第一章綜述

1.1 雷達罩在雷達系統(tǒng)中的功能角色與技術(shù)定位

雷達罩（Radome），字面意為“雷達之屋”，是包裹在雷達天線外部的保護性結(jié)構(gòu)殼體，其本質(zhì)是一個兼具物理防護與電磁功能的雙重介質(zhì)界面。在現(xiàn)代雷達系統(tǒng)中，雷達罩是直接影響雷達探測性能、系統(tǒng)可靠性與戰(zhàn)場生存能力的關(guān)鍵子系統(tǒng)。據(jù)行業(yè)研究機構(gòu)報告，全球雷達市場規(guī)模預計在2033年達到700億美元，年復合增長率約為6.3%。其中雷達罩市場規(guī)模同年將達到92億美元，年復合增長率(CAGR)為10.8%。從產(chǎn)品類型看，非球形雷達罩占據(jù)半數(shù)以上市場份額，機載雷達罩是主要需求來源。國際主要參與者包括General Dynamics、Saint-Gobain、Parker Meggitt等企業(yè)。

圖1 艦載雷達罩

在材料類型分布上，纖維增強樹脂基復合材料是雷達罩應用最廣泛的材料，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、聚酰亞胺樹脂的應用也在增加。增強材料方面，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)域應用增長迅速，但價格昂貴；芳綸纖維和高模量聚乙烯纖維也有一定應用。值得注意的是，碳纖維因?qū)щ娦詮?，無法直接用于雷達罩的透波區(qū)域，僅能用于結(jié)構(gòu)增強或功能涂層的微量添加。

從系統(tǒng)工程角度看，雷達罩承擔著三重核心功能：物理屏障功能，抵御風雨、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（軍用場景），通過結(jié)構(gòu)外形優(yōu)化與材料功能化設計，降低雷達反射截面積（RCS），提升系統(tǒng)在電子對抗環(huán)境下的生存能力。正因為其功能的特殊性，雷達罩被形象地稱為“雷達的眼睛保護罩”——既要透明（透波），又要堅固（結(jié)構(gòu)），還要隱身（低可探測性）。

1.2 復合材料替代金屬的必然性與演進邏輯

復合材料相對于傳統(tǒng)金屬材料，為雷達罩應用帶來了革命性的核心優(yōu)勢。首先是卓越的電磁透明度，這是雷達罩最根本的功能屬性。FRP材料對無線電波的低衰減特性，確保了內(nèi)部雷達系統(tǒng)發(fā)出的信號能夠無阻礙地向外傳播。其次是顯著的輕量化效益。復合材料，特別是碳纖維增強聚合物（CFRP），其密度遠低于傳統(tǒng)航空鋁合金，但強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。第三項核心優(yōu)勢是優(yōu)異的耐腐蝕性和環(huán)境適應性。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，而復合材料中的聚合物基體和纖維本身具有極佳的化學穩(wěn)定性，能夠有效抵抗大氣、雨水、鳥糞等自然環(huán)境的侵蝕，極大地延長了雷達罩的使用壽命和維護周期。此外，復合材料還具備高比強度和高比模量、良好的設計靈活性以及非導電、非磁性的特性。這些綜合性優(yōu)勢共同決定了復合材料已成為現(xiàn)代雷達罩設計的首選方案，并且其應用范圍已經(jīng)超越了軍事航空，廣泛滲透到商業(yè)航空、衛(wèi)星通信、地面固定雷達站以及新興的無人機和5G通信基礎(chǔ)設施等多個領(lǐng)域。

1.3 發(fā)展歷程與核心優(yōu)勢

復合材料在雷達罩領(lǐng)域的應用，其源頭可追溯至第二次世界大戰(zhàn)期間。當時，盟軍急需開發(fā)能夠保護機載雷達天線、同時又不阻礙其信號發(fā)射的防護結(jié)構(gòu)。在此背景下，玻璃鋼因其獨特的“透波性”被意外發(fā)現(xiàn)并迅速投入軍事應用。這一時期的典型代表是美國B-29轟炸機上安裝的雷達罩。早期的FRP雷達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。

進入冷戰(zhàn)時期，隨著噴氣式戰(zhàn)斗機和遠程預警雷達的發(fā)展，對雷達罩的要求也隨之提高。這推動了材料體系的第一次重大升級：從E-glass向S-glass（高強玻璃纖維）過渡，并開始探索環(huán)氧樹脂替代聚酯樹脂。同時，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80年代是復合材料雷達罩技術(shù)發(fā)展的黃金時期，其核心驅(qū)動力來自新一代戰(zhàn)斗機（如F-14、F-15、F-16、蘇-27）和有源相控陣雷達（AESA）的出現(xiàn)。這些先進平臺的工作頻率更高（X/Ku波段）、功率更大，對天線指向精度的要求也達到了前所未有的高度，因此，對雷達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，但在高端軍用機載雷達罩領(lǐng)域，石英纖維迅速成為首選增強材料。例如，美國F-14雄貓戰(zhàn)斗機的AN/AWG-9火控雷達罩便采用了石英纖維/環(huán)氧復合材料。與此同時，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罩關(guān)鍵區(qū)域。

樹脂基體的性能瓶頸同樣制約著雷達罩的整體表現(xiàn)。傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂在高溫高濕環(huán)境下會發(fā)生水解，導致介電常數(shù)升高、損耗增大。為此，一系列高性能特種樹脂應運而生。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)，使得雷達罩能夠在高溫、高濕的惡劣環(huán)境下長期保持穩(wěn)定的電磁性能，成為F-22、F-35等五代機雷達罩的標配。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性能，常用于發(fā)動機附近或需要承受較高熱負荷的雷達罩。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。

進入21世紀，復合材料雷達罩技術(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。蜂窩芯材存在一個致命缺陷：一旦密封失效，水分會滲入蜂窩格子中，導致重量劇增、介電性能惡化甚至發(fā)生凍脹破壞。而閉孔泡沫芯材內(nèi)部為獨立的封閉氣泡，從根本上杜絕了吸水問題。此外，針對高超音速飛行器前緣面臨的2000°C以上極端熱環(huán)境，陶瓷基復合材料（CMCs）如碳化硅纖維增強碳化硅（SiCf/SiC）成為研究熱點。在多功能化方面，“智能雷達罩”（Smart Radome）概念興起。通過在復合材料中嵌入光纖光柵傳感器（FBG）、壓電元件或柔性電路，可以實現(xiàn)對罩體應變、溫度、振動乃至損傷的實時在線監(jiān)測。更進一步，通過集成頻率選擇表面（Frequency Selective Surface, FSS）或可調(diào)諧材料，雷達罩可以實現(xiàn)動態(tài)電磁調(diào)控，例如在正常工作模式下保持透波，在受到敵方干擾時切換為吸波狀態(tài)，實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)隱身。

中國復合材料地面雷達罩技術(shù)的發(fā)展歷程，清晰地遵循了一條“引進消化吸收再創(chuàng)新”的路徑，可劃分為三個階段。仿制與跟蹤階段（1970s–1990s）主要依靠引進國外技術(shù)和設備，對進口雷達系統(tǒng)配套的雷達罩進行測繪仿制。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）隨著國防現(xiàn)代化進程加速，中國開始系統(tǒng)性地集成國內(nèi)外先進技術(shù)。以哈爾濱玻璃鋼研究院、上海玻璃鋼研究設計院為代表的科研院所，以及中國電子科技集團第39研究所等系統(tǒng)集成單位，聯(lián)合攻關(guān)，成功研制出適配國產(chǎn)預警機（如空警-2000）、防空雷達的復合材料雷達罩。此階段的關(guān)鍵突破在于掌握了RTM、熱壓罐等先進成型工藝，并開始應用S-glass、芳綸纖維等高性能材料。當前，中國已進入自主創(chuàng)新與引領(lǐng)階段（2020s–至今）。一方面，在國家重大科技基礎(chǔ)設施項目（如FAST射電望遠鏡）的牽引下，國內(nèi)企業(yè)與科研機構(gòu)合作，攻克了超大型、超高精度地面雷達罩的設計與制造難題。另一方面，在民用市場，以中航高科、上海志合等為代表的企業(yè)，積極推動低成本、高效率的自動化制造技術(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 核心性能指標體系

電磁性能是雷達罩的首要屬性，直接決定雷達系統(tǒng)的探測距離、分辨率和精度。其核心指標包括介電常數(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下儲存電能的能力，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罩時的傳播特性。εr越高，折射效應越強，導致雷達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。民用雷達罩主要工作于S/C波段（2–8 GHz），對εr與tanδ的要求相對寬松；而軍用雷達罩需覆蓋X/Ku/Ka波段（8–40 GHz），強調(diào)“雙低”特性，高端產(chǎn)品采用石英纖維/氰酸酯體系。

透波率指透過雷達罩的電磁波功率與入射波功率之比。軍用標準要求Ku波段透波率≥95%，而民用一般為≥90%。工程上更常用的指標是插入損耗（Insertion Loss），單位為分貝（dB）。因此，透波率95%對應插入損耗約0.22 dB，90%對應0.46 dB。對于超大型雷達罩（直徑≥45 m），單程插入損耗≤0.7 dB（對應透波率約85%）雖略低于典型軍用標準，但在如此大尺度結(jié)構(gòu)上實現(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、深空測控站等對相位一致性要求極致的場景。實現(xiàn)該指標必須依賴高精度電磁仿真、均勻性極佳的復合材料面板，并對罩體幾何外形實施納米級公差控制。副瓣電平提升≤0.5 dB意味著雷達罩對天線輻射方向圖的擾動極小。高頻電磁波在罩體表面或內(nèi)部缺陷處會發(fā)生散射，抬高副瓣，進而影響目標分辨能力與抗干擾性能。該指標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。高性能雷達罩通常要求VSWR<1.2。

強大的機械性能是保障雷達罩結(jié)構(gòu)完整性和飛行安全的生命線。雷達罩作為一個暴露在外的薄殼結(jié)構(gòu)，必須能夠承受來自各個方向的氣動壓力、風切變，以及突發(fā)的鳥擊沖擊。在軍用場景中，雷達罩需抵御鳥撞、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。而在民用場景中，主要考慮風載、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系統(tǒng)要求雷達罩在8級地震條件下不發(fā)生結(jié)構(gòu)性損壞，并在風速≤56 m/s時保持結(jié)構(gòu)完整性。艦載和機載雷達罩提出了更高的要求。艦載雷達通用規(guī)范（GJB 1680）中要求，雷達罩在經(jīng)受不少于16ms、加速度范圍為50-100m/s2的半正弦波后，性能不應下降；此外，在相對風速60m/s時，結(jié)構(gòu)不應破壞。機載火控雷達罩（GJB 403B）提出，雷達罩結(jié)構(gòu)需經(jīng)受炮火沖擊波及振動，結(jié)構(gòu)不應有損壞。

2.2 碳纖維的應用

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