【科技动态】揭秘美国雷神公司未来装备核心技术：超材料技术

美国雷神公司（Raytheon）曾在其主办的技术期刊《今日技术》（Technology Today）上专题介绍了国防先进材料技术领域的研究成果，值得注意的是，该期封面大图为技术人员展示一种基于超材料技术开发的可调式天线，据称该技术可以在单个天线模块材料上实现多种工作频段按需配置、实时切换，从而使目前的武器装备电子射频系统带宽与集成度得到大幅提升。

雷神公司十分注重材料科学与技术方面的研究，他们把材料技术比作人类文明进步的标志，因为重大的材料学发现能够改变世界的发展。然而，如今的材料技术发展速度却远远无法满足工程师们对新材料的需求，《技术评论》杂志的的Thomas Eagar指出，由于开发周期、研发成本等因素，一种新的材料从发现到商业化往往需要近20年以上的时间，为此，美国国防部高级研究计划局（DARPA）还设立了“加速材料应用”（Accelerated Insertion of Materials）专题研究项目。2011年6月，美国总统奥巴马宣布启动“材料基因组计划“（Material Genome Initiative），用以帮助企业将新材料的研究、开发与商用周期缩短一半，使美国在材料技术领域保持全球领先的竞争优势，并确保先进材料技术优先应用于美国的战略需求。

目前，借助于先进的“计算机辅助材料设计技术”（CME）与原子级材料实验能力，雷神公司可以源源不断地创造出具备非常规特性的材料，如用于下一代战机的高强度（可达10-150吉帕）碳基材料（碳纳米管与石墨烯），用于第三代红外成像器件的“碲锌镉”（CdZnTe）基板以及令人振奋的新形态人工结构材料“超材料”（Metamaterial）。

 

超材料通过复杂的人工微结构设计，实现人造“原子”及其排列（周期的或非周期的）对电磁波和光波的特定响应，是一种材料“自顶向下”设计技术，也是近十年来材料学领域的热门研究方向。雷神公司认为，超材料技术的成功应用需要从系统级需求出发进行建模、设计与制造。

由于长期专注于军用电磁技术研究与防御系统开发，雷神公司对超材料技术也非常关注，目前已开展深入的应用研究，并与学术界和工业界积极开展超材料技术领域的合作。相关的研究项目包括：

1. 与大学合作开发的“透波率可控人工复合蒙皮材料”。这种材料采用嵌入了可变电容的金属微结构频率选择表面（FSS），通过控制加载在可变电容上的偏置电压，可以改变频率选择表面的电磁参数，从而实现材料透波特性的人工控制，可应用于各种先进雷达系统和下一代隐身战机的智能隐身蒙皮。

2. 与大学合作开发的超材料双频段小型化GPS天线。通过精确的人工微结构设计，提升天线单元间的隔离度，减少天线原件之间的电磁耦合，从而使天线的带宽得到大幅拓展。可应用于对天线尺寸要求苛刻的飞机平台与个人便携式战术导航终端。

3. 与大学合作开发的碳化硅基光学超材料微透镜。通过改进微纳加工技术，可以在碳化硅晶片上精确地雕刻出所需的超材料孔径（微结构），使光学超材料器件的重量和精度大幅提升，实现在100微米大的透镜上得到100微米焦距的良好聚焦效果。

除此之外，雷神公司也是美国国家科学基金会（NSF）发起成立的“工业-大学联合研究中心”（I/UCRC）的成员，并在各军方客户（如DARPA、海军科研办公室、空军科研办公室）的支持下，与一些大学等研究机构联合开展了一系列超材料技术武器装备应用的前沿研究。

背景资料：

雷神公司是美国最大的几家国防厂商之一，在先进雷达、电子战、导弹防御系统等产品的研发和制造方面处于世界领先地位，著名产品包括：美国国家导弹防御系统中的X波段雷达（XBR），美军下一代机载干扰机（NGJ），美国陆军MIM-104“爱国者”防空导弹系统，美国海军“标准”系列防空导弹，美军AIM-120先进中距空空导弹和AIM-9近距空空导弹等。