)代雷達(dá)罩設(shè)計(jì)的首選方案，并且其應(yīng)用范圍已經(jīng)超越了軍事航空，廣泛滲透到商業(yè)航空、衛(wèi)星通信、地面固定雷達(dá)站以及新興的無人機(jī)和5G通信基礎(chǔ)設(shè)施等多個(gè)領(lǐng)域。

1.3 發(fā)展歷程與核心優(yōu)勢(shì)

復(fù)合材料在雷達(dá)罩領(lǐng)域的應(yīng)用，其源頭可追溯至第二次世界大戰(zhàn)期間。當(dāng)時(shí)，盟軍急需開發(fā)能夠保護(hù)機(jī)載雷達(dá)天線、同時(shí)又不阻礙其信號(hào)發(fā)射的防護(hù)結(jié)構(gòu)。在此背景下，玻璃鋼因其獨(dú)特的“透波性”被意外發(fā)現(xiàn)并迅速投入軍事應(yīng)用。這一時(shí)期的典型代表是美國(guó)B-29轟炸機(jī)上安裝的雷達(dá)罩。早期的FRP雷達(dá)罩多采用手糊成型工藝，以E型玻璃纖維布和酚醛或聚酯樹脂為主要材料。

進(jìn)入冷戰(zhàn)時(shí)期，隨著噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)和遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)的發(fā)展，對(duì)雷達(dá)罩的要求也隨之提高。這推動(dòng)了材料體系的第一次重大升級(jí)：從E-glass向S-glass（高強(qiáng)玻璃纖維）過渡，并開始探索環(huán)氧樹脂替代聚酯樹脂。同時(shí)，夾芯結(jié)構(gòu)（Sandwich Structure）的概念被引入，通過在兩層面板之間加入輕質(zhì)芯材（如巴爾沙木），在不增加重量的前提下大幅提高了結(jié)構(gòu)剛度。

20世紀(jì)80年代是復(fù)合材料雷達(dá)罩技術(shù)發(fā)展的黃金時(shí)期，其核心驅(qū)動(dòng)力來自新一代戰(zhàn)斗機(jī)（如F-14、F-15、F-16、蘇-27）和有源相控陣?yán)走_(dá)（AESA）的出現(xiàn)。這些先進(jìn)平臺(tái)的工作頻率更高（X/Ku波段）、功率更大，對(duì)天線指向精度的要求也達(dá)到了前所未有的高度，因此，對(duì)雷達(dá)罩材料的電磁性能提出了“雙低”（低介電常數(shù)、低損耗角正切）的極致要求。為了滿足“雙低”要求，材料科學(xué)家將目光投向了純度更高、分子結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的石英纖維（Quartz Fiber）。與E-glass相比，石英纖維的介電常數(shù)和損耗角正切均顯著降低，幾乎接近空氣的水平，被譽(yù)為“最理想的透波纖維”。盡管其成本高昂且加工難度大，但在高端軍用機(jī)載雷達(dá)罩領(lǐng)域，石英纖維迅速成為首選增強(qiáng)材料。例如，美國(guó)F-14雄貓戰(zhàn)斗機(jī)的AN/AWG-9火控雷達(dá)罩便采用了石英纖維/環(huán)氧復(fù)合材料。與此同時(shí)，芳綸纖維（Kevlar）因其卓越的抗沖擊和抗撕裂性能，被廣泛用于需要防彈或抗鳥撞的雷達(dá)罩關(guān)鍵區(qū)域。

樹脂基體的性能瓶頸同樣制約著雷達(dá)罩的整體表現(xiàn)。傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂在高溫高濕環(huán)境下會(huì)發(fā)生水解，導(dǎo)致介電常數(shù)升高、損耗增大。為此，一系列高性能特種樹脂應(yīng)運(yùn)而生。氰酸酯樹脂（Cyanate Ester, CE）具備極低的吸水率、極低的介電損耗和高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。CE樹脂的出現(xiàn)，使得雷達(dá)罩能夠在高溫、高濕的惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的電磁性能，成為F-22、F-35等五代機(jī)雷達(dá)罩的標(biāo)配。雙馬來酰亞胺樹脂（Bismaleimide, BMI）具有優(yōu)異的耐熱性和良好的力學(xué)性能，常用于發(fā)動(dòng)機(jī)附近或需要承受較高熱負(fù)荷的雷達(dá)罩。聚酰亞胺樹脂（Polyimide, PI）耐熱性極佳，但加工難度大，主要用于航天器和臨近空間飛行器的極端熱環(huán)境。

進(jìn)入21世紀(jì)，復(fù)合材料雷達(dá)罩技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出兩大主線：一是向更高性能極限沖刺；二是向多功能、智能化方向融合。在高性能方面，閉孔泡沫芯材（如聚醚酰亞胺PEI、聚氨酯PUR）逐步取代傳統(tǒng)的蜂窩芯材。蜂窩芯材存在一個(gè)致命缺陷：一旦密封失效，水分會(huì)滲入蜂窩格子中，導(dǎo)致重量劇增、介電性能惡化甚至發(fā)生凍脹破壞。而閉孔泡沫芯材內(nèi)部為獨(dú)立的封閉氣泡，從根本上杜絕了吸水問題。此外，針對(duì)高超音速飛行器前緣面臨的2000°C以上極端熱環(huán)境，陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）如碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅（SiCf/SiC）成為研究熱點(diǎn)。在多功能化方面，“智能雷達(dá)罩”（Smart Radome）概念興起。通過在復(fù)合材料中嵌入光纖光柵傳感器（FBG）、壓電元件或柔性電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)罩體應(yīng)變、溫度、振動(dòng)乃至損傷的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。更進(jìn)一步，通過集成頻率選擇表面（Frequency Selective Surface, FSS）或可調(diào)諧材料，雷達(dá)罩可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電磁調(diào)控，例如在正常工作模式下保持透波，在受到敵方干擾時(shí)切換為吸波狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)隱身。

中國(guó)復(fù)合材料地面雷達(dá)罩技術(shù)的發(fā)展歷程，清晰地遵循了一條“引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新”的路徑，可劃分為三個(gè)階段。仿制與跟蹤階段（1970s–1990s）主要依靠引進(jìn)國(guó)外技術(shù)和設(shè)備，對(duì)進(jìn)口雷達(dá)系統(tǒng)配套的雷達(dá)罩進(jìn)行測(cè)繪仿制。材料體系以E-glass/通用環(huán)氧為主，工藝多為手糊成型，產(chǎn)品主要用于氣象、交通等民用領(lǐng)域。集成與追趕階段（2000s–2010s）隨著國(guó)防現(xiàn)代化進(jìn)程加速，中國(guó)開始系統(tǒng)性地集成國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)。以哈爾濱玻璃鋼研究院、上海玻璃鋼研究設(shè)計(jì)院為代表的科研院所，以及中國(guó)電子科技集團(tuán)第39研究所等系統(tǒng)集成單位，聯(lián)合攻關(guān)，成功研制出適配國(guó)產(chǎn)預(yù)警機(jī)（如空警-2000）、防空雷達(dá)的復(fù)合材料雷達(dá)罩。此階段的關(guān)鍵突破在于掌握了RTM、熱壓罐等先進(jìn)成型工藝，并開始應(yīng)用S-glass、芳綸纖維等高性能材料。當(dāng)前，中國(guó)已進(jìn)入自主創(chuàng)新與引領(lǐng)階段（2020s–至今）。一方面，在國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目（如FAST射電望遠(yuǎn)鏡）的牽引下，國(guó)內(nèi)企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)合作，攻克了超大型、超高精度地面雷達(dá)罩的設(shè)計(jì)與制造難題。另一方面，在民用市場(chǎng)，以中航高科、上海志合等為代表的企業(yè)，積極推動(dòng)低成本、高效率的自動(dòng)化制造技術(shù)，將軍用技術(shù)成果向5G基站、智能網(wǎng)聯(lián)汽車等領(lǐng)域轉(zhuǎn)化，形成了軍民協(xié)同發(fā)展的新格局。

第二章性能要求與關(guān)鍵技術(shù)體系

2.1 核心性能指標(biāo)體系

電磁性能是雷達(dá)罩的首要屬性，直接決定雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)距離、分辨率和精度。其核心指標(biāo)包括介電常數(shù)、損耗角正切、透波率、插入損耗、指向誤差與副瓣電平等。介電常數(shù)（εr）表征材料在外加電場(chǎng)下儲(chǔ)存電能的能力，而損耗角正切（tanδ）則反映材料將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的效率。兩者共同決定了電磁波在穿過雷達(dá)罩時(shí)的傳播特性。εr越高，折射效應(yīng)越強(qiáng)，導(dǎo)致雷達(dá)主波束偏離原定方向，即產(chǎn)生指向誤差；tanδ越高，電磁波能量被吸收越多，表現(xiàn)為插入損耗增大。民用雷達(dá)罩主要工作于S/C波段（2–8 GHz），對(duì)εr與tanδ的要求相對(duì)寬松；而軍用雷達(dá)罩需覆蓋X/Ku/Ka波段（8–40 GHz），強(qiáng)調(diào)“雙低”特性，高端產(chǎn)品采用石英纖維/氰酸酯體系。

透波率指透過雷達(dá)罩的電磁波功率與入射波功率之比。軍用標(biāo)準(zhǔn)要求Ku波段透波率≥95%，而民用一般為≥90%。工程上更常用的指標(biāo)是插入損耗（Insertion Loss），單位為分貝（dB）。因此，透波率95%對(duì)應(yīng)插入損耗約0.22 dB，90%對(duì)應(yīng)0.46 dB。對(duì)于超大型雷達(dá)罩（直徑≥45 m），單程插入損耗≤0.7 dB（對(duì)應(yīng)透波率約85%）雖略低于典型軍用標(biāo)準(zhǔn)，但在如此大尺度結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)該性能，已體現(xiàn)極高的材料均勻性與制造工藝控制水平。指向誤差（Boresight Error）指雷達(dá)主波束因罩體折射而產(chǎn)生的角度偏移。指向誤差<0.003°（約52微弧度）屬于全球頂尖水平，僅見于射電天文干涉陣列、深空測(cè)控站等對(duì)相位一致性要求極致的場(chǎng)景。實(shí)現(xiàn)該指標(biāo)必須依賴高精度電磁仿真、均勻性極佳的復(fù)合材料面板，并對(duì)罩體幾何外形實(shí)施納米級(jí)公差控制。副瓣電平提升≤0.5 dB意味著雷達(dá)罩對(duì)天線輻射方向圖的擾動(dòng)極小。高頻電磁波在罩體表面或內(nèi)部缺陷處會(huì)發(fā)生散射，抬高副瓣，進(jìn)而影響目標(biāo)分辨能力與抗干擾性能。該指標(biāo)要求罩體表面高度光滑、內(nèi)部無孔隙或分層等缺陷。電壓駐波比（VSWR）反映罩體與自由空間的阻抗匹配程度。高性能雷達(dá)罩通常要求VSWR<1.2。

強(qiáng)大的機(jī)械性能是保障雷達(dá)罩結(jié)構(gòu)完整性和飛行安全的生命線。雷達(dá)罩作為一個(gè)暴露在外的薄殼結(jié)構(gòu)，必須能夠承受來自各個(gè)方向的氣動(dòng)壓力、風(fēng)切變，以及突發(fā)的鳥擊沖擊。在軍用場(chǎng)景中，雷達(dá)罩需抵御鳥撞、彈片、爆炸沖擊波等極端載荷，因此常采用“碳纖維+芳綸”混雜鋪層結(jié)構(gòu)，利用芳綸纖維的高韌性吸收沖擊能量。而在民用場(chǎng)景中，主要考慮風(fēng)載、雪載和冰雹等常規(guī)環(huán)境載荷，材料以成本更低的玻璃纖維為主。部分高性能地面雷達(dá)系統(tǒng)要求雷達(dá)罩在8級(jí)地震條件下不發(fā)生結(jié)構(gòu)性損壞，并在風(fēng)速≤56 m/s時(shí)保持結(jié)構(gòu)完整性。艦載和機(jī)載雷達(dá)罩提出了更高的要求。艦載雷達(dá)通用規(guī)范（GJB 1680）中要求，雷達(dá)罩在經(jīng)受不少于16ms、加速度范圍為50-100m/s2的半正弦波后，性能不應(yīng)下降；此外，在相對(duì)風(fēng)速60m/s時(shí)，結(jié)構(gòu)不應(yīng)破壞。機(jī)載火控雷達(dá)罩（GJB 403B）提出，雷達(dá)罩結(jié)構(gòu)需經(jīng)受炮火沖擊波及振動(dòng)，結(jié)構(gòu)不應(yīng)有損壞。

2.2 碳纖維的應(yīng)用

碳纖維（Carbon Fiber）則以其無與倫比的比強(qiáng)度和比模量著稱，是實(shí)現(xiàn)極致輕量化的終極解決方案，但其固有的導(dǎo)電性使其無法單獨(dú)作為透波材料使用，通常只能用于雷達(dá)罩的非透波區(qū)域。但其在某些特定場(chǎng)景下仍有少量應(yīng)用：在抗靜電涂層中微量添加特種導(dǎo)電碳纖維可以解決靜電問題而不顯著影響雷達(dá)罩的電磁性能；在雷達(dá)罩的非透波結(jié)構(gòu)件中，如邊緣支撐、連接框架等部位，碳纖維復(fù)合材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能得到一定應(yīng)用。例如，中航復(fù)合材料依托C919大飛機(jī)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了T800級(jí)碳纖維雷達(dá)罩的國(guó)產(chǎn)化，但主要用于雷達(dá)罩的邊緣支撐結(jié)構(gòu)而非透波區(qū)域。在高端軍用雷達(dá)罩中，為滿足輕量化和抗沖擊等特殊需求，碳纖維可能在結(jié)構(gòu)件中得到少量應(yīng)用。然而，由于雷達(dá)罩主體材料必須滿足透波性要求，碳纖維在軍用雷達(dá)罩中的應(yīng)用比例仍然很低。