半隱身彈丸對雷達的隱身性能研究

張培忠，寧金貴，王建國，王欣

(63850部隊，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。當我方火炮發射后，在空中飛行的彈丸易被敵方炮位偵察校射雷達探測和跟蹤，并準確地反推出我方火炮發射陣地的坐標，從而敵方可以在3 min左右時間內對我實施快速火力反擊[1-3]。在1991年海灣戰爭中，美軍利用AN/TPQ-37雷達偵察伊拉克軍隊火炮和飛毛腿導彈發射陣地356個；在2003年伊拉克戰爭中，美軍第3步兵師利用3個偵察雷達單元在21 d內偵測到伊拉克軍隊火炮和導彈發射陣地1 800個；2017年以色列陸軍利用天穹系統多次成功攔截了哈馬斯武裝人員發射的火箭彈。實戰證明：炮位偵察校射雷達對火炮發射陣地具有很強的偵察能力和探測能力，對炮兵威脅極大。雖然我軍大力發展了多型自行火炮和車載炮，以此替代老式牽引火炮而增強了炮兵機動作戰能力、實施了機動作戰，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山高路險、植被茂密，炮兵機動能力受到一定制約。因此，有必要研究一種對雷達隱身的彈丸[4]，以縮短敵方炮位偵察校射雷達探測和跟蹤彈丸的距離、降低其發現概率，防止其反推出火炮發射陣地坐標，從而達到保護我方火炮發射陣地的目的。進而使我方炮兵能夠做到出擊- 打擊- 撤離全過程隱蔽，防止被敵方發現后遭受敵方直升飛機、無人機、網絡尋飛彈的追蹤打擊。

彈丸對雷達隱身的技術包括外形隱身技術和材料隱身技術。在材料隱身方面，為了提高吸波材料對S波段炮位偵察校射雷達的雷達波吸收率，本文分析了窄帶隱身原理，即專門研制在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波段雷達波，實現彈丸對S波段雷達的隱身。在彈丸外形隱身方面，以往完全依照外形隱身設計規范設計彈丸結構，成為次口徑碟形隱身彈丸，稱為全隱身彈丸。前期試驗表明：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、內裝炸藥量偏少，并且彈丸前定心部未接觸炮膛，導致彈丸威力和精度降低，該彈僅有學術價值、缺乏實用性。為了在保持彈丸威力和精度前提下實現隱身的目的，擬改進彈丸的外形結構，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，稱這種設計的彈丸為全膛半隱身彈丸。

本文研究全膛半隱身彈丸的結構設計、隱身原理，以及隱身性能的試驗方法，驗證其隱身性能。

1 全膛半隱身彈丸的結構和原理

1.1 全膛半隱身彈丸的結構設計

本文設計了全膛半隱身彈丸結構，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接并用隼口咬合。當彈底托旋轉時可以通過隼口帶動彈體旋轉，彈帶、后定心部和閉氣環都裝在彈底托上。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加速度過載能力，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，保護吸波材料不受膛線的擠壓和磨損。當隱身彈丸出炮口后，彈底托借助壓力腔內留存的火藥氣體產生的推力，拉開鋁制螺栓，迅速與彈體分離，在空氣阻力作用下很快失速、墜落，僅保留隱身彈體獨自飛向目標。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構Fig.1 Structures of full-caliber half-stealth projectiles

同時，為了比較外形隱身效果的差異，本文還設計了一種結構更簡單的有船尾全膛半隱身彈丸，它由引信、彈體和船尾組成，彈體外形為傳統船形，彈帶、后定心部和閉氣環也都在彈體上。除了前后定心部、彈帶和閉氣環外，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，保護吸波材料不受膛線的擠壓和磨損，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，雷達波反射會很強。設計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比，從而尋求更簡易、經濟的外形隱身結構。

1.2 半隱身彈丸的原理

傳統彈丸的表面上有2條彈帶、閉氣環和前后定心部等棱邊和凸起。彈丸表面受到雷達波Ki照射時，表面棱邊、凸起、母線1階或2階導數不連續，引起較強的雷達波散射Ks，其中彈帶雷達波散射Ks最強；彈丸金屬表面引起較強的雷達波鏡面反射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.這些因素都導致了傳統彈丸對雷達不隱身，如圖2所示。

圖2 傳統彈丸的雷達波散射Fig.2 Scattering of radar waves on tranditional projectile

為了實現彈丸對雷達隱身，本文研究采用外形隱身技術改進彈丸外形，減少彈丸外形對雷達波的散射Ks，特別是2條彈帶的雷達波散射Ks；使用吸波材料涂覆彈丸表面，吸收雷達波，從而減少彈丸的雷達波鏡面反射Kr、行波反射Kc和爬行波反射Km，實現彈丸對雷達隱身。

1.3 新型S波段窄帶吸波材料

美軍AN/TPQ-37、AN/TPQ-47、AN/TPQ-53等遠程炮位偵察校射雷達都工作在S波段(2～4 GHz)，常用寬帶吸波材料很難吸收S波段雷達波[7-10]。在隱身彈丸所用的S波段窄帶吸波材料方面國內外學者已有探索。Suran等將稀土元素摻入CoZn薄膜中，這種材料在高頻下具有較高的磁導率虛部，其中摻入鋱(Tb)元素后效果最明顯[11]，據此，胡照文等在鐵基薄片狀納米晶中摻雜鋱元素(Fe83Si1Al6Cr8Tb2)，制成1.5 mm厚的磁性窄帶吸波材料，獲得了高磁導率和大損耗角，在2～4 GHz頻率范圍內反射率峰值達到-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頻率點反射率峰值達到-15 dB，在2～9 GHz頻率范圍內反射率峰值小于-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，研磨成微米級細粉，制成3.5 mm厚的磁性窄帶吸波材料，在2.78 GHz頻率點反射率峰值達到-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頻率范圍內反射率小于-10 dB[16].分析上述已有研究結果可以看出：現有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，無法在隱身彈丸上采用；減小吸波材料涂層厚度是主要發展趨勢，尤其是工作在S頻段的吸波材料。為此，有學者專門研制了在S波段中心處具有吸收率峰值、在S波段內平均吸收率高的窄帶吸波材料[12-13，17-18]，該吸波材料實現了在S波段中心處具有吸收峰值、在S波段內平均吸收率高的目的。在遠程炮位偵察校射雷達的工作頻帶3.1～3.9 GHz范圍內，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，其雷達散射截面(RCS)與傳統殺傷爆破彈丸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波段雷達波，可以選用現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殺傷爆破彈丸的雷達散射截面(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

為了檢驗X波段全膛半隱身彈丸、S波段全膛半隱身彈丸對雷達的隱身性能，在某靶場利用火炮發射全膛半隱身彈丸，用X波段、S波段炮位偵察校射雷達搜索、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，從而反推火炮的發射陣地的坐標，檢驗全膛半隱身彈丸對雷達的隱身性能。

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置于155 mm火炮正前方25 km處，將S波段炮位偵察校射雷達置于155 mm火炮正前方30 km處，火炮和雷達布置方案如圖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 火炮和雷達布置圖Fig.7 Deployment of artillery and radars

為了安全起見，試驗時利用155 mm火炮以減變裝藥發射全膛半隱身彈丸，火炮射角25°，雷達仰角3°～5°，以保證全膛半隱身彈丸的飛行彈道處于雷達的搜索波束內，如圖8所示，并測試每發彈丸初速，試驗結果如表1、表2和表3所示。

圖8 彈丸理論彈道與雷達搜索波束的關系Fig.8 Relationship between projectile trajectory and radar beam

比較表1、表2、表3中的試驗結果可以看出：在155 mm火炮與X波段雷達之間距離為25 km時，相對于普通榴彈，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波段雷達之間距離為30 km時，相對于普通榴彈，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。這是因為該彈上保留了2條銅彈帶、閉氣環槽等棱邊和凸起，其雷達波散射較強所致。

表1 全膛半隱身彈丸試驗結果Tab.1 Experimental results of full-caliber half-stealth projectile

注：彈底托質量12.1 kg，最大射程約2 km，最大高度約500 m，彈丸類型：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性能Tab.2 Performance of X-band artillery locating and fire correction radar

注:155 mm加榴炮發射普通填砂榴彈。

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

注:155 mm加榴炮發射普通填砂榴彈。

3 結論

本文研究了全膛半隱身彈丸的原理并設計了結構，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搜索、跟蹤全膛半隱身彈丸檢驗全膛半隱身彈丸的隱身性能。所得主要結論如下：

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

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

3)帶有銅彈帶、閉氣環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，較為實用。