吸收型雷达无源干扰材料研究进展与应用

贾 菲，鲍红权，徐 铭

(中国建筑材料科学研究总院，北京 100024)



吸收型雷达无源干扰材料研究进展与应用

贾 菲，鲍红权，徐 铭

(中国建筑材料科学研究总院，北京 100024)

分析了传统无源干扰装备在作战使用中存在的局限性，指出了吸收型无源干扰材料研究的必要性。详细介绍了泡沫云、膨胀石墨、改性纤维、吸收型箔条等几种吸收型无源干扰材料的性能及研究现状，并指出目前吸收型无源干扰材料在波段覆盖、战术应用以及工程化制备等方面仍存在一定缺陷，需进一步研究探索。

复合材料；吸收型干扰材料；吸收型箔条

0 引 言

雷达自问世以来，一直在现代战争中发挥着不可替代的作用，先进探测器、导弹等精密制导武器均需由雷达制导，因此干扰雷达是现代战争的首要任务。狭义上来说，雷达干扰分为有源干扰和无源干扰2类。有源干扰是利用干扰机发射干扰信号，对敌方雷达进行压制和欺骗的干扰，具有设备复杂、功率大、覆盖面积窄、效费比低等问题。无源干扰是干扰体本身不辐射电磁能量的干扰，它利用介质对雷达信号的散射和吸收衰减作用，对敌方雷达形成干扰。相对而言，无源干扰技术具有灵活、便捷、干扰效果好、效费比高等优势。

随着现代化电子和信息技术的飞速发展，各种新型雷达、先进探测器及精密制导武器等异军突起，攻击精度不断提高、作用距离迅速增加，且具有全方位的攻击能力，战斗效能大大提高。因此，单一的无源干扰技术已无法适应现代战争的要求，新的无源干扰技术，尤其是无源干扰材料的研制，对提高战场生存能力、加强国防建设具有十分重要的意义。本文指出了传统无源干扰装备的局限性，重点综述了吸收型无源干扰材料的研究进展，并展望了其应用前景。

1 无源干扰技术现状

雷达无源干扰技术是包括雷达无源干扰物、干扰物布放、战术应用模式的综合性干扰技术。自第二次世界大战以来，雷达无源干扰技术得到迅猛发展，世界各国均研制和装备了以箔条弹为主的雷达无源干扰系统，并拓展到海、陆、空、天各作战平台，形成了系列无源干扰装备产品[1]，主要有：箔条弹、红外弹、烟幕弹等。其中箔条弹的品种和规格最为丰富，装备于飞机、舰船、导弹、炮弹、坦克和战车等平台上。

尽管无源干扰技术的研究进展较快，但是现有的烟幕、箔条等无源干扰技术在作战使用中仍然存在一定的局限性：(1)飞机、大中型水面舰船等大型目标在实施箔条质心干扰时，为达到预设有效雷达散射截面(RCS)值，要求一次性布放箔条量大，且全部布放于来袭导弹雷达波束内，才可达到预期干扰效果[2]。(2)现有无源干扰装备具有消极防御的特点，实施干扰时需对敌方来袭武器的制导波段进行预估判断。若对敌方来袭精确制导武器的先验知识不足，防御就会缺乏主动权。(3)对于施放保障要求高，易受水文气象等不可控因素的影响，达不到理想干扰效果。因此，面对雷达新体制、新技术对传统无源干扰技术的巨大冲击，有效的无源对抗技术和手段是当前研究的焦点。

吸收型无源干扰材料可吸收入射电磁波，并将电磁能转换为热能耗散掉，从而衰减目标回波，减少目标的可探测信息特征，降低敌方探测系统发现目标的概率。因其干扰机理为吸收衰减，而非传统的反射或谐振散射，吸收型无源干扰物在实施干扰时，对于先验知识的判断要求较传统箔条有所降低，既可以单独投入作战使用,也可以与传统箔条协作共用形成优势互补，因此，具有主动干扰的特性。从国内目前相关研究成果来看，吸收型干扰材料的研制和应用，不仅有助于弥补常规无源干扰材料的不足，对丰富干扰作战手段、提高干扰作战效率亦具有实际意义。

2 吸收型无源干扰材料性能要求

吸收型无源干扰材料由电磁波吸收剂和基体材料复合制备而成。作为干扰材料，除吸波能力外，吸收型干扰材料在分散率、留空时间、下降速率等使用性能方面亦有严格要求，因此，其制备工艺、成型方式与常规吸波材料具有较大差异。目前，常用的电磁波吸收剂主要有铁氧体、多晶铁纤维、导电高聚物及新型纳米吸波材料等，按损耗机理可分为电阻损耗型、介电损耗型以及磁损耗型3类[3-5]。铁氧体、金属微粉等磁损耗型材料具有较强的吸波性能，但密度较大，纯铁氧体类箔条难以保证留空性能。导电高聚物等电损耗型吸波剂虽然质量较轻，但吸波频带较窄。因此，单一电磁波吸收剂同时满足吸收型无源干扰材料应用指标及吸波性能难度较大。吸收型无源干扰材料应根据作战需求，对各类电损耗型以及磁损耗型吸波剂采取针对性复合。

吸收型无源干扰材料主要应用于无源干扰作战中，弱化目标回波，降低目标RCS，并为常规无源干扰物提供更为显著的优势源特征，达到有效干扰敌方雷达探测系统的目的。为达到预期干扰效果，吸收型无源干扰材料除满足常规吸波材料“薄、轻、宽、强”等要求外，还应具有高可靠性、长效性、普适性、快速性等技术要求以及实施状态可控、施放效能可评估等战术运用要求，具体来说：

(1) 应满足干扰材料关于留空时间的要求，飘降速率应小于0.8 m/s才具有实际意义。因此，吸收型无源干扰材料在轻质的前提下，应采用条片状形貌。条片状材料雷诺数大，空气流速对其影响较小[6]，布放后可快速散开并形成具有较大面积的干扰幕。

(2) 吸收型无源干扰材料应具有较强吸波能力，满足传统吸波材料对于实用性的要求，即反射率优异的频带应尽可能宽。

(3) 吸收型无源干扰材料对雷达波的作用机制应为“透射吸收”，即在实现相同吸收效果的同时，未被吸收的电磁能与干扰幕的作用方式应为透射而非散射——吸收型干扰幕对雷达电磁波的衰减方式为双程衰减最佳。

(4) 吸收型无源干扰材料吸收频段应涵盖导引头工作频段，可同时对可见光、红外、激光、雷达等制导系统实施复合干扰。

(5) 材料制备工艺可工程化程度高、一致性强、效费比高，有利于实现批量装备。

3 吸收型干扰材料的研究近况

近年来，国内有关机构相继开展了吸收型无源干扰材料的研制工作，主要包括膨胀石墨、泡沫云、改性纤维类干扰材料以及吸收型箔条等。但在波段覆盖、战术使用以及工程化制备等方面仍存在较大缺陷，需进一步的研究与探索。

3.1 泡沫云

特种泡沫型干扰幕(泡沫云)由S-4烟幕剂、包覆处理的NaHCO3超细粉、微米级铜、铝等金属超细粉末以及其他添加剂构成。泡沫云的多界面效应、片状泡沫对电磁波具有独特的衰减作用；穿入其中的电磁波入射到铜、铝等良导体和其他颗粒物表面时，被其吸收、散射，从而转化为热量损耗掉；泡沫云中所含的大量H2O、CO2以及其他超细颗粒对红外辐射具有强烈的吸收作用。因此，泡沫云可以同时对可见光、红外、激光和雷达系统实施有效干扰[7-9]。

泡沫云因其干扰波段宽、干扰时间长、无残留污染等优势在无源干扰技术领域具有广阔的发展前景。海军大连舰艇学院的金良安等人对泡沫云复合干扰材料做了比较深入的研究，所研制的基于泡沫云的红外-毫米波复合干扰材料、特种泡沫云(SFS)[10]以及胶质气体泡沫(CGA)[11]对红外和毫米波都有较好的干扰效果。

泡沫云对电磁波的衰减程度取决于气泡粒径大小、浓度、泡沫层厚度及添加的特种组分。气泡越小，液层越厚，干扰效果越好。而气泡粒径越小，相对含液量越大，比重就越大，相对沉降速度也越快，留空时间缩短。当气泡液层厚度超过某一阈值时，会形成“退化泡沫”，使特种泡沫云的干扰效果急剧下降。泡沫发生剂被发射到空中后，需要进行一系列物理、化学反应才能产生大量泡沫，这个过程需要一定的时间，影响泡沫型干扰幕的快速形成。因此，实际运用时，对其引射施放过程具有较高要求。

3.2 膨胀石墨

膨胀石墨是一种具有有限电导率的介质材料，当电磁波入射到膨胀石墨后，会产生介电损耗，即部分电磁波被转化为内能而消耗掉。因此，膨胀石墨对电磁波具有吸收衰减的特性。自1993年德国Nico[12]公司发明了“NG19”多波段发烟剂以来，有关膨胀石墨衰减毫米波的研究日趋深入。德国专利采用石墨层间化合物等组成复合烟幕剂，利用烟火药燃烧时释放出的热使石墨膨胀化并分散于空中，形成对可见光至毫米波范围内有效的干扰烟幕。

国内就膨胀石墨对毫米波的干扰研究始于上世纪90年代，对膨胀石墨的前身石墨层间化合物的制备研究基本趋于成熟。南京理工大学周明善[13]通过化学氧化法制备出膨胀容积较高的几种石墨层间化合物，其层间化合物含量高达75%，且具有较好的环境稳定性和安定性。采用熔盐法或化学氧化法将FeCl3[14]、二茂铁[15]或FeCl3与CoCl2的混合物[16]作为插层剂制备石墨层间化合物,或将磁性纤维掺杂在可膨胀石墨中，高温膨化后膨胀石墨缝隙中带有一定的磁性物质，表现出明显的顺磁性或亚铁磁性。当电磁波通过改性后的膨胀石墨时，它能产生一定的磁损耗，增加毫米波衰减幅度。

由于具有质量轻、在空中易于飘浮、导电性好等优势，膨胀石墨是极具开发前景的新型毫米波干扰材料。但膨胀石墨的膨化过程能耗高、容积率低，因此膨胀石墨的有效含量受供热剂的限制，若要达到一定的布放密度，需要布放大量的瞬时膨化剂，干扰效率较低。另外，药剂爆炸分散及燃烧时产生大量气体，导致膨胀石墨干扰云团分散性极强，单个膨胀石墨蠕虫粒子之间缺少一定的粘附力[17]，很难在空中形成稳定的干扰屏障。使用时，干扰烟幕易受风向、风速、大气垂直稳定度和地形条件的限制，战斗状态不可控，难以达到理想的作战目的。目前，膨胀石墨对毫米波具有一定的衰减性能，但对于制导主要的厘米波段干扰效果尚不显著，其干扰频段有待拓宽。

3.3 纤维类干扰材料

纤维类干扰材料对雷达波的衰减是吸收和散射共同作用的结果，是一种很好的箔条替代材料。一般选用具有一定电导率、质量轻、留空时间长且耐高温、抗氧化的纤维材料作为无源干扰材料。碳纤维本身是雷达波的强反射体，经过对其进行表面改性或掺杂处理之后，可使其具有吸波性能。用环氧树脂粘合碳纤维粒子和在碳纤维表面涂覆石墨制成新型毫米波遮蔽云[18]，可以达到有效保护军事装备的目的。许赟[19]等通过在碳纤维表面涂覆聚苯胺制得碳纤维/聚苯胺复合材料，一定程度上提高了其对毫米波的衰减性能。王蓓[20]等在碳纤维表面涂覆视黄基席夫碱盐，所制得的复合材料对8 mm波具有良好的干扰作用。陈昕[21]等采用化学镀法制备镍包覆竹纤维，所得复合材料密度较低，粒径接近毫米量级，导电性良好，具有一定的磁性，可作为毫米波干扰材料使用。

改性碳纤维目前在电磁防护、伪装等方面有较佳的作用。但由于受静电、交叉排布影响较大，碳纤维类材料在空中不易分散且有抱团现象，因此改性碳纤维在留空式无源干扰应用中存在一定问题。

3.4 雷达波段专用吸收型箔条

泡沫云、膨胀石墨、改性碳纤维等对红外、毫米波具有一定的干扰效果，但对于目前制导主要的厘米波段干扰效果尚不显著。目前，国外已开展雷达波段专用吸收型箔条的研究，但见报较少。国内也开展了吸收型箔条的制备技术与应用研究工作。韩朝[22]等在镀铝玻璃丝表面涂覆纳米吸波材料制得吸收型箔条，并用对比法对所制备箔条进行了吸收特性测试。其制备箔条在35～40 GHz频段具有一定的吸波效果，低频效果不佳，分散率未测试。中国建筑材料科学研究总院徐铭等采用超细氮化硼粉、掺杂云母粉和合金微粉按一定配比组成电磁波吸收剂，采用疏松轻质弹性纤维作为主体骨架制备雷达波吸收型箔片，箔片厚度为20 μm，面密度90 g/m2，符合轻质要求，留空性能得到保证。吸波性能测试曲线如图1所示，通过对材料组分尤其是布放密度的调整，可针对性调整箔片群的吸收峰频率，且箔片的散开特性有利于快速布放，实用性得到提高。

图1 吸波性能实测曲线 (2～18 GHz)

吸收型箔条的工作原理如图2所示，吸收型干扰云屏障可吸收衰减敌方雷达或导弹导引头主动制导光电信号以及目标光电辐射和反射回波，使敌方探测设备接收到的目标回波信号幅度低于其发现目标的最低门限值，从而降低敌方探测设备以及导弹发现和跟踪目标的几率。其吸收特性可表示为[23]：

A=A0e-α(λ)L

(1)

式中:A0为进入干扰云屏障信号强度;A为经过干扰物吸收后信号强度;L为吸收型干扰物屏障的等效厚度;α(λ)为干扰物吸收系数，与干扰物吸收特性、体积密度及入射波长有关。

图2 吸收型箔条工作示意图

4 结论及展望

在充分发挥传统无源干扰装备干扰效能的基础上，加强吸收型无源干扰材料，尤其是吸收型箔条与箔片的研制工作，对丰富无源干扰作战手段、提高干扰效率具有重大意义。近年来，国内外对吸收型无源干扰材料进行了较多的理论研究和应用探索，取得了一定进展，但仍有如下问题有待解决：

(1) 涂层厚度及面密度较大，材料比重增加，无法满足留空式无源干扰材料对填装密度、留空时间及下落速度等性能的要求。

(2) 吸收频段较窄，无法满足宽波段全频覆盖的要求，全频吸波性能有待提高。

(3) 吸收型无源干扰材料干扰效率的评估及测试方法有待健全。

为适应未来战场对无源干扰技术与战术的高要求，在吸收型无源干扰材料实际应用中还有待加强以下问题的研究：

(1) 加强轻质微波吸收材料的研究，改善吸收型无源干扰材料的比重、填装系数、留空时间以及干扰效能。

(2) 加强吸收型无源干扰材料的制备工艺研究，改善材料的表面状态及吸波剂与基体材料的界面结构。

(3) 构建合理的方法测试吸收型无源干扰材料的雷达波衰减性能。

(4) 对吸收型无源干扰材料干扰雷达波的基础理论进行深入研究，完善材料的理化性能数据，构建相关模型来模拟吸收型无源干扰材料的运动特性和雷达波衰减性能。

[1] 胡守军.雷达无源干扰技术的发展趋势[J].舰船电子工程,2008,28(6):121-123.

[2] 马延平,何国宝.雷达波吸收型箔条无源干扰材料的制备与特性[J].水雷战与舰船防护,2014,22(1):77-80.

[3] 景红霞.低频段复合吸波材料的制备及电磁性能研究[D].太原:中北大学,2013.

[4] 陈雪刚,叶瑛,程继鹏.电磁波吸收材料的研究进展[J].无机材料学报,2011,26(5):449-457.

[5] 李金儡,陈康华,范令强,彭伟才,黄兰萍.雷达吸波材料的研究进展[J].功能材料,2005,8(36):1151-1154.

[6] 陈静.关于0.618和一种应用[J].光电对抗与无源干扰,2003,69(1):30-31.

[7] 金良安,王孝通,童幼堂,等.基于泡沫云的红外-毫米波复合干扰技术研究[J].红外与毫米波学报,2004,23(6):413-417.

[8] Embury Jr.Method for creating a one way visible screening smoke[P].America Patent:US5682010,1997-10-28.

[9] Ward C Stevens.Metal-coated substrate tesposive to electromagnetic radiation and method for making and using the same[P].America Patent:US60170626,2000-01-25.

[10]金良安,战希臣,付建国,郑振宇,石侃.提高泡沫云对红外/毫米波复合制导干扰效果的实用途径研究[J].红外与毫米波学报,2006,25(3):188-191.

[11]金良安,田恒斗,战希臣,石侃.胶质气体泡沫对IR/MMW的干扰特性研究[J].红外与毫米波学报,2010,29(1):19-22.

[12]Uwe Kron,Klaus Moller,Ernest Shulz.Pyrotechnic smoke generator for camouflage purpose[P].America Patent:US5656794,1997-08-12.

[13]周明善.用于毫米波无源干扰的石墨层间化合物研究[D].南京:南京理工大学,2007.

[14]周明善,李澄俊,徐铭,陶勇.石墨层间化合物FeCl3-CrO3-GIC的制备及性能研究[J].无机化学学报,2006,22(11):2049-2054.

[15]任慧, 康飞宇,焦清介,崔庆忠.掺杂磁性铁粒子膨胀石墨的制备及其对毫米波的干扰作用[J].新型碳材料,2006,21(1):24-28.

[16]李富进,刘洪波,陈颖.三元FeCl3-CoCl2-GICs的制备及表征[J].湖南有色金属,2009,25(2):44-47.

[17]周明善,徐铭,李澄俊,伍士国.毫米波无源干扰技术及膨胀石墨在其中的应用[J].微波学报,2008:24(1): 80-86.

[18]Rouse Wilian G.Milimeter wave screening cloud and method[P].America Patent:US5148173,1993-09-15.

[19]许赟.碳纤维/聚苯胺复合材料的制备及毫米波衰减性能研究[D].南京:南京理工大学, 2009.

[20]王蓓.视黄基席夫碱盐的制备及毫米波衰减性能研究[D].南京:南京理工大学,2009.

[21]陈昕,潘功配,赵军,曹传新.镍包覆竹纤维作为毫米波干扰材料的性能[J].解放军理工大学学报(自然科学版),2010,11(6):664-667.

[22]韩朝,赵国志,黄小忠.毫米波吸收型箔条研究[J].弹箭与制导学报,2006,26(2):484-485.

[23]何国宝.多功能复合吸收型干扰物布放及其反导机理初探[J].水雷战与舰船防护,2000(2):53-55.

Research Development and Application of Absorptive Passive Jamming Material of Radar

JIA Fei,BAO Hong-quan,XU Ming

(China Building Material Academy,Beijing 100024,China)

This paper analyzes the limitations of traditional passive jamming equipments in campaign usage,points out the necessity to study absorptive passive jamming materials,introduces detailedly the characteristics and study actuality of several absorptive passive jamming materials such as foam interfering screen,exfoliated graphite,modified fiber,absorptive chaff,etc.,indicates that the disadvantages of current absorptive passive jamming material in band covering,tactics application and engineering production,and further research is need.

composite material;absorptive jamming material;absorptive chaff

2015-01-30

TN972.4

A

CN32-1413(2015)02-0007-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.02.003