复合材料雷达罩行业发展研究简报（上）

第一章综述

1.1 雷达罩在雷达系统中的功能角色与技术定位

雷达罩（Radome），字面意为“雷达之屋”，是包裹在雷达天线外部的保护性结构壳体，其本质是一个兼具物理防护与电磁功能的双重介质界面。在现代雷达系统中，雷达罩是直接影响雷达探测性能、系统可靠性与战场生存能力的关键子系统。据行业研究机构报告，全球雷达市场规模预计在2033年达到700亿美元，年复合增长率约为6.3%。其中雷达罩市场规模同年将达到92亿美元，年复合增长率(CAGR)为10.8%。从产品类型看，非球形雷达罩占据半数以上市场份额，机载雷达罩是主要需求来源。国际主要参与者包括General Dynamics、Saint-Gobain、Parker Meggitt等企业。

图1 舰载雷达罩

在材料类型分布上，纤维增强树脂基复合材料是雷达罩应用最广泛的材料，这类材料集结构、防热、透波于一体，具有优良的电性能。树脂基体主要采用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等传统材料，近年来高性能树脂如氰酸酯树脂、聚酰亚胺树脂的应用也在增加。增强材料方面，玻璃纤维是最常用的，特别是D-玻璃纤维、高硅氧玻璃纤维和S-玻璃纤维；石英纤维在高端军用领域应用增长迅速，但价格昂贵；芳纶纤维和高模量聚乙烯纤维也有一定应用。值得注意的是，碳纤维因导电性强，无法直接用于雷达罩的透波区域，仅能用于结构增强或功能涂层的微量添加。

从系统工程角度看，雷达罩承担着三重核心功能：物理屏障功能，抵御风雨、沙尘、冰雹、鸟撞、盐雾、紫外线辐射及极端温度变化等外部环境侵蚀；电磁通道功能，作为雷达电磁波发射与接收的必经之路，必须在工作频段内实现高透波率、低插入损耗、低相位畸变；战术隐身功能（军用场景），通过结构外形优化与材料功能化设计，降低雷达反射截面积（RCS），提升系统在电子对抗环境下的生存能力。正因为其功能的特殊性，雷达罩被形象地称为“雷达的眼睛保护罩”——既要透明（透波），又要坚固（结构），还要隐身（低可探测性）。

1.2 复合材料替代金属的必然性与演进逻辑

复合材料相对于传统金属材料，为雷达罩应用带来了革命性的核心优势。首先是卓越的电磁透明度，这是雷达罩最根本的功能属性。FRP材料对无线电波的低衰减特性，确保了内部雷达系统发出的信号能够无阻碍地向外传播。其次是显著的轻量化效益。复合材料，特别是碳纤维增强聚合物（CFRP），其密度远低于传统航空铝合金，但强度和刚度却毫不逊色。在航空航天领域，减轻每一克的重量都意味着可以直接转化为航程的增加、有效载荷的提升或燃料消耗的降低。第三项核心优势是优异的耐腐蚀性和环境适应性。金属材料在潮湿、盐雾等恶劣环境中容易发生氧化和腐蚀，而复合材料中的聚合物基体和纤维本身具有极佳的化学稳定性，能够有效抵抗大气、雨水、鸟粪等自然环境的侵蚀，极大地延长了雷达罩的使用寿命和维护周期。此外，复合材料还具备高比强度和高比模量、良好的设计灵活性以及非导电、非磁性的特性。这些综合性优势共同决定了复合材料已成为现代雷达罩设计的首选方案，并且其应用范围已经超越了军事航空，广泛渗透到商业航空、卫星通信、地面固定雷达站以及新兴的无人机和5G通信基础设施等多个领域。

1.3 发展历程与核心优势

复合材料在雷达罩领域的应用，其源头可追溯至第二次世界大战期间。当时，盟军急需开发能够保护机载雷达天线、同时又不阻碍其信号发射的防护结构。在此背景下，玻璃钢因其独特的“透波性”被意外发现并迅速投入军事应用。这一时期的典型代表是美国B-29轰炸机上安装的雷达罩。早期的FRP雷达罩多采用手糊成型工艺，以E型玻璃纤维布和酚醛或聚酯树脂为主要材料。

进入冷战时期，随着喷气式战斗机和远程预警雷达的发展，对雷达罩的要求也随之提高。这推动了材料体系的第一次重大升级：从E-glass向S-glass（高强玻璃纤维）过渡，并开始探索环氧树脂替代聚酯树脂。同时，夹芯结构（Sandwich Structure）的概念被引入，通过在两层面板之间加入轻质芯材（如巴尔沙木），在不增加重量的前提下大幅提高了结构刚度。

20世纪80年代是复合材料雷达罩技术发展的黄金时期，其核心驱动力来自新一代战斗机（如F-14、F-15、F-16、苏-27）和有源相控阵雷达（AESA）的出现。这些先进平台的工作频率更高（X/Ku波段）、功率更大，对天线指向精度的要求也达到了前所未有的高度，因此，对雷达罩材料的电磁性能提出了“双低”（低介电常数、低损耗角正切）的极致要求。为了满足“双低”要求，材料科学家将目光投向了纯度更高、分子结构更稳定的石英纤维（Quartz Fiber）。与E-glass相比，石英纤维的介电常数和损耗角正切均显著降低，几乎接近空气的水平，被誉为“最理想的透波纤维”。尽管其成本高昂且加工难度大，但在高端军用机载雷达罩领域，石英纤维迅速成为首选增强材料。例如，美国F-14雄猫战斗机的AN/AWG-9火控雷达罩便采用了石英纤维/环氧复合材料。与此同时，芳纶纤维（Kevlar）因其卓越的抗冲击和抗撕裂性能，被广泛用于需要防弹或抗鸟撞的雷达罩关键区域。

树脂基体的性能瓶颈同样制约着雷达罩的整体表现。传统环氧树脂在高温高湿环境下会发生水解，导致介电常数升高、损耗增大。为此，一系列高性能特种树脂应运而生。氰酸酯树脂（Cyanate Ester, CE）具备极低的吸水率、极低的介电损耗和高玻璃化转变温度（Tg）。CE树脂的出现，使得雷达罩能够在高温、高湿的恶劣环境下长期保持稳定的电磁性能，成为F-22、F-35等五代机雷达罩的标配。双马来酰亚胺树脂（Bismaleimide, BMI）具有优异的耐热性和良好的力学性能，常用于发动机附近或需要承受较高热负荷的雷达罩。聚酰亚胺树脂（Polyimide, PI）耐热性极佳，但加工难度大，主要用于航天器和临近空间飞行器的极端热环境。

进入21世纪，复合材料雷达罩技术的发展呈现出两大主线：一是向更高性能极限冲刺；二是向多功能、智能化方向融合。在高性能方面，闭孔泡沫芯材（如聚醚酰亚胺PEI、聚氨酯PUR）逐步取代传统的蜂窝芯材。蜂窝芯材存在一个致命缺陷：一旦密封失效，水分会渗入蜂窝格子中，导致重量剧增、介电性能恶化甚至发生冻胀破坏。而闭孔泡沫芯材内部为独立的封闭气泡，从根本上杜绝了吸水问题。此外，针对高超音速飞行器前缘面临的2000°C以上极端热环境，陶瓷基复合材料（CMCs）如碳化硅纤维增强碳化硅（SiCf/SiC）成为研究热点。在多功能化方面，“智能雷达罩”（Smart Radome）概念兴起。通过在复合材料中嵌入光纤光栅传感器（FBG）、压电元件或柔性电路，可以实现对罩体应变、温度、振动乃至损伤的实时在线监测。更进一步，通过集成频率选择表面（Frequency Selective Surface, FSS）或可调谐材料，雷达罩可以实现动态电磁调控，例如在正常工作模式下保持透波，在受到敌方干扰时切换为吸波状态，实现战术隐身。

中国复合材料地面雷达罩技术的发展历程，清晰地遵循了一条“引进消化吸收再创新”的路径，可划分为三个阶段。仿制与跟踪阶段（1970s–1990s）主要依靠引进国外技术和设备，对进口雷达系统配套的雷达罩进行测绘仿制。材料体系以E-glass/通用环氧为主，工艺多为手糊成型，产品主要用于气象、交通等民用领域。集成与追赶阶段（2000s–2010s）随着国防现代化进程加速，中国开始系统性地集成国内外先进技术。以哈尔滨玻璃钢研究院、上海玻璃钢研究设计院为代表的科研院所，以及中国电子科技集团第39研究所等系统集成单位，联合攻关，成功研制出适配国产预警机（如空警-2000）、防空雷达的复合材料雷达罩。此阶段的关键突破在于掌握了RTM、热压罐等先进成型工艺，并开始应用S-glass、芳纶纤维等高性能材料。当前，中国已进入自主创新与引领阶段（2020s–至今）。一方面，在国家重大科技基础设施项目（如FAST射电望远镜）的牵引下，国内企业与科研机构合作，攻克了超大型、超高精度地面雷达罩的设计与制造难题。另一方面，在民用市场，以中航高科、上海志合等为代表的企业，积极推动低成本、高效率的自动化制造技术，将军用技术成果向5G基站、智能网联汽车等领域转化，形成了军民协同发展的新格局。

第二章性能要求与关键技术体系

2.1 核心性能指标体系

电磁性能是雷达罩的首要属性，直接决定雷达系统的探测距离、分辨率和精度。其核心指标包括介电常数、损耗角正切、透波率、插入损耗、指向误差与副瓣电平等。介电常数（εr）表征材料在外加电场下储存电能的能力，而损耗角正切（tanδ）则反映材料将电磁能转化为热能的效率。两者共同决定了电磁波在穿过雷达罩时的传播特性。εr越高，折射效应越强，导致雷达主波束偏离原定方向，即产生指向误差；tanδ越高，电磁波能量被吸收越多，表现为插入损耗增大。民用雷达罩主要工作于S/C波段（2–8 GHz），对εr与tanδ的要求相对宽松；而军用雷达罩需覆盖X/Ku/Ka波段（8–40 GHz），强调“双低”特性，高端产品采用石英纤维/氰酸酯体系。

透波率指透过雷达罩的电磁波功率与入射波功率之比。军用标准要求Ku波段透波率≥95%，而民用一般为≥90%。工程上更常用的指标是插入损耗（Insertion Loss），单位为分贝（dB）。因此，透波率95%对应插入损耗约0.22 dB，90%对应0.46 dB。对于超大型雷达罩（直径≥45 m），单程插入损耗≤0.7 dB（对应透波率约85%）虽略低于典型军用标准，但在如此大尺度结构上实现该性能，已体现极高的材料均匀性与制造工艺控制水平。指向误差（Boresight Error）指雷达主波束因罩体折射而产生的角度偏移。指向误差<0.003°（约52微弧度）属于全球顶尖水平，仅见于射电天文干涉阵列、深空测控站等对相位一致性要求极致的场景。实现该指标必须依赖高精度电磁仿真、均匀性极佳的复合材料面板，并对罩体几何外形实施纳米级公差控制。副瓣电平提升≤0.5 dB意味着雷达罩对天线辐射方向图的扰动极小。高频电磁波在罩体表面或内部缺陷处会发生散射，抬高副瓣，进而影响目标分辨能力与抗干扰性能。该指标要求罩体表面高度光滑、内部无孔隙或分层等缺陷。电压驻波比（VSWR）反映罩体与自由空间的阻抗匹配程度。高性能雷达罩通常要求VSWR<1.2。

强大的机械性能是保障雷达罩结构完整性和飞行安全的生命线。雷达罩作为一个暴露在外的薄壳结构，必须能够承受来自各个方向的气动压力、风切变，以及突发的鸟击冲击。在军用场景中，雷达罩需抵御鸟撞、弹片、爆炸冲击波等极端载荷，因此常采用“碳纤维+芳纶”混杂铺层结构，利用芳纶纤维的高韧性吸收冲击能量。而在民用场景中，主要考虑风载、雪载和冰雹等常规环境载荷，材料以成本更低的玻璃纤维为主。部分高性能地面雷达系统要求雷达罩在8级地震条件下不发生结构性损坏，并在风速≤56 m/s时保持结构完整性。舰载和机载雷达罩提出了更高的要求。舰载雷达通用规范（GJB 1680）中要求，雷达罩在经受不少于16ms、加速度范围为50-100m/s²的半正弦波后，性能不应下降；此外，在相对风速60m/s时，结构不应破坏。机载火控雷达罩（GJB 403B）提出，雷达罩结构需经受炮火冲击波及振动，结构不应有损坏。

2.2 碳纤维的应用

碳纤维（Carbon Fiber）则以其无与伦比的比强度和比模量著称，是实现极致轻量化的终极解决方案，但其固有的导电性使其无法单独作为透波材料使用，通常只能用于雷达罩的非透波区域。但其在某些特定场景下仍有少量应用：在抗静电涂层中微量添加特种导电碳纤维可以解决静电问题而不显著影响雷达罩的电磁性能；在雷达罩的非透波结构件中，如边缘支撑、连接框架等部位，碳纤维复合材料因其优异的力学性能得到一定应用。例如，中航复合材料依托C919大飞机项目，实现了T800级碳纤维雷达罩的国产化，但主要用于雷达罩的边缘支撑结构而非透波区域。在高端军用雷达罩中，为满足轻量化和抗冲击等特殊需求，碳纤维可能在结构件中得到少量应用。然而，由于雷达罩主体材料必须满足透波性要求，碳纤维在军用雷达罩中的应用比例仍然很低。