华泰 | 航天军工:为什么隐身材料是真正的“新”材料
在华泰军工组2023年度策略报告《掘金2023:守正、积势、待时》(2022.11.21发布),我们创新性地提出“一主两率”投资逻辑(绑定主战装备型号+国产化率提升+渗透率提升),其中隐身材料正处于在主战装备型号中渗透率快速爬升阶段,或成为军工各细分赛道成长分化加剧背景下异军突起的高景气新兴赛道。参照欧美发达国家如美国新一代战斗机正向高隐身性能方向发展,我国新型军用隐身材料或同样处于蓬勃发展期。
核心观点
新需求:隐身空战模式的刚需品,装备渗透率提升空间广阔
21世纪初,以F-22为代表的隐身战斗机出现,标志着空战进入了隐身时代。
隐身能力是F-22克敌制胜的重要原因之一,F-22在与常规战机作战时,依靠隐身性能可自由选择进入、攻击和脱离作战的时间与方式,而对手基本没有合适的应对战术和有效反击机会。根据2016.6.28美国《航空周刊》,考虑到外形设计牺牲了其它性能并且适用范围有限,开发隐身材料逐步成为隐身技术的发展趋势。对于飞行器而言,发动机后腔体及其内部件和边缘等产生的雷达散射信号、后腔体及其热端部件和尾喷流等产生的红外辐射信号均为需要隐身屏蔽的特征信号,因此通常会采用外形设计叠加多重隐身涂层。
新市场:现代国防装备刚需,市场前景广阔
前装市场端,以四代机为代表的先进航空装备对于隐身性能等有较高要求,对特种功能材料如隐身材料、热防护材料等的需求有望随军机放量快速增长;后装市场端,隐身涂层在装备的使用和贮存过程中会出现脱落、开裂、起层,为了保持武器装备的性能,各国军方需要在全生命周期内频繁地对武器装备的各类设备进行持续性的维护和更新。Lockheed Martin公司官网披露F-22“猛禽”隐身战斗机50%的维护成本均来自于隐身涂料,广阔的维修后市场铸造隐身材料长期成长逻辑。
新逻辑:横空出世到兼容并蓄,符合“一主两率”的优选赛道
复盘美国F-117、F-22、F-35隐身性能的发展历程,我们强调隐身材料板块的四大投资逻辑,即:1)短期:以新型航空装备为代表的各型装备有望加速列装,对特种功能隐身材料的需求有望随军机放量快速增长;2)中期:隐身性能的提升空间较大,隐身材料的渗透率与军机数量共振;3)长期:隐身需求向结构件渗透,结构隐身材料牵引新增长极;4)后市场:订单数量庞大形成规模效应,隐身材料耗材属性驱动行业持续高景气度。
新格局:多重壁垒加持,强者恒强或为长期趋势
隐身材料行业表现出了较高的军品资质壁垒、先入壁垒以及研发壁垒。美国军用隐身材料多由主机厂自研或与实验室联合研制,主机厂最早研发隐身材料,已确立了先发优势;而中国隐身材料起步较晚,隐身材料企业结合实验室成果率先研制批量化生产的隐身材料形成市场及认证壁垒,其他企业如主机厂难以进入高技术壁垒的隐身材料行业。
风险提示:下游客户集中风险,原材料价格波动风险。
正文
“新”图谱:为什么隐身材料是真正的“新”材料?
需求“新”:当今空战已进入隐身空战模式,先发制人为取胜关键。目前隐身武器装备已进入成熟阶段,新一代隐身战斗机、新一代隐身巡航导弹、隐身无人机等相继推出。
逻辑“新”:1)短期:各型新兴装备加速批产,特种功能隐身材料随下游列装而放量;2)中期:隐身性能的提升空间较大,隐身材料的渗透率与军机数量共振;3)长期:隐身需求向结构件渗透,结构隐身材料牵引新增长极;4)后市场:订单数量庞大形成规模效应,隐身材料耗材属性驱动行业持续高景气度。
分产品角度,目前红外隐身、雷达吸波材料均以下游军机为需求基本盘,隐身无人机,隐身导弹等横向应用场景拓宽空间大;纵向来看,目前隐身材料以涂层材料为主,而隐身结构件的应用部位与涂层材料差别较大,因此随着隐身结构件的逐步转批产,单个装备的隐身材料价值量挖潜空间大。
本篇报告的“新”拆分:隐身涂层的本质即为航空涂料的一种,其涂层结构也应以“底层”+“面层”为主,其中面层即为功能层,起到红外隐身或雷达吸波的作用,而底层的作用为强化面层与基层材料(发动机、军机表面)的结合强度。以该模型为基础,本文详细拆解了各类隐身材料的技术路线。
基本面加速兑现进行时,相关企业重大合同陆续落地。我们根据公司招股说明书、重大合同签订公告梳理了各企业的隐身材料合同签订情况,各家公司都在2021年起集中迎来了订单落地,或侧面表明了隐身材料行业基本面正在加速兑现。
“新”需求:隐身空战模式的刚需品,装备渗透率空间广阔
需求基础:空战模式进入全新阶段,隐身军机成为制胜关键
当今空战已进入隐身空战模式,先发制人为取胜关键。根据《空战模式演变与隐身空战形态发展分析》(陈辛等,【航空兵器】,2022年6月),OODA决策循环能较为清晰地描述整个空中作战战术全过程:“观察(O)-定位(O)-决策(D)-行动(A)”。敌我的这一决策循环过程的速度显然有快慢之分,己方的目标应该是率先完成一个OODA循环,同时通过迅速采取行动以干扰、延长、打断敌人的OODA循环。1980s~21世纪初,预警机的出现使“O”(“观察”)更远、更广,对整个空战战区进行监视,解决了地面雷达对低空/超低空飞行目标的探测问题。21世纪初,以F-22为代表的隐身战斗机出现,标志着空战进入了隐身时代。隐身战斗机的出现打破了以预警机为核心的空战体系平衡。隐身空战中,以平台速度和灵活性为王的日子正在逐步消失,未来赢得优势的关键是要比对手更快地获得优质信息,并且能够以比对手更快的速度运用这些信息。
隐身战斗机为突防先进防空系统的关键。根据《战斗机的隐身与电子战的博弈》(裴云等,【航天电子对抗】,2020年1月),隐身五代机F‑22、F‑35对常规四代机的模拟空战结果基本呈现一边倒的情形,隐身能力是F-22克敌制胜的重要原因之一,F-22在与常规战机作战时,依靠隐身性能可自由选择进入、攻击和脱离作战的时间与方式,而对手基本没有合适的应对战术和有效反击机会。F‑22主要采用超视距空战拦截对手,以充分发挥隐身、超声速巡航和信息优势,实现“先视”及“先射”。
当今世界上主要的4+代、4++代、5代及未来的6代战斗机主要升级方向均在提升其隐身性能。为了在未来战争中获得主动权,各国都把高性能战斗机的发展放在重要位置上。为在未来空战中取得绝对优势,保证在超视距作战中做到“先敌发现、先敌发射、先敌击落”。根据《战斗机的发展对隐身与气动技术的需求》(李天,【流体力学实验与测量】,2002年3月),从美国四代隐身战机F-22与现有机种作战模拟对比的结果看出,F-22对所有战斗机都具有较大优势。
信息机动空战时代追求“先敌发现、先敌发射、先敌命中”的制胜原则,并在体系作战的支持下空战效能实现了倍增。隐身技术的出现立刻打破了攻防双方在信息领域的博弈平衡,为空优而生的F-22在信息域和物理域对三代机实现了全面升级,攻防两方面相综合,F-22对三代机形成了牢不可破的不可逃距离优势。
以美国为首的各军事强国都在积极进行研究并取得了突破性进展,隐身武器装备的发展历程大概分为三个发展阶段:1)起步阶段:在第二次世界大战中,通过降低武器的目标特征信号进行隐蔽进攻的概念已经逐渐形成,并在飞机、潜艇等武器中开始应用;2)发展阶段:美国组织和领导了一系列的隐身技术预研计划和演示验证计划,并研制出F-117A隐身战斗机和B-2隐形战略轰炸机,同期的隐身技术成果被迅速应用到各种巡航导弹的设计中;3)成熟阶段:新一代隐身战斗机、新一代隐身巡航导弹、隐身潜艇、隐身坦克、隐身直升机和隐身无人机等相继推出。
实现途径:外形设计为主,隐身材料为“木桶”上最短一处
精确制导与隐身技术为现代化战场的“矛”与“盾”。导弹制导技术种类繁多,精确制导技术细分类别包括微波雷达制导、卫星制导、红外制导、激光雷达制导、电视制导等,此外复合制导是以两种或两种以上不同探测系统复合而成。红外制导技术是未来制导系统的发展方向之一,具有分辨率高、灵敏度高、抗干扰能力强、制导精度高、结构简单、成本低的优点。并且红外制导属于被动制导,拥有不依赖目标的优势,因此红外制导是目前市场主流、拥有广阔发展前景的制导系统。雷达制导在现实中的应用更为广泛,具有制导精度高、全天候能力强、作用距离较远等特点。
隐身技术是在一定的探测环境中,通过缩减、控制目标的各种特征信号,降低其可探测性,使其难以被发现、跟踪、识别和攻击的综合性技术。飞机的隐身技术主要有两种途径,一是通过外形设计减弱其受威胁的主要方向上的电磁辐射强度,另一种是覆盖吸收雷达信号或降低红外发射信号的材料。根据美国《航空周刊》2016.6.28刊登文章,隐身外形设计对于减小雷达截面积(RCS)的贡献占90%,而隐身材料(RAM)只占10%。但考虑到外形设计牺牲了其它性能并且适用范围有限,开发隐身材料逐步成为隐身技术的发展趋势。隐身材料可在不改变外形、气动特征的前提下,大大减小目标信号特征。隐身材料按照针对的探测技术分类,可以分为雷达隐身、红外隐身、激光隐身及多频谱隐身等。
红外隐身方面,飞机主要的红外辐射源为工作时发动机(含被加热的尾喷管等)产生的热辐射、发动机排出的高温尾焰辐射、气动加热使蒙皮升温产生的辐射以及对环境辐射的反射等。根据《高温红外隐身涂层材料研究进展》(刘鹏等,【材料研究与应用】,2022年1月)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。
由于雷达是通过测量从目标反射的雷达回波来发现目标的,因此雷达隐身技术的研究核心是缩小雷达散射截面积(RCS)和尽可能减弱雷达回波信号的综合技术。为降低飞行器的RCS,可采用三种方法:①飞行器外形的隐身技术,即从飞行器外形设计上着手使RCS降低;②涂敷式吸波材料技术,即在飞行器对电磁波反射的主要部位上涂敷吸波材料,以降低RCS;③结构式吸波隐身技术,即在飞行器外形机体的合适部位上,在不影响机体气动性能及结构强度的前提下,利用阻抗加载等原理,增加分布的有源或无源加载阻抗,以增加额外的散射场,用于抵消或减小飞行器的散射,以达到降低RCS的目的。
详解隐身材料:红外隐身、雷达吸波、超材料隐身三足鼎立
隐身材料主要针对红外探测与雷达探测技术。根据《多频段隐身材料的研究现状与进展》(徐国跃等,【航空科学技术】,2022年1月),当前战场上的高技术探测器中,雷达探测占60%,红外探测占30%,因此隐身材料的主要研究集中于这两个领域。对于飞行器而言,发动机后腔体及其内部件和边缘等产生的雷达散射信号、后腔体及其热端部件和尾喷流等产生的红外辐射信号占整个飞机尾部方向特征信号的95%,因此通常会采用外形设计叠加多重隐身涂层。
隐身材料已广泛应用于多种武器装备和各军种。全球范围内,各军事强国对武器装备的隐身性能均较为重视,已应用于如飞机和航空发动机、导弹、舰船、武装直升机等,分布于空军、海军、陆军和导弹部队等各军兵种。
雷达吸波材料(RAM)是指能有效地吸收入射雷达波,而使被探测目标回波强度显著衰减的一类功能材料,是应对雷达探测的主要手段。RAM隐身通过材料的吸收性能,吸收衰减入射的雷达波,并将其电磁能转换成热能,而耗散掉,降低目标的回波强度,达到在所有方向上同时减小雷达散射截面的隐身效果。它的工作原理与材料的电磁特性有关。理想的吸波材料应具备:质量轻、频幅宽、密度低、厚度薄、成本低、黏附力强等特点。
红外隐身技术目前应用于隐形战机发动机的涡轮叶片、加力燃烧室内锥、尾喷管调节片等零部件工作温度高的部件。对于发动机静子叶片、隔热屏及喷管的外调节片和弹性片等零部件,则需要雷达波隐身技术。隐身涂层和薄膜的制备技术包括磁控溅射、涂料喷涂加固化等工艺,热喷涂吸波涂层是近年来出现的新技术,主要被用于高温陶瓷和铁氧体吸波涂层。
多频谱隐身材料或成为重点发展方向。当同一区域有不同的探测手段时,出现多波段监测时,具有某一特定的隐身功能就可能失效,就会造成目标暴露,因此需要将多种隐身技术相结合。目前国内外研究较多的多频谱隐身材料主要有:雷达与红外兼容隐身材料、红外与激光兼容隐身材料、红外与可见光兼容隐身材料,以及覆盖包括可见光、近红外、远红外和微波在内的多波段隐身材料。
目前实现雷达和红外兼容隐身的主要途径是将红外隐身材料和雷达吸波材料相互叠加复合。常用的手段是采用双层涂覆方法,即在雷达隐身涂层物体表面涂覆一层红外隐身涂层。在实际应用中,红外隐身涂层除了要具有较低的发射率,还要满足一定的机械性能以及耐腐蚀性等要求,因此红外涂层的厚度和金属颜料含量必须达到一定值。在双层涂覆的基础上,又发展了多涂层、混合涂层和改性涂层等雷达和红外兼容隐身的材料。多涂层是指利用材料性能的不同,先后涂覆不同的材料达到多种兼容的目的:混合涂层,是指通过混合或者掺杂形成单一涂层达到兼容隐身的目的;改性涂层是将吸波材料进行改性,使其在具备吸波性能的同时增加红外性能,随后制备成涂层达到兼容隐身的效果。
超材料为不同于红外隐身、雷达吸波材料的另一种隐身途径。超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。超材料不单是一种材料形态,也代表一种新的材料设计理念。在超材料出现之前,人们是根据自然界存在的材料,开发出想要的电磁特性,而超材料通过逆向设计,即根据人们的应用需求,通过对微观单元的结构设计来打破自然规律的限制,从而获得具有特异性能的材料。狭义上的超材料特指左手材料,又叫双负材料,即一种介电常数ε和磁导率μ均为负的人工周期介质材料。广义上的超材料指原本自然界中不存在,由人工设计、制造出来的,具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。
超材料作用范围可以横跨整个波谱频段。理论上,针对不同的波长,都可以设计出在此波谱范围起作用的超材料。结构特征单元的尺度及形貌由工作波段的波长决定。典型的超材料有对光起作用的光子晶体,其单元大小在纳米和微米量级;对电磁起作用的左手材料、超磁材料,其单元大小在微米到厘米量级;对声波起作用的声子晶体、金属水,其单元大小在厘米到米量级。
1967年,苏联科学家Victor Veselago提出,如果有一种材料同时具有负的介电常数ε和负的磁导率μ,电场矢量、磁场矢量以及波矢之间的关系将不再遵循作为经典电磁学基础的“右手定则”,而呈现出与之相反的“负折射率关系”。这种物质将颠覆光学世界,使光波看起来如同倒流一般,并且在许多方面表现出有违常理的行为,例如光的负折射、“逆行光波”、反常多普勒效应等。这种设想在当时一经提出,就被科学界认为是“天方夜谭”。直到1996年,John B. Pendry发现材料是由一些微观单元构成的,材料的电磁特性是由这些单元组合后表现出的宏观特性,因此改变单元的形态和组合方式,有望产生原本不可能出现的现象,这正是超材料思想的来源。基于此,Pendry用特定形状的金属结构周期性地规则排列,构造了一种ε和μ同时为负的结构单元。2000年,Pendry又提出基于负折射材料的完美透镜。受Pendry的启发,Smith用实验实现了负折射率材料,他随后又发表文章,详述了场平均法,为超材料的研究奠定了理论基础。
“新”拆解:认清隐身涂料的“涂料”本质
隐身涂层总览:本质仍为航空涂层,以“底层+面层”为基础
涂料可根据组成和功用分为清漆、磁漆、底漆和腻子。1)清漆:不含颜料的涂料称为清漆,主要成分为树脂和溶剂。航空涂料中的醇酸、丙烯酸和环氧等清漆主要用于飞机蒙皮的防护,并可改善空气动力性能;2)磁漆:清漆加入颜料后并经研磨即为磁漆。航空涂料中的丙烯酸漆、环氧、聚氨酯等磁漆与底漆构成涂层系统,对产品起着防护、伪装和标志的作用;3)底漆:涂在物体表面的第一层涂料,由清漆和颜料配制而成,因位于涂层系统的底层而得名。底漆能使物体表面和后续涂漆层紧密黏合,延长涂层使用寿命,是飞机涂层系统不可缺少的涂料;4)腻子:在清漆中加入大量的体质颜料配制而成的膏状材料,用于填平物体表面凹坑、缝隙和细孔等。
隐身涂层的本质即为航空涂料的一种,其结构机理万变不离其宗。虽然隐身涂层整体技术趋势不透明性较高,但我们认为隐身涂层的本质即为航空涂料的一种,其涂层结构也应以“底层”+“面层”为主,其中面层即为功能层,起到红外隐身或雷达吸波的作用,而底层的作用为强化面层与基层材料(发动机、军机表面)的结合强度。根据《苏-27飞机特种涂料的应用》(吴永明等,【现代盐化工】,2019年4月),苏27战斗机防护系统由表面氧化处理+底漆(ЭΠ-076底漆)+面漆(两层ЭΠ-140面漆)组成;飞机外蒙皮镁合金的防护系统,所采用的油漆与内蒙皮镁合金相同,只是先用硫酸阳极化处理镁合金件的表面,并经铬酸盐填充。
红外隐身涂层:类比热障涂层,粘结层+扩散阻挡层+功能层三位一体
隐身涂层材料产品是由粘结层和功能层组成的复合涂层,其中功能层的主要作用是实现材料的隐身功能,同时提高隐身涂层材料的长期耐温性能;粘结层则是用于增加隐身涂层材料与工件的结合强度,避免材料应用过程中的脱落。
在粘结层与扩散阻挡层方面,红外隐身涂层或与热障涂层结构有一定相似性。由于隐身材料行业发展较晚,相关文献中及公司公告中关于具备配方、涂层构成等内容较少,我们认为可以将红外隐身涂层与航空发动机热障涂层相类比,主要原因为:1)红外隐身涂层及热障涂层的基体类似(均涂覆于航空发动机热端部件),因此或导致涂层构成中,粘结层与扩散阻挡层的机理相类似,而热障涂层中的功能层起到隔热作用,红外隐身涂层中的功能层起到降低表面红外辐射特征的作用;2)已有公司在以隐身涂层为主营业务的同时,研发的高效热阻材料可显著提高涂层的综合隔热效果,有效降低零部件使用温度。从已有公司的业务拓展情况或可推断出隐身涂层与热障涂层有一定的技术协同性。
热障涂层一般是由陶瓷层(Top Coat,TC)、热生长氧化物层(Thermally Grown Oxide,TGO)、粘结层(Bond Coat,BC)及高温合金基体组成的多层结构体系。其中陶瓷层主要起隔热作用,结合现行的先进冷却技术,最常见的YSZ层可形成约500℃的温度降幅;粘结层主要起粘结过渡的作用,缓冲陶瓷层与基体之间较大的热膨胀系数差异。此外,在高温环境工作时,陶瓷层与粘结层之间还会形成一层连续致密的Al2O3保护膜(TGO层)对基体提供保护。
粘结层:金属粘结层主要解决了耐温隐身涂层材料的附着力和抗热震性能等应用性能较差的难题,在高温合金基体上,设置粘结层可以提高高温合金基体和红外隐身涂层的结合强度。根据《航空发动机涂层技术研究及进展》(孙勇汉等,【涂层技术】,2013年9月),以镍铬铝钇(NiCrAlY)涂层为代表,镍铬铝钇粘结层属于抗高温氧化涂层,可耐800-1100℃的高温,在高温下能形成致密的氧化物保护膜,阻挡O元素向内扩散以保护基体高温合金不被氧化,并避免环境介质的腐蚀。
扩散阻挡层:阻挡层是设置在金属基体与金属功能层之间,用于避免基体及粘结层的金属元素在高温状态下表层进行扩散,从而改变表层的红外发射特性,主要用低扩散活性的氧化物陶瓷靶材,进行磁控溅射涂覆,决定红外信号抑制的可靠性及寿命。扩散阻挡层材料必须满足以下要求:1)扩散系数低,在高温下能阻止Al、Ni、Mo、Re等元素在基体与粘结层界面附近的互扩散行为;2)界面结合性能好,与基体及粘结层之间都具有良好的匹配性,在使用过程中不易发生开裂、剥落;3)高温热稳定性优异,在高温环境中不发生相变。对于常见的扩散阻挡层,按照其材料属性主要分为两大类:金属类扩散阻挡层和陶瓷类扩散阻挡层。
根据《高温防护涂层扩散阻挡层的研究进展》(李伟洲等,【材料导报】,2009年),金属类扩散阻挡层虽与基体和粘结层之间具有良好的结合性能,但其阻扩散效果较差,无法有效抑制基体与粘结层界面附近多种元素的互扩散,不适合作为高性能涂层中的扩散阻挡层。陶瓷类扩散阻挡层的阻扩散性能优异,能够在高温长时间的服役过程中阻挡基体与粘结层界面附近的元素互扩散行为,是高性能涂层中扩散阻挡层的发展趋势。
功能层:根据《红外隐身涂料的研究与进展》(张凯等,【现代涂料与涂装】,2019年12月发表),红外隐身材料通过降低目标表面红外辐射特征,使得红外成像探测无法识别目标体。按照途径,可分为控制发射率和控制温度两类。通过控制发射率来实现目的的红外隐身材料,主要有涂料和薄膜两类。涂料通常由粉体填料和黏合剂配制而成。黏合剂的红外波段高透明或低吸收性能以及良好的物理性能,是红外隐身涂层的一大技术难点。黏合剂使涂料牢固地贴合在基体表面,起到保护填料的作用,而粉体填料在提高涂层红外隐身方面起到主要作用。
制备工艺:隐身涂层材料的主要工艺包括物理涂覆、化学镀、物理气相沉积、热喷涂和溶胶-凝胶技术等。常温领域下物理涂覆法一般即可满足要求,而在高温领域下往往需要采用物理气相沉积法和热喷涂法,制备方法一般不存在明显壁垒,主要是成本和适用性的考量,同时不同的制备方法往往对原材料也有不同的要求,如物理涂覆法和热喷涂法适用于粉体,物理气相沉积法适用于靶材。
热障涂层的制备主要是陶瓷层和粘结层的制备,在诸多的TBCs涂层制备技术中,等离子喷涂和电子束物理气相沉积(EB-PVD)两种制备技术的应用最为广泛。根据《Thermal cycling behavior of EB-PVD TBCs on CVD platinum modified aluminide coatings》(Xu Z等,【Journal of Alloys & Compounds】,2015年)、《热喷涂及电子束物理气相沉积技术在热障涂层制备中的应用》(张红松等,【材料导报】,2009年),EB-PVD技术制备的热障涂层具有以下优势:1)能提高涂层的热循环寿命;2)提高热障涂层的抗高温氧化和抗热腐蚀性能;3)结合力显著高于等离子喷涂技术制备的涂层;4)可提高叶片的空气动力学性能;5)更有益于涂层结构组织的控制;6)有利于涂层结构的设计。
同时,参考华秦科技招股说明书中对于隐身涂层材料工艺流程的介绍,公司需要在收到客户零件,进行预处理(去除客户零件表面附着的氧化层、油污、灰尘等污染物)后进行隐身材料制备、涂覆。根据涂层成分的不同,采用等离子喷涂、磁控溅射等涂覆方式。我们推测该工艺流程偏来料加工模式,或为公司收到客户的航发零部件后,对其表面进行物理气相沉积法进行镀膜。
雷达吸波涂层:吸收剂+粘结剂为核,构建低中高温全系图谱
雷达吸波涂层结构或与红外隐身涂层类似,由底层+面层构成,底层为粘结层,主要作用为加强面层与军机机体的结合强度,而面层为核心吸波材料,由胶粘剂和吸收剂以及各种助剂组成。胶粘剂是涂料成膜物质,可使涂层牢固粘附于被涂物表面形成连续膜,其中吸收剂是主体,是吸波涂料的关键,决定吸波涂料好坏,各类助剂起辅助作用。
微波吸收剂按其作用原理分为电损耗型和磁损耗型吸收剂。根据《吸波涂料在雷达隐身领域的应用》(胡嘉龙等,【电镀与精饰】,2023年2月),电损耗型吸收剂主要通过与电场的相互作用来吸收电磁波,吸收效率取决于材料的介电常数,主要包括以炭黑、碳化硅及特种碳纤维等为代表的电阻型吸收剂和以钛酸钡铁电陶瓷等为代表的电介质型吸收剂,后者的介质损耗随频率变化极其敏感,吸收频带较窄,应用不多。磁损耗型吸收剂对电磁波的衰减主要来自于磁损耗,如铁氧体和羰基金属微粉,目前均已获得了广泛的应用。
军机蒙皮表面可分为低温、中温、高温段,工作温度的差异造成了吸波材料中的胶粘剂有所差别。根据《飞行器红外辐射特征及发动机舱蒙皮降温规律研究》(王杏涛,【南京航空航天大学】,2015年4月),军机机头、驾驶舱等迎风位置为中温段,热量主要集中在飞行器进气道入口附近也是气动加热的区域。军机中部为低温段,该段基本没有气动加热的区域,温度较高的区域主要是由于发动机舱位置的传热。军机后体的发动机舱蒙皮为高温段,温度的变化受到两个方面的影响:在外场,有高速来流流过发动机舱蒙皮表面,一方面对蒙皮进行气动加热,令一方面也与蒙皮之间形成对流换热;在内部,高温的发动机壁面向发动机舱蒙皮进行对流和辐射传热。
粘结剂(胶粘剂)是涂层的基体材料,其作用是使得涂层与基材达到良好的结合力,其中树脂基粘结剂适用于低温环境,陶瓷基粘结剂适用于中高温环境。树脂基粘结剂经常用于常温或低于200℃的应用环境,由于树脂耐受温度的限制,在高温应用环境下通常选用陶瓷材料作为隐身涂层的粘结剂。
雷达吸波涂层与红外隐身涂层的制备工艺有所区别。
结构隐身材料:隐身涂层的进阶,兼具隐身与承力功能
按材料的成型工艺和承载能力,雷达吸波材料可以分为涂覆型和结构型两大类。现阶段隐身兵器几乎都使用了涂覆型吸波材料。涂覆型吸波材料是具有电磁波吸收功能的涂料,一般将吸收剂(微粉或纤维)与有机溶液、乳液或液态高聚物(粘结剂)混合制成功能复合涂料,刷涂或喷涂到雷达目标的表面。其工艺简单,使用方便,因容易调节而受到重视。结构型吸波材料一般将吸收剂分散在各种纤维增强的结构复合材料(如碳纤维复合材料)中,具有承载和吸波的双重作用。
结构型吸波材料的综合性能更为优异,既能承载作结构件,具备复合材料质轻高强的优点,又能吸收或透过电磁波。同时性能可设计性更强,可以分为多层板吸波材料、夹芯结构吸波材料以及电路模拟吸波材料。
吸波结构是同时满足雷达波吸收、维形和结构承载等功能的新型复合材料结构,它克服了传统吸波涂料维护性差的缺点,是现代飞行器实现隐身的重要技术手段。与传统的吸波涂料相比,具有吸波效率高、吸波频率范围宽、比刚度高、密度低的优点。
蜂窝夹芯结构具有良好的以其良好的力学性能和优异的结构特性被广泛应用于各种雷达隐身结构中。在对蜂窝夹芯结构进行结构隐身设计时可以充分考虑蜂窝的结构特性,一方面可以通过在蜂窝芯子上面浸渍吸波颗,使电磁波在通过透波层入射后不断地被蜂窝壁上的吸波颗粒耗散掉,达到隐身的目的。另一方面,鉴于蜂窝结构的中空特性,可以将吸波颗粒分散到PVC泡沫等轻质基体中,再将其填充到蜂窝夹芯结构中。
隐身结构材料为隐身涂层材料的技术延申,技术壁垒更高,研发周期更长。
隐身功能结构材料的应用部位有别于隐身涂料,因此结构材料的发展或能开拓全新应用场景,提供0到1的增量。
根据结构隐身材料的类型不同,可以分为树脂基结构隐身材料和陶瓷基结构隐身材料,其中树脂基结构雷达隐身材料的研究比较成熟,应用较为广泛。树脂基结构雷达隐身材料制备的技术路线主要包括热压法、热压罐成型技术、真空辅助RTM成型技术和拉挤成型技术。
超材料:开辟全新路径,实现“完美”隐身
超材料不受限于自然材料参数和功能的限制。我们认为,按照隐身材料是否参与结构承力,隐身材料可分为涂覆型材料和结构型材料。例如,涂覆型吸波材料是在目标表面涂覆的可以吸收雷达波的涂层,一般由粘结剂与金属合金粉末、铁氧体、导电纤维等吸收剂混合而成。而结构型吸波材料是在先进复合材料的基础上,将吸收剂分散在特种纤维增强的结构材料中而形成的复合材料,是适于吸收雷达波,同时具有良好承载力学性能的多层梯度功能材料。相比传统隐身材料,超材料是依据新颖的材料设计思路,突破多种材料的物理结构表现出来的自然规律的限制,获得自然界材料所不具备的超常的物理。超材料通过原子的有序排列和有序调节,使得晶体材料显示出一些无定型态所不具备的物理特征,这类似于自然界中存在的晶体结构物质。超材料也可以理解为人为通过各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制,从而获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的物理性质的材料。
超材料的特殊性质主要因其特殊结构所致。超材料由人工结构的微结构组成,以等效介电常数、等效磁导率描述其整体电磁特征。通过设计不同的微结构,可使超材料的相对等效介电常数、相对等效磁导率为小于1的正实数、负实数或复数,从而使电磁波传播方式从根本上发生变化。目前根据超材料的特殊性质而研发的许多新材料之中,最常被广泛讨论是负折射超材料。负折射超材料是一种人造的光学结构,它的折射率对于一定频率范围内的电磁波是负值,且目前没有任何天然材料拥有这一属性。这种负折射的性质,会致使电磁波朝着与能量完全相反的方向传播,若直观来看,会如同下图中水里的吸管,朝反方向偏折过去。
电磁超材料可以通过调节单元结构尺寸改变其电磁参数,近年来在隐身技术领域备受关注。电磁波隐身超材料通过吸收电磁波并将其转化成其他形式的能量耗散掉,可实现目标对电磁波的吸波隐身;通过控制电磁波绕过目标物体而不产生散射,可实现目标对电磁波的透波隐身。电磁超材料技术的发展分为了3个阶段,即第1阶段为等效媒质超材料,第2阶段为人工表面等离激元超材料(Surface Plasmon Polariton, SPP),第3阶段为信息超材料。3个发展阶段,从传统到智能可调,各阶段超材料在隐身技术领域都有着非常广阔的应用前景。
超材料隐身技术可以应用于雷达罩隐身设计,实现雷达罩带内透过、带外吸收等功能。由于超材料具有的特殊电磁性能,其在雷达、隐身、电子对抗等诸多装备技术领域拥有巨大的应用潜力和发展空间。超材料电磁场控制理论的提出为探索新型的隐身机理提供了新的思路。超材料电磁场控制理论是基于坐标变换理论来控制电磁场的传播,通过优化设计超材料的结构单元,在一定的范围内实现超材料等效媒质参数的人工自由调控,极大地提高对电磁波的操控能力,引导入射电磁波绕过隐身目标实现电磁隐身。超材料隐身技术可以应用于雷达罩隐身设计,实现雷达罩带内透过、带外吸收等功能。
一种基于“超材料罩体+理想匹配层”结构的超材料隐身天线罩,通过采用两种不同形式的坐标变化,设计出具有两种不同工作模式的双频段超材料罩体结构,使其分别对雷达天线系统工作频带内外的电磁波表现出两种不同的控制机理。在雷达工作频带之外,超材料罩体呈现出隐身模式,引导入射电磁波沿罩体绕射过雷达天线系统至理想匹配层处并被无反射的完全吸收,实现雷达天线系统的隐身; 而在雷达工作频带内,超材料罩体呈现出透明模式,入射电磁波可以穿过雷达罩进入雷达天线系统,而雷达发射的电磁波也可以穿过雷达罩向外辐射不受影响,从而保证雷达天线系统的正常工作。
超材料可以应用于传统的吸波隐身技术中。其吸波机理是:在谐振和反谐振区域,标志材料损耗特性的复介电常数和复磁导率的虚部也达到了峰值,这意味着超材料也会对电磁波表现出强烈的吸收特性,因而基于超材料可以设计出具有强吸波效应的吸收剂。超材料既可以单独作为吸波材料使用,也可以与传统吸波材料复合,从而制备出满足微波隐身“薄、轻、宽、强”要求的新型复合吸波材料。作为结构型的超材料,在作为隐身材料使用时,由于其工作频率、介电常数和磁导率等电磁参数的易调节性,容易实现超材料的吸波层与自由空间的阻抗匹配,从而大幅度减少反射波强度。
超材料吸波隐身要求阻抗匹配,衰减匹配。阻抗匹配要求电磁波能够尽量多的传导入介质内,而不被表面反射,衰减匹配指进入介质内部的电磁波能量被迅速地转换为其他能量(如热能等)而耗散掉。《Perfect metamaterial absorber》(N. I. Landy等,【Physical Review Letters】,2008年)中首次提出“完美吸波体”的概念。“完美吸波体”通过优化结构模型,调控单元电谐振和磁谐振,实现与自由空间的阻抗匹配,降低入射电磁波的反射率,并利用结构单元的介质损耗和欧姆损耗实现对电磁波的强烈吸收。这种超材料吸波体具有吸收率高、单元尺寸小等优点。
超材料吸波隐身的另一个体现是关于电磁黑洞,即通过效仿物质在“黑洞”引力场的影响下在空间中的弯曲运动轨迹,实现电磁波能量的全向宽频吸收。2010年,东南大学团队通过类比光学黑洞的理论,采用具有渐变折射率的非谐振型超材料外壳和具有大损耗介质内核的结构,首次制造了微波频段的全方位电磁黑洞,该结构可以实现各方向入射的电磁波螺旋式地向内弯折,最终被内核的损耗介质吸收,在微波频段的吸波率达到了99%。
超材料透波隐身是基于完美隐身的概念,其不同于吸波隐身,而是使电磁波绕射物体从而实现隐身。2006年,Pendry与Leonhadrt均提出了基于超材料的隐身套,通过变换光学的方法设计隐身罩材料的电磁参数分布,以此来控制电磁波的传播路径,使电磁波绕过物体,在物体后方还是保持原入射方向,看起来好像物体对于电磁波的传播不产生干扰,从而实现完美隐身。同年,Schurig等用金属谐振型超材料制备了微波频段的隐身罩,完成了完美隐身的实验验证。他们将一个铜柱放置在隐身罩中,实验证明该隐身罩能够在引导电磁波绕射的同时有效地减少铜柱的散射场。
与传统意义上针对探测雷达的折射式、吸波式和反射式隐身技术不同,超材料隐身套是一种基于透射的新概念隐身技术,具有传统隐身所无法比拟的优点:首先,透波效率的提高减小了反射,从而降低了雷达散射截面(RCS)。其次,由于是透波,能量在套内的转换率小,从而减少了吸波所造成的二次辐射(比如红外辐射)。再次,由于透射波保持原有方向和波形,基于检测前向波传输的多基雷达技术无法探测到隐身目标,具有反多基雷达侦察的能力。
“新”市场:现代国防装备刚需,市场前景广阔
顶层政策强调国防建设,国际局势趋紧背景下装备需求旺盛
国防预算增速连续突破7%,强军形势紧迫。在今年政府预算草案报告中显示,2023年我国国防费预算约为15537亿元人民币,同比增长7.2%, 增速较上年提升0.1pct,连续两年增速突破7%。当前国际环境恶化,区域冲突和大国对抗不断升级,国防投入提速具有合理性和紧迫性,我国国防实力与经济水平尚不匹配,军工处于补偿式发展阶段。
我国国防支出占GDP比重仍较低,军费占比仍有提升空间。根据Statista数据,对比其他军事强国,俄罗斯、日本、美国、印度2023年国防预算分别同比+43%/26%/14%/13%;另外据今日俄罗斯新闻,美国2024财年国防预算占GDP比重可能突破4%,我国国防费用增速及占GDP比例仍有提升空间。
美国历年国防支出随战争爆发而加速增长,短期或将重启加速轨道,我国国防建设存在紧迫性和必要性。1990-1991年海湾战争爆发,美国1991年军费规模达3197.04亿美元(同比+6.52%);1999年科索沃战争爆发,美国2000年军费规模达2949.65亿美元(同比+7.08%)。随着2001年阿富汗战争的爆发及2003年伊拉克战争的爆发,美国军费开支持续保持大幅增长,军费规模由2002年的3489.52亿美元增至2011年的6993.92亿美元,2003-2011年军费规模CAGR达8.03%,远超同期GDP增速。
对比“北约”相关方,我国国防支出仍有较大提升空间,目前国防支出与经济地位仍不相称。“十四五”规划中明确指出“促进国防实力和经济实力同步提升”,我们认为整个“十四五”时期甚至到2027年“实现建军百年奋斗目标”的节点上,我国国防支出增速或将长期高于GDP增速,国防支出占GDP比重有望进一步提升。
国防现代化建设加速,装备开支占军费支出比重稳中有升,军事装备需求持续扩大。党的“十九大”首次提出了“全面建成世界一流军队”目标,确保到2020年基本实现机械化、信息化建设取得重大进展,力争到2035年基本实现国防和军队现代化,到本世纪中叶全面建成世界一流军队。随着我国国防现代步伐不断加快,以导弹为代表的重要军事装备将迎来广阔的发展空间。
前装市场:“隐身时代”来临,先进装备列装利好隐身材料放量
我国军机在数量上与美国存在较大差距,总量提升需求显著。军用飞机是直接参加战斗、保障战斗行动和军事训练的飞机的总称,是航空兵的主要技术装备。据《World Air Forces 2022》统计,美国现役军机总数为13246架,在全球现役军机中占比为25%,而我国现役军机总数为3285架,在全球现役军机中占比仅为6%。按各个细分机型来看,战斗机是我国军机中的主力军,总数为1571架,但数量不到美国同期的60%,且其他机型的数量都远落后于美国,我国未来军机总量提升需求显著。
从结构上看,我国军用飞机二代及二代半飞机占比仍然较高,信息化程度高、综合战斗力强的新机型配备不足。以战斗机为例,美国的三代机占比81%,四代机占比19%。而我国二代机占比47%,三代机占比52%,四代机(J-20)仅少量列装。过去几十年受制于先进机型的研发和批产进度,尤其是部分核心部件的国产化能力,我国军用航空市场的庞大需求一直无法得到满足。但是近年来随着歼15/16、轰6K/N等的加速列装,尤其是歼20、运20、直20等我国新一代军用飞机的陆续批产,标志着我国新一代机型的拼图已基本补全,亟待量产配套跟进。我们认为接下来十年,是军用飞机换装的稳定期,也是我国航空发动机产业发展的加速器。
“隐身时代”来临,新一代先进装备均采用了隐身技术。军机方面:根据《武器装备隐身材料的发展现状及趋势》(贾爱珍等,【科技展望】,2016年12月),F-117A隐身攻击战斗机、F-22、F-35先进战斗机以及B-2隐身战略轰炸机均采用了最先进的隐身技术;发动机方面:根据《航空发动机隐身技术分析与论述》(邓洪伟等,【航空科学技术】,2017年10月),四代战斗机及未来的隐身飞机对发动机提出了较高的隐身指标要求。而发动机后腔体及其内部件和边缘等产生的雷达散射信号、后腔体及其热端部件和尾喷流等产生的红外辐射信号占整个飞机尾部方向特征信号的95%以上。
新型航空装备有望加速列装,特种隐身材料迎来快速放量期。目前我国航空装备等领域同国际一流军队相比,不论是在规模还是结构上仍有较大差距,以新型航空装备为代表的各型装备有望加速列装和更新换代。以四代机为代表的先进航空装备对于隐身性能等有较高要求,对特种功能材料如隐身材料、热防护材料等的需求有望随军机放量快速增长。
后装市场:耗材属性凸显,广阔维修市场铸造隐身材料成长逻辑
武器装备性能越高,维护间隔时间越短,单次维护费用越高。为了保持武器装备的性能,各国军方需要在全生命周期内,频繁地对武器装备的各类设备进行持续性的维护和更新。STATISTA的研究数据显示,B-2、B-52、B-1B隐身轰炸机,F-22“猛禽”隐身战斗机、F-35隐身战斗机的维护成本位列前五。Lockheed Martin公司官网披露F-22“猛禽”隐身战斗机50%的维护成本均来自于隐身涂料。可见,四代隐身战机后续的维护运营成本中,隐身材料产生的维护成本较高。
据《武器装备隐身材料的发展现状及趋势》(贾爱珍等,【科技展望】,2016年12月),以B-2为代表的隐身战斗机,平均五年就要进行一次隐身材料的大翻修,五年内几乎每年都要定期进行一次小范围维护工作。此外,据美国国防部2016年8月披露的合同订单和Lockheed Martin公司官网公告披露的维修数据推测,F-22单机一次隐身材料的小型维护需要花费508万美元,单机一次大型的隐身材料维护需要花费8472万美元(假设单次小型维护的面积只有6%)。美国会计总署2020年披露的数据显示,2018年,美国空军平均每架F-22产生的维修费用为875万美元,平均每架F-22隐身涂料的维修成本为437.5万美元(假设50%为涂料维护费用)。参考美国空军F-22的维修体系可以推测,我国航空装备的升级换代及加速列装有望持续推动隐身涂料军品市场增长。
军用飞机规模增加,作战训练频率增加,开辟了后端维修业务空间。1)随着先进武器装备需求带来的存量和增量飞机数量的增加,航空发动机维修市场空间将持续扩大;2)“十四五”期间,“强军目标稳步推进”目标转变为“备战能力建设。加强实战化训练是“十四五”时期国防和军队建设的重要内容,强调通过作战训练不断提高军事作战素养。作战训练体系的巩固将大大提高训练强度,从而增加航空发动机的消耗,从而增加对飞机维护和保障的需求。
隐身涂层很小的损伤或缺陷都可能引起隐身性能较大的恶化。任何细小剥落和损伤之处都可能导致机身表面因导电不均匀连续而出现的RCS热点或者尖峰,影响飞机总体隐身性能。正是涂层的脆弱性,导致F-22“猛禽”战斗机的维护成本有很大一部分消耗在了修补隐身涂层的低可视(LO)维护上,导致该机在2018财年的每小时飞行成本高达35294美元。
在战场上、平时训练等引起的隐身涂层的划伤、擦伤等机械损伤都会严重影响到武器的隐身性能。涂层脱落部分使电磁波反射严重,从而会严重影响到飞机、舰艇等武器装备的隐身性能,使其难以发挥作战效能。特别是在现代高技术条件下的局部战争条件下,战场抢修时间的紧迫性要求损伤的装备必须在24h内被修复,否则它就不能够被投入本次战斗。美国陆军研究报告指出:在防御战中,允许的抢修时间为:连-2h,营-6h,团-24h,师-36h,军48~96h。这对于隐身飞机等隐身武器的隐身性能提出了快速修复的要求。
“新”逻辑:横空出世到兼容并蓄,符合“一主两率”优选赛道
在华泰军工组2023年度策略报告《掘金2023:守正、积势、待时》(2022.11.21发布),我们创新性地提出“一主两率”投资逻辑(绑定主战装备型号+国产化率提升+渗透率提升),其中隐身材料正处于在主战装备型号中渗透率快速爬升阶段,或成为军工各细分赛道成长分化加剧背景下异军突起的高景气新兴赛道,而隐身材料则是“一主两率”投资框架下的优选赛道之一。
复盘美国F-117、F-22、F-35隐身性能的发展历程,我们强调隐身材料板块的四大投资逻辑,即:1)短期:以新型航空装备为代表的各型装备有望加速列装,特种功能材料如隐身材料、热防护材料等的需求有望随军机放量快速增长;2)中期:隐身性能提升空间较大,隐身材料装备渗透率与军机数量共振;3)长期:隐身需求向承力件渗透,结构隐身材料牵引新增长极;4)后市场:订单数量庞大形成规模效应,隐身材料耗材属性驱动行业持续高景气度。
我国隐身材料需求曲线波动性或显著弱于美国,整体呈现高斜率稳定增长态势。美国第一款隐身战斗机F-117为了提高隐身性能而牺牲了速度和灵活性,不具备超音速飞行能力和空战能力,同时F-117的保养和维护费用相当高。而F-22同样因为较高的成本及维护费用最终总产量低于期初计划采购量。美国方面隐身材料真正受益于下游装备稳定放量始于F-35的生产,其综合考虑了成本、隐身性能等多方面因素后,符合美国国防部的采购需求。对比我国国防建设体系,或充分参考美军的“前车之鉴”而更注重隐身战斗机的可批产性,进而规避类似F-117、F-22的需求纠结时期,使得我国下游隐身装备呈现出增长态势,上游隐身材料的需求稳定度也更高。
短期:新技术导入期,渗透率有望实现0-1-N的突破
军用飞机在威胁作战场景的生存力,已经成为在飞机四性设计(负担力、杀伤力、保障力、生存力)中最优先考虑的指标之一。飞机生存力通常涉及敏感性、易损性和战伤修复能力三个方面,敏感性和易损性决定飞机生存力的高低,而战伤修复能力直接影响飞机的出动强度。其中敏感性是指飞机不能避开雷达、枪炮、冲击弹丸、制导导弹、爆破弹头以及其他构成敌对威胁环境的能力。在空战中,如果先于敌人发现威胁,作出判断并进行调整,战斗机的战场生存力将会大大提高,完成战斗任务的成功率也会大幅提升。
F-117作为第一代隐形战斗机,以牺牲其他性能为代价,单机隐身材料体量大幅提升,并结合外形设计,提升了单机战场生存的概率PS。美军在开始研制时就把它定义为隐形作战的初步尝试,开辟了隐形战斗机的先河。作为隐身飞机的第一次尝试,洛克希德马丁公司在1982年8月至1990年7月期间向空军仅交付了59架隐形战斗机。
F-117为实现隐身性能,牺牲大量作战性能。例如速度慢,机动能力差,这主要是因为机身结构、布局为照顾隐身需要,气动性能不佳,发动机则推力减小,并且无加力。与一般战斗机相比,其机动能力明显降低,载弹数量少,持续攻击能力弱。根据《南联盟击落F-117A隐身飞机战例破解研究》(胡晓磊,殷大虎,金建伟,【现代防御技术】,2020年8月),F-117隐身性能方面也并不完善,特别是存在隐身波段有限(只能对工作频率在2~29兆赫的厘米波雷达隐身)和隐形死角(机背、侧面、翼端)等致命弱点,同时其态势感知能力有限,不仅没有雷达,甚至没有机载雷达告警器。
中期:渗透率爬坡期,性能适配性与下游需求共振
中期兼顾其他性能兼顾,技术适配性提升。F-22的隐形性能是F-117A的2倍,生存能力比常规飞机提高18倍,作战效能是F-15战斗机的3倍,这意味着F-117A所能执行的任务F-22可以全部替代。F-22对比非隐身战机具有下列特点:1)整机外形光滑、线条流畅、机翼和机身融合度高;2)机身较常规战机更加扁平,采用非圆形机身截面,浸润面积小,雷达散射较弱;3)避免了垂直尾翼而采用了倾斜的倒V形垂尾;4)取消了外挂武器系统,采用了内置弹舱设计;5)采用前机身和座舱的一体化设计,在透明座舱盖镀金属膜,将入射到座舱的电磁波全部反射出去,避免了座舱内部部件的强散射。尽管F-22性能十分出色,但实现前述性能的结合以及后续维护需要非常高的成本。洛克希德公司研发的F-35战斗机机身表面使用了HAVE GLASS V隐身涂层,该隐身涂层具有更好的雷达和红外隐身性能,洛马公司宣称HAVE GLASS V在耐磨和坚固性能上超过F-22使用的上一代隐身涂层,大幅降低该机的低可观测性维护需求。F-35还综合了进气道、吸波材料与机身结构等总体影响,提高整体隐身性能。虽然F-35的隐身能力不及F-22,但其设计大大降低了飞机的制造和维护成本,并实现了一机多用途,为隐身飞机作战战术提供更多可能。
F-22表面应用三层涂料来减少其雷达特征。据《隐身材料研究进展》(李江海、王彤、胡静伟,【国际航空】,2019年9月),第一层密封飞机的蒙皮,并有助于黏合另一层;第二层是有着镀银薄片混合聚氨酯材料的导电涂料用以减少雷达波反射;第三层也是表面漆层,性能包括用含有金属基材料的涂层来减小辐射的热量,以降低被探测到的风险。
虽然单机隐身材料体量也有所下降,但通过提升数量n,提升了整体飞机战场生存的概率n*PS。与F-117的64架相比,F-22虽然最终生产了187架,但与原计划采购的650架相比仍有差距。2012年时美国国防部曾做过统计和估算,F-22战斗机的采购费用加上前期研发和测试的费用总计667亿美元,而F-22只生产了187架,也就是说每架平摊后的综合费用约为3.6亿美元。通过规模效应降本,渗透率继续爬坡,进一步提升n*PS,F-35需求阶梯式增长。F-35的采购费用加上研发和测试费用的总额约为3282亿美元,远远超出F-22的总费用。但F-22只能供应给美国空军使用,而F-35不仅可以供给美国空军、海军和海军陆战队,还可以出口到国际市场。同一时期,F-35的预计订货数量就达到了2400余架,平摊下来每架约为1.4亿美元,比F-22低了近60%,实现了规模效应。目前一架 F-35A 的成本从Lot 11的8900万美元稳步下降到 Lot 14 的近7800万美元。
国内目前仍处在隐身技术愈发成熟,逐渐兼顾其他性能,渗透率逐步爬坡阶段。我国的隐身材料行业的龙头企业研发进度正处在迅速填补国内相关技术空白,并逐渐兼顾其他性能需求的阶段。
长期:承力件转型期,隐身结构件牵引新增长极
根据《结构型吸波复合材料研究进展》(黄科等,【高科技纤维与应用】,2010年12月),结构型吸波材料是在先进复合材料基础上发展起来的双功能复合材料,它既能吸波又能承载,可成型各种形状复杂的部件,如机翼、尾翼、进气道等。
国外结构型碳纤维吸波复合材料已经在隐形战机和导弹中得到了较为广泛的应用。根据《结构型碳纤维吸波复合材料的研究及应用》(李晶晶等,【纤维复合材料】,2012年6月),美国F-22、F-117、B-2等隐身飞机的翼面前后缘、副翼、襟翼、安定面、机身边条、进气道等均采用了轻质高强高模的碳纤维吸波复合材料,B-2隐身轰炸机的机翼蒙皮是一种六角形蜂窝夹芯碳/环氧吸波结构材料,AGM-129空射巡航导弹在弹翼、尾翼和弹身蒙皮等部位应用了碳纤维吸波结构材料;俄罗斯的X-55巡航导弹采用了吸波结构弹翼;日本ASM-1空舰导弹和SSM-1地舰导弹采用了吸波结构弹翼和稳定舵面;欧洲研制的战斗机ACA中采用了高达40%的结构型吸波复合材料,EF-2000中也采用了大量碳纤维吸波复合材料,法国达索公司研制的隐身靶机采用全复合材料设计。同时,某些雷达吸波结构材料已达到产品批量生产状态,如马可尼公司设计制造的雷达吸波结构、蜂窝吸波构件、吸波胶带、吸波泡沫、雷达罩以及其它织物型吸波结构等。
隐身功能涂层材料和隐身结构件的研制关键均在于吸收剂,具备一定技术协同性。吸波材料主要由吸收剂和基体材料组成,吸收剂是发挥吸收和反射电磁波的物质基础,常用的包含铁氧体、羰基铁、导电高分子材料等。基体材料为吸收剂的载体,能够承载并分散吸收剂,同时具有一定的力学性能。结构型雷达吸波材料是在先进复合材料的基础上,将吸收剂分散在特种纤维增强的结构材料中而形成的复合材料。根据《结构型碳纤维吸波复合材料的研究及应用》(李晶晶等,【纤维复合材料】,2012年6月),常用的碳纤维本身是雷达波的强反射体,并不吸收入射电磁波,只有通过特殊处理的碳纤维才具有吸波性能。结构型雷达吸波材料作用机理是通过特殊的复合材料结构对雷达波进行损耗,集吸波、承载于一体,不仅可以减轻飞行器自重,而且允许设计厚度较大,具有更好的吸波性能以及更高的可靠性,此种材料可直接做成飞行器的气动外形所必需的复杂曲线结构,作为承力部件使用。
结构隐身材料是解决机载天线等传感器雷达特征信号的主要手段之一。根据《先进战斗机对机载射频孔径系统隐身的需求及解决方案》(孙聪等,【航空学报】,2008年11月),机载天线等传感器孔径的分布与形状特征对飞机隐身效果具有举足轻重的影响,如果不能有效控制机载射频孔径系统的特征信号(包括RCS和电磁辐射控制),则通过外形、结构和材料隐身而达到的整机高隐身水平就会受到破坏。
目前隐身材料龙头企业均在向隐身结构件方向拓展。
后市场:需定期维修重新涂敷,隐身材料耗材属性凸显
隐身材料的修复和维护会产生大量的人工、设备的费用支出。在机身方面,当前的隐身飞机(如B-2、F-22)需要特别的护理和设施,以确保损坏和将对包括飞机蒙皮的材料的降解保持在最小。
隐身材料需定期维修重新涂覆,耗材属性凸显。吸波涂层在装备的使用和贮存过程中,失效的主要类型有吸波涂层的脱落、开裂、起层和吸波性能下降,造成吸波涂层失效的主要原因有石击、碰撞、振动、擦挂等外因和涂层柔韧性差、附着力小、内应力大、涂层对腐蚀介质屏蔽性差等内因。美军对新研制的隐身材料主要是吸波涂料明确提出了维修性要求,研制新型易维修吸波涂料并用于飞机的隐身改装。
吸波涂层维修包括修复性维修、预防性维修和战场损伤修复等。维修级别是指军队执行维修任务的各类组织,通常执行三级维修,即基层级、中继级和基地级(工厂级)。为防止涂层因粉化和对腐蚀介质屏蔽性能降低导致隐身性能下降,由基层级维修单位采用间隔一定时间喷涂迷彩面漆等方法进行预防性维修。根据失效的面积,吸波涂层的维修采用三级维修。
根据《浅谈隐身涂料及涂层维修技术》(郑国禹等,【四川兵工学报】,2006年6月),对失效吸波涂层总面积小于0.1m2和战场损伤时,采用基层级维修级别,由装备的使用人员进行维修。维修方法采用铲子等工具将失效部位清理干净,刮涂吸波腻子和粘吸波贴片材料等方法快速恢复部分吸波功能。对于失效吸波涂层总面积在0.1m2-5m2之间,采用中继级维修级别,由旅级维修部门进行维修。维修方法采用专用的涂层清除工具清除受损吸波涂层,并对受损吸波涂层进行扩大边沿处理,采用喷涂和刷涂的方式相结合,对失效部位进行维修,采用便携式附着力仪和便携式雷达波反射率测试仪等进行性能现场测试。对于失效吸波涂层总面积大于5m2时,为保证吸波涂层的隐身功能,采用工厂级维修级别,由修理厂等进行维修。维修方法将涂层失效的零部件送往维修工厂,采用抛丸等方法清除吸波涂层,并按吸波涂层的施工工艺重新涂装,采用室内紧缩场或外场等进行隐身性能测试。
根据《武器装备隐身材料的发展现状及趋势》(贾爱珍等,【科技展望】,2016年12月),B-2隐身战略轰炸机的外壳涂覆了一层韧性导电隐身材料,这种涂层使用寿命为五年。为了保证B-2轰炸的隐身性能,在其服役期内要进行四到五次的涂层更换。其机身表面由吸波的碳纤维蜂窝夹层结构制成。外翼的蒙皮及梁使用了碳纤维/环氧复合材料。
发动机方面,由于武器系统服役的时间更长,维护费用在发动机整个生命周期内的总费用占比越来越大。相对于航发新机采购价值,航发维修市场天花板更高,2015-2022年罗罗公司的军、民用航发的售后服务(包括维修、服务等费用)营收占比均超过50%。
由高温合金等材料制成的热端部组件构成了航空发动机主要的维修市场。根据《航空及发动机构造与维修管理》(蔡景等,【北京航空航天大学出版社】,2015),航空发动机维修工作根据其内容的不同可以分为:1)航线维修和定期检修;2)返厂大修。其中,返厂大修涉及发动机的拆解,以及轴、盘等转子部件的更换或修理,返厂大修主要包括性能恢复和时寿件更换两大部分。在经历长时间运行后,发动机的状态会下降,这时就需要对其进行修理,理论上来说,通过返厂大修后,发动机能够完全恢复其原有的可靠性,能够继续执行另一个大修周期的任务。
(1)性能恢复:高温、腐蚀 及疲劳造成的零部件损伤,最终引起核心机性能衰退。随着发动机在役时间的增长,EGT(排气温度)逐渐升高,同时零部件的磨损和疲劳逐渐加重,进一步加速发动机性能衰退。考虑到零部件的材料和性能,OEM(原始设备制造商)会确定一个EGT上限,一旦达到就要求发动机进行车间维修以恢复发动机的性能。进行发动机性能恢复,通常需要拆解核心机,并详细检查气路部件(叶片等)的状况,进行必要的修理或更换。在发动机车间维修期间,通常服务通告SB(Service Bulletin)和适航指令AD(Airworthiness Directive)会一并执行;(2)时寿件更换:压气机和涡轮盘的鼓盘、轴或轮盘通常具有固定的寿命,一旦达到寿命,不管其状况如何均需要更换。发动机维修成本大约占整个飞机维修成本的35%~40%,其中车间维修的零部件修理或更换成本占了大部分,有60%~70%。
根据《浅析航空发动机视情维修在MRO的应用》(薛成,【航空维修与工程】,2022年7月),包括但不限于下列发动机进厂维修工作范围可认为是持续性发动机维修:1)风扇机匣的更换;2)高压压气机叶片的更换;3)高压涡轮叶片的更换;4)燃烧室的更换;而高压压气机叶片、高压涡轮叶片和燃烧室的主要材料均为高温合金,侧面印证了高温合金为航空发动机的主要耗损材料。因此从维修频次来看,高温合金热端部件>发动机整体>军机。
红外隐身涂料主要涂敷位置为航空发动机高温热端部件。在发动机排气系统中,内涵进口截面(末级涡轮叶片)、中心锥、火焰稳定器内圈和中圈与传焰槽的温度最高,红外辐射强度也较大;火焰稳定器外圈、加力筒体及喷管由于与外涵冷气直接接触,自身温度相对较低;波瓣混合器内壁面与高温燃气接触,外壁面与外涵冷空气接触,温度介于二者之间。《低发射率材料涂敷方案对排气系统红外特性的影响》(陈瀚赜等,【航空发动机】,2021年8月)中给出了四种红外隐身材料涂敷方案:方案1涂敷区域最大;方案2是在温度较高的部位涂敷低发射率材料;方案3在除火焰稳定器与传焰槽之外的部位涂敷低发射率材料;方案4在方案2的基础上,又在喷管涂敷低发射率材料,并得出结论:方案1与方案4红外隐身效果最优。因此,航空发动机红外隐身材料耗材逻辑或可与高温合金等材料类比,具有高维修更换频次的特点。
“新”格局:多重壁垒加持,强者恒强或为长期趋势
产业链:上游原材料制作较难,下游客户集中度较高
隐身材料制备企业位于产业链中游。隐身材料产业链自上而下大致可分为材料供应商、隐身材料制备企业、武器装备制造商、军方。相互之间的业务层级明确,从下游往上游依次传递产品需求,从上游至下游依次交付合格产品。隐身材料上游为材料供应,提供的原材料包括靶材、粉体、树脂、纤维、合金、试剂、金属结构件及连接件等。中游为隐身材料制备企业,隐身材料以涂覆型和结构型结构方式广泛地在武器装备和尖端装备与设施上应用,包括飞机、航空发动机、主战坦克、舰船和导弹等。下游为我国武器装备制造商,一般为军工集团下属单位且集中度较高,最后交付给军方。
相关企业梳理:先发优势凸显,隐身材料行业格局稳定
美国隐身飞机隐身材料大部分由主机厂主导研制,主要由主机厂自主研发或其与学术界、工业界合作研制。主机厂方面,洛克希德公司研制出用于F-117上的耐腐蚀多晶羰基铁吸波涂料、用在尾喷管的后缘的陶瓷基吸波结构,以及用于RAM口盖的碳纳米管(CNT);与学术界合作方面,洛克希德和麻省理工学院联合研制出用于U-2上的羰基铁氧体涂层,雷神公司与大学合作开发出“透波率可控人工复合蒙皮材料”;与工业界合作方面,洛克希德和3M公司联合研制出用于F-35上的“3M”材料等。
美国军用隐身材料多由主机厂自研或与实验室联合研制,而中国存在军用隐身材料的领军企业的原因或在于先发优势。中国隐身材料起步较晚,而国内外各高校的科研走在产业化前端,隐身材料企业结合实验室成果率先研制批量化生产的隐身材料形成市场及认证壁垒,其他企业如主机厂难以进入高技术壁垒的隐身材料行业。
(具体公司梳理,)
风险提示
下游客户集中风险。如果出现定价机制、采购价格的调整,可能会影响相关企业的盈利能力。
原材料价格波动风险。隐身材料的原材料主要为靶材,其价格的波动对行业原材料的采购价格具有较大影响。如果未来原材料价格持续上升,产品成本上升,而产品售价无法及时相应调整,将会对行业毛利率和经营业绩造成不利影响。
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