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文檔簡介
隱身材料行業(yè)市場分析
“新”圖譜:為什么隱身材料是真正的“新”材料?
需求“新”:當(dāng)今空戰(zhàn)已進(jìn)入隱身空戰(zhàn)模式,先發(fā)制人為取勝關(guān)鍵。目
前隱身武器裝備已進(jìn)入成熟階段,新一代隱身戰(zhàn)斗機(jī)、新一代隱身巡
航導(dǎo)彈、隱身無人機(jī)等相繼推出。邏輯“新”:1)短期:各型新興裝
備加速批產(chǎn),特種功能隱身材料隨下游列裝而放量;2)中期:隱身
性能的提升空間較大,隱身材料的滲透率與軍機(jī)數(shù)量共振;3)長期:
隱身需求向結(jié)構(gòu)件滲透,結(jié)構(gòu)隱身材料牽引新增長極;4)后市場:
訂單數(shù)量龐大形成規(guī)模效應(yīng),隱身材料耗材屬性驅(qū)動行業(yè)持續(xù)高景氣
度。分產(chǎn)品角度,目前紅外隱身、雷達(dá)吸波材料均以下游軍機(jī)為需求
基本盤,隱身無人機(jī),隱身導(dǎo)彈等橫向應(yīng)用場景拓寬空間大;縱向來
看,目前隱身材料以涂層材料為主,而隱身結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用部位與涂層
材料差別較大,因此隨著隱身結(jié)構(gòu)件的逐步轉(zhuǎn)批產(chǎn),單個裝備的隱身
材料價值量挖潛空閭大。
本篇報告的“新”拆分:隱身涂層的本質(zhì)即為航空涂料的一種,其涂層
結(jié)構(gòu)也應(yīng)以“底層”'面層"為主,其中面層即為功能層,起到紅外隱身
或雷達(dá)吸波的作用,而底層的作用為強(qiáng)化面層與基層材料(發(fā)動機(jī)、
軍機(jī)表面)的結(jié)合強(qiáng)度。以該模型為基礎(chǔ),本文詳細(xì)拆解了各類隱身
材料的技術(shù)路線。
基本面加速兌現(xiàn)進(jìn)行時,相關(guān)企業(yè)重大合同陸續(xù)落地。我們根據(jù)公司
招股說明書、重大合同簽訂公告梳理了各企業(yè)的隱身材料合同簽訂情
況,無論是超材料技術(shù)路線的光啟技術(shù)、中高溫紅外隱身材料為主的
華秦科技,還是中高溫雷達(dá)吸波材料為主的佳馳科技都在2021年起
集中迎來了訂單落地,或側(cè)面表明了隱身材料行、也基本面正在加速兌
現(xiàn)。
“新”需求:隱身空戰(zhàn)模式的剛需品,裝備滲透率空間廣闊
需求基礎(chǔ):空戰(zhàn)模式進(jìn)入全新階段,隱身軍機(jī)成為制勝關(guān)鍵
當(dāng)今空戰(zhàn)已進(jìn)入隱身空戰(zhàn)模式,先發(fā)制人為取勝關(guān)鍵。根據(jù)《空戰(zhàn)模
式演變與隱身空戰(zhàn)形態(tài)發(fā)展分析》(陳辛等,【航空兵器】,2022
年6月),OODA決策循環(huán)能較為清晰地描述整個空中作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)全
過程:“觀察(O)一定位(0)一決策(D)一行動(A)”。敵我的這一決策循
環(huán)過程的速度顯然有快慢之分,己方的目標(biāo)應(yīng)該是率先完成一個
OODA循環(huán),同時通過迅速采取行動以干擾、延長、打斷敵人的OODA
循環(huán)。1980s~21世紀(jì)初,預(yù)警機(jī)的出現(xiàn)使“O”(“觀察”)更遠(yuǎn)、更廣,
對整個空戰(zhàn)戰(zhàn)區(qū)進(jìn)行監(jiān)視,解決了地面雷達(dá)對低空/超低空飛行目標(biāo)
的探測問題。21世紀(jì)初,以F-22為代表的隱身戰(zhàn)斗機(jī)出現(xiàn),標(biāo)志著
空戰(zhàn)進(jìn)入了隱身時代。隱身戰(zhàn)斗機(jī)的出現(xiàn)打破了以預(yù)警機(jī)為核心的空
戰(zhàn)體系平衡。隱身空戰(zhàn)中,以平臺速度和靈活性為王的日子正在逐步
消失,未來贏得優(yōu)勢的關(guān)鍵是要比對手更快地獲得優(yōu)質(zhì)信息,并且能
夠以比對手更快的速度運(yùn)用這些信息。
隱身戰(zhàn)斗機(jī)為突防先進(jìn)防空系統(tǒng)的關(guān)鍵。根據(jù)《戰(zhàn)斗機(jī)的隱身與電子
戰(zhàn)的博弈》(裴云等,【航天電子對抗】,2020年1月),隱身五
代機(jī)F-22.F-35對常規(guī)四代機(jī)的模擬空戰(zhàn)結(jié)果基本呈現(xiàn)一邊倒的情
形,隱身能力是F-22克敵制勝的重要原因之一,F(xiàn)-22在與常規(guī)戰(zhàn)機(jī)
作戰(zhàn)時,依靠隱身性能可自由選擇進(jìn)入、攻擊和脫離作戰(zhàn)的時間與方
式,而對手基本沒有合適的應(yīng)對戰(zhàn)術(shù)和有效反擊機(jī)會。F-22主要采
用超視距空戰(zhàn)攔截對手,以充分發(fā)揮隱身、超聲速巡航和信息優(yōu)勢,
實現(xiàn)“先視”及“先射”。
當(dāng)今世界上主要的4+代、4++代、5代及未來的6代戰(zhàn)斗機(jī)主要升級
方向均在提升其隱身性能。為了在未來戰(zhàn)爭中獲得主動權(quán),各國都把
高性能戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展放在重要位置上。為在未來空戰(zhàn)中取得絕對優(yōu)勢,
保證在超視距作戰(zhàn)中做到“先敵發(fā)現(xiàn)、先敵發(fā)射、先敵擊落”。根據(jù)《戰(zhàn)
斗機(jī)的發(fā)展對隱身與氣動技術(shù)的需求》(李天,【流體力學(xué)實驗與測
量】,2002年3月),從美國四代隱身戰(zhàn)機(jī)F-22與現(xiàn)有機(jī)種作戰(zhàn)模
擬對比的結(jié)果看出,F(xiàn)-22對所有戰(zhàn)斗機(jī)都具有較大優(yōu)勢。
■裊6:美國文軍2009年劃分才,
依序林&姓”上典型現(xiàn)彳機(jī)
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以及F/A-18.“海風(fēng)”
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信息機(jī)動空戰(zhàn)時代追求“先敵發(fā)現(xiàn)、先敵發(fā)射、先敵命中”的制勝原則,
并在體系作戰(zhàn)的支持下空戰(zhàn)效能實現(xiàn)了倍增。隱身技術(shù)的出現(xiàn)立刻打
破了攻防雙方在信息領(lǐng)域的博弈平衡,為空優(yōu)而生的F-22在信息域
和物理域?qū)θ鷻C(jī)實現(xiàn)了全面升級,攻防兩方面相綜合,F(xiàn)-22對三
代機(jī)形成了牢不可破的不可逃距離優(yōu)勢。
以美國為首的各軍事強(qiáng)國都在積極進(jìn)行研究并取得了突破性進(jìn)展,隱
身武器裝備的發(fā)展歷程大概分為三個發(fā)展階段:1)起步階段:在第
二次世界大戰(zhàn)中,通過降低武器的目標(biāo)特征信號進(jìn)行隱蔽進(jìn)攻的概念
已經(jīng)逐漸形成,并在飛機(jī)、潛艇等武器中開始應(yīng)用;2)發(fā)展階段:
美國組織和領(lǐng)導(dǎo)了一系列的隱身技術(shù)預(yù)研計劃和演示驗證計劃,并研
制出F-117A隱身戰(zhàn)斗機(jī)和B-2隱形戰(zhàn)略轟炸機(jī),同期的隱身技術(shù)成
果被迅速應(yīng)用到各種巡航導(dǎo)彈的設(shè)計中;3)成熟階段:新一代隱身
戰(zhàn)斗機(jī)、新一代隱身巡航導(dǎo)彈、隱身潛艇、隱身坦克、隱身直升機(jī)和
隱身無人機(jī)等相繼推出。
實現(xiàn)途徑:外形設(shè)計為主,隱身材料為“木桶”上最短一處
精確制導(dǎo)與隱身技術(shù)為現(xiàn)代化戰(zhàn)場的“矛”與“盾”。導(dǎo)彈制導(dǎo)技術(shù)種類
繁多,精確制導(dǎo)技術(shù)細(xì)分類別包括微波雷達(dá)制導(dǎo)、衛(wèi)星制導(dǎo)、紅外制
導(dǎo)、激光雷達(dá)制導(dǎo)、電視制導(dǎo)等,此外復(fù)合制導(dǎo)是以兩種或兩種以上
不同探測系統(tǒng)復(fù)合而成。紅外制導(dǎo)技術(shù)是未來制導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展方向之
一,具有分辨率高、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、制導(dǎo)精度高、結(jié)構(gòu)簡
單、成本低的優(yōu)點。并且紅外制導(dǎo)屬于被動制導(dǎo),擁有不依賴目標(biāo)的
優(yōu)勢,因此紅外制導(dǎo)是目前市場主流、擁有廣闊發(fā)展前景的制導(dǎo)系統(tǒng)。
雷達(dá)制導(dǎo)在現(xiàn)實中的應(yīng)用更為廣泛,具有制導(dǎo)精度高、全天候能力強(qiáng)、
作用距離較遠(yuǎn)等特點。
隱身技術(shù)是在一定的探測環(huán)境中,通過縮減、控制目標(biāo)的各種特征信
號,降低其可探測性,使其難以被發(fā)現(xiàn)、跟蹤、識別和攻擊的綜合性
技術(shù)。飛機(jī)的隱身技術(shù)主要有兩種途徑,一是通過外形設(shè)計減弱其受
威脅的主要方向上的電磁輻射強(qiáng)度,另一種是覆蓋吸收雷達(dá)信號或降
低紅外發(fā)射信號的材料。根據(jù)美國《航空周刊》2016628刊登文章,
隱身外形設(shè)計對于減小雷達(dá)截面積(RCS)的貢獻(xiàn)占90%,而隱身
材料(RAM)只占10%。但考慮到外形設(shè)計犧牲了其它性能并且適
用范圍有限,開發(fā)隱身材料逐步成為隱身技術(shù)的發(fā)展趨勢。隱身材料
可在不改變外形、氣動特征的前提下,大大減小目標(biāo)信號特征。隱身
材料按照針對的探測技術(shù)分類,可以分為雷達(dá)隱身、紅外隱身、激光
隱身及多頻譜隱身等。
S<11:陷身粒米的分具
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紅外隱身方面,飛機(jī)主要的紅外輻射源為工作時發(fā)動機(jī)(含被加熱的
尾噴管等)產(chǎn)生的熱輻射、發(fā)動機(jī)排出的高溫尾焰輻射、氣動加熱使
蒙皮升溫產(chǎn)生的輻射以及對環(huán)境輻射的反射等。根據(jù)《高溫紅外隱、身
涂層材料研究進(jìn)展》(劉鵬等,【材料研究與應(yīng)用】,2022年1月)
實現(xiàn)紅外隱身的技術(shù)途徑通常包括冷卻、遮擋或涂覆紅外低發(fā)射率涂
層等,其中涂覆紅外低發(fā)射率涂層是提高其紅外隱身性能的一種簡單、
便捷、有效的技術(shù)途徑。
由于雷達(dá)是通過測量從目標(biāo)反射的雷達(dá)回波來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的,因此雷達(dá)
隱身技術(shù)的研究核心是縮小雷達(dá)散射截面積(RCS)和盡可能減弱雷
達(dá)回波信號的綜合技術(shù)。為降低飛行器的RCS,可采用三種方法:
①飛行器外形的隱身技術(shù),即從飛行器外形設(shè)計上著手使RCS降低;
②涂敷式吸波材料技術(shù),即在飛行器對電磁波反射的主要部位上涂敷
吸波材料,以降低RCS;③結(jié)構(gòu)式吸波隱身技術(shù),即在飛行器外形
機(jī)體的合適部位上,在不影響機(jī)體氣動性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下,利
用阻抗加載等原理,增加分布的有源或無源加載阻抗,以增加額外的
散射場,用于抵消或減小飛行器的散射,以達(dá)到降低RCS的目的。
詳解隱身材料:紅外隱身、雷達(dá)吸波、超材料隱身三足鼎立
隱身材料主要針對紅外探測與雷達(dá)探測技術(shù)。根據(jù)《多頻段隱身材料
的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展》(徐國躍等,【航空科學(xué)技術(shù)】,2022年1月),
當(dāng)前戰(zhàn)場上的高技術(shù)探測器中,雷達(dá)探測占60%,紅外探測占30%,
因此隱身材料的主要研究集中于這兩個領(lǐng)域。對于飛行器而言,發(fā)動
機(jī)后腔體及其內(nèi)部件和邊緣等產(chǎn)生的雷達(dá)散射信號、后腔體及其熱端
部件和尾噴流等產(chǎn)生的紅外輻射信號占整個飛機(jī)尾部方向特征信號
的95%,因此通常會采用外形設(shè)計疊加多重隱身涂層。
圖表16:紅外隱身材料主要應(yīng)用于發(fā)動機(jī)
隱身材料已廣泛應(yīng)用于多種武器裝備和各軍種。全球范圍內(nèi),各軍事
強(qiáng)國對武器裝備的隱身性能均較為重視,己應(yīng)用于如飛機(jī)和航空發(fā)動
機(jī)、導(dǎo)彈、艦船、武裝直升機(jī)等,分布于空軍、海軍、陸軍和導(dǎo)彈部
隊等各軍兵種。
雷達(dá)吸波材料(RAM)是指能有效地吸收入射雷達(dá)波,而使被探測
目標(biāo)回波強(qiáng)度顯著衰減的一類功能材料?,是應(yīng)對雷達(dá)探測的主要手段。
RAM隱身通過材料的吸收性能,吸收衰減入射的雷達(dá)波,并將其電
磁能轉(zhuǎn)換成熱能,而耗散掉,降低目標(biāo)的回波強(qiáng)度,達(dá)到在所有方向
上同時減小雷達(dá)散射截面的隱身效果。它的工作原理與材料的電磁特
性有關(guān)。理想的吸波材料應(yīng)具備:質(zhì)量輕、頻幅寬、密度低、厚度薄、
成本低、黏附力強(qiáng)等特點。
紅外隱身技術(shù)目前應(yīng)用于隱形戰(zhàn)機(jī)發(fā)動機(jī)的渦輪葉片、加力燃燒室內(nèi)
錐、尾噴管調(diào)節(jié)片等零部件工作溫度高的部件。對于發(fā)動機(jī)靜子葉片、
隔熱屏及噴管的外調(diào)節(jié)片和彈性片等零部件,則需要雷達(dá)波隱身技術(shù)。
隱身涂層和薄膜的制備技術(shù)包括磁控濺射、涂料噴涂加固化等工藝,
熱噴涂吸波涂層是近年來出現(xiàn)的新技術(shù),主要被用于高溫陶瓷和鐵氧
體吸波涂層。
多頻譜隱身材料或成為重點發(fā)展方向。當(dāng)同一區(qū)域有不同的探測手段
時,出現(xiàn)多波段監(jiān)測時,具有某一特定的隱身功能就可能失效,就會
造成目標(biāo)暴露,因此需要將多種隱身技術(shù)相結(jié)合。目前國內(nèi)外研究較
多的多頻譜隱身材料主要有:雷達(dá)與紅外兼容隱身材料、紅外與激光
兼容隱身材料、紅外與可見光兼容隱身材料,以及覆蓋包括可見光、
近紅外、遠(yuǎn)紅外和微波在內(nèi)的多波段隱身材料。
S4L20:餡總用及與?達(dá)國4金*卷危
目前實現(xiàn)雷達(dá)和紅外兼容隱身的主要途徑是將紅外隱身材料和雷達(dá)
吸波材料相互疊加復(fù)合。常用的手段是采用雙層涂覆方法,即在雷達(dá)
隱身涂層物體表面涂覆一層紅外隱身涂層。在實際應(yīng)用中,紅外隱身
涂層除了要具有較低的發(fā)射率,還要滿足一定的機(jī)械性能以及耐腐蝕
性等要求,因此紅外涂層的厚度和金屬顏料含量必須達(dá)到一定值。在
雙層涂覆的基礎(chǔ)上,又發(fā)展了多涂層、混合涂層和改性涂層等雷達(dá)和
紅外兼容隱身的材料。多涂層是指利用材料性能的不同,先后涂覆不
同的材料達(dá)到多種兼容的目的:混合涂層,是指通過混合或者摻雜形
成單一涂層達(dá)到兼容隱身的目的;改性涂層是將吸波材料進(jìn)行改性,
使其在具備吸波性能的同時增加紅外性能:隨后制備成涂層達(dá)到兼容
隱身的效果。
超材料為不同于紅外隱身、雷達(dá)吸波材料的另一種隱身途徑。超材料
是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或
復(fù)合材料。超材料不單是一種材料形態(tài),也代表一種新的材料設(shè)計理
念。在超材料出現(xiàn)之前.,人們是根據(jù)自然界存在的材料,開發(fā)出想要
的電磁特性,而超材料通過逆向設(shè)計,即根據(jù)人們的應(yīng)用需求,通過
對微觀單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計來打破自然規(guī)律的限制,從而獲得具有特異性
能的材料。狹義上的超材料特指左手材料,又叫雙負(fù)材料,即一種介
電常數(shù)£和磁導(dǎo)率M均為負(fù)的人工周期介質(zhì)材料。廣義上的超材料指
原本自然界中小存在,由人工設(shè)計、制造出來的,具有大然材料所小
具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料
超材料作用范圍可以橫跨整個波譜頻段。理論上,針對不同的波長,
都可以設(shè)計出在此波譜范圍起作用的超材料。結(jié)構(gòu)特征單元的尺度及
形貌由工作波段的波長決定。典型的超材料有對光起作用的光子晶體,
其單元大小在納米和微米量級;對電磁起作用的左手材料、超磁材料,
其單元大小在微米到厘米量級;對聲波起作用的聲子晶體、金屬水,
其單元大小在厘米到米量級。
S<24:不同工作頻發(fā)大材料的痣本構(gòu)征結(jié)構(gòu)單元
工作“段&材料形或*本特征怙構(gòu)?元
小波帕收單元尺度,產(chǎn)*「
21MMX
SGH2
?求”段
100GHz
太”或”段
1TH1
中打外■段
100TH1
福紅外
200THI單元尺度,
1967年,蘇聯(lián)科學(xué)家VictorVeselago提出,如果有一種材料同時具
有負(fù)的介電常數(shù)£和負(fù)的磁導(dǎo)率P,電場矢量、磁場矢量以及波矢之
間的關(guān)系將不再遵循作為經(jīng)典電磁學(xué)基礎(chǔ)的“右手定則”,而呈現(xiàn)出與
之相反的“負(fù)折射率關(guān)系”。這種物質(zhì)將顛覆光學(xué)世界,使光波看起來
如同倒流一般,并且在許多方面表現(xiàn)出有違常理的行為,例如光的負(fù)
折射、“逆行光波”、反常多普勒效應(yīng)等。這種設(shè)想在當(dāng)時一經(jīng)提出,
就被科學(xué)界認(rèn)為是“天方夜譚”。直到1996年,JohnB.Pendry發(fā)現(xiàn)材
料是由一些微觀單元構(gòu)成的,材料的電磁特性是由這些單元組合后表
現(xiàn)出的宏觀特性,因此改變單元的形態(tài)和組合方式,有望產(chǎn)生原本不
可能出現(xiàn)的現(xiàn)象,這正是超材料思想的來源。基于此,Pendry用特
定形狀的金屬結(jié)構(gòu)周期性地規(guī)則排列,構(gòu)造了一種£和p同時為負(fù)的
結(jié)構(gòu)單元。2000年,Pendry又提出基于負(fù)折射材料的完美透鏡c受
Pendry的啟發(fā),Sm此用實驗實現(xiàn)了負(fù)折射率材料,他隨后又發(fā)表
文章,詳述了場平均法,為超材料的研究奠定了理論基礎(chǔ)。
“新”拆解:認(rèn)清隱身涂料的“涂料”本質(zhì)
隱身涂層總覽:本質(zhì)仍為航空涂層,以“底層+面層”為基礎(chǔ)
涂料可根據(jù)組成和功用分為清漆、磁漆、底漆和膩子。1)清漆:不
含顏料的涂料稱為清漆,主要成分為樹脂和溶劑。航空涂料中的醇酸、
丙烯酸和環(huán)氧等清漆主要用于飛機(jī)蒙皮的防護(hù),并可改善空氣動力性
能;2)磁漆:清漆加入顏料后并經(jīng)研磨即為磁漆。航空涂料中的丙
烯酸漆、環(huán)氧、聚氨酯等磁漆與底漆構(gòu)成涂層系統(tǒng),對產(chǎn)品起著防護(hù)、
偽裝和標(biāo)志的作用;3)底漆:涂在物體表面的第一層涂料,由清漆
和顏料配制而成,因位于涂層系統(tǒng)的底層而得名。底漆能使物體表面
和后續(xù)涂漆層緊密黏合,延長涂層使用壽命,是飛機(jī)涂層系統(tǒng)不可缺
少的涂料;4)膩子:在清漆中加入大量的體質(zhì)顏料配制而成的膏狀
材料,用于填平物體表面凹坑、縫隙和細(xì)孔等。
隱身涂層的本質(zhì)即為航空涂料的一種,其結(jié)構(gòu)機(jī)理萬變不離其宗。雖
然隱身涂層整體技術(shù)趨勢不透明性較高,但我們認(rèn)為隱身涂層的本質(zhì)
即為航空涂料的--種,其涂層結(jié)構(gòu)也應(yīng)以“底層”‘面層"為主,其中面
層即為功能層,起到紅外隱身或雷達(dá)吸波的作用,而底層的作用為強(qiáng)
化面層與基層材料(發(fā)動機(jī)、軍機(jī)表面)的結(jié)合強(qiáng)度。根據(jù)《蘇-27
飛機(jī)特種涂料的應(yīng)用》(吳永明等,【現(xiàn)代鹽化工】,2019年4月),
蘇27戰(zhàn)斗機(jī)防護(hù)系統(tǒng)由表面氧化處理+底漆(3F1-076底漆)十面漆
(兩層3rM40面漆)組成;飛機(jī)外蒙皮鎂合金的防護(hù)系統(tǒng),所采用
的油漆與內(nèi)蒙皮鎂合金相同,只是先用硫酸陽極化處理鎂合金件的表
面,并經(jīng)銘酸鹽填充。
航空涂料構(gòu)成
航空3B會屬外*面用面漆立費(fèi)針對不HNI電達(dá)到諸如防用蝕、
“美■、標(biāo)名、*?注、隔熱、■派鷹身、h外Efc身等U的
什對不用航空金屬材料的防爐底涔*具繁多,藏為成熟的《
?合金通喜家用壞女但*或格母作為底注.謔臭防獷底
洋的歸能已經(jīng)4*以熟
紅外隱身涂層:類比熱障涂層,粘結(jié)層+擴(kuò)散阻擋層+功能層三位一
體
根據(jù)華秦科技招股說明書,隱身涂層材料產(chǎn)品是由粘結(jié)層和功能層組
成的復(fù)合涂層,其中功能層的主要作用是實現(xiàn)材料的隱身功能,同時
提高隱身涂層材料的長期耐溫性能;粘結(jié)層則是用于增加隱身涂層材
料與工件的結(jié)合強(qiáng)度,避免材料應(yīng)用過程中的脫落。同時公司研發(fā)團(tuán)
隊發(fā)明設(shè)計了一種新型擴(kuò)散阻擋層,解決了高溫環(huán)境下涂層隱身性能
退化的問題,保證了涂層性能的高溫穩(wěn)定性。
在粘結(jié)層與擴(kuò)散阻擋層方面,紅外隱身涂層或與熱障涂層結(jié)構(gòu)有一定
相似性。由于隱身材料行業(yè)發(fā)展較晚,相關(guān)文獻(xiàn)中及公司公告中關(guān)于
具備配方、涂層構(gòu)成等內(nèi)容較少,我們認(rèn)為可以將紅外隱身涂層與航
空發(fā)動機(jī)熱障涂層相類比,主要原因為:1)紅外隱身涂層及熱障涂
層的基體類似(均涂覆于航空發(fā)動機(jī)熱端部件),因此或?qū)е峦繉訕?gòu)
成中,粘結(jié)層與擴(kuò)散阻擋層的機(jī)理相類似,而熱障涂層中的功能層起
到隔熱作用,紅外隱身涂層中的功能層起到降低表面紅外輻射特征的
作用;2)華秦科技在以隱身涂層為主營業(yè)務(wù)的同時,研發(fā)的高效熱
阻材料可顯著提高涂層的綜合隔熱效果,有效降低零部件使用溫度。
從華秦科技的業(yè)務(wù)拓展情況或可推斷出隱身涂層與熱障涂層有一定
的技術(shù)協(xié)同性。熱障涂層一般是由陶瓷層(TopCoat,TC)、熱生長
氧化物層(ThermallyGrownOxide,TGO)>粘結(jié)層(BondCoat,
BC)及高溫合金基體組成的多層結(jié)構(gòu)體系。其中陶瓷層主要起隔熱
作用,結(jié)合現(xiàn)行的先進(jìn)冷卻技術(shù),最常見的YSZ層可形成約500℃
的溫度降幅;粘結(jié)層主要起粘結(jié)過渡的作用,緩沖陶瓷層與基體之間
較大的熱膨脹系數(shù)差異。此外,在高溫環(huán)境工作時,陶瓷層與粘結(jié)層
之間還會形成一層連續(xù)致密的AI2O3保護(hù)膜(TGO層)對基體提供
保護(hù)。
粘結(jié)層:根據(jù)華秦科技招股說明書,金屬粘結(jié)層主要解決了耐溫隱身
涂層材料的附著力和抗熱震性能等應(yīng)用性能較差的難題,在高溫合金
基體上,設(shè)置粘結(jié)層可以提高高溫合金基體和紅外隱身涂層的結(jié)合強(qiáng)
度。根據(jù)《航空發(fā)動機(jī)涂層技術(shù)研究及進(jìn)展》(孫勇漢等,【涂層技
術(shù)】,2013年9月),以銀格鋁軌(NiCrAlY)涂層為代表,銀格鋁
憶粘結(jié)層屬于抗高溫氧化涂層,可耐800-1100℃的高溫,在高溫下
能形成致密的氧化物保護(hù)膜,阻擋O元素向內(nèi)擴(kuò)散以保護(hù)基體高溫
合金不被氧化,并避免環(huán)境介質(zhì)的腐蝕。
SA30;俄空發(fā)動機(jī)仄氣機(jī)會&L%格法ASEM照片
擴(kuò)散阻擋層:阻擋層是設(shè)置在金屬基體與金屬功能層之間,用于避免
基體及粘結(jié)層的金屬元素在高溫狀態(tài)下表層進(jìn)行擴(kuò)散,從而改變表層
的紅外發(fā)射特性,主要用低擴(kuò)散活性的氧化物陶瓷靶材,進(jìn)行磁控濺
射涂覆,決定紅外信號抑制的可靠性及壽命。擴(kuò)散阻擋層材料必須滿
足以下要求:1)擴(kuò)散系數(shù)低,在高溫下能阻止Al、Ni、M。、Re等
元素在基體與粘結(jié)層界面附近的互擴(kuò)散行為;2)界面結(jié)合性能好,
與基體及粘結(jié)層之閭都具有良好的匹配性,在使用過程中不易發(fā)生開
裂、剝落;3)高溫?zé)岱€(wěn)定性優(yōu)異,在高溫環(huán)境中不發(fā)生相變。對于
常見的擴(kuò)散阻擋層,按照其材料屬性主要分為兩大類:金屬類擴(kuò)散阻
擋層和陶瓷類擴(kuò)散阻擋層。根據(jù)《高溫防護(hù)涂層擴(kuò)散阻擋層的研究進(jìn)
展》(李偉洲等,【材料導(dǎo)報】,2009年),金屬類擴(kuò)散阻擋層雖
與基體和粘結(jié)層之間具有良好的結(jié)合性能,但其阻擴(kuò)散效果較差,無
法有效抑制基體與粘結(jié)層界面附近多種元素的互擴(kuò)散,不適合作為高
性能涂層中的擴(kuò)散阻擋層。陶瓷類擴(kuò)散阻擋層的阻擴(kuò)散性能優(yōu)異,能
夠在高溫長時間的服役過程中阻擋基體與粘結(jié)層界面附近的元素互
擴(kuò)散行為,是高性能涂層中擴(kuò)散阻擋層的發(fā)展趨勢。
功能層:根據(jù)《紅外隱身涂料的研究與進(jìn)展》(張凱等,【現(xiàn)代涂料
與涂裝】,2019年12月發(fā)表),紅外隱身材料通過降低目標(biāo)表面紅
外輻射特征,使得紅外成像探測無法識別目標(biāo)體。按照途徑,可分為
控制發(fā)射率和控制溫度兩類。通過控制發(fā)射率來實現(xiàn)R的的紅外隱身
材料,主要有涂料和薄膜兩類。涂料通常由粉體填料和黏合劑配制而
成。黏合劑的紅外波段高透明或低吸收性能以及良好的物理性能,是
紅外隱身涂層的一大技術(shù)難點。黏合劑使涂料牢固地貼合在基體表面,
起到保護(hù)填料的作用,而粉體填料在提高涂層紅外隱身方面起到主要
作用。
國米33:拿Ji有機(jī)a合刷的姓魚
仙舍剜他外途比華配外復(fù)射申(8-14um)其他姓色
0.600.915優(yōu)良的熱、H酸城憂,?工方依
壞反利防0.350951閾化方便.力學(xué)0岫紇A.
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制備工藝:隱身涂層材料的主要工藝包括物理涂覆、化學(xué)鍍、物理氣
相沉積、熱噴涂和溶膠一凝膠技術(shù)等。常溫領(lǐng)域下物理涂覆法一般即
可滿足要求,而在高溫領(lǐng)域下往往需要采用物理氣相沉積法和熱噴涂
法,制備方法一般不存在明顯壁壘,主要是成本和適用性的考量,同
時不同的制備方法往往對原材料也有不同的要求,如物理涂覆法和熱
噴涂法適用于粉體,物理氣相沉積法適用于靶材。
熱障涂層的制備主要是陶瓷層和粘結(jié)層的制備,在諸多的TBCs涂層
制備技術(shù)中,等離子噴涂和電子束物理氣相沉積(EB-PVD)兩種制
備技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛一。根據(jù)
^ThermalcyclingbehaviorofEB-PVDTBCsonCVDplatinummodified
aluminidecoatings)(XuZ等,[JournalofAlloys&Compounds],
2015年)、《熱噴涂及電子束物理氣相沉積技術(shù)在熱障涂層制備中
的應(yīng)用》(張紅松等,【材料導(dǎo)報】,2009年),EB-PVD技術(shù)制
備的熱障涂層具有以下優(yōu)勢:1)能提高涂層的熱循環(huán)壽命;2)提高
熱障涂層的抗高溫氧化和抗熱腐蝕性能;3)結(jié)合力顯著高于等離子
噴涂技術(shù)制備的涂層;4)可提高葉片的空氣動力學(xué)性能;5)更有益
于涂層結(jié)構(gòu)組織的控制;6)有利于涂層結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
同時,參考華秦科技招股說明書中對于隱身涂層材料工藝流程的介紹,
公司需要在收到客戶零件'進(jìn)行預(yù)處理(去除客戶零件表面附著的氧
化層、油污、灰塵等污染物)后進(jìn)行隱身材料制備、涂覆。根據(jù)涂層
成分的不同,采用等離子噴涂、磁控濺射等涂覆方式。我們推測該工
藝流程偏來料加工模式,或為公司收到客戶的航發(fā)零部件后,對其表
面進(jìn)行物理氣相沉積法進(jìn)行鍍膜。
雷達(dá)吸波涂層:吸收劑+粘結(jié)劑為核,構(gòu)建低中高溫全系圖譜
雷達(dá)吸波涂層結(jié)構(gòu)或與紅外隱身涂層類似,由底層+面層構(gòu)成,底層
為粘結(jié)層,主要作用為加強(qiáng)面層與軍機(jī)機(jī)體的結(jié)合強(qiáng)度,而面層為核
心吸波材料,由膠粘劑和吸收劑以及各種助劑組成。膠粘劑是涂料成
膜物質(zhì),可使涂層牢固粘附于被涂物表面形成連續(xù)膜,其中吸收劑是
主體,是吸波涂料的關(guān)鍵,決定吸波涂料好壞,各類助劑起輔助作用。
B<39:視黃4庸夫身沐料比方
K^/%
股桔韻100200
貝收M90.(^800
候快刎2.0~6.0
有機(jī)資洶上01-1.0
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微波吸收劑按其作用原理分為電損耗型和磁損耗型吸收劑。根據(jù)《吸
波涂料在雷達(dá)隱身領(lǐng)域的應(yīng)用》(胡嘉龍等,【電鍍與精飾】,2023
年2月),電損耗型吸收劑主要通過與電場的相互作用來吸收電磁波,
吸收效率取決于材料的介電常數(shù),主要包括以炭黑、碳化硅及特種碳
纖維等為代表的電阻型吸收劑和以鈦酸鋼鐵電陶瓷等為代表的電介
質(zhì)型吸收劑,后者的介質(zhì)損耗隨頻率變化極其敏感,吸收頻帶較窄,
應(yīng)用不多。磁損耗型吸收劑對電磁波的衰減主要來自于磁損耗,如鐵
氧體和堤基金屬微粉,目前均已獲得了廣泛的應(yīng)用。
軍機(jī)蒙皮表面可分為低溫、中溫、高溫段,工作溫度的差異造成了吸
波材料中的膠粘劑有所差別。根據(jù)《飛行器紅外輻射特征及發(fā)動機(jī)艙
蒙皮降溫規(guī)律研究》(王杏濤,【南京航空航天大學(xué)】,2015年4
月),軍機(jī)機(jī)頭、駕駛艙等迎風(fēng)位置為中溫段,熱量主要集中在飛行
器進(jìn)氣道入口附近也是氣動加熱的區(qū)域。軍機(jī)中部為低溫段,該段基
本沒有氣動加熱的區(qū)域,溫度較高的區(qū)域主要是由于發(fā)動機(jī)艙位置的
傳熱。軍機(jī)后體的發(fā)動機(jī)艙蒙皮為高溫段,溫度的變化受到兩個方面
的影響:在外場,有高速來流流過發(fā)動機(jī)艙蒙皮表面,一方面對蒙皮
進(jìn)行氣動加熱,令一方面也與蒙皮之間形成對流換熱;在內(nèi)部,高溫
的發(fā)動機(jī)壁面向發(fā)動機(jī)艙蒙皮進(jìn)行對流和輻射傳熱。
粘結(jié)劑(膠粘劑)是涂層的基體材料,其倫用是使得涂層與基材達(dá)到
良好的結(jié)合力,其中樹脂基粘結(jié)劑適用于低溫環(huán)境,陶瓷基粘結(jié)劑適
用于中高溫環(huán)境。樹脂基粘結(jié)劑經(jīng)常用于常溫或低于200℃的應(yīng)用環(huán)
境,由于樹脂耐受溫度的限制,在高溫應(yīng)用環(huán)境下通常選用陶瓷材料
作為隱身涂層的粘結(jié)劑。
S<42:隙身除虐材料然成加構(gòu)
方達(dá)成吸收制
解一功SS依人“IH”
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雷達(dá)吸波涂層與紅外隱身涂層的制備工藝有所區(qū)別。根據(jù)華秦科技招
股說明書,華秦科技(以紅外隱身材料為主)的隱身涂層材料以高溫
隱身材料為主。華秦科技主要制備工藝為‘耐溫隱身涂層涉及的制備
工藝主要包括物理氣相沉積技術(shù)、熱噴涂技術(shù)和空氣噴涂技術(shù)”,主
要生產(chǎn)模式為'對于隱身涂層材料及防護(hù)材料,客戶將相關(guān)零部件發(fā)
運(yùn)至公司后,公司運(yùn)用定制化開發(fā)的生產(chǎn)設(shè)備及特定的生產(chǎn)工藝將特
種功能材料直接制備并涂覆在客戶零部件表面,從而在客戶零部件表
面形成特種功能材料涂層,提升客戶零部件的隱身能力或防護(hù)能力,
在此過程中即完成了公司產(chǎn)品的生產(chǎn)”。根據(jù)《關(guān)于成都佳馳電子科
技股份有限公司首次公開發(fā)行股票并在科創(chuàng)板上市申請文件的審核
問詢函之回復(fù)報告》(2023.5.18),佳馳科技(以雷達(dá)吸波材料為
主)的隱身功能涂層材料的制備工藝及方法主要包括關(guān)鍵吸收劑的制
備、涂料的合成、多層噴涂施工工藝及隱身功能涂層材料的維護(hù)保障,
其工藝涉及多物理化學(xué)過程。主要生產(chǎn)模式為公司根據(jù)客戶需求進(jìn)行
定制化研發(fā),產(chǎn)品定型后組織生產(chǎn),產(chǎn)品于公司內(nèi)部生產(chǎn)完成后,交
付客戶使用,一般由客戶自行涂覆于武器裝備表面。
結(jié)構(gòu)隱身材料:隱身涂層的進(jìn)階,兼具隱身與承力功能
按材料的成型工藝和承載能力,雷達(dá)吸波材料可以分為涂覆型和結(jié)構(gòu)
型兩大類。現(xiàn)階段隱身兵器幾乎都使用了涂覆型吸波材料。涂覆型吸
波材料是具有電磁波吸收功能的涂料,一般將吸收劑(微粉或纖維)
與有機(jī)溶液、乳液或液態(tài)高聚物(粘結(jié)劑)混合制成功能復(fù)合涂料,
刷涂或噴涂到雷達(dá)目標(biāo)的表面。其工藝簡單,使用方便,因容易調(diào)節(jié)
而受到重視。結(jié)構(gòu)型吸波材料一般將吸收劑分散在各種纖維增強(qiáng)的結(jié)
構(gòu)復(fù)合材料(如碳纖維復(fù)合材料)中,具有承載和吸波的雙重作用。
結(jié)構(gòu)型吸波材料的綜合性能更為優(yōu)異,既能承載作結(jié)構(gòu)件,具備復(fù)合
材料質(zhì)輕高強(qiáng)的優(yōu)點,又能吸收或透過電磁波。同時性能可設(shè)計性更
強(qiáng),可以分為多層板吸波材料、夾芯結(jié)構(gòu)吸波材料以及電路模擬吸波
材料。
圖表46:角鋒夫芯結(jié)構(gòu)
吸波結(jié)構(gòu)是同時滿足雷達(dá)波吸收、維形和結(jié)構(gòu)承載等功能的新型復(fù)合
材料結(jié)構(gòu),它克服了傳統(tǒng)吸波涂料維護(hù)性差的缺點,是現(xiàn)代飛行器實
現(xiàn)隱身的重要技術(shù)手段。與傳統(tǒng)的吸波涂料相比,具有吸波效率高、
吸波頻率范圍寬、比剛度高、密度低的優(yōu)點。
蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)具有良好的以其良好的力學(xué)性能和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特性被
廣泛應(yīng)用于各種雷達(dá)隱身結(jié)構(gòu)中。在對蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)隱身設(shè)
計時可以充分考慮蜂窩的結(jié)構(gòu)特性,一方面可以通過在蜂窩芯子上面
浸漬吸波顆,使電磁波在通過透波層入射后不斷地被蜂窩壁上的吸波
顆粒耗散掉,達(dá)到隱身的目的。另一方面,鑒于蜂窩結(jié)構(gòu)的中空特性,
可以將吸波顆粒分散到PVC泡沫等輕質(zhì)基體中,再將其填充到蜂窩
夾芯結(jié)構(gòu)中。
隱身結(jié)構(gòu)材料為隱身涂層材料的技術(shù)延申,技術(shù)壁壘更高,研發(fā)周期
更長。根據(jù)《關(guān)于成都佳馳電子科技股份有限公司首次公開發(fā)行股票
并在科創(chuàng)板上市申請文件的審核問詢函之回復(fù)報告》(2023.5.18),
公司隱身涂層材料從研發(fā)到量產(chǎn)的時間周期約為1?2年,而隱身功能
結(jié)構(gòu)材料普遍需要2-3年。
隱身功能結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用部位有別于隱身涂料,因此結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展
或能開拓全新應(yīng)用場景,提供0到1的增量。根據(jù)《關(guān)于成都佳馳電
子科技股份有限公司首次公開發(fā)行股票并在科創(chuàng)板上市申請文件的
審核問詢函之回復(fù)報告》(2023.5.18),佳馳科技向航空工業(yè)主要
銷售隱身功能涂層材料、隱身功能結(jié)構(gòu)件,其中隱身功能涂層應(yīng)用于
其生產(chǎn)的軍機(jī)整機(jī)表面,隱身功能結(jié)構(gòu)件應(yīng)用于其生產(chǎn)的機(jī)翼、垂尾
等飛機(jī)部件關(guān)鍵部位;公司向中國電科主要銷售隱身功能結(jié)構(gòu)件,主
要用于其生產(chǎn)的與航空器配套的天線、雷達(dá)等產(chǎn)品的關(guān)鍵部位。
根據(jù)結(jié)構(gòu)隱身材料的類型不同,可以分為樹脂基結(jié)構(gòu)隱身材料和陶瓷
基結(jié)構(gòu)隱身材料,其中樹脂基結(jié)構(gòu)雷達(dá)隱身材料的研究比較成熟,應(yīng)
用較為廣泛。樹脂基結(jié)構(gòu)雷達(dá)隱身材料制備的技術(shù)路線主要包括熱壓
法、熱壓罐成型技術(shù)、真空輔助RTM成型技術(shù)和拉擠成型技術(shù)。
超材料:開辟全新路徑,實現(xiàn)“完美”隱身
超材料不受限于自然材料參數(shù)和功能的限制。我們認(rèn)為,按照隱身材
料是否參與結(jié)構(gòu)承力,隱身材料可分為涂覆型材料和結(jié)構(gòu)型材料。例
如,涂覆型吸波材料是在目標(biāo)表面涂覆的可以吸收雷達(dá)波的涂層,一
般由粘結(jié)劑與金屬合金粉末、鐵氧體、導(dǎo)電纖維等吸收劑混合而成。
而結(jié)構(gòu)型吸波材料是在先進(jìn)復(fù)合材料的基礎(chǔ)上,將吸收劑分散在特種
纖維增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)材料中而形成的復(fù)合材料,是適于吸收雷達(dá)波,同時
具有良好承載力學(xué)性能的多層梯度功能材料。相比傳統(tǒng)隱身材料?,超
材料是依據(jù)新穎的材料設(shè)計思路,突破多種材料的物理結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來
的自然規(guī)律的限制,獲得自然界材料所不具備的超常的物理。超材料
通過原子的有序排列和有序調(diào)節(jié),使得晶體材料顯示出一些無定型態(tài)
所不具備的物理特征,這類似于自然界中存在的晶休結(jié)構(gòu)物質(zhì)。超材
料也可以理解為人為通過各種層次的有序結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對各種物理量的
調(diào)制,從而獲得自然界中在該層次上無序或無結(jié)構(gòu)的材料所不具備的
物理性質(zhì)的材料飛
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超材料的特殊性質(zhì)主要因其特殊結(jié)構(gòu)所致。超材料由人工結(jié)構(gòu)的微結(jié)
構(gòu)組成,以等效介電常數(shù)、等效磁導(dǎo)率描述其整體電磁特征。通過設(shè)
計不同的微結(jié)構(gòu),可使超材料的相對等效介電常數(shù)、相對等效磁導(dǎo)率
為小于1的正實數(shù)、負(fù)實數(shù)或復(fù)數(shù),從而使電磁波傳播方式從根本上
發(fā)生變化。目前根據(jù)超材料的特殊性質(zhì)而研發(fā)的許多新材料之中,最
常被廣泛討論是負(fù)折射超材料。負(fù)折射超材料是一種人造的光學(xué)結(jié)構(gòu),
它的折射率對于一定頻率范圍內(nèi)的電磁波是負(fù)值,且目前沒有任何天
然材料擁有這一屬性。這種負(fù)折射的性質(zhì),會致使電磁波朝著與能量
完全相反的方向傳播,若直觀來看,會如同下圖中水里的吸管,朝反
方向偏折過去。
電磁超材料可以通過調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)尺寸改變其電磁參數(shù),近年來在隱
身技術(shù)領(lǐng)域備受關(guān)注。電磁波隱身超材料通過吸收電磁波并將其轉(zhuǎn)化
成其他形式的能量耗散掉,可實現(xiàn)目標(biāo)對電磁波的吸波隱身;通過控
制電磁波繞過目標(biāo)物體而不產(chǎn)生散射,可實現(xiàn)目標(biāo)對電磁波的透波隱
身。電磁超材料技術(shù)的發(fā)展分為了3個階段,即第1階段為等效媒質(zhì)
超材料,第2階段為人工表面等離激元超材料(SurfacePlasmon
Polariton,SPP),第3階段為信息超材料。3個發(fā)展階段,從傳統(tǒng)到
智能可調(diào),各階段超材料在隱身技術(shù)領(lǐng)域都有著非常廣闊的應(yīng)用前景。
超材料隱身技術(shù)可以應(yīng)用于雷達(dá)罩隱身設(shè)計,實現(xiàn)雷達(dá)罩帶內(nèi)透過、
帶外吸收等功能。由于超材料具有的特殊電磁性能,其在雷達(dá)、隱身、
電子對抗等諸多裝備技術(shù)領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展空間。超材
料電磁場控制理論的提出為探索新型的隱身機(jī)理提供了新的思路。超
材料電磁場控制理論是基于坐標(biāo)變換理論來控制電磁場的傳播,通過
優(yōu)化設(shè)計超材料的結(jié)構(gòu)單元,在一定的范圍內(nèi)實現(xiàn)超材料等效媒質(zhì)參
數(shù)的人工自由調(diào)控,極大地提高對電磁波的操控能力,引導(dǎo)入射電磁
波繞過隱身目標(biāo)實現(xiàn)電磁隱身。超材料隱身技術(shù)可以應(yīng)用于雷達(dá)罩隱
身設(shè)計,實現(xiàn)雷達(dá)罩帶內(nèi)透過、帶外吸收等功能。一種基于“超材料
罩體+理想匹配層”結(jié)構(gòu)的超材料隱身天線罩,通過采用兩種不同形式
的坐標(biāo)變化,設(shè)計出具有兩種不同工作模式的雙頻段超材料罩體結(jié)構(gòu),
使其分別對雷達(dá)天線系統(tǒng)工作頻帶內(nèi)外的電磁波表現(xiàn)出兩種不同的
控制機(jī)理。在雷達(dá)工作頻帶之外,超材料罩體呈現(xiàn)出隱身模式,引導(dǎo)
入射電磁波沿罩體繞射過雷達(dá)天線系統(tǒng)至理想匹配層處并被無反射
的完全吸收,實現(xiàn)雷達(dá)天線系統(tǒng)的隱身;而在雷達(dá)工作頻帶內(nèi),超材
料罩體呈現(xiàn)出透明模式,入射電磁波可以穿過雷達(dá)罩進(jìn)入雷達(dá)天線系
統(tǒng),而雷達(dá)發(fā)射的電磁波也可以穿過雷達(dá)罩向外輻射不受影響,從而
保證雷達(dá)天線系統(tǒng)的正常工作。
a<55:4t材料隙身?達(dá)罩時電a*的兩笄粒制機(jī)理
超材料可以應(yīng)用于傳統(tǒng)的吸波隱身技術(shù)中。其吸波機(jī)理是:在諧振和
反諧振區(qū)域,標(biāo)志材料損耗特性的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率的虛部也達(dá)
到了峰值,這意味著超材料也會對電磁波表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收特性,因
而基于超材料可以設(shè)計出具有強(qiáng)吸波效應(yīng)的吸收劑。超材料既可以單
獨作為吸波材料使用,也可以與傳統(tǒng)吸波材料復(fù)合,從而制備出滿足
微波隱身“薄、輕、寬、強(qiáng)”要求的新型復(fù)合吸波材料。作為結(jié)構(gòu)型的
超材料,在作為隱身材料使用時,由于其工作頻率、介電常數(shù)和磁導(dǎo)
率等電磁參數(shù)的易調(diào)節(jié)性,容易實現(xiàn)超材料的吸波層與自由空間的阻
抗匹配,從而大幅度減少反射波強(qiáng)度。超材料吸波隱身要求阻抗匹配,
衰減匹配。阻抗匹配要求電磁波能夠盡量多的傳導(dǎo)入介質(zhì)內(nèi),而不被
表面反射,衰減匹配指進(jìn)入介質(zhì)內(nèi)部的電磁波能量被迅速地轉(zhuǎn)換為其
他能量(如熱能等)而耗散掉。《Perfectmetamaterialabsorber》
(N.I.Landy等,[PhysicalReviewLettersJ,2008年)中首次提出
“完美吸波體”的概念?!巴昝牢w”通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型,調(diào)控單元電
諧振和磁諧振,實現(xiàn)與自由空間的阻抗匹配,降低入射電磁波的反射
率,并利用結(jié)構(gòu)單元的介質(zhì)損耗和歐姆損耗實現(xiàn)對電磁波的強(qiáng)烈吸收。
這種超材料吸波體具有吸收率高、單元尺寸小等優(yōu)點。
超材料吸波隱身的另一個體現(xiàn)是關(guān)于電磁黑洞,即通過效仿物質(zhì)在
“黑洞”引力場的影響下在空間中的彎曲運(yùn)動軌跡,實現(xiàn)電磁波能量的
全向?qū)掝l吸收。2010年,東南大學(xué)團(tuán)隊通過類比光學(xué)黑洞的理論,
采用具有漸變折射率的非諧振型超材料外殼和具有大損耗介質(zhì)內(nèi)核
的結(jié)構(gòu),首次制造了微波頻段的全方位電磁黑洞,該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)各
方向入射的電磁波螺旋式地向內(nèi)彎折,最終被內(nèi)核的損耗介質(zhì)吸收,
在微波頻段的吸波率達(dá)到了99%o
SA57:東南大學(xué)制造的電?黑消結(jié)構(gòu)
(b)
超材料透波隱身是基于完美隱身的概念,其不同于吸波隱身,而是使
電磁波繞射物體從而實現(xiàn)隱身。2006年,Pendry與Leonhadrt均提
出了基于超材料的隱身套,通過變換光學(xué)的方法設(shè)計隱身罩材料的電
磁參數(shù)分布,以此來控制電磁波的傳播路徑,使電磁波繞過物體,在
物體后方還是保持原入射方向,看起來好像物體對于電磁波的傳播不
產(chǎn)生干擾,從而實現(xiàn)完美隱身。同年,Schurig等用金屬諧振型超材
料制備了微波頻段的隱身罩,完成了完美隱身的實驗驗證。他們將一
個銅柱放置在隱身罩中,實驗證明該隱身罩能夠在引導(dǎo)電磁波繞射的
同時有效地減少銅柱的散射場。
與傳統(tǒng)意義上針對探測雷達(dá)的折射式、吸波式和反射式隱身技術(shù)不同,
超材料隱身套是一種基于透射的新概念隱身技術(shù),具有傳統(tǒng)隱身所無
法比擬的優(yōu)點:首先,透波效率的提高減小了反射,從而降低了雷達(dá)
散射截面(RCS)。其次,由于是透波,能量在套內(nèi)的轉(zhuǎn)換率小,從
而減少了吸波所造成的二次輻射(比如紅外輻射)。再次,由于透射
波保持原有方向和波形,基于檢測前向波傳輸?shù)亩嗷走_(dá)技術(shù)無法探
測到隱身目標(biāo),具有反多基雷達(dá)偵察的能力。
“新”市場:現(xiàn)代國防裝備剛需,市場前景廣闊
頂層政策強(qiáng)調(diào)國防建設(shè),國際局勢趨緊背景下裝備需求旺盛
國防預(yù)算增速連續(xù)突破7%,強(qiáng)軍形勢緊迫。在今年政府預(yù)算草案報
告中顯示,2023年我國國防費(fèi)預(yù)算約為15537億元人民幣,同比增
長7.2%,增速較上年提升O.lpct,連續(xù)兩年增速突破7%。當(dāng)前國
際環(huán)境惡化,區(qū)域沖突和大國對抗不斷升級,國防投入提速具有合理
性和緊迫性,我國國防實力與經(jīng)濟(jì)水平尚不匹配,軍工處于補(bǔ)償式發(fā)
展階段。
0<59:歷隼國防支出增速及GDP增速對比
我國國防支出占GDP比重仍較低,軍費(fèi)占比仍有提升空間。根據(jù)
Statista數(shù)據(jù),對比其他軍事強(qiáng)國,俄羅斯、日本、美國、印度2023
年國防預(yù)算分別同比+43%/26%/14%/13%;另外據(jù)今日俄羅斯新聞,
美國2024財年國防預(yù)算占GDP比重可能突破4%,我國國防費(fèi)用增
速及占GDP比例仍有提升空間。
美國歷年國防支出隨戰(zhàn)爭爆發(fā)而加速增長,短期或?qū)⒅貑⒓铀佘壍?
我國國防建設(shè)存在緊迫性和必要性。1990-1991年海灣戰(zhàn)爭爆發(fā),美
國1991年軍費(fèi)規(guī)模達(dá)3197.04億美元(同比+6.52%);1999年科
索沃戰(zhàn)爭爆發(fā),美國2000年軍費(fèi)規(guī)模達(dá)2949.65億美元(同比
+7.08%)。隨著2001年阿富汗戰(zhàn)爭的爆發(fā)及2003年伊拉克戰(zhàn)爭的
爆發(fā),美國軍費(fèi)開支持續(xù)保持大幅增長,軍費(fèi)規(guī)模由2002年的
3489.52億美元增至2011年的6993.92億美元,2003-2011年軍費(fèi)
規(guī)模CAGR達(dá)8.03%,遠(yuǎn)超同期GDP增速。
對比“北約”相關(guān)方,我國國防支出仍有較大提升空間,目前國防支出
與經(jīng)濟(jì)地位仍不相稱?!笆奈濉币?guī)劃中明確指出“促進(jìn)國防實力和經(jīng)濟(jì)
實力同步提升”,我們認(rèn)為整個“十四五”時期甚至到2027年“實現(xiàn)建軍
百年奮斗目標(biāo)”的節(jié)點上,我國國防支出增速或?qū)㈤L期高于GDP增速,
國防支出占GDP比重有望進(jìn)一步提升。
國防現(xiàn)代化建設(shè)加速,裝備開支占軍費(fèi)支出比重穩(wěn)中有升,軍事裝備
需求持續(xù)擴(kuò)大。黨的“十九大”首次提出了“全面建成世界一流軍隊'目
標(biāo),確保到2020年基本實現(xiàn)機(jī)械化、信息化建設(shè)取得重大進(jìn)展,力
爭到2035年基本實現(xiàn)國防和軍隊現(xiàn)代化,到本世紀(jì)中葉全面建成世
界一流軍隊。隨著我國國防現(xiàn)代步伐不斷加快,以導(dǎo)彈為代表的重要
軍事裝備將迎來廣闊的發(fā)展空間。
國464:我國國防蛆費(fèi)拆分
t軍空軍
投各“裝備?修
入
什應(yīng)調(diào)終才棄火地、各臭滴!€吃等
AJItW
?各大軍料■軍,收人逾會■軍”極人隼例?軍會技入H腐臭型
前裝市場:“隱身時代”來臨,先進(jìn)裝備列裝利好隱身材料放量
我國軍機(jī)在數(shù)量上與美國存在較大差距,總量提升需求顯著。軍用飛
機(jī)是直接參加戰(zhàn)斗、保障戰(zhàn)斗行動和軍事訓(xùn)練的飛機(jī)的總稱,是航空
兵的主要技術(shù)裝備。據(jù)《WorldAirForces2022》統(tǒng)計,美國現(xiàn)役軍
機(jī)總數(shù)為13246架,在全球現(xiàn)役軍機(jī)中占比為25%,而我國現(xiàn)役軍
機(jī)總數(shù)為3285架,在全球現(xiàn)役軍機(jī)中占比僅為6%。按各個細(xì)分機(jī)
型來看,戰(zhàn)斗機(jī)是我國軍機(jī)中的主力軍,總數(shù)為1571架,但數(shù)量不
到美國同期的60%,且其他機(jī)型的數(shù)量都遠(yuǎn)落后于美國,我國未來
軍機(jī)總量提升需求顯著。
從結(jié)構(gòu)上看,我國軍用飛機(jī)二代及二代半飛機(jī)占比仍然較高,信息化
程度高、綜合戰(zhàn)斗力強(qiáng)的新機(jī)型配備不足,以戰(zhàn)斗機(jī)為例,美國的三
代機(jī)占比81%,四代機(jī)占比19%。而我國二代機(jī)占比47%,三代機(jī)
占比52%,四代機(jī)(J-20)僅少量列裝。過去幾十年受制于先進(jìn)機(jī)
型的研發(fā)和批產(chǎn)進(jìn)度,尤其是部分核心部件的國產(chǎn)化能力,我國軍用
航空市場的龐大需求一直無法得到滿足。但是近年來隨著殲15/16、
轟6K/N等的加速列裝,尤其是殲20、運(yùn)20、直20等我國新一代軍
用飛機(jī)的陸續(xù)批產(chǎn),標(biāo)志著我國新一代機(jī)型的拼圖已基本補(bǔ)全,亟待
量產(chǎn)配套跟進(jìn)。我們認(rèn)為接下來十年,是軍用飛機(jī)換裝的穩(wěn)定期,也
是我國航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的加速器。
圖表72:2021年我國軍機(jī)各大類機(jī)型占比
戰(zhàn)斗機(jī)
48%
“隱身時代”來臨,新一代先進(jìn)裝備均采用了隱身技術(shù)。軍機(jī)方面:根
據(jù)《武器裝備隱身材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢》(賈愛珍等,【科技展望】,
2016年12月),F-117A隱身攻擊戰(zhàn)斗機(jī)、F-22、F?35先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)
以及B-2隱身戰(zhàn)略轟炸機(jī)均采用了最先進(jìn)的隱身技術(shù);發(fā)動機(jī)方面:
根據(jù)《航空發(fā)動機(jī)隱身技術(shù)分析與論述》(鄧洪偉等,【航空科學(xué)技
術(shù)】,2017年10月),四代戰(zhàn)斗機(jī)及未來的隱身飛機(jī)對發(fā)動機(jī)提出
了較高的隱身指標(biāo)要求。而發(fā)動機(jī)后腔體及其內(nèi)部件和邊緣等產(chǎn)生的
雷達(dá)散射信號、后腔體及其熱端部件和尾噴流等產(chǎn)生的紅外輻射信號
占整個飛機(jī)尾部方向特征信號的95%以上。
后裝市場:耗材屬性凸顯,廣闊維修市場鑄造隱身材料成長邏輯
武器裝備性能越高,維護(hù)間隔時間越短,單次維護(hù)費(fèi)用越高。為了保
持武器裝備的性能,各國軍方需要在全生命周期內(nèi),頻繁地對武器裝
備的各類設(shè)備進(jìn)行持續(xù)性的維護(hù)和更新。STATISTA的研究數(shù)據(jù)顯示,
B-2、B-52、B-1B隱身轟炸機(jī),F(xiàn)-22"猛禽,隱身戰(zhàn)斗機(jī)、F-35隱身
戰(zhàn)斗機(jī)的維護(hù)成本位列前五。LockheedMartin公司官網(wǎng)披露F-22“猛
禽'隱身戰(zhàn)斗機(jī)50%的維護(hù)成本均來自于隱身涂料。可見,四代隱身
戰(zhàn)機(jī)后續(xù)的維護(hù)運(yùn)營成本中,隱身材料產(chǎn)生的維護(hù)成本較高。
據(jù)《武器裝備隱身材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢》(賈愛珍等,【科技展望】,
2016年12月),以B-2為代表的隱身戰(zhàn)斗機(jī),平均五年就要進(jìn)行一
次隱身材料的大翻修,五年內(nèi)幾乎每年都要定期進(jìn)行一次小范圍維護(hù)
工作。此外,據(jù)美國國防部2016年8月披露的合同訂單和
LockheedMartin公司官網(wǎng)公告披露的維修數(shù)據(jù)推測,F(xiàn)-22單機(jī)一次
隱身材料的小型維護(hù)需要花費(fèi)508萬美元,單機(jī)一次大型的隱身材
料維護(hù)需要花費(fèi)8472萬美元(假設(shè)單次小型維護(hù)的面積只有6%)o
美國會計總署2020年披露的數(shù)據(jù)顯示,2018年,美國空軍平均每
架F-22產(chǎn)生的維修費(fèi)用為875萬美元,豆均每架F-22隱身涂料的
維修成本為437.5萬美元(假設(shè)50%為涂料維護(hù)費(fèi)用)。參考美國
空軍F-22的維修體系可以推測,我國航空裝備的升級換代及加速列
裝有望持續(xù)推動隱身涂料軍品市場增長。軍用飛機(jī)規(guī)模增加,作戰(zhàn)訓(xùn)
練頻率增加,開辟了后端維修業(yè)務(wù)空間。1)隨著先進(jìn)武器裝備需求
帶來的存量和增量飛機(jī)數(shù)量的增加,航空發(fā)動機(jī)維修市場空間將持續(xù)
擴(kuò)大;2)“十四五”期間,“強(qiáng)軍目標(biāo)穩(wěn)步推進(jìn)”目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)椤皞鋺?zhàn)能力
建設(shè)。加強(qiáng)實戰(zhàn)化訓(xùn)練是“十四五”時期國防和軍隊建設(shè)的重要內(nèi)容,
強(qiáng)調(diào)通過作戰(zhàn)訓(xùn)練不斷提高軍事作戰(zhàn)素養(yǎng)。作戰(zhàn)訓(xùn)練體系的鞏固將大
大提高訓(xùn)練強(qiáng)度,從而增加航空發(fā)動機(jī)的消耗,從而增加對飛機(jī)維護(hù)
和保障的需求。
出*■出我國軍火因戰(zhàn)化調(diào)絳將埃加強(qiáng)
酎同事件
20144中央案會印發(fā)《關(guān)于發(fā)離軍事淚描實風(fēng)化木華的。巨》
20164中央■或《加總哀應(yīng)化事“縹督什蠅文》
20184中央*11號令:交出以找fit詞.用“我境*求“卡引實典化“第
20194中央事*1號令:外例*修全工方其實或?qū)嵲~.不禁潭化今”代爆氏實現(xiàn).大黑尖火化調(diào)惇
20204中央挈書1號?令:大抓發(fā)M.化軍事調(diào)終.保持高度或5狀3
2020年中央軍會*率調(diào)博會議:仝面加氣實質(zhì)化川中調(diào)熔.上為收曷調(diào)博爾平*>打Att力
2021年中央軍*1號命令:It能齊羯打優(yōu),全面根身調(diào)縹實風(fēng)化太平”〃*版力
2022年中央4*1]?令:火力加遣戰(zhàn)澗槁舍.大力為遺體尿烯矣.大力槍且”秋縹,
隱身涂層很小的損傷或缺陷都可能引起隱身性能較大的惡化。任何細(xì)
小剝落和損傷之處都可能導(dǎo)致機(jī)身表面因?qū)щ姴痪鶆蜻B續(xù)而出現(xiàn)的
RCS熱點或者尖峰,影響飛機(jī)總體隱身性能。正是涂層的脆弱性,
導(dǎo)致F-22”猛禽械斗機(jī)的維護(hù)成本有很大一部分消耗在了修補(bǔ)隱身
涂層的低可視(LO)維護(hù)上,導(dǎo)致該機(jī)在2018財年的每小時飛行戌本
高達(dá)35294美元。在戰(zhàn)場上、平時訓(xùn)練等引起的隱身涂層的劃傷、
擦傷等機(jī)械損傷都會嚴(yán)重影響到武器的隱身性能。涂層脫落部分使電
磁波反射嚴(yán)重,從而會嚴(yán)重影響到飛機(jī)、艦艇等武器裝備的隱身性能,
使其難以發(fā)揮作戰(zhàn)效能。特別是在現(xiàn)代高技術(shù)條件下的局部戰(zhàn)爭條件
下,戰(zhàn)場搶修時間的緊迫性要求損傷的裝備必須在24h內(nèi)被修復(fù),
否則它就不能夠被投入本次戰(zhàn)斗。美國陸軍研究報告指出:在防御戰(zhàn)
中,允許的搶修時間為:連-2h,營?6h,團(tuán)?24h,師?36h,軍48?
96ho這對于隱身飛機(jī)等隱身武器的隱身性能提出了快速修復(fù)的要求。
“新”邏輯:橫空出世到兼容并蓄,符合“一主兩率”優(yōu)選賽道
在華泰軍工組2023年度策略報告《掘金2023:守正、積勢、待時》
(2022.11.21發(fā)布),我們創(chuàng)新性地提出“一主兩率”投資邏輯(綁定
主戰(zhàn)裝備型號+國產(chǎn)化率提升+滲透率提升),其中隱身材料正處于
在主戰(zhàn)裝備型號中滲透率快速爬升階段,或成為軍工各細(xì)分賽道成長
分化加劇背景下異軍突起的高景氣新興賽道,而隱身材料則是“一主
兩率”投資框架下的優(yōu)選賽道之一。
復(fù)盤美國F-117、F-22、F-35隱身性能的發(fā)展歷程,我們強(qiáng)調(diào)隱身
材料板塊的四大投資邏輯,即:1)短期:以新型航空裝備為代表的
各型裝備有望加速列裝,特種功能材料如隱身材料、熱防護(hù)材料等的
需求有望隨軍機(jī)放量快速增長;2)中期:隱身性能提升空間較大,
隱身材料裝備滲透率與軍機(jī)數(shù)量共振;3)長期:隱身需求向承力件
滲透,結(jié)構(gòu)隱身材料牽引新增長極;4)后市場:訂單數(shù)量龐大形成
規(guī)模效應(yīng),隱身材料耗材屬性驅(qū)動行業(yè)持續(xù)高景氣度。
我國隱身材料需求曲線波動性或顯著弱于美國,整體呈現(xiàn)高斜率穩(wěn)定
增長態(tài)勢。美國第一款隱身戰(zhàn)斗機(jī)F?117為了提高隱身性能而犧牲了
速度和靈活性,不具備超音速飛行能力和空戰(zhàn)能力,同時F-117的保
養(yǎng)和維護(hù)費(fèi)用相當(dāng)高。而F-22同樣因為較高的成木及維護(hù)費(fèi)用最終
總產(chǎn)量低于期初計劃采購量。美國方面隱身材料真正受益于下游裝備
穩(wěn)定放量始于F-35的生產(chǎn),其綜合考慮了成本、隱身性能等多方面
因素后,符合美國國防部的采購需求。對比我國國防建設(shè)體系,或充
分參考美軍的“前車之鑒”而更注重隱身戰(zhàn)斗機(jī)的可批產(chǎn)性,進(jìn)而規(guī)避
類似F-117、F-22的需求糾結(jié)時期,使得我國下游隱身裝備呈現(xiàn)出
增長態(tài)勢,上游隱身材料的需求穩(wěn)定度也更高。
短期:新技術(shù)導(dǎo)入期,滲透率有望實現(xiàn)0?1?N的突破
軍用飛機(jī)在威脅作戰(zhàn)場景的生存力,已經(jīng)成為在飛機(jī)四性設(shè)計(負(fù)擔(dān)
力、殺傷力、保障刀、生存力)中最優(yōu)先考慮的指標(biāo)之一。匕機(jī)生存
力通常涉及敏感性、易損性和戰(zhàn)傷修復(fù)能力三個方面,敏感性和易損
性決定飛機(jī)生存力的高低,而戰(zhàn)傷修復(fù)能力直接影響飛機(jī)的出動強(qiáng)度。
其中敏感性是指飛機(jī)不能避開雷達(dá)、槍炮、沖擊彈丸、制導(dǎo)導(dǎo)彈、爆
破彈頭以及其他構(gòu)成敵對威脅環(huán)境的能力。在空戰(zhàn)中,如果先于敵人
發(fā)現(xiàn)威脅,,作出判斷并進(jìn)行調(diào)整,戰(zhàn)斗機(jī)的戰(zhàn)場生存力將會大大提高,
完成戰(zhàn)斗任務(wù)的成功率也會大幅提升。
?ij11TT]
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F-117作為第一代隱形戰(zhàn)斗機(jī),以犧牲其他性能為代價,單機(jī)隱身材
料體量大幅提升,并結(jié)合外形設(shè)計,提升了單機(jī)戰(zhàn)場生存的概率PSo
美軍在開始研制時就把它定義為隱形作戰(zhàn)的初步嘗試,開辟了隱形戰(zhàn)
斗機(jī)的先河。作為隱身飛機(jī)的第一次嘗試,洛克希德馬丁公司在1982
年8月至1990年7月期間向空軍僅交付了59架隱形戰(zhàn)斗機(jī)。
F-117為實現(xiàn)隱身性能,犧牲大量作戰(zhàn)性能。例如速度慢,機(jī)動能力
差,這主要是因為機(jī)身結(jié)構(gòu)、布局為照顧隱身需要,氣動性能不佳,
發(fā)動機(jī)則推力減小,并且無加力。與一般戰(zhàn)斗機(jī)相比,其機(jī)動能力明
顯降低,載彈數(shù)量少,持續(xù)攻擊能力弱。根據(jù)《南聯(lián)盟擊落F—117A
隱身飛機(jī)戰(zhàn)例破解研究》(胡曉磊,殷大虎,金建偉,【現(xiàn)代防御技
術(shù)】,2020年8月),F(xiàn)-117隱身性能方面也并不完善,特別是存
在隱身波段有限(只能對工作頻率在2-29兆赫的厘米波雷達(dá)隱身)
和隱形死角(機(jī)背、側(cè)面、翼端)等致命弱點,同時其態(tài)勢感知能力
有限,不僅沒有雷達(dá),甚至沒有機(jī)載雷達(dá)告警器。
中期:滲透率爬坡期,性能適配性與下游需求共振
中期兼顧其他性能兼顧,技術(shù)適配性提升。F-22的隱形性能是F-117A
的2倍,生存能力比常規(guī)飛機(jī)提高18倍,作戰(zhàn)效能是F-15戰(zhàn)斗機(jī)
的3倍,這意味著F-117A所能執(zhí)行的任務(wù)F-22可以全部替代。F-22
對比非隱身戰(zhàn)機(jī)具有下列特點:1)整機(jī)外形光滑、線條流暢、機(jī)翼
和機(jī)身融合度高;2)機(jī)身較常規(guī)戰(zhàn)機(jī)更加扁平,采用非圓形機(jī)身截
面,浸潤面積小,雷達(dá)散射較弱;3)避免了垂直尾翼而采用了傾斜
的倒V形垂尾;4)取消了外掛武器系統(tǒng),采用了內(nèi)置彈艙設(shè)計;5)
采用前機(jī)身和座艙的一體化設(shè)計,在透明座艙蓋鍍金屬膜,將入射到
座艙的電磁波全部反射出去,避免了座艙內(nèi)部部件的強(qiáng)散射。盡管
F-22性能十分出色,但實現(xiàn)前述性能的結(jié)合以及后續(xù)維護(hù)需要非常
高的成本。洛克希德公司研發(fā)的F-35戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身表面使用了
HAVEGLASSV隱身涂層,該隱身涂層具有更好的雷達(dá)和紅外隱身性
能,洛馬公司宣稱HAVEGLASSV在耐磨和堅固性能上超過F-22使
用的上一代隱身涂層,大幅降低該機(jī)的低可觀測性維護(hù)需求。F-35
還綜合了進(jìn)氣道、吸波材料與機(jī)身結(jié)構(gòu)等總體影響,提高整體隱身性
能。雖然F-35的隱身能力不及F-22,但其設(shè)計大大降低了飛機(jī)的制
造和維護(hù)成本,并
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