2025

《航空学报》亮点文章

空天飞行器是结构-功能高度一体化的新质装备，需实现力、热等承载特性和透波、隐身、射频等电磁特性的融合。首先，分析了空天飞行器的主要特点及需求，构建了空天飞行器承载/透波/隐身/射频一体的四面体设计体系；其次，分析了天线罩、隐身蒙皮、综合共形天线等3类典型电磁功能结构的研究进展；最后，展望了空天飞行器电磁功能结构的发展趋势，重点阐述了多物理场耦合、极端环境适应、多功能融合、智能响应及控制等关键问题。

空天飞行器突破了传统飞行器的速度与空间限制，其飞行包线大幅拓展、任务剖面变化繁多，对其电磁功能结构提出了双重要求。一方面，高超声速飞行使空天飞行器面临长时间、强耦合、高量级的力热复杂服役环境，这对飞行器电磁功能结构的耐高温性能与承载能力提出严苛要求。同时，空天往返、可重复使用的特性，进一步强化了对结构耐久性和重复使用的指标要求，以确保在全飞行周期内保持结构完整性。另一方面，作为高对抗领域的重要平台（可承担空间侦察监视、预警及发射任务），空天飞行器需具备高精度远程探测、全向宽频隐身、实时态势感知等多元电磁功能，这推动了电磁功能结构突破单一功能局限，向集成透波、隐身、射频及智能控制的多功能一体化方向发展。空天飞行器电磁功能结构的耐高温/承载等结构特性和电透波、隐身、射频等电磁功能的协同实现，不仅是提升其对抗效能与生存能力的核心支撑，更能为其在未来对抗环境中提供全面且灵活的信息支持与对抗手段。因此，发展兼顾耐高温/承载与多元电磁功能的电磁功能材料/结构体系，对空天飞行器的技术突破具有重要意义。

针对空天飞行器高超声速飞行、全向宽频强隐身、实时探测追踪等需求，提出了一种集承载、透波、隐身及射频功能于一体的设计框架，简称为LWSR（Load-Bearing, Wave-transparent, Stealth, and Radio-frequency）体系，具体包含以下功能：（1）承载功能：在满足静态/动态力学承载性能的基础上，融入耐高温气流冲刷、重复使用次数等极端环境适应性指标，确保飞行器在跨大气层往返飞行的全生命周期内保持结构完整性。（2）透波功能：与天线罩、天线窗等关键透波结构形成深度关联，不仅需保护内部天线等设备免受外界极端耦合环境（如高温、高压、振动、噪声）的影响，更要作为高性能电磁透明窗口保障射频信号的高效传输。（3）隐身功能：需在宽频段内实现雷达、红外、可见光等多物理场信号的协同抑制，通过结构-材料-电磁特性的多尺度协同设计，破解高超声速飞行带来的隐身性能衰减难题，显著降低被敌方探测系统截获、识别和定位的概率。（4）射频功能：与透波功能形成深度耦合，通过集成相控阵天线、智能蒙皮等新型射频载体，实现空天飞行器与地面指控中心、卫星星座及其他平台的实时信息交互，同时具备电磁侦察、电子对抗等主动射频对抗能力。

图1 典型空天飞行器及电磁功能结构四面体框架

左图来源：WEILAND C. The aerodynamics of real space vehicles in the light of supersonic and hypersonic approximate theories[J]. CEAS Space Journal, 2020, 12(1): 85-96.

图2 电磁功能结构承载-透波-隐身-射频（LWSR）多功能一体示意图

尽管电磁功能结构领域已有较多研究，但这些研究多聚焦于LWSR设计体系的单一节点、棱边或平面，对整个LWSR四面体体系的综合研究仍显不足，存在极端环境适应性、多功能融合、多物理场耦合、智能响应及控制等一系列关键难题，制约了电磁功能结构在空天飞行器中的进一步应用。因此，有必要针对空天飞行器电磁功能结构开展承载/透波/隐身/射频一体化分析及设计研究。

2.1 天线罩结构

空天飞行器具有速域宽、空域高的显著特点，其天线罩结构面临极端复杂的气动力/气动热耦合环境，不仅需承担保护内部天线阵列免受外部极端力/热环境干扰的任务，还需作为高性能电磁透明窗口保障射频信号传输，更需集成隐身能力以降低被探测概率。天线罩设计应用主要涉及3个核心方面：透波材料选型、透波结构优化及隐身频率选择表面（FSS）设计。针对空天飞行器天线罩的极端环境适应性需求，国内外已发展出系列Si-B-N-O系列透波材料体系，实现了天线罩结构在1200℃高温环境下的长时稳定工作，部分材料甚至可耐受1400℃高温的持续考验，为高温透波技术奠定了重要材料基础。但现有研究过度依赖材料本身的性能提升，却忽视了天线罩结构设计对材料电磁参数变化的补偿作用，导致透波材料的性能潜力未被充分挖掘，造成技术资源浪费，需从“载荷-材料-结构”匹配的系统角度出发，以耐高温设计方法为核心，将透波材料的实际使用温度由电磁参数稳定温度提升至材料自身耐热极限，从而在现有材料体系下拓宽高温适用范围。尤为关键的是，耐高温隐身天线罩的研究仍显滞后，亟需在耐高温阻性材料、功能性金属材料及FSS结构的承载-隐身-透波多功能融合设计方法上取得突破性进展。

2.2 隐身蒙皮结构

随着现代雷达探测技术向宽频段、高分辨率方向快速发展，飞行器的隐身能力已成为决定其生存与对抗效能的核心指标。空天飞行器所面临的极端服役条件，对隐身蒙皮结构提出了远超传统航空器的严苛要求。这类结构不仅需满足“薄、轻、宽、强”的基础吸波特性标准，也需具备卓越的耐高温稳定性与结构承载能力，才能确保在全飞行剖面内持续发挥隐身功能。国内外已围绕高温吸波材料开展系列探索，如陶瓷基吸波复合材料、耐高温纳米吸波涂层等，在1000℃以下环境实现了吸波性能与力学性能的初步平衡。同时，结构功能一体化设计理念逐步渗透，通过蜂窝夹层、格栅骨架等构型创新，部分方案已能在中温段（600~1 000℃）兼顾宽频吸波与基础承载需求。但现有研究仍存在显著局限：（1）传统设计中电磁性能与承载性能的研发体系相互割裂，材料配方优化与结构力学设计缺乏协同，导致“高温下吸波性能骤降”或“强承载时吸波带宽收窄”的矛盾难以调和；（2）在1200℃以上高温环境中，吸波剂的电磁参数稳定性、基体材料的界面结合强度等关键指标仍未突破瓶颈；（3）多模式复合隐身技术滞后，雷达/红外/可见光等多物理场信号的协同抑制机制研究不足，宽角域的吸波性能衰减问题尚未有效解决。因此，如何通过跨尺度结构设计与多物理场耦合分析，实现高温承载与宽频多模隐身的深度融合，成为当前研究的核心突破方向。

2.3 综合共形天线结构

相较于传统分离式天线-天线罩系统，综合共形天线结构通过与飞行器蒙皮、翼面等气动外形的一体化设计，在降低飞行阻力、减少雷达散射截面及优化内部空间利用率方面展现出不可替代的优势。共形天线结构已形成3类典型形态：基础共形天线、共形承载天线及耐高温共形天线。其中，共形天线与共形承载天线通过结构-电磁特性的协同设计，实现了与载体外形的精准贴合，在满足气动承载要求的同时保持了优异的射频性能，已在亚轨道飞行器、可重复使用运载器等平台得到初步应用。针对高温环境，耐高温共形天线通过采用陶瓷基复合材料、耐高温金属基天线单元等技术，已实现中温段（600~800℃）的短时稳定工作，为超高温环境应用奠定了基础。当前研究仍面临两大核心挑战：（1）空天飞行器面临的长时超高温（1000℃以上）、强气流冲刷环境，使共形天线的材料体系与结构设计遭遇瓶颈：现有耐高温共形天线多依赖单一材料的耐热特性，缺乏“隔热、耐热-冷却”一体化设计，难以满足数小时级超高温环境下的电性能稳定性要求；（2）多功能集成深度不足，现有系统虽能兼顾耐高温承载与射频功能，但在多模式隐身（雷达/红外）、选择性透波等功能融合方面仍显滞后，制约了全频谱、全向隐身效能的进一步提升。

空天飞行器电磁功能结构尚处于初步发展阶段，其性能分析、结构设计及制备技术并不完全成熟，针对电磁功能结构的多物理场耦合、极端环境适应性、多学科/多功能匹配设计、智能响应及控制等4类典型问题，尚需开展进一步研究。

（1）电磁功能结构的力-热-电磁-电路多物理场耦合分析

高超声速飞行使空天飞行器面临着严酷的气动热/力/噪声/电磁使役环境，其电磁功能结构的应用存在结构耦合性能分析方法不足、一体化设计难、试验验证手段缺等问题，尤其是在具有复杂微元（如点阵、频率选择表面等超材料）的电磁功能结构多物理场耦合分析、力-热-电耦合试验平台及相关试验标准方面，已经成为制约空天飞行器电磁功能结构高水平设计的重要因素。

（2）电磁功能结构对极端力/热/振/噪耦合环境的适应能力

随着飞行速度的不断提升，处于飞行器尖锐前缘的电磁功能结构需承受的热载荷越来越高，电磁功能结构必须能承受更高的使用温度，除发展具有更高耐温性能和更高介电常数稳定性的高温电磁材料外，还应发展“载荷-材料-结构”匹配的设计方法，确保电磁功能结构在时变高温环境下具备稳定、优异电磁性能，以进一步提升电磁功能材料的使用温度；同时，空天飞行器具有空天往返、重复使用的特性，对电磁功能材料、结构的耐久性和重复使用性能提出了全新的要求。

（3）受限空间内承载/隐身/透波/射频结构的多学科优化设计

面向未来空天飞行器高超声速飞行、高精度远探测、超宽带强隐身、实时态势感知等需求，其电磁功能结构不仅要具有耐高温、可承载的结构特性，更需具备优异的射频、隐身、透波等电磁功能，即需要实现承载/隐身/透波/射频的多功能融合；高超声速气动外形-隐身外形的一体化对空天飞行器的形状有极高的要求，其电磁功能结构的安装位置、剖面高度要求十分严苛。因此，开展受限空间内承载/隐身/透波/射频的多学科优化设计对发挥空天飞行器的极限性能具有重要意义。

（4）综合共形天线结构的智能响应及控制

在当前电磁功能结构的发展过程中，逐渐涌现出波束自适应调控、可重构响应、实时健康监测、智能控制等理念。近年来，数字孪生、机器学习、智能算法等技术因其可极大简便物理世界与模拟世界的实时交互而备受瞩目。对于空天飞行器综合共形天线结构，通过融合多源信息感知，实现对飞行器自身状态和对抗环境的实时监测，结合阵列波束调控、可重构响应超表面以及数字孪生、机器学习等算法，实现耐高温可重构响应和耐高温智能感知与控制的综合，将有助于实现空天飞行器综合共形天线的智能响应与控制。

空天飞行器正朝着高空域、宽速域、空天往返、可重复使用的方向发展，电磁功能结构具备高度的结构-功能一体化特征，以承担极端的力/热/振/噪/电磁耦合载荷，实现多样、智能的探测/隐身/射频等电磁功能。目前，空天飞行器电磁功能结构尚未形成完整体系，电磁功能结构能够满足一定的多功能融合需求，但在材料/结构的更高使用温度、更强重复使用性能、更优电磁功能等方面需进一步研究，在复杂结构耦合分析、多功能融合设计、智能响应与控制、高精度制造与天地一致性试验等方面还有诸多难点。因此，开展空天飞行器电磁功能结构的承载-隐身-透波-射频（LWSR）一体化设计研究是空天飞行器进一步发展必须突破的瓶颈技术。

团队及作者介绍

东南大学费庆国教授团队聚焦空天科技前沿领域和国家重大需求，主要从事新型飞行器研究。团队与航空/航天总体单位形成了战略合作关系，长期承担重大专项与重大工程科研任务，研究成果在我国多型装备研制中获得应用。

杨利鑫（第一作者），东南大学机械工程学院航空航天系博士生，主要从事电磁功能结构的多功能融合设计方向的研究，已发表学术论文7篇。

李彦斌，江苏省振动工程学会秘书长，东南大学机械工程学院航空航天系副教授、院长助理，获江苏省优秀青年基金资助、江苏省振动工程学会青年科技奖，入选“仲英青年学者”计划、东南大学“至善青年学者”计划，主要从事飞行器电磁功能结构设计方面的研究。主持国家级、省部级科研项目30余项，发表学术论文70余篇，授权国家发明专利15项，登记软件著作权10项，获省部级科技奖励3项。

费庆国（通信作者），江苏省振动工程学会理事长，国家杰出青年科学基金获得者、二级教授、东南大学首席教授、江苏特聘教授，现任东南大学机械工程学院院长，兼任高速飞行器结构与热防护教育部重点实验室主任、江苏省空天机械装备工程研究中心主任，主要从事飞行器设计方面的研究。在《航空学报》、IEEE期刊、AIAA期刊等发表论文100余篇，牵头获得江苏省科学技术一等奖等科技奖励5项。