張培忠, 張亞歐, 寧金貴, 宋曉輝

(中國白城兵器試驗中心, 吉林白城 13700)

彈丸對雷達隱身的技術(shù)*

張培忠, 張亞歐, 寧金貴, 宋曉輝

(中國白城兵器試驗中心, 吉林白城 13700)

為了實現(xiàn)彈丸對炮位偵察校射雷達隱身,研究了彈丸對雷達隱身的原理和結(jié)構(gòu),采用改進彈丸表面和形狀的技術(shù),實現(xiàn)彈丸外形隱身,研制S波段、X波段窄帶吸波材料,涂覆在彈丸表面上,實現(xiàn)彈丸窄帶吸波材料隱身,測試了隱身彈丸的雷達散射截面及其對雷達的隱身效果,結(jié)果表明:與傳統(tǒng)的殺爆彈相比,隱身彈丸的雷達散射截面明顯減小,被雷達探測到的距離顯著縮短,彈丸具備了隱身性能。

彈丸;隱身;窄帶吸波材料

0 引言

目前炮兵的主要威脅之一是炮位偵察校射雷達。當火炮發(fā)射以后,在空中飛行的彈丸易被對方炮位偵察校射雷達進行遠距離探測、跟蹤,并準確地反推算出火炮發(fā)射陣地的坐標,對方可以在3 min左右的時間內(nèi)實施快速火力反擊。例如美軍AN/TPQ-37型S波段炮位偵察校射雷達,探測距離大于50 km;AN/TPQ-36型X波段炮位偵察校射雷達,探測距離大于40 km[1];更先進的AN/TPQ-47、AN/TPQ-53遠程型S波段和AN/TPQ-48輕型Ku波段炮位偵察校射雷達也已經(jīng)大量列裝。炮位偵察校射雷達在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中表現(xiàn)也十分突出,在1991年海灣戰(zhàn)爭中,美軍利用AN/TPQ-37雷達偵察伊軍火炮和“飛毛腿”導(dǎo)彈發(fā)射陣地356個;在2003年伊拉克戰(zhàn)爭中,美軍第3步兵師利用3個偵察雷達單元在21天內(nèi)測得伊軍的火炮和導(dǎo)彈發(fā)射陣地1 800個。所以,有必要研究一種對雷達隱身的彈丸[2],它能夠縮短對方炮位偵察校射雷達探測和跟蹤彈丸的距離,防止其反推算出火炮發(fā)射陣地的坐標,從而達到保護火炮發(fā)射陣地的目的,使炮兵能夠做到出擊、打擊、撤離全過程隱蔽,防止被對方追蹤打擊。

目前尚未見到國外有關(guān)彈丸對雷達隱身技術(shù)方面的報道;國內(nèi)僅有理論探索和專利發(fā)布[3-7],從理論上、原理上分析了該技術(shù)的必要性、可行性,以及初步技術(shù)方案,未見到關(guān)于實驗研究結(jié)果的報道。

1 隱身彈丸的結(jié)構(gòu)和原理

1.1 隱身彈丸的結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計了一種隱身彈丸結(jié)構(gòu),它由引信、彈體和彈底托組成,彈體的外形為碟形,彈帶、前后定心部和閉氣環(huán)都裝在彈底托上,飛碟形彈體表面沒有棱邊和凸出物。在彈丸表面涂覆吸波材料,并纏繞透波纖維,為吸波材料提供抗瞬態(tài)加速度過載作用。為了保證吸波材料不接觸炮膛,采用次口徑的彈體,彈體外表面周向由彈底托包裹,彈底托直接接觸炮膛,保護吸波材料不受膛線擠壓和磨損。當隱身彈丸出炮口之后,彈底托借助壓力腔內(nèi)的工作質(zhì)燃燒產(chǎn)生的推力,迅速與彈體分離,在空氣阻力作用下,很快失速、墜落,僅保留碟形隱身彈體獨自飛向目標。暫時定義此彈種為次口徑碟形隱身彈丸[8],如圖1所示。

1.2 隱身彈丸的原理

傳統(tǒng)彈丸的表面上有2條彈帶、閉氣環(huán)和前后定心部等突起,表面棱邊、突起、母線一階/二階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)引起較強的雷達波散射,彈丸金屬表面引起較強的雷達波鏡面反射、行波反射和爬行波反射,這些原因?qū)е聜鹘y(tǒng)彈丸不隱身。采用外形隱身技術(shù)改進彈丸外形,減小彈丸外形對雷達波的散射,使用吸波材料涂覆彈丸表面,吸收雷達波,從而減小彈丸的雷達波鏡面反射、行波反射和爬行波反射,實現(xiàn)彈丸隱身。但是遠程炮位偵察校射雷達工作在S波段(2～4 GHz),上述原理很難實現(xiàn)彈丸在S波段隱身,原因是:隱身飛機和隱身導(dǎo)彈使用的吸波材料全是寬帶吸波材料[9-10],其吸波劑微粒對波長較長的S波段雷達波衰減作用弱,吸收效果不好,涂覆在彈丸表面上沒有明顯的隱身效果。

為了解決彈丸在S波段隱身的難題,提出窄帶吸波材料隱身原理:研制在S波段中心處具有吸收峰值、在S波段內(nèi)平均吸收率高的窄帶吸波材料,在彈丸表面涂覆窄帶吸波材料,在彈上標出頻段,作戰(zhàn)時炮兵根據(jù)偵察獲取的對方雷達頻段,裝填對應(yīng)頻段的隱身彈丸實施攻擊。盡管這種S波段窄帶隱身彈丸對X波段炮位偵察校射雷達的隱身效果比較低,但是,X波段炮位偵察校射雷達的作用距離也比較近,一般近20～30 km,威脅相對較小。

1.3 窄帶吸波材料

2 靜態(tài)隱身性測試

為了對比隱身彈丸相對某型傳統(tǒng)殺爆彈的隱身效果,制作了次口徑碟形隱身彈丸,在微波暗室內(nèi)分別對某型傳統(tǒng)殺爆彈、經(jīng)過改進表面和形狀的次口徑碟形彈丸、涂覆窄帶吸波材料的次口徑碟形隱身彈丸的雷達散射截面進行靜態(tài)測試,獲得彈丸經(jīng)過改進表面和形狀、涂覆吸波材料以后的隱身效果。隱身彈丸相對傳統(tǒng)殺爆彈的雷達散射截面越小(例如小10 dB),則隱身彈丸反射的雷達波越弱,隱身效果就越好。

2.1 靜態(tài)測試

被測試的彈丸包括:已經(jīng)發(fā)射過的某型殺爆彈、經(jīng)過改進表面和形狀的次口徑碟形彈丸(圖3)、涂覆窄帶吸波材料的次口徑碟形隱身彈丸(圖4)。隱身彈丸涂覆的吸波材料分別是S波段窄帶吸波材料,厚度2 mm,X波段窄帶吸波材料,厚度1 mm。

在微波暗室內(nèi)進行測試,測試步驟是:1)測試某型傳統(tǒng)殺爆彈的雷達散射截;2)測試經(jīng)過改進表面和形狀的次口徑碟形彈丸的雷達散射截面;3)測試涂覆窄帶吸波材料的次口徑碟形隱身彈丸的雷達散射截面。測試方法是:彈丸放置于目標平臺上,彈丸的方位角是以彈尖正對微波發(fā)生器方向為0°,平臺旋轉(zhuǎn)角度范圍-180°～+180°,測試過程中,控制目標平臺每次旋轉(zhuǎn)0.25°,微波在S波段、X波段范圍內(nèi)照射彈丸一遍,跳頻間隔0.1 GHz。

2.2 測試結(jié)果分析

考慮到陸軍未來主要防御方向多為山區(qū),火炮常用射角在20°以上,加上遠程炮位偵察校射雷達搜索過程中有9°仰角,因此炮位偵察校射雷達在搜索彈丸的過程中,雷達波束與彈丸軸線的夾角在30°～90°范圍以內(nèi)[1],在分析測試結(jié)果時,僅關(guān)注方位角在30°～90°范圍以內(nèi)的平均值。

1)彈丸經(jīng)過改進表面和形狀產(chǎn)生的隱身效果。某型殺爆彈的表面一階、二階導(dǎo)數(shù)都不連續(xù),易引起雷達波散射。經(jīng)過改進表面以后,消除了此類散射源,減少了雷達散射截面。測試了殺爆彈、經(jīng)過改進表面和形狀后的次口徑碟形彈丸的雷達散射截面,結(jié)果如圖5所示,表明彈丸的雷達散射截面已經(jīng)平均下降7.0 dB,但在32°～47°范圍內(nèi)效果不明顯。

2)彈丸表面涂覆吸波材料產(chǎn)生的隱身效果:在碟形彈丸表面分別涂覆S波段窄帶吸波材料(厚度2 mm)和X波段窄帶吸波材料(厚度1 mm),進行測試。涂覆S波段窄帶吸波材料以后的隱身彈丸的雷達散射截面結(jié)果如圖6所示,表明隱身彈丸的雷達散射截面已經(jīng)平均下降9.3 dB,而且在30°～90°范圍內(nèi)效果都很明顯。

涂覆X波段吸波材料前后的隱身彈丸的雷達散射截面結(jié)果如圖7所示,表明X波段吸波材料使彈丸的雷達散射截面平均下降8.8 dB,且在30°～90°范圍內(nèi)效果都很明顯。

3 動態(tài)隱身性試驗

為了測試隱身彈丸對雷達的隱身效果,實施了動態(tài)隱身性試驗。利用火炮發(fā)射隱身彈丸,使用雷達測試飛行中的隱身彈丸的隱身效果,雷達探測隱身彈丸的距離比傳統(tǒng)殺爆彈的越近(例如近50%),則隱身彈丸的隱身性能越高。炮位偵察校射雷達有2種使用方式,一種是偵察:對方雷達處于我方火炮陣地前方,探測飛行中的彈丸坐標,反推算出火炮發(fā)射陣地;另一種是校射:我方雷達處于我方火炮陣地側(cè)后方,通過探測飛行中的彈丸坐標,預(yù)測彈丸落點,修正射擊諸元。本次試驗中采用第二種方式,將X波段雷達置于火炮陣地后方,由其跟蹤彈丸,獲得彈道數(shù)據(jù),依據(jù)其跟蹤彈丸的距離來評價彈丸的隱身效果。

利用155 mm火炮以45°射角發(fā)射X波段次口徑碟形隱身彈丸,其彈體的直徑為136 mm,由于該彈丸是第一次試驗,為了安全起見,使用了3號減變裝藥射擊,實測初速為607.8 m/s。為了進行隱身效果對比,在同一陣地上利用130 mm火炮發(fā)射全裝藥舊式130 mm榴彈,實測初速為932.7 m/s。將某型X波段全彈道雷達置于火炮陣地后方,測試前預(yù)先為該雷達輸入彈丸的理論彈道,以方便其撲捉并全程跟蹤彈丸,獲得彈丸相對雷達的徑向速度,測試結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明:該雷達能夠跟蹤舊式130 mm榴彈60 s,雷達與彈丸之間的距離最遠達到23.6 km,但是跟蹤次口徑碟形隱身彈丸的彈體5.2 s,雷達與隱身彈丸之間的距離最遠只有3.2 km,二者相比,雷達與彈丸之間的距離縮短了86%。

4 結(jié)論

研究了隱身彈丸的原理并設(shè)計了結(jié)構(gòu),研制了隱身彈丸用的窄帶吸波材料和次口徑碟形隱身彈丸,進行靜態(tài)測試,獲得了窄帶吸波材料的性能,以及某型殺爆彈、隱身彈丸的雷達散射截面,進行動態(tài)試驗,獲得了隱身彈丸相對舊式榴彈對雷達的隱身效果。分析結(jié)果得出以下結(jié)論:

1)改進彈丸表面和形狀能夠降低彈丸的雷達散射截面,提高彈丸的隱身性能;

2)次口徑碟形彈丸表面涂覆S波段、X波段窄帶吸波材料以后,彈丸雷達散射截面明顯降低;

3)次口徑碟形彈丸涂覆X波段窄帶吸波材料后,顯著縮短了雷達跟蹤彈丸的距離。

鑒于次口徑碟形隱身彈丸的前定心部也涂覆了吸波材料,雖然隱身效果好,但是損失了威力和精度,后續(xù)將采用全膛船形隱身彈丸結(jié)構(gòu)[12]加以改進。

[1] 周立偉. 目標探測與識別 [M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2004, 9: 254-256.

[2] 張培忠, 張培林, 馮金富. 一種對雷達隱身的榴彈: ZL200510128129.1 [P]. 2012-11-28.

[3] 張培忠, 王虹, 米中賀. 火炮榴彈的微波隱身特性分析 [J]. 雷達與對抗, 2005(3): 5-9.

[4] 張培忠. 隱身榴彈表面吸波材料的抗壓強度分析 [J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報, 2006, 18(4): 45-50.

[5] 張培忠, 王虹, 米中賀. 榴彈隱身涂層粘合強度分析 [J]. 軍械工程學(xué)院學(xué)報, 2005, 17(5): 4-6.

[6] 張培忠, 王虹, 米中賀. 隱身榴彈的發(fā)射安全性分析 [J]. 彈道學(xué)報, 2006, 18(1): 72-75.

[7] 張培忠, 劉明遠. 發(fā)展隱身彈丸的幾個關(guān)鍵問題探討 [J]. 兵器試驗, 2015(3): 1-4.

[8] 張培忠, 張亞歐, 寧金貴, 等. 一種次口徑碟形隱身榴彈: ZL201318001225.5 [P]. 2013-3-26.

[9] 鄭天亮, 王月紅, 鄭曠宇, 等. 改性螺旋手性碳纖維的電磁特性及其對吸波材料性能的影響 [J]. 宇航學(xué)報, 2007(6): 559-563.

[10] 劉軍輝, 張云飛. 直升機旋翼涂覆吸波材料減縮RCS試驗研究 [J]. 飛機設(shè)計, 2011, 31(5): 5-8.

[11] 胡照文, 鄧聯(lián)文, 劉秀麗, 等. Tb摻雜Fe基納米晶片狀微波吸波劑制備 [J]. 功能材料, 2010, 41(4): 601-603.

[12] 張培忠, 張亞歐, 寧金貴, 等. 一種全膛船形隱身榴彈: ZL201318001224.0 [P]. 2013-3-26.

TechnologyofaRadarStealthProjectile

ZHANG Peizhong, ZHANG Ya’ou, NING Jingui, SONG Xiaohui

(Baicheng Ordnance Test Center of China, Jilin Baicheng 137000, China)

In order to develop a stealth projectile to antagonism hostel side artillery fire finder radar, the principle and structure of a radar stealth projectile are researched. Using improved surface and shape, a projectile get shape stealth. Narrow band radar absorbing materials for S-wave-band and X-wave-band are developed. As narrow band materials are coated on projectiles surface, the projectiles get material stealth. The radar cross section and performance of the stealth projectile are measured. The experiment result shows that, compared with traditional explosive bomb, the stealth projectile radar cross section is decreased explicitly, the distance of being find by radar is very shorter. The projectiles have gotten stealth performance significantly.

projectile; stealth; narrow band radar absorbing material

TJ413.2

A

2016-06-06

張培忠(1966-),男,吉林安圖人,研究員,博士,研究方向:裝備試驗。