張培忠，寧金貴，王建國(guó)，王欣

(63850部隊(duì)，吉林 白城 137001)

0 引言

目前炮兵的主要威脅之一是敵方炮位偵察校射雷達(dá)。當(dāng)我方火炮發(fā)射后，在空中飛行的彈丸易被敵方炮位偵察校射雷達(dá)探測(cè)和跟蹤，并準(zhǔn)確地反推出我方火炮發(fā)射陣地的坐標(biāo)，從而敵方可以在3 min左右時(shí)間內(nèi)對(duì)我實(shí)施快速火力反擊[1-3]。在1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍利用AN/TPQ-37雷達(dá)偵察伊拉克軍隊(duì)火炮和飛毛腿導(dǎo)彈發(fā)射陣地356個(gè)；在2003年伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍第3步兵師利用3個(gè)偵察雷達(dá)單元在21 d內(nèi)偵測(cè)到伊拉克軍隊(duì)火炮和導(dǎo)彈發(fā)射陣地1 800個(gè)；2017年以色列陸軍利用天穹系統(tǒng)多次成功攔截了哈馬斯武裝人員發(fā)射的火箭彈。實(shí)戰(zhàn)證明：炮位偵察校射雷達(dá)對(duì)火炮發(fā)射陣地具有很強(qiáng)的偵察能力和探測(cè)能力，對(duì)炮兵威脅極大。雖然我軍大力發(fā)展了多型自行火炮和車(chē)載炮，以此替代老式牽引火炮而增強(qiáng)了炮兵機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)能力、實(shí)施了機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)，但是在云南與貴州、福建和浙江以及遼寧和吉林等陸軍主要防御地區(qū)山高路險(xiǎn)、植被茂密，炮兵機(jī)動(dòng)能力受到一定制約。因此，有必要研究一種對(duì)雷達(dá)隱身的彈丸[4]，以縮短敵方炮位偵察校射雷達(dá)探測(cè)和跟蹤彈丸的距離、降低其發(fā)現(xiàn)概率，防止其反推出火炮發(fā)射陣地坐標(biāo)，從而達(dá)到保護(hù)我方火炮發(fā)射陣地的目的。進(jìn)而使我方炮兵能夠做到出擊- 打擊- 撤離全過(guò)程隱蔽，防止被敵方發(fā)現(xiàn)后遭受敵方直升飛機(jī)、無(wú)人機(jī)、網(wǎng)絡(luò)尋飛彈的追蹤打擊。

彈丸對(duì)雷達(dá)隱身的技術(shù)包括外形隱身技術(shù)和材料隱身技術(shù)。在材料隱身方面，為了提高吸波材料對(duì)S波段炮位偵察校射雷達(dá)的雷達(dá)波吸收率，本文分析了窄帶隱身原理，即專(zhuān)門(mén)研制在S波段具有吸收峰值的吸波材料，涂覆于彈丸表面，從而高效吸收S波段雷達(dá)波，實(shí)現(xiàn)彈丸對(duì)S波段雷達(dá)的隱身。在彈丸外形隱身方面，以往完全依照外形隱身設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)彈丸結(jié)構(gòu)，成為次口徑碟形隱身彈丸，稱(chēng)為全隱身彈丸。前期試驗(yàn)表明：雖然次口徑碟形隱身彈丸的隱身效果較好[5]，但是由于彈丸直徑偏小、內(nèi)裝炸藥量偏少，并且彈丸前定心部未接觸炮膛，導(dǎo)致彈丸威力和精度降低，該彈僅有學(xué)術(shù)價(jià)值、缺乏實(shí)用性。為了在保持彈丸威力和精度前提下實(shí)現(xiàn)隱身的目的，擬改進(jìn)彈丸的外形結(jié)構(gòu)，允許彈丸的前定心部直接接觸炮膛，前定心部不涂覆吸波材料，稱(chēng)這種設(shè)計(jì)的彈丸為全膛半隱身彈丸。

本文研究全膛半隱身彈丸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、隱身原理，以及隱身性能的試驗(yàn)方法，驗(yàn)證其隱身性能。

1 全膛半隱身彈丸的結(jié)構(gòu)和原理

1.1 全膛半隱身彈丸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了全膛半隱身彈丸結(jié)構(gòu)，它由引信、彈體和彈底托組成，彈體外形為船形，彈體與彈底托之間用鋁制螺栓聯(lián)接并用隼口咬合。當(dāng)彈底托旋轉(zhuǎn)時(shí)可以通過(guò)隼口帶動(dòng)彈體旋轉(zhuǎn)，彈帶、后定心部和閉氣環(huán)都裝在彈底托上。除了前定心部以外，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(guò)載能力，并防止火藥氣體燒蝕吸波材料。前定心部和彈底托直接接觸炮膛，保護(hù)吸波材料不受膛線(xiàn)的擠壓和磨損。當(dāng)隱身彈丸出炮口后，彈底托借助壓力腔內(nèi)留存的火藥氣體產(chǎn)生的推力，拉開(kāi)鋁制螺栓，迅速與彈體分離，在空氣阻力作用下很快失速、墜落，僅保留隱身彈體獨(dú)自飛向目標(biāo)。將這種彈定義為有彈底托全膛半隱身彈丸[6]，如圖1(a)所示。

圖1 全膛半隱身彈丸的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of full-caliber half-stealth projectiles

同時(shí)，為了比較外形隱身效果的差異，本文還設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的有船尾全膛半隱身彈丸，它由引信、彈體和船尾組成，彈體外形為傳統(tǒng)船形，彈帶、后定心部和閉氣環(huán)也都在彈體上。除了前后定心部、彈帶和閉氣環(huán)外，在彈丸表面涂覆吸波材料并纏繞透波纖維。前后定心部、彈帶直接接觸炮膛，保護(hù)吸波材料不受膛線(xiàn)的擠壓和磨損，如圖1(b)所示。顯然，有船尾半隱身彈丸的表面有較多棱邊和凸起，雷達(dá)波反射會(huì)很強(qiáng)。設(shè)計(jì)有船尾半隱身彈丸的目的，是檢查其與有彈底托全膛半隱身彈丸之間的隱身效果差別，在兩種方案之間作對(duì)比，從而尋求更簡(jiǎn)易、經(jīng)濟(jì)的外形隱身結(jié)構(gòu)。

1.2 半隱身彈丸的原理

傳統(tǒng)彈丸的表面上有2條彈帶、閉氣環(huán)和前后定心部等棱邊和凸起。彈丸表面受到雷達(dá)波Ki照射時(shí)，表面棱邊、凸起、母線(xiàn)1階或2階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，引起較強(qiáng)的雷達(dá)波散射Ks，其中彈帶雷達(dá)波散射Ks最強(qiáng)；彈丸金屬表面引起較強(qiáng)的雷達(dá)波鏡面反射Kr、行波反射Kc和爬行波反射Km，另外包括尖頂散射Kt和邊緣散射Kd.這些因素都導(dǎo)致了傳統(tǒng)彈丸對(duì)雷達(dá)不隱身，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)彈丸的雷達(dá)波散射Fig.2 Scattering of radar waves on tranditional projectile

為了實(shí)現(xiàn)彈丸對(duì)雷達(dá)隱身，本文研究采用外形隱身技術(shù)改進(jìn)彈丸外形，減少?gòu)椡柰庑螌?duì)雷達(dá)波的散射Ks，特別是2條彈帶的雷達(dá)波散射Ks；使用吸波材料涂覆彈丸表面，吸收雷達(dá)波，從而減少?gòu)椡璧睦走_(dá)波鏡面反射Kr、行波反射Kc和爬行波反射Km，實(shí)現(xiàn)彈丸對(duì)雷達(dá)隱身。

1.3 新型S波段窄帶吸波材料

美軍AN/TPQ-37、AN/TPQ-47、AN/TPQ-53等遠(yuǎn)程炮位偵察校射雷達(dá)都工作在S波段(2～4 GHz)，常用寬帶吸波材料很難吸收S波段雷達(dá)波[7-10]。在隱身彈丸所用的S波段窄帶吸波材料方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者已有探索。Suran等將稀土元素?fù)饺隒oZn薄膜中，這種材料在高頻下具有較高的磁導(dǎo)率虛部，其中摻入鋱(Tb)元素后效果最明顯[11]，據(jù)此，胡照文等在鐵基薄片狀納米晶中摻雜鋱?jiān)?Fe83Si1Al6Cr8Tb2)，制成1.5 mm厚的磁性窄帶吸波材料，獲得了高磁導(dǎo)率和大損耗角，在2～4 GHz頻率范圍內(nèi)反射率峰值達(dá)到-16 dB[12]；由于這種材料厚度稍薄，其反射率峰值略低，為了用于隱身彈丸還需要適當(dāng)增加厚度。周克省等以尖錐八面鐵氧體晶粉(Fe3O4)為吸收劑，制成2.5 mm厚吸波材料，在6 GHz頻率點(diǎn)反射率峰值達(dá)到-15 dB，在2～9 GHz頻率范圍內(nèi)反射率峰值小于-10 dB[13].渠立永使用各向異性鐵氧體(M、Y、W型鐵氧體)與羰基鐵混合配比，研磨成微米級(jí)細(xì)粉，制成3.5 mm厚的磁性窄帶吸波材料，在2.78 GHz頻率點(diǎn)反射率峰值達(dá)到-20 dB[14].Thoumire等研究了以FeSi微粉、FeSiAl混合微粉制成吸波材料的電磁特性，在S波段具有一定的吸波效果[15]。在Thoumire等的基礎(chǔ)上，成麗春等研制了以FeSiCr混合微粉為吸收劑的吸波材料，厚度3.5 mm，在3.8～6.2 GHz頻率范圍內(nèi)反射率小于-10 dB[16].分析上述已有研究結(jié)果可以看出：現(xiàn)有S波段窄帶吸波材料雖然具有較高的反射率峰值，但是涂層都較厚，無(wú)法在隱身彈丸上采用；減小吸波材料涂層厚度是主要發(fā)展趨勢(shì)，尤其是工作在S頻段的吸波材料。為此，有學(xué)者專(zhuān)門(mén)研制了在S波段中心處具有吸收率峰值、在S波段內(nèi)平均吸收率高的窄帶吸波材料[12-13，17-18]，該吸波材料實(shí)現(xiàn)了在S波段中心處具有吸收峰值、在S波段內(nèi)平均吸收率高的目的。在遠(yuǎn)程炮位偵察校射雷達(dá)的工作頻帶3.1～3.9 GHz范圍內(nèi)，新型窄帶吸波材料的反射率峰值為-36 dB、平均反射率為-25 dB，吸波能力較為突出，如圖3所示。

圖3 新型S波段窄帶吸波材料的反射率Fig.3 Reflectivity of new type S band radar absorbing material

用S波段窄帶吸波材料涂覆彈丸表面，形成S波段全膛半隱身彈丸，其雷達(dá)散射截面(RCS)與傳統(tǒng)殺傷爆破彈丸RCS之間的差別如圖4所示。另外，常用寬帶吸波材料都能夠較好地吸收X波段雷達(dá)波，可以選用現(xiàn)有的寬帶吸波材料直接涂覆在彈丸表面，形成X波段全膛半隱身彈丸。

圖4 全膛半隱身彈丸與傳統(tǒng)殺傷爆破彈丸的雷達(dá)散射截面(頻率3.5 GHz，垂直極化)Fig.4 RCSs of full-caliber half-stealth projectile and typical antipersonnel fragmentation shell(3.5 GHz，vertical polarization)

2 隱身性能試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)X波段全膛半隱身彈丸、S波段全膛半隱身彈丸對(duì)雷達(dá)的隱身性能，在某靶場(chǎng)利用火炮發(fā)射全膛半隱身彈丸，用X波段、S波段炮位偵察校射雷達(dá)搜索、跟蹤空中飛行的全膛半隱身彈丸，捕捉全膛半隱身彈丸飛行軌跡，從而反推火炮的發(fā)射陣地的坐標(biāo)，檢驗(yàn)全膛半隱身彈丸對(duì)雷達(dá)的隱身性能。

分別制作X波段、S波段155 mm有彈底托全膛半隱身彈丸(砂彈、假引信)，如圖5所示；分別制作X波段、S波段155 mm有船尾全膛半隱身彈丸(填砂、假引信)，如圖6所示。將X波段炮位偵察校射雷達(dá)置于155 mm火炮正前方25 km處，將S波段炮位偵察校射雷達(dá)置于155 mm火炮正前方30 km處，火炮和雷達(dá)布置方案如圖7所示。

圖5 有彈底托全膛半隱身彈丸Fig.5 Full-caliber half-stealth projectile with sabot

圖6 有船尾的全膛半隱身彈丸Fig.6 Full-caliber half-stealthy projectile with boattail

圖7 火炮和雷達(dá)布置圖Fig.7 Deployment of artillery and radars

為了安全起見(jiàn)，試驗(yàn)時(shí)利用155 mm火炮以減變裝藥發(fā)射全膛半隱身彈丸，火炮射角25°，雷達(dá)仰角3°～5°，以保證全膛半隱身彈丸的飛行彈道處于雷達(dá)的搜索波束內(nèi)，如圖8所示，并測(cè)試每發(fā)彈丸初速，試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2和表3所示。

圖8 彈丸理論彈道與雷達(dá)搜索波束的關(guān)系Fig.8 Relationship between projectile trajectory and radar beam

比較表1、表2、表3中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：在155 mm火炮與X波段雷達(dá)之間距離為25 km時(shí)，相對(duì)于普通榴彈，X波段有彈底托全膛半隱身彈丸具備了隱身性能；在155 mm火炮與S波段雷達(dá)之間距離為30 km時(shí)，相對(duì)于普通榴彈，S波段有彈底托全膛半隱身彈丸具備了隱身性能；有船尾全膛半隱身彈丸的隱身效果不佳。這是因?yàn)樵搹椛媳Ａ袅?條銅彈帶、閉氣環(huán)槽等棱邊和凸起，其雷達(dá)波散射較強(qiáng)所致。

表1 全膛半隱身彈丸試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results of full-caliber half-stealth projectile

注：彈底托質(zhì)量12.1 kg，最大射程約2 km，最大高度約500 m，彈丸類(lèi)型：砂彈、假引信，裝藥溫度(自然)-5 ℃.

表2 X波段炮位偵察校射雷達(dá)性能Tab.2 Performance of X-band artillery locating and fire correction radar

注:155 mm加榴炮發(fā)射普通填砂榴彈。

表3 S波段炮位偵察校射雷達(dá)性能Tab.3 Performance of S-band artillery locating and fire correction radar

注:155 mm加榴炮發(fā)射普通填砂榴彈。

3 結(jié)論

本文研究了全膛半隱身彈丸的原理并設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)，研制了155 mm全膛半隱身彈丸用的S波段窄帶吸波材料和全膛半隱身彈丸。利用155 mm火炮發(fā)射全膛半隱身彈丸，分別利用X波段、S波段炮位偵察校射雷達(dá)搜索、跟蹤全膛半隱身彈丸檢驗(yàn)全膛半隱身彈丸的隱身性能。所得主要結(jié)論如下：

1)在25 km距離上，X波段155 mm有彈底托全膛半隱身彈丸對(duì)炮位偵察校射雷達(dá)具備隱身效果。

2)在30 km距離上，S波段155 mm有彈底托全膛半隱身彈丸對(duì)炮位偵察校射雷達(dá)具備隱身效果。

3)帶有銅彈帶、閉氣環(huán)槽等棱邊和凸起的有船尾全膛半隱身彈丸的隱身效果不佳。

4)新型S波段窄帶吸波材料吸波效果較好，適于制作S波段全膛半隱身彈丸。

5)相對(duì)全隱身彈丸[5]，有彈底托全膛半隱身彈丸具備隱身性能，且未顯著犧牲彈丸的威力和精度，較為實(shí)用。