飞航导弹复合材料的应用概况、需求及发展前景
工艺材料本文20000收到，作者系航天机电集团公司三院三部研究员材料种类密度/拉伸强度拉伸模比强度比模量铝钛钢高模）飞航导弹复合材料的应用概况、需求及发展前景杨鸿昌前言材料是高性能产品的物质基础，是先进设计得以实现的重要保证。导弹所用材料性能的高低决定导弹结构和部（组）件性能的好坏，进而决定导弹作战技术性能的优劣。我国飞航导弹与国外同类产品相比，在战术性能相近的情况下，往往在结构尺寸和质量方面相差较大。该差距的重要原因之一，就在于我国飞航导弹所采用的材料比较落后，仍大量采用铝合金、钢等常规材料。与先进复合材料相比，这些材料的比强度、比模量偏低。所示。
由表1可见，复合材料比强度、比模量是铝合金、钢的6～8倍。采用比强度、比模量低的结构材料，必然会增大导弹的结构尺寸和质量，降低导弹的机动性、需要更大的推力或减小导弹的射程。导弹的性能越先进，如射程越远、速度越高、机动性越强，对结构尺寸和质量的要求就越高。国外导弹的一个重要发展趋势是轻型化，而相关的重要措施之一，就是努力开展先进复合材料的研究和应用工作。就发展现状而言，我国更有必要大力加强这方面的工作，这是发展飞航导弹新型号的急需，是飞航导弹先进性能的重要保证。从某种意义上说，没有性能优良的先进复合材料，就很难保证飞航导弹未来型号的优良性能。
1国内外飞航导弹复合材料的应用前景飞航导弹的发展趋势包括射程远、速度快、机动性好等特性，这就决定了导弹必须走轻型化的道路。与其它材料相比，复合材料具有很高的比强度、比模量，因而大量采用复合材料，是飞航导弹轻型化的重要途径之一。正是有鉴于此，国外近20年来，不遗余力地开展复合材料在飞行器上的研究和应用工作。如战斧巡航导弹，其弹翼原采用铝合金蒙皮和铝合金框架粘接而成，为了提高性能、降低成本，后改用混杂纤维增强聚砜复合材料框架和蒙皮，将两者粘接而成其天线罩、进气道和进气道整流罩均采用环氧玻璃钢尾翼蒙皮则采用玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料。捕鲸叉导弹的弹翼、尾翼和进气道也都采用了热塑性树脂基复合材料。飞鱼导弹的弹头和弹翼亦采用了纤维增强复合材料。可见，国外飞航导弹均不同程度地采用了复合材料，而且有翼面复合材料化的趋势。
值得注意的是，国外一些轻型飞机和无人驾驶飞行器，现已实现了结构的复合材料化。80年代初，美国生产的单人驾驶的星舟轻型机其结构重量约其中复合材料用量超过1 200kg.1986年美国生产的旅行者号轻型飞机，其90以上的结构采用了碳纤维复合材料，创下了不着陆连续九天进行环球飞行的记录。1987年美国生产了CM 30和CM 44两种全复合材料无人驾驶隐身飞机。
90年代以来国外不断报道研制成功全复合材料飞机的的消息，如德国研制了翼展为56m的全复合材料四座长航时飞机美国研制了全复合材料6～9座公务机，机体的70结构采用公司的纤维和蜂窝材料。众所周知，从结构、原理上看，飞航导弹与轻型飞机，特别是无人驾驶飞行器相当类似，由此可以推断，在不久的将来，国外全复合材料飞航导弹即将面世。
我国飞航导弹复合材料的应用水平与国外存在相当大的差距，而且这种差距还在不断扩大。我国飞航导弹结构材料仍以常规的铝合金和钢材为主，仅有少数型号应用了先进复合材料即使已经应用的型号，也仅仅局限于少数部件，复合材料的比例很低，同时所用的复合材料性能低。由此可见，在国外已经在飞航导弹上大量采用高性能复合材料的今天，我国飞航导弹复合材料的应用才刚刚起步。
2我国飞航导弹未来型号对复合材料的需求根据型号发展规划，我国飞航导弹未来型号的主要特点包括：射程远、速度快、制导精度高、突防能力强。基于这些特点，提出对所用材料的要求如下：1）高强高模低密度低成本结构复合材料飞航导弹的射程越远，携带燃料越多，起飞质量越大，这不仅要求结构材料具有尽可能低的密度，还要求材料具有相当高的强度和模量。特别是亚音速中远程巡航导弹采用大展弦比薄型弹翼，导弹质量大，弹翼翼展大，加上翼型薄，弦长小，使弹翼承受的弯距急剧增大。为防止弹翼破坏或产生过大变形，对材料的强度和模量提出很高的要求。鉴于飞航导弹有批量生产问题，必须考虑生产成本，要求采用低成本材料，因而我国飞航导弹在推广、应用常规复合材料的同时，应努力发展应用高强、高模、低密度、低成本复合材料。国外在解决高比强、高比模结构复合材料的问题时，主要是开发强度、模量越来越高的增强纤维，如超高强超高模碳纤维、SiC纤维等，但这些纤维价格昂贵，难以用于我国的飞航导弹。我们应充分挖掘利用现有较成熟材料的潜力，努力开发能满足使用要求的低成本复合材料。
2）耐高温结构复合材料及防热、隔热涂层材料飞航导弹未来型号的速度越来越快，由于导弹在大气层中飞行，气动加热使导弹表面温度急剧升高。加之射程远，飞行时间较长，这就存在解决能在较长时间内承受高温的结构材料问题。
在结构质量及其它性能允许的情况下，可采用钛合金（或不锈钢） ，否则应采用耐高温结构复合材料。在选材上，应充分考虑到与其它应用相比，导弹的飞行时间仍然较短，可在一定程度上提高结构材料的使用温度范围，以避免在材料选用上过于保守的偏向。俄罗斯在―反辐射导弹上，将酚醛树脂及复合材料，短时用于400℃～500℃的温度，是一个很好的范例。还应指出的是，为使结构材料能用于更高的温度范围，或为降低导弹舱体内的温度，以保证舱内仪器设备的正常工作，开展导弹弹体的外防热涂层或内隔热涂层材料的研究是必要的，特别是对高马赫数的超声速飞航导弹，研制和应用防热、隔热涂层材料更是必不可少。
3）多功能透波复合材料为提高命中精度，增强电子对抗能力，新型飞航导弹将采用各种新型末制导系统，如毫米波雷达、频率捷变雷达、宽频带雷达、红外成像导引头等等，同时还采用双模或多模复合制导，如被动雷达/主动雷达、被动雷达/红外成像、被动雷达/电视成像等等，这些都要求采用多功能透波材料制作各种天线罩或窗口。
天线罩或窗口既是发射和/或接受各种电磁辐射的通道，又是导弹头部的一个重要结构件，故不仅要求其具有优良的电磁特性和透波性能，还要求其具有优良的力学性能和耐环境性能。对于超声速飞航导弹，还要具有优良的耐高温性能，因而必须采用多功能透波复合材料。多功能透波复合材料的研制具有相当大的难度，由于天线罩技术直接涉及末制导雷达的工作频率和性能，加上技术难度大，因而军用飞机和导弹天线罩的材料、工艺、结构、性能成了十分敏感的问题，国外对此极少报道。从有限信息中知悉，国外通常采用石英纤维增强树脂基复合材料制作高性能雷达天线罩，但对某些雷达（如毫米波雷达、宽频带雷达等）天线罩加工精度要求很高（达±或更小） ，我国的材料加工工艺水平很难达到。为此应着重发展低介电常数、低损耗（ E≤波复合材料，以降低对天线罩的加工精度要求。
4）结构吸波复合材料飞航导弹未来型号要求导弹具有很小的雷达散射截面（ RCS ） ，为此必须采用吸波材料，吸波材料包括吸波涂层和结构吸波材料。吸波涂层由于密度大、频带窄，存在与基材的附着力问题，同时增加了弹体的消极质量，其应用受到一定的限制结构吸波材料既能承载、又能吸波，可以克服吸波涂层的上述缺点，其研究工作日趋活跃，并已获得实际应用。美国披露的B2隐身轰炸机和第四代先进战斗机都采用了高性能结构吸波复合材料，这种材料由具有不同电磁特性和力学性能的树脂为基体，以增强纤维、吸收剂和特种蜂窝芯材所组成。结构吸波复合材料由于涉及电磁学、力学、材料、结构、工艺、试验等多学科问题，研究难度很大。为研制具有强突防能力的低RCS飞航导弹，结构吸波复合材料的研究和应用势在必行。值得指出的是，在飞航导弹某些特殊部位（如弹翼、尾翼）采用透波复合材料，使探测雷达波不发生反射，同样可以达到很好的隐身效果。美国战斧巡航导弹的弹翼采用混杂纤维（玻璃纤维和Kevlar纤维）增强聚砜复合材料代替铝合金，应该说隐身效果也是其欲达到的重要目的之一。
3发展前景我国战术导弹的材料研究和应用在航空航天材料领域中是一个薄弱环节。我国的飞机和战略导弹仿制和跟踪国外用材，而战术导弹则照抄或借用飞机和战略型号用材。这样照抄或借用的结果，往往不是大材小用，便是削足适履。大材小用提高了型号产品的成本，削足适履则必然以牺牲产品的性能为代价，给型号研制工作带来损失，这已经为过去许多事实所证明。今后随着战术导弹型号的发展和性能的提高，对各种高性能结构材料、功能材料的需求越来越多，必然出现欲照抄、借用而不可得的局面因此认真考虑我国战术导弹材料研究和应用的问题，明确发展方向及途径，确实是当务之急。在此提出两点意见，供领导和专家参考：3. 1关注战术导弹的特点，建立战术导弹的基本材料体系航空航天领域所采用的材料有其共性，如都要求高比强、高比模的结构材料，都要求耐热、耐烧烛的功能材料等，但与飞机和战略导弹相比，战术导弹对用材又有其特殊要求，这是由型号本身的特点所决定的。如战术导弹一次性使用，不载人，这有别于飞机战术导弹有末制导系统，有雷达天线罩和红外窗口，有弹翼、尾翼、这有别于战略导图先进战斗机2机载发射的捕鲸叉AGM 84A1导弹弹战术导弹在低空稠密大气层中高速飞行，气动加热严重，这有别于飞机和战略导弹战术导弹飞行时间较短，这有别于飞机战术导弹有批量生产问题，这有别于战略导弹，如此等等。
正是这些特点，使战术导弹用材在某些方面的要求有别于飞机和战略导弹。如要求材料高性能、低成本、短时工作要求使用雷达波、红外波透波材料要求使用短时耐高温结构材料、防热隔热材料等等。认真分析战术导弹与战略导弹和飞机在用材上的共性和特性，有针对性地开展战术导弹专用材料的研制，要特别重视材料的低成本问题。在现代战争中大量使用一次性的战术导弹，必须进行大批量生产，因此与其它航空航天产品相比，低成本问题对于战术导弹具有更重要、更迫切的意义。通过对高比强高比模结构材料、耐高温结构材料及防热隔热材料、多功能透波复合材料和高性能结构吸波材料等等的研制，使各种常规材料、航空航天通用材料和战术导弹专用材料相互补充配套，逐步建立战术导弹的基本材料体系，使战术导弹用材向标准化、系列化、国产化的方向发展，以保证材料应用的合理、经济、有效。
3. 2自主发展与对外引进相结合，开辟我国战术导弹材料发展的道路在当前改革开放的形势下，我们应该抓住机遇，争取从国外多引进一些急需的先进技术，以突破技术关键、提高研究起点、加快我们研制工作的进度但引进不是目的而是手段，引进国外的先进技术是为了消化吸收，终提高我国自己的技术水平。无论在任何领域，只有适合本国国情的事物才具有旺盛的生命力，材料研究和应用也是如此。如超声速飞行器的选材，俄罗斯大量采用钛合金，而美国则采用较多的复合材料，这是和本国的资源、工业基础，技术水平等条件密切相关的，并没有一成不变的模式。在先进材料的研究和应用方面，我国的国情是： （ 1）原材料基础工业薄弱，新材料及配套材料品种少、性能较差 （ 2）材料加工工艺水平比较落后，许多先进的加工技术还不普及 （ 3）投入先进材料研究和应用的经费有限，对研究和应用某些昂贵的新材料，缺乏足够的经费支持（ 4）在一些高新技术领域，国外对我们实施严密封锁。面对这样的情况，完全照搬国外的材料应用技术是不现实的。如前所述，由于各种原因，在发展高比强高比模结构复合材料或多功能透波复合材料方面，国外的研究应用方向并不适合我国的实际情况。
因此，立足我国的国情，借鉴、引进国外的先进技术，勇于创新，开辟一条自主发展我国战术导弹用材的道路，才是正确的途径。
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由表1可见，复合材料比强度、比模量是铝合金、钢的6～8倍。采用比强度、比模量低的结构材料，必然会增大导弹的结构尺寸和质量，降低导弹的机动性、需要更大的推力或减小导弹的射程。导弹的性能越先进，如射程越远、速度越高、机动性越强，对结构尺寸和质量的要求就越高。国外导弹的一个重要发展趋势是轻型化，而相关的重要措施之一，就是努力开展先进复合材料的研究和应用工作。就发展现状而言，我国更有必要大力加强这方面的工作，这是发展飞航导弹新型号的急需，是飞航导弹先进性能的重要保证。从某种意义上说，没有性能优良的先进复合材料，就很难保证飞航导弹未来型号的优良性能。
1国内外飞航导弹复合材料的应用前景飞航导弹的发展趋势包括射程远、速度快、机动性好等特性，这就决定了导弹必须走轻型化的道路。与其它材料相比，复合材料具有很高的比强度、比模量，因而大量采用复合材料，是飞航导弹轻型化的重要途径之一。正是有鉴于此，国外近20年来，不遗余力地开展复合材料在飞行器上的研究和应用工作。如战斧巡航导弹，其弹翼原采用铝合金蒙皮和铝合金框架粘接而成，为了提高性能、降低成本，后改用混杂纤维增强聚砜复合材料框架和蒙皮，将两者粘接而成其天线罩、进气道和进气道整流罩均采用环氧玻璃钢尾翼蒙皮则采用玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料。捕鲸叉导弹的弹翼、尾翼和进气道也都采用了热塑性树脂基复合材料。飞鱼导弹的弹头和弹翼亦采用了纤维增强复合材料。可见，国外飞航导弹均不同程度地采用了复合材料，而且有翼面复合材料化的趋势。
值得注意的是，国外一些轻型飞机和无人驾驶飞行器，现已实现了结构的复合材料化。80年代初，美国生产的单人驾驶的星舟轻型机其结构重量约其中复合材料用量超过1 200kg.1986年美国生产的旅行者号轻型飞机，其90以上的结构采用了碳纤维复合材料，创下了不着陆连续九天进行环球飞行的记录。1987年美国生产了CM 30和CM 44两种全复合材料无人驾驶隐身飞机。
90年代以来国外不断报道研制成功全复合材料飞机的的消息，如德国研制了翼展为56m的全复合材料四座长航时飞机美国研制了全复合材料6～9座公务机，机体的70结构采用公司的纤维和蜂窝材料。众所周知，从结构、原理上看，飞航导弹与轻型飞机，特别是无人驾驶飞行器相当类似，由此可以推断，在不久的将来，国外全复合材料飞航导弹即将面世。
我国飞航导弹复合材料的应用水平与国外存在相当大的差距，而且这种差距还在不断扩大。我国飞航导弹结构材料仍以常规的铝合金和钢材为主，仅有少数型号应用了先进复合材料即使已经应用的型号，也仅仅局限于少数部件，复合材料的比例很低，同时所用的复合材料性能低。由此可见，在国外已经在飞航导弹上大量采用高性能复合材料的今天，我国飞航导弹复合材料的应用才刚刚起步。
2我国飞航导弹未来型号对复合材料的需求根据型号发展规划，我国飞航导弹未来型号的主要特点包括：射程远、速度快、制导精度高、突防能力强。基于这些特点，提出对所用材料的要求如下：1）高强高模低密度低成本结构复合材料飞航导弹的射程越远，携带燃料越多，起飞质量越大，这不仅要求结构材料具有尽可能低的密度，还要求材料具有相当高的强度和模量。特别是亚音速中远程巡航导弹采用大展弦比薄型弹翼，导弹质量大，弹翼翼展大，加上翼型薄，弦长小，使弹翼承受的弯距急剧增大。为防止弹翼破坏或产生过大变形，对材料的强度和模量提出很高的要求。鉴于飞航导弹有批量生产问题，必须考虑生产成本，要求采用低成本材料，因而我国飞航导弹在推广、应用常规复合材料的同时，应努力发展应用高强、高模、低密度、低成本复合材料。国外在解决高比强、高比模结构复合材料的问题时，主要是开发强度、模量越来越高的增强纤维，如超高强超高模碳纤维、SiC纤维等，但这些纤维价格昂贵，难以用于我国的飞航导弹。我们应充分挖掘利用现有较成熟材料的潜力，努力开发能满足使用要求的低成本复合材料。
2）耐高温结构复合材料及防热、隔热涂层材料飞航导弹未来型号的速度越来越快，由于导弹在大气层中飞行，气动加热使导弹表面温度急剧升高。加之射程远，飞行时间较长，这就存在解决能在较长时间内承受高温的结构材料问题。
在结构质量及其它性能允许的情况下，可采用钛合金（或不锈钢） ，否则应采用耐高温结构复合材料。在选材上，应充分考虑到与其它应用相比，导弹的飞行时间仍然较短，可在一定程度上提高结构材料的使用温度范围，以避免在材料选用上过于保守的偏向。俄罗斯在―反辐射导弹上，将酚醛树脂及复合材料，短时用于400℃～500℃的温度，是一个很好的范例。还应指出的是，为使结构材料能用于更高的温度范围，或为降低导弹舱体内的温度，以保证舱内仪器设备的正常工作，开展导弹弹体的外防热涂层或内隔热涂层材料的研究是必要的，特别是对高马赫数的超声速飞航导弹，研制和应用防热、隔热涂层材料更是必不可少。
3）多功能透波复合材料为提高命中精度，增强电子对抗能力，新型飞航导弹将采用各种新型末制导系统，如毫米波雷达、频率捷变雷达、宽频带雷达、红外成像导引头等等，同时还采用双模或多模复合制导，如被动雷达/主动雷达、被动雷达/红外成像、被动雷达/电视成像等等，这些都要求采用多功能透波材料制作各种天线罩或窗口。
天线罩或窗口既是发射和/或接受各种电磁辐射的通道，又是导弹头部的一个重要结构件，故不仅要求其具有优良的电磁特性和透波性能，还要求其具有优良的力学性能和耐环境性能。对于超声速飞航导弹，还要具有优良的耐高温性能，因而必须采用多功能透波复合材料。多功能透波复合材料的研制具有相当大的难度，由于天线罩技术直接涉及末制导雷达的工作频率和性能，加上技术难度大，因而军用飞机和导弹天线罩的材料、工艺、结构、性能成了十分敏感的问题，国外对此极少报道。从有限信息中知悉，国外通常采用石英纤维增强树脂基复合材料制作高性能雷达天线罩，但对某些雷达（如毫米波雷达、宽频带雷达等）天线罩加工精度要求很高（达±或更小） ，我国的材料加工工艺水平很难达到。为此应着重发展低介电常数、低损耗（ E≤波复合材料，以降低对天线罩的加工精度要求。
4）结构吸波复合材料飞航导弹未来型号要求导弹具有很小的雷达散射截面（ RCS ） ，为此必须采用吸波材料，吸波材料包括吸波涂层和结构吸波材料。吸波涂层由于密度大、频带窄，存在与基材的附着力问题，同时增加了弹体的消极质量，其应用受到一定的限制结构吸波材料既能承载、又能吸波，可以克服吸波涂层的上述缺点，其研究工作日趋活跃，并已获得实际应用。美国披露的B2隐身轰炸机和第四代先进战斗机都采用了高性能结构吸波复合材料，这种材料由具有不同电磁特性和力学性能的树脂为基体，以增强纤维、吸收剂和特种蜂窝芯材所组成。结构吸波复合材料由于涉及电磁学、力学、材料、结构、工艺、试验等多学科问题，研究难度很大。为研制具有强突防能力的低RCS飞航导弹，结构吸波复合材料的研究和应用势在必行。值得指出的是，在飞航导弹某些特殊部位（如弹翼、尾翼）采用透波复合材料，使探测雷达波不发生反射，同样可以达到很好的隐身效果。美国战斧巡航导弹的弹翼采用混杂纤维（玻璃纤维和Kevlar纤维）增强聚砜复合材料代替铝合金，应该说隐身效果也是其欲达到的重要目的之一。
3发展前景我国战术导弹的材料研究和应用在航空航天材料领域中是一个薄弱环节。我国的飞机和战略导弹仿制和跟踪国外用材，而战术导弹则照抄或借用飞机和战略型号用材。这样照抄或借用的结果，往往不是大材小用，便是削足适履。大材小用提高了型号产品的成本，削足适履则必然以牺牲产品的性能为代价，给型号研制工作带来损失，这已经为过去许多事实所证明。今后随着战术导弹型号的发展和性能的提高，对各种高性能结构材料、功能材料的需求越来越多，必然出现欲照抄、借用而不可得的局面因此认真考虑我国战术导弹材料研究和应用的问题，明确发展方向及途径，确实是当务之急。在此提出两点意见，供领导和专家参考：3. 1关注战术导弹的特点，建立战术导弹的基本材料体系航空航天领域所采用的材料有其共性，如都要求高比强、高比模的结构材料，都要求耐热、耐烧烛的功能材料等，但与飞机和战略导弹相比，战术导弹对用材又有其特殊要求，这是由型号本身的特点所决定的。如战术导弹一次性使用，不载人，这有别于飞机战术导弹有末制导系统，有雷达天线罩和红外窗口，有弹翼、尾翼、这有别于战略导图先进战斗机2机载发射的捕鲸叉AGM 84A1导弹弹战术导弹在低空稠密大气层中高速飞行，气动加热严重，这有别于飞机和战略导弹战术导弹飞行时间较短，这有别于飞机战术导弹有批量生产问题，这有别于战略导弹，如此等等。
正是这些特点，使战术导弹用材在某些方面的要求有别于飞机和战略导弹。如要求材料高性能、低成本、短时工作要求使用雷达波、红外波透波材料要求使用短时耐高温结构材料、防热隔热材料等等。认真分析战术导弹与战略导弹和飞机在用材上的共性和特性，有针对性地开展战术导弹专用材料的研制，要特别重视材料的低成本问题。在现代战争中大量使用一次性的战术导弹，必须进行大批量生产，因此与其它航空航天产品相比，低成本问题对于战术导弹具有更重要、更迫切的意义。通过对高比强高比模结构材料、耐高温结构材料及防热隔热材料、多功能透波复合材料和高性能结构吸波材料等等的研制，使各种常规材料、航空航天通用材料和战术导弹专用材料相互补充配套，逐步建立战术导弹的基本材料体系，使战术导弹用材向标准化、系列化、国产化的方向发展，以保证材料应用的合理、经济、有效。
3. 2自主发展与对外引进相结合，开辟我国战术导弹材料发展的道路在当前改革开放的形势下，我们应该抓住机遇，争取从国外多引进一些急需的先进技术，以突破技术关键、提高研究起点、加快我们研制工作的进度但引进不是目的而是手段，引进国外的先进技术是为了消化吸收，终提高我国自己的技术水平。无论在任何领域，只有适合本国国情的事物才具有旺盛的生命力，材料研究和应用也是如此。如超声速飞行器的选材，俄罗斯大量采用钛合金，而美国则采用较多的复合材料，这是和本国的资源、工业基础，技术水平等条件密切相关的，并没有一成不变的模式。在先进材料的研究和应用方面，我国的国情是： （ 1）原材料基础工业薄弱，新材料及配套材料品种少、性能较差 （ 2）材料加工工艺水平比较落后，许多先进的加工技术还不普及 （ 3）投入先进材料研究和应用的经费有限，对研究和应用某些昂贵的新材料，缺乏足够的经费支持（ 4）在一些高新技术领域，国外对我们实施严密封锁。面对这样的情况，完全照搬国外的材料应用技术是不现实的。如前所述，由于各种原因，在发展高比强高比模结构复合材料或多功能透波复合材料方面，国外的研究应用方向并不适合我国的实际情况。
因此，立足我国的国情，借鉴、引进国外的先进技术，勇于创新，开辟一条自主发展我国战术导弹用材的道路，才是正确的途径。
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