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内容摘自：《大国飞机系列专题二：隐身材料-五代战机形成制空权之决定要素》
发布时间：2023/03/20
证券分析师：曲一平
证书编号：S1160522060001
联系人：陈然
核心观点
🔸21世纪全球竞争中五代机数量成为制空权核心要素：美国及其盟友在太平洋第一岛链部署超300架第四代和第五代战机。未来还将采购超过3000架F35五代战机。我国五代战机的列装加速将是大势所趋，隐身材料作为五代机最强大的技术优势，将获得更广阔应用，未来前景值得期待。
🔸隐身飞机的隐身是一个综合平衡、协调发展问题：依据隐身飞机的特点，在雷达、红外和射频三个隐身性能中，雷达隐身是最优先要点，通过改变气动布局、吸波结构（RAS）设计、吸波材料（RAM）实习，在传统铁氧体等材料外，纳米材料、导电聚合物等新材料得到持续研究；红外隐身方向关注削减发动机的热辐射、尾喷管喷出的高温，相变材料、气凝胶、超材料等新兴技术应运而生。最后射频隐身性能不但要与雷达、红外隐身性能相匹配，还要与飞机的综合探测和综合攻击能力相协调，同时还必须与敌方的探测和攻击能力相平衡。
🔸未来我国隐身材料市场增量可期：核心假设吸波材料预计占整机价值从目前0.7%提升至1%以上，市场需求从2022年5亿提升至2025年15.8亿；超材料在机体结构件中占比有望从3%提升至4.5%以上，市场需求从2022年4.1亿提升至2025年12.3亿；隐身材料在导弹价值占比有望从4.4%提升至6.5%以上，市场需求从2022年1.5亿提升至2025年4.9亿。根据以上假设综合来看，我国军用飞机和导弹带来的隐身材料市场需求预计将从2022年的10.6亿提升至2025年的33.1亿以上，2022-2025的每年增速分别为69%、61%、43%、40%。
🔸多个上市公司在不断技术革新中深度参与国产五代机：如华秦科技成功研制出的耐温隐身涂层材料，可以长期应用于中高温环境，并实现该领域绝对领先。在常温隐身领域，如光启技术是国内唯一超材料量产并应用于尖端装备，研发第四代超材料有效屏蔽雷达、红外探测实现制电磁权。如佳驰科技在EMMS-电磁功能材料与结构方面实现了低频超宽带、多频谱兼容、薄型轻量化多种技术优势。如新劲刚子公司康泰威在热障喷涂材料、吸波复合材料持续研发进步。再如上游羰基铁粉供应商悦安新材，制备吸波材料具有低介电、高磁损耗、阻抗匹配特性。隐身材料产业链各参与者形成有机体，将继续共同助推我国五代机隐身性能实现世界领先水平。
【风险提示】
国防预算比例下降风险；隐身材料占机体价值比重提升不及预期风险；第六代战机海外研发超进度风险
正文部分
1. 全球地缘政治格局加剧下对制空权需求激增
1.1.五代战机成为21世纪制空核心力量
俄乌冲突爆发以来，制空权重要性重新得到验证。世界上已服役的5代机，只有4种：中国的歼-20、美国的F-22和F-35、俄罗斯的苏-57。
苏-57并非是全新一代机型（歼-20、F-22、F-35都是全新机型），为了节省设计、制造成本其结构基本上沿袭苏-27系列。美国的F-35是多用途战斗机是多平台共用战斗机，包括空军的陆基型F-35A；海军的舰载型F-35C，海军陆战队的垂直起降型F-35B，决定了空战性能不是F-35的主要指标。因此只有中国的歼-20、美国的F-22才是为制空权而制造的全新第五代战机。
美国的隐身技术起步早，从F-117、B-2到F-22，积累了丰富的经验。根据俄罗斯苏霍伊集团自己公布的苏-57战斗机性能,苏-57战斗机的雷达反射面积是0.4平方米,这个数据对于一架第五代隐身战机而言,显然是高了一些。对比而言,美国的F-22A战机的雷达反射面积为0.01平方米,F-35战斗机的雷达反射面积为0.1平方米,我国歼-20战斗机的雷达反射面积也在0.1平方米以下。
1.2.五代战机隐身性能是最突出技术特点
隐身技术是现代军事技术发展的一次重大革命，正像钱学森曾经指出的那样：“隐身技术的出现，与当年的原子弹具有类似的意义。”隐身技术在战斗机上的应用将彻底改变现代空战的性质。
F-22隐身战斗机代表着继F-117A隐身攻击机和B-2隐身轰炸机之后的第三代隐身技术，是在不损失机动性和飞行速度的情况下实现隐身的。继B-2A隐身轰炸机之后的新一代远程打击系统不止是B21，而是一个包括下一代轰炸机(Next Generation Bomber），简称NGB，美国空军对B21的采购数量，也呈现出不断上升的趋势，从最初的预计80到100架，到现在已经增加至180架。在未来美军仍然计划采购总数达2456架的F-35战斗机，继续凸显了五代机在全球军备中重要性。
隐身是针对传感器而言的，主要分为雷达（针对雷达探测）、红外（针对光电探测）和射频（针对电子对抗截获接收机探测）三个隐身性能，因此研究隐身问题一定要了解相应的传感器特性。
隐身问题有三个要素，目标特性（散射源[雷达]、辐射源[红外、射频]）、传感器（主动[雷达]、被动[红外、ESM]）、传播介质（空气[对红外有明显影响]）。通过在大角度范围内的多部雷达，从隐身飞机的下面、背面和侧面多点观察，所有截获的信号由数据中心进行数据融合和相关处理，从而准确发现和识别目标。现代战争对隐身飞机的雷达隐身能力也不断提出新的要求。
2. 雷达隐身技术概览
2.1.雷达隐身具备最高优先级
隐身问题是从雷达隐身起始的。雷达是信息化作战条件下发现空中目标的主要手段，雷达是依靠发射电磁波，电磁波遇到物体后产生散射，部分散射的电磁波返回发射雷达，被雷达接收经信号处理后，产生物体图像。雷达是现代战场中主要的探测手段，尤其是对于空中目标，因此，在飞机的隐身性能中，雷达隐身性能具有最高的优先级。
传统三代战机的雷达散射截面（RCS）一般在10m^2左右，如F-15、苏-27等。随着隐身技术的发展，出现了F-117A和B-2隐身飞机，其RCS水平达到了0.1m^2量级，但其飞行性能受到大幅制约；同时，利用隐身技术改进的三代战机的RCS也达到了1m^2左右的量级，如F-16改进型也应在此量级。F-22则在保持高水平飞行性能的基础上大幅提升了隐身性能，其RCS水平达到了0.01m^2的量级。
一般认为目标的RCS在1m^2以上为常规不隐身目标，RCS在0.1m^2～1m^2范围内的目标为低可探测性目标（LO），RCS在0.1m^2～0.01m^2范围内的目标为极低可探测性目标（VLO），RCS在0.01m^2～0.001m^2范围内的目标为超低可探测性目标（VVLO）。
隐身技术的发展对作战的杀伤链路带来了十分明显的影响。尤其是当目标的RCS达到或低于0.01m^2量级时，影响到空中作战各个环节，载机雷达的探测距离急剧下降，导弹导引头难以正常截获目标，导弹引信无法正常启动。更进一步的是，F-22隐身战斗机将隐身、超声速巡航、高机动、综合航电等先进技术集于一身，形成了空中作战的“先敌发现、先敌攻击、先敌摧毁”的战场压倒性“主宰”优势。
2.2.飞机雷达隐身基本特点
飞机的雷达隐身性能与外部照射源的技术状态密切相关，外部照射源的频率、极化等特性对飞机的雷达隐身性能有直接影响。
雷达发现目标的距离用雷达方程描述，雷达发射功率、天线增益、波长和目标的RCS越大，雷达的灵敏度越高，雷达对目标的探测距离就越远。
从雷达方程可知，在雷达性能确定的条件下，飞机的雷达隐身性能则只取决于飞机的雷达散射截面积（RCS）。RCS衡量一个物体把照射到自己的雷达波反射回照射雷达的能力，反射回照射雷达的能量越多，物体的RCS就越大，照射雷达接收到的信号就越强，雷达对这个物体就看得越远。
从雷达方程知，雷达发现目标的距离与该目标的RCS的四次方根成正比。若飞机的RCS减小一个数量级（1/10），则雷达探测距离相应降低为原来的56%，即减少了44%。即飞机RCS每下降一个数量级（减小为原来的1/10），雷达对它的探测距离便缩短44%左右：
若飞机的RCS减小两个数量级（1/100），则雷达探测距离相应降低为原来的32%；若飞机的RCS减小三个数量级（1/1000），则雷达探测距离相应降低为原来的18%；若飞机的RCS减小四个数量级（1/10000），则雷达探测距离相应降低为原来的10%。如果飞机的RCS从10m2（三代机）降到0.01m2（隐身飞机），即原来的1/1000，则雷达对该飞机的探测距离将降低为不到原来的20%。原来设计能看400km的雷达，对隐身飞机只能看80km。加上战斗机的飞行速度提高了一倍，对方的预警时间将大幅减少。
降低飞机RCS主要是三个手段，一是气动布局，二是吸波结构（RAS）设计，三是吸波材料（RAM）。
2.3.降低飞机RCS之气动布局
飞机通过气动布局、结构设计和表面吸波涂层，将雷达的照射的能量向其他方向散射或吸收，大幅减少反射回照射雷达接收天线的照射能量，使雷达接受的信号能量不够，达不到相应的信噪比要求，分辨不出目标，从而使飞机达到隐身效果。因此，飞机的雷达隐身性能是飞机的一种固有设计特性，一旦设计定型，其雷达隐身性能就基本确定。
气动布局设计对飞机雷达隐身的贡献率最大，一般大于85%。典型的外形设计如飞翼式结构、翼面前缘平行设计、机头棱边设计等。因此，从气动布局基本可以推测出飞机的大致隐身性能。飞机通过平行设计，即所有机翼的前沿的后掠角度均呈平行状态，将大部分照射能量反射到非入射方向。
例如F-22的气动布局。F-22的隐身最主要的是通过大量的平行设计使回波波峰集中到少数几个非重要方向上：F/A-22的进气道上/下唇口、主翼前缘、平尾前缘、平尾后缘内侧、尾撑后缘及矢量喷管表面一侧后缘；主翼后缘、平尾后缘外侧及矢量喷管表面另一侧后缘都是平行的，这样可把散射波峰合并到偏离头向及尾向的非重要方向上，尽管这会增加该方向的散射功率，但减少散射波峰数量确实能给隐身带来更大的好处。
从图中看出，F-22采用平行设计，各前缘进气道进气口角度与垂直尾翼平行，机头截面呈菱形，两侧翼下菱形截面发动机进气道，进气道为CARET不可调节进气道，进气道内部有引擎叶片挡板（吸波结构）。舱门采用锯齿状设计，锯齿边缘符合平行设计原则。
2.4.降低飞机RCS之吸波结构
吸波结构设计的目的主要是使入射的雷达波被吸收或衰减掉。典型的吸波结构设计如S型进气道（蚌式进气道）、隔栅进气道、进气道吸波结构、背负式进气道、锯齿形口盖、内埋式武器舱等。
F-117A采用的是多面体结构，B-2采用的是飞翼式结构，研究证明多面体结构和飞翼式结构具有很好的雷达隐身性能，但带来了气动性能不良和飞行控制问题，气动性能很难满足战斗机的要求。破坏飞机隐身性能的三大强散射源为：进气道、座舱、雷达舱。
因此需要综合采用外形设计、结构设计、材料设计等都种措施来减少其RCS。如雷达舱即采用棱边外形、频率选择表面（FSS）、表面涂料、雷达侧倾设置等措施。
2.5.降低飞机RCS之吸波材料
铁氧体、金属微粉、钦酸钡、碳化硅、石墨、导电纤维等均为传统吸波材料，它们通常都存在吸收频带窄、密度大等缺点。新型吸波材料包括纳米材料、金属纤维材料、“手征”材料、导电高聚物及电路模拟吸波材料等，它们具有不同于传统吸波材料新型的吸波机制。
有两种方式可以降低涂料对雷达波的反射：
一是涂料吸收雷达波通过在胶粘剂中加入电损耗或磁损耗填料，利用电损耗物质在电磁场作用产生传导电流或位移电流受到有限电导率的限制使进入涂层中的雷达波转换为热能损耗掉或是借助磁损耗材料内部偶极子在电磁场下受限定磁电导率限制而把磁能转换为热能损耗掉。
二是利用谐振原理当涂层厚度为雷达波的1／4时通过谐振作用，减少雷达波反射吸波材料的作用是将入射的雷达波能量衰减吸收掉，减小反射的雷达波能量。吸波材料的涂层厚度与入射波的1/4波长相当时其吸波效果较好，对于X频段（3cm）的雷达，雷达吸波涂层的厚度在7.5mm左右，因此对于一架飞机而言，雷达吸波涂层的重量很大（几百千克）。若考虑到对长波雷达的吸波效果，则涂层就会更厚。典型的吸波材料如座舱镀膜（内、外表面）、频率选择表面、表面涂料等。
大量采用复合材料也对提升雷达隐身性能大有益处。F-22在机体上广泛采用热加工塑胶（12%）和人造纤维（10%）的聚合复合材料（KM）。在装备的批量生产的飞机上使用复合材料（KM）的比例（按重量）更高。飞机外形尺寸与电磁波频率之间存在严格的比例关系，因此可采用缩比模型对飞机外形的RCS进行测试，推算其雷达隐身性能。由于吸波涂层不存在缩比关系，因此缩比模型测试回答不了吸波涂层对缩减RCS效果的问题。RCS的降低不是无限的。从雷达方程，RCS与雷达探测距离不是呈线性正比，而是呈四次方根的关系，RCS降低16倍，探测距离才能减半，加之降低飞机的RCS代价很大，受到飞机的飞行性能、成本、材料、工艺等因素的制约。因此，装备的性能并不是越高越好，而是够用最好。
2.6飞机雷达隐身传感器特性
飞机的雷达隐身是针对敌方雷达传感器的主动探测而言的，因此研究飞机雷达隐身性能就必须从雷达传感器的角度进行。针对雷达传感器的技术特性和战术运用特点，飞机雷达隐身传感器特性体现在以下五个方面。
例如F-117A在两种极化下的平均RCS，可以看出存在明显差异。F-117A针对所有可能的极化方式专门进行了综合优化设计，其极化差异仍有2dB左右，F-117A的扁平机身，使其垂直极化RCS的水平低于水平极化的水平。而对于没有专门进行针对性设计的飞机，RCS对不同极化方式的差异可达到10～15dB。如果飞机的RCS对某种极化方式敏感，就会大大降低其隐身效果。
美军“爱国者”和“宙斯顿”系统跟踪/制导雷达采用垂直极化（线极化）方式，而C-300系列、红-9系列则采用圆极化。垂直极化具有较好的低空性能，而圆极化具有相对稳定的RCS。不同的极化方式下飞机的RCS差异最大可达10dB～15dB水平（垂直和水平极化），新一代防空雷达中已开始采用变极化和同时多极化技术，以获取极化增益。
因此，隐身飞机的RCS设计是考虑雷达极化方式的，最好适用于所有的可能极化方式，包括垂直极化和水平极化。由于机载雷达一般采用垂直极化，因此，从制空战斗机的任务特点考虑，隐身飞机的重点考虑垂直极化。
2.7飞机雷达吸波相关材料研究展望
传统雷达隐身材料技术主要通过将微波能量转换为热能实现隐身功能，材料成型后，其电磁特性很难随电磁环境的改变而发生改变。将周期性结构、超材料设计的概念应用到新型耐高温超电磁隐身材料的构建是一个新兴的方向，必将在耐高温宽频、强吸收和可控智能隐身领域发挥更大的作用。
SiC材料具有耐高温、抗烧蚀、化学稳定性好和介电性能可调等特点，在温度低于1100℃的空气环境中，具有优异的抗氧化能力。尤其是SiC的介电弛豫时间随温度的升高而降低，使其介电常数虚部随温度的升高而升高。温度越高，SiC材料的吸波性能越好，这一独特的温度变化属性，使其成为了高温吸波材料中的研究重点。
SiC/Co@SiO2复合纳米线的介电常数由外层SiO2向内层Co的方向逐渐增大，并在Co/SiC界面处达到最高。这种梯度的结构有利于入射的电磁波进入材料内部被吸收损耗掉，减少在空气与吸收体界面处的电磁波反射。此外，这种多层的核壳结构产生的界面极化作用也有利于提高材料的吸波性能。
陶瓷基耐高温结构隐身复合材料是以先进陶瓷基复合材料为基础发展起来的结构。对于发动机尾喷口等高温部位而言，其服役温度可高达900℃甚至1000℃以上，同时面临着速气流冲刷、氧化及燃气腐蚀等恶劣的环境威胁，对耐高温吸波材料的研发提出了严峻的要求与挑战。考虑到武器装备对推力、质量、可靠性的要求，结构功能一体化的耐高温结构吸波复合材料更具先进性优势。
目前广泛研究的吸波PDCs体系包括SiC、Si3N4、SiOC、SiCN、SiBCN等等。通过聚合物前驱体的分子结构设计、掺杂元素引入、高介电弥散相引入以及裂解工艺调控等方式，可以调控PDCs中的相结构，进而调控其反射率。主要的弥散相包括各类纳米碳结构（碳纳米管、碳纳米线、石墨烯等）、SiC（纳米颗粒、纳米线）和导电金属及其化合物（Ni、Co、Fe3O4、ZIF-67等）。
此外还有多种吸波材料得到持续研究：三元层状化合物，是一种密排六方结构的碳化物或氮化物，通常又被称为MAX相材料，可以用化学式Mn+1AXn来表示。再如常见的金属氧化物吸波剂主要有ZnO，SnO2，和TiO2等半导体，它们具有红外辐射率低、耐高温、成本低廉的优点。金属氧化物的电导率较低，因此电损耗能力弱，要达到良好的吸波性能需要提高其电导率或者增加界面极化作用。
3. 红外隐身技术概览
3.1红外隐身算法概览
通过雷达隐身措施，可将雷达对隐身飞机的探测距离压缩到了60km左右。然而，F-22正常的作战状态有时处于超声速巡航状态，其红外辐射特征明显超过三、四代机，大气条件良好情况下，机载红外传感器对F-22的探测距离超过80km，红外隐身问题又凸显出来。原来处于辅助角色的红外传感器（如苏-27），对于探测隐身目标，上升到了主传感器的地位。因此，在雷达隐身的基础上，隐身飞机还要考虑红外隐身的问题。
红外线是波长在0.76～1000μm范围内的电磁波，它具有电磁波的粒子性和波动性，也具有与可见光相似的特性，如反射、折射、偏振、干涉和衍射等，效应比可见光强得多，极易被物质吸收。
3～5μm和8～14μm两个波段对应于分子转动、振动能级之间的跃迁，是无机物和有机物的吸收光谱区。其中，3～5μm波段的红外线在大气中有较明显的衰减，是导弹、飞机等空中武器的红外制导用探测器工作波段。8～14μm远红外波段在大气中衰减较弱，是热成像系统的工作波段，地面目标的威胁主要来自于该波段的红外探测。3.2红外隐身处理的核心要点
通常飞行器的红外辐射源，主要包括发动机的热辐射、尾喷管喷出的高温气流、飞行器蒙皮的红外辐射及环境的反射等。
以航空发动机为例，它是一种高度复杂和精密的热力机械，作为飞机的心脏，不仅是飞机飞行的动力，也是促进航空事业发展的重要推动力．然而航空发动机在工作时，一般处于高压、高转速、高温的状态，因而成为了飞机主要的红外辐射源之一．实现红外隐身的技术途径通常包括冷却、遮挡或涂覆红外低发射率涂层等，其中涂覆红外低发射率涂层是提高其红外隐身性能的一种简单、便捷、有效的技术途径。
例如B-2使用了严格的红外隐身技术。B-2轰炸机的进气道使用了S型弯道式设计，把F-118发动机内埋于机体之内。B-2轰炸机的气体通过弯道排出时已经被冷却，而且发动机炽热的进气涡扇、尾喷口则被内埋在机体内，外部无法直接探测。B-2轰炸机还使用了机体红外信号热沉技术，通过自身搭载的燃油作为冷却液，流经机体内的雷达、发动机等部分，对整个机体进行冷却，确保热量不会轻易排到飞机外部。
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