顛覆未來作戰(zhàn)的前沿技術(shù)

1、顛覆未來作戰(zhàn)的前沿技術(shù)一一超材料超材料是通過在材料關(guān)鍵物理尺寸上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計，突破某些表觀自然規(guī)律 的限制，獲得超出自然界原有普通物理特性的超常材料的技術(shù)。超材料是一個 具有重要軍事應(yīng)用價值和廣泛應(yīng)用前景的前沿技術(shù)領(lǐng)域，將對未來武器裝備發(fā) 展和作戰(zhàn)產(chǎn)生革命性影響。新型材料顛傳統(tǒng)理論盡管超材料的概念出現(xiàn)在2000年前后，但其源頭可以追溯到更早。1967年，蘇聯(lián)科學(xué)家維克托韋謝拉戈提出，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，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，

2、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。隨著傳統(tǒng)材料設(shè)計思想的局限性日漸暴露，顯著提高材料綜合性能的難度越來越大，材料高性能化對稀缺資源的依賴程度越來越高，發(fā)展超越常規(guī)材料性能極限的材料設(shè)計新思路，成為新材料研發(fā)的 重要任務(wù)。2000年，首個關(guān)于負(fù)折射率材料的報告問世；2001年，美國加州大學(xué)圣迭戈分校的科研人員首次制備出在微波波段同時 具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的超材料；2002年，美國麻省理工學(xué)院研究人員從理論上證實了負(fù)折射率材料存在的 合理性；2003年，由于超材料的研究在世界范圍內(nèi)取得了多項研究

3、成果，被美國 科學(xué)雜志評為當(dāng)年全球十項重大科技進(jìn)展之一。此后，超材料研究在世界范圍內(nèi)取得了多項成果，維克托韋謝拉戈 的眾多預(yù)測都得到了實驗驗證。現(xiàn)有的超材料主要包括：負(fù)折射率材料、光子晶體、超磁材料、頻率選擇表面等。與常規(guī)材料相比，超材料主要有3個特征：一是具有新奇人工結(jié)構(gòu)；二是具有超常規(guī)的物理性質(zhì)；三是采用逆向設(shè)計思路，能按需定制”。負(fù)折射率材料具有介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時為負(fù)值的電磁特性，電磁波在該介質(zhì)中傳播時，電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度與傳播矢量三者遵循負(fù)折射率螺旋定則，因此存在負(fù)折射效應(yīng)、逆多普勒效應(yīng)、逆切侖科夫輻射和理想透鏡等多種奇特物理現(xiàn)象。負(fù)折射率材料的實現(xiàn)使人類具備了自由調(diào)控電磁波的能力，

4、這對未來的新一代通信、光電子/微電子以及隱身、探測、強(qiáng)磁場、太陽能和微波能利用等技術(shù)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。光子晶體是指具有光子帶隙特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，是一種 介電常數(shù)周期性分布的電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以阻止某一種頻率的光 波在其中的傳播。由于光子晶體具有固有的頻率選擇特性，被認(rèn)為是未來的半導(dǎo)體， 對光電子、光通信、微諧振腔、集成光路、紅外/雷達(dá)隱身等領(lǐng)域?qū)?產(chǎn)生重大影響。部分超材料示例電磁黑洞是一種采用電磁超材料制造的人工黑洞，能夠全向捕 捉電磁波，引導(dǎo)電磁波螺旋式行進(jìn)，直至被黑洞吸收，使基于引力 場的黑洞很難在實驗室里模擬和驗證的難題迎刃而解。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，不僅將為太陽能利用技術(shù)增加新的途

5、徑，產(chǎn)生全 新的光熱太陽能電池，還能應(yīng)用于紅外熱成像技術(shù)，大幅度提高紅外信號探測能力。頻率選擇表面是由大量無源諧振單元組成的單屏或多屏周期性陣列 結(jié)構(gòu)，由周期性排列的金屬貼片單元或在金屬屏上周期性排列的孔 徑單元構(gòu)成。其可對不同頻段的入射電磁波進(jìn)行有選擇性的發(fā)射或傳輸，已被廣 泛應(yīng)用于微波天線和雷達(dá)罩的設(shè)計中，也可用于反射面天線的負(fù)反射器，以實現(xiàn)頻率復(fù)用，提高天線的利用率。巨大價值引發(fā)全球關(guān)注超材料研究的重大科學(xué)價值及其在諸多應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)出的革命性應(yīng) 用前景，使其得到了美國、歐洲、俄羅斯、日本等國政府，以及波 音、雷神等機(jī)構(gòu)的強(qiáng)力關(guān)注，現(xiàn)在已是國際上最熱門、最受矚目的 前沿高技術(shù)之一。2010

6、年，美國科學(xué)雜志將超材料列為21世紀(jì)前10年自然科 學(xué)領(lǐng)域的10項重大突破之一。當(dāng)前，國外的研究領(lǐng)域己涉及超材料基本原理和特性、超材料實驗驗證、超材料設(shè)計、超材料加工制造和超材料的應(yīng)用。美國國防部長辦公室把超材料列為六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域之一，美國國防部專門啟動了關(guān)于超材料的研究計劃；美國空軍科學(xué)研究辦公室把超材料列入十大關(guān)鍵領(lǐng)域；美國最大的 6家半導(dǎo)體公司英特爾、AMD和IBM等也成立了聯(lián)合基金資助這方面的研 究。歐盟組織了 50多位相關(guān)領(lǐng)域頂尖的科學(xué)家聚焦這一領(lǐng)域的研究，并 給予高額經(jīng)費支持。日本在經(jīng)濟(jì)低迷之際出臺了一項研究計劃，至少支持兩個關(guān)于超材 料技術(shù)的研究項目，每個項目約為30億日

7、元（約合1.5億人民幣），同時將超材料列為下一代隱形戰(zhàn)斗機(jī)的核心關(guān)鍵技術(shù)。在多個項目的支持下，超材料技術(shù)取得了一系列新進(jìn)展。例如：美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室與加利福尼亞大學(xué)合作完成 了負(fù)折射率材料太赫茲頻率特性的研究探索；美國加利福尼亞大學(xué)完成了利用負(fù)折射率材料精確控制光線速度和方向的研究；美國普渡大學(xué)和諾?？酥萘⒋髮W(xué)合作完成了負(fù)折射率材料對光線 吸收的研究；2013年以來，美國陸軍和普渡大學(xué)研究了在特定的電磁頻譜波段 具有光譜選擇性的新型等離子體隱身材料；美國勞倫斯伯克利國家實驗室的研究團(tuán)隊制造出了全球首個非線 性零折射率超材料，通過這種材料的光在各個方向都會得到增強(qiáng)；2014年，法國

8、國家科學(xué)研究中心和法國波爾高等化學(xué)物理學(xué)院的 研究人員通過結(jié)合物理化學(xué)組成和微流體技術(shù)，研發(fā)出了第一個三 維超材料。使用超材料的隱身衣在超材料應(yīng)用方面，有關(guān)國家和機(jī)構(gòu)近年來啟動了多項研究計劃。如DARPA實施的負(fù)折射率材料研究計劃；美國杜克大學(xué)開展的高增益天線超材料透鏡研究，以及可升級和可重構(gòu)的超材料研究等。此外，還有近百家美國企業(yè)獲得小企業(yè)創(chuàng)新計劃和企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移資 助計劃資助，對超材料技術(shù)進(jìn)行了大量研究和產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。目前，超材料領(lǐng)域已初步形成的產(chǎn)品包括超材料智能蒙皮、雷達(dá)天 線、吸波材料、電子對抗雷達(dá)、通信天線、無人機(jī)載雷達(dá)等。神奇功能改變未來作戰(zhàn)超材料因其獨特的物理性能而一直備受人們的青睞，

9、在軍事領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景。近年來，超材料在隱身、電子對抗、雷達(dá)等領(lǐng)域的應(yīng)用成果不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力和發(fā)展空間。隱身是近年來出鏡率最高的超材料應(yīng)用，也是迄今為止超材料技術(shù)研究最為集中的方向，如美國的F-35戰(zhàn)斗機(jī)與DDG1000大型驅(qū)逐艦均應(yīng)用了超材料隱身技術(shù)。未來，超材料在電磁隱身、光隱身和聲隱身等方面具有巨大應(yīng)用潛 力，在各類飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、艦艇和地面車輛等方面將得到廣泛 應(yīng)用，使軍事隱身技術(shù)發(fā)生革命性變革。超材料實現(xiàn)隱身與傳統(tǒng)隱 身技術(shù)的區(qū)別是，超材料使入射的電磁波、可見光或聲波繞過被隱 藏的物體，在技術(shù)上實現(xiàn)真正意義上的隱身。在電磁隱身方面，2006年，美國杜克大學(xué)與英國帝

10、國學(xué)院合作提出 了一種微波頻段的電磁隱身設(shè)計方案，這種設(shè)計方案由10個同心圓 筒組成，采用矩形開口環(huán)諧振器單元結(jié)構(gòu)，實驗結(jié)果證實負(fù)折射率 材料用于物體的隱身是可行的。2012年，美國東北大學(xué)采用摻雜鈧的 M型鋇鐵氧薄片和銅線組 合，設(shè)計和試驗了可在3344吉赫茲電磁波段實現(xiàn)可調(diào)的負(fù)折射 率材料。美國雷神公司開發(fā)了 透波率可控人工復(fù)合蒙皮材料，該材料采 用嵌入了可變電容的金屬微結(jié)構(gòu)頻率選擇表面，通過控制加載在可 變電容上的偏置電壓，可以改變頻率選擇表面的電磁參數(shù)，從而實 現(xiàn)材料透波特性的人工控制，可應(yīng)用于各種先進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)和下一代 隱身戰(zhàn)機(jī)的智能隱身蒙皮。在光學(xué)隱身方面，2012年，加拿大超隱形生

11、物公司發(fā)明了一種名為 量子隱身的神奇材料。它能使周圍光線折射而發(fā)生彎曲，從而使其覆蓋的物體或人完全隱身，不僅能騙過人的肉眼，在軍用 夜視鏡、紅外探測器的探測下也能成功隱身。這種材料不僅能幫助 特種部隊在白天完成突襲行動，而且有望在下一代隱形戰(zhàn)機(jī)、艦艇 和坦克上應(yīng)用。2014年，美國佛羅里達(dá)大學(xué)的研究團(tuán)隊研制出一種可實現(xiàn)可見光隱 身的超材料，實現(xiàn)這一技術(shù)突破的關(guān)鍵是利用納米轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)制 造出一種多層三維超材料。納米轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)可改變這種超材料的 周圍折射率，使光從其周圍繞過而實現(xiàn)隱身。在聲隱身方面，2011年，美國杜克大學(xué)卡默爾教授的團(tuán)隊開發(fā)出一 種二維聲學(xué)斗篷，能使10厘米大小的木塊不被聲波

12、探測到。2014年3月，杜克大學(xué)制造出世界上首個三維聲學(xué)斗篷，它是一種 利用聲隱身超材料制成的聲隱身裝置，能使入射聲波沿斗篷表面?zhèn)?播，不反射也不透射，實現(xiàn)對探測聲波的隱身。三維聲學(xué)斗篷由一些具有重復(fù)排列小孔的塑料板組成，能在3千赫茲的聲波下表現(xiàn)出完美的隱身效果，驗證了聲學(xué)斗篷應(yīng)用于主動聲 吶對抗的可行性。此外，美海軍自主開發(fā)一種名為金屬水的潛艇聲隱身技術(shù)，制 造一種六角形晶胞結(jié)構(gòu)的鋁材料，并將其納入潛艇艇殼外覆蓋的靜 音材料內(nèi)，實現(xiàn)對聲波引導(dǎo)，達(dá)到隱身目的。聲隱身超材料技術(shù)的 發(fā)展將對潛艇等水下裝備的隱身產(chǎn)生變革性影響，有可能改變未來 水下戰(zhàn)場的游戲規(guī)則。除了傳統(tǒng)意義上的隱身，最近超材料在觸

13、覺隱形上也有了新的突 破。2014年，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的研究人員利用機(jī)械超材料制成 觸覺隱形斗篷。這是一種全新的隱身技術(shù)，可以欺騙人體和探測設(shè) 備的傳感器。這種觸覺隱形斗篷由超材料聚合物制成，具有特殊設(shè) 計的次微米精度的晶體結(jié)構(gòu)。晶體由針尖相接觸的針狀錐組成，接 觸點的大小需精確計算，以滿足所需的機(jī)械性能。利用這種超材料制造的隱形斗篷可以屏蔽儀器或人體的觸覺，如用 隱形斗篷覆蓋住放在桌面上的一個突出物體，雖然可見突出物，但 用手撫摸時無法感到物體突出，就像撫摸平整的桌面一樣。該技術(shù) 雖然還在純粹的基礎(chǔ)物理研究階段，但是將會為近幾年的國防應(yīng)用 開辟一條新路。超材料將圓柱體隱藏起來使其無法被

14、手指感覺到天線與天線罩是超材料的另一個用武之地。國夕卜眾多實驗表明，將 超材料應(yīng)用到導(dǎo)彈、雷達(dá)、航天器等天線上，可以大大降低天線能 耗，提高天線增益，拓展天線工作的帶寬，有效增強(qiáng)天線的聚焦性 和方向性。天線方面，雷神公司研發(fā)了超材料雙頻段小型化 GPS天線，通過精確的人工微結(jié)構(gòu)設(shè)計，可提升天線單元間的隔離度，減少天線原件 之間的電磁耦合，從而使天線的帶寬得到大幅拓展，其可應(yīng)用于對 天線尺寸要求苛刻的飛機(jī)平臺與個人便攜式戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)航終端。2011年2月，洛克希德馬丁公司與賓夕法尼亞大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了一 種新型電磁超材料，可用于在喇叭形衛(wèi)星天線上，使產(chǎn)品體積更 小，制造成本更低，并能夠顯著提高航天器天線的

15、性能。2014年，英國BAE系統(tǒng)公司開發(fā)出一種可用于無人機(jī)通信的超材 料平面天線，可使電磁波在透過平面天線后進(jìn)行聚焦，在實現(xiàn)對電 磁波聚焦的同時保留了平面天線的寬帶性能，克服了傳統(tǒng)拋物面天 線變?yōu)槠矫嫣炀€所帶來的帶寬損失、低增益等問題，同時可實現(xiàn)一 個天線替換多個天線，減少天線的數(shù)量。這一技術(shù)突破可能使飛機(jī)、艦艇、衛(wèi)星等天線的設(shè)計產(chǎn)生劃時代的 變革。雷達(dá)天線罩方面，在美國海軍的支持下，美國公司成功研發(fā)出雷達(dá) 罩用超材料智能結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于美軍新一代的 E2 鷹眼預(yù)警機(jī)， 大幅提高了其雷達(dá)探測能力。通過采用超材料的特殊設(shè)計，該項目提供了解決傳統(tǒng)雷達(dá)罩圖像畸變的問題，同時這種超材料電磁結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，方便后期的改裝和維護(hù)，極大提高了 E2 “鷹眼預(yù)警機(jī)的整體性能。導(dǎo)彈天線罩方面，美國雷神公司研制了基于超材料的導(dǎo)彈天線罩， 可以使穿過導(dǎo)彈天線罩的電磁波不產(chǎn)生有效折射，有效提高導(dǎo)彈打 擊精度。用于制作光學(xué)透鏡的超材料，可以制作不受衍射極限限制的透鏡、 高定向性透鏡以及高分辨能力的平板型光學(xué)透鏡。其中不受衍射極限限制的透鏡主要應(yīng)用于微量污染物質(zhì)探測、醫(yī)學(xué) 診斷成像、單分子探測等領(lǐng)域；高定向性透鏡主要應(yīng)用于透鏡天 線、小型化相控陣天線、超分辨率成像系統(tǒng)等領(lǐng)域；高分辨能力的 平板型光學(xué)透鏡主要應(yīng)用于集成電路的光學(xué)引導(dǎo)原件等領(lǐng)域。20