半隐身弹丸对雷达的隐身性能研究

张培忠，宁金贵，王建国，王欣

(63850部队，吉林 白城 137001)

0 引言

目前炮兵的主要威胁之一是敌方炮位侦察校射雷达。当我方火炮发射后，在空中飞行的弹丸易被敌方炮位侦察校射雷达探测和跟踪，并准确地反推出我方火炮发射阵地的坐标，从而敌方可以在3 min左右时间内对我实施快速火力反击[1-3]。在1991年海湾战争中，美军利用AN/TPQ-37雷达侦察伊拉克军队火炮和飞毛腿导弹发射阵地356个；在2003年伊拉克战争中，美军第3步兵师利用3个侦察雷达单元在21 d内侦测到伊拉克军队火炮和导弹发射阵地1 800个；2017年以色列陆军利用天穹系统多次成功拦截了哈马斯武装人员发射的火箭弹。实战证明：炮位侦察校射雷达对火炮发射阵地具有很强的侦察能力和探测能力，对炮兵威胁极大。虽然我军大力发展了多型自行火炮和车载炮，以此替代老式牵引火炮而增强了炮兵机动作战能力、实施了机动作战，但是在云南与贵州、福建和浙江以及辽宁和吉林等陆军主要防御地区山高路险、植被茂密，炮兵机动能力受到一定制约。因此，有必要研究一种对雷达隐身的弹丸[4]，以缩短敌方炮位侦察校射雷达探测和跟踪弹丸的距离、降低其发现概率，防止其反推出火炮发射阵地坐标，从而达到保护我方火炮发射阵地的目的。进而使我方炮兵能够做到出击- 打击- 撤离全过程隐蔽，防止被敌方发现后遭受敌方直升飞机、无人机、网络寻飞弹的追踪打击。

弹丸对雷达隐身的技术包括外形隐身技术和材料隐身技术。在材料隐身方面，为了提高吸波材料对S波段炮位侦察校射雷达的雷达波吸收率，本文分析了窄带隐身原理，即专门研制在S波段具有吸收峰值的吸波材料，涂覆于弹丸表面，从而高效吸收S波段雷达波，实现弹丸对S波段雷达的隐身。在弹丸外形隐身方面，以往完全依照外形隐身设计规范设计弹丸结构，成为次口径碟形隐身弹丸，称为全隐身弹丸。前期试验表明：虽然次口径碟形隐身弹丸的隐身效果较好[5]，但是由于弹丸直径偏小、内装炸药量偏少，并且弹丸前定心部未接触炮膛，导致弹丸威力和精度降低，该弹仅有学术价值、缺乏实用性。为了在保持弹丸威力和精度前提下实现隐身的目的，拟改进弹丸的外形结构，允许弹丸的前定心部直接接触炮膛，前定心部不涂覆吸波材料，称这种设计的弹丸为全膛半隐身弹丸。

本文研究全膛半隐身弹丸的结构设计、隐身原理，以及隐身性能的试验方法，验证其隐身性能。

1 全膛半隐身弹丸的结构和原理

1.1 全膛半隐身弹丸的结构设计

本文设计了全膛半隐身弹丸结构，它由引信、弹体和弹底托组成，弹体外形为船形，弹体与弹底托之间用铝制螺栓联接并用隼口咬合。当弹底托旋转时可以通过隼口带动弹体旋转，弹带、后定心部和闭气环都装在弹底托上。除了前定心部以外，在弹丸表面涂覆吸波材料并缠绕透波纤维，为吸波材料提供抗瞬态加速度过载能力，并防止火药气体烧蚀吸波材料。前定心部和弹底托直接接触炮膛，保护吸波材料不受膛线的挤压和磨损。当隐身弹丸出炮口后，弹底托借助压力腔内留存的火药气体产生的推力，拉开铝制螺栓，迅速与弹体分离，在空气阻力作用下很快失速、坠落，仅保留隐身弹体独自飞向目标。将这种弹定义为有弹底托全膛半隐身弹丸[6]，如图1(a)所示。

图1 全膛半隐身弹丸的结构Fig.1 Structures of full-caliber half-stealth projectiles

同时，为了比较外形隐身效果的差异，本文还设计了一种结构更简单的有船尾全膛半隐身弹丸，它由引信、弹体和船尾组成，弹体外形为传统船形，弹带、后定心部和闭气环也都在弹体上。除了前后定心部、弹带和闭气环外，在弹丸表面涂覆吸波材料并缠绕透波纤维。前后定心部、弹带直接接触炮膛，保护吸波材料不受膛线的挤压和磨损，如图1(b)所示。显然，有船尾半隐身弹丸的表面有较多棱边和凸起，雷达波反射会很强。设计有船尾半隐身弹丸的目的，是检查其与有弹底托全膛半隐身弹丸之间的隐身效果差别，在两种方案之间作对比，从而寻求更简易、经济的外形隐身结构。

1.2 半隐身弹丸的原理

传统弹丸的表面上有2条弹带、闭气环和前后定心部等棱边和凸起。弹丸表面受到雷达波Ki照射时，表面棱边、凸起、母线1阶或2阶导数不连续，引起较强的雷达波散射Ks，其中弹带雷达波散射Ks最强；弹丸金属表面引起较强的雷达波镜面反射Kr、行波反射Kc和爬行波反射Km，另外包括尖顶散射Kt和边缘散射Kd.这些因素都导致了传统弹丸对雷达不隐身，如图2所示。

图2 传统弹丸的雷达波散射Fig.2 Scattering of radar waves on tranditional projectile

为了实现弹丸对雷达隐身，本文研究采用外形隐身技术改进弹丸外形，减少弹丸外形对雷达波的散射Ks，特别是2条弹带的雷达波散射Ks；使用吸波材料涂覆弹丸表面，吸收雷达波，从而减少弹丸的雷达波镜面反射Kr、行波反射Kc和爬行波反射Km，实现弹丸对雷达隐身。

1.3 新型S波段窄带吸波材料

美军AN/TPQ-37、AN/TPQ-47、AN/TPQ-53等远程炮位侦察校射雷达都工作在S波段(2～4 GHz)，常用宽带吸波材料很难吸收S波段雷达波[7-10]。在隐身弹丸所用的S波段窄带吸波材料方面国内外学者已有探索。Suran等将稀土元素掺入CoZn薄膜中，这种材料在高频下具有较高的磁导率虚部，其中掺入铽(Tb)元素后效果最明显[11]，据此，胡照文等在铁基薄片状纳米晶中掺杂铽元素(Fe83Si1Al6Cr8Tb2)，制成1.5 mm厚的磁性窄带吸波材料，获得了高磁导率和大损耗角，在2～4 GHz频率范围内反射率峰值达到-16 dB[12]；由于这种材料厚度稍薄，其反射率峰值略低，为了用于隐身弹丸还需要适当增加厚度。周克省等以尖锥八面铁氧体晶粉(Fe3O4)为吸收剂，制成2.5 mm厚吸波材料，在6 GHz频率点反射率峰值达到-15 dB，在2～9 GHz频率范围内反射率峰值小于-10 dB[13].渠立永使用各向异性铁氧体(M、Y、W型铁氧体)与羰基铁混合配比，研磨成微米级细粉，制成3.5 mm厚的磁性窄带吸波材料，在2.78 GHz频率点反射率峰值达到-20 dB[14].Thoumire等研究了以FeSi微粉、FeSiAl混合微粉制成吸波材料的电磁特性，在S波段具有一定的吸波效果[15]。在Thoumire等的基础上，成丽春等研制了以FeSiCr混合微粉为吸收剂的吸波材料，厚度3.5 mm，在3.8～6.2 GHz频率范围内反射率小于-10 dB[16].分析上述已有研究结果可以看出：现有S波段窄带吸波材料虽然具有较高的反射率峰值，但是涂层都较厚，无法在隐身弹丸上采用；减小吸波材料涂层厚度是主要发展趋势，尤其是工作在S频段的吸波材料。为此，有学者专门研制了在S波段中心处具有吸收率峰值、在S波段内平均吸收率高的窄带吸波材料[12-13，17-18]，该吸波材料实现了在S波段中心处具有吸收峰值、在S波段内平均吸收率高的目的。在远程炮位侦察校射雷达的工作频带3.1～3.9 GHz范围内，新型窄带吸波材料的反射率峰值为-36 dB、平均反射率为-25 dB，吸波能力较为突出，如图3所示。

图3 新型S波段窄带吸波材料的反射率Fig.3 Reflectivity of new type S band radar absorbing material

用S波段窄带吸波材料涂覆弹丸表面，形成S波段全膛半隐身弹丸，其雷达散射截面(RCS)与传统杀伤爆破弹丸RCS之间的差别如图4所示。另外，常用宽带吸波材料都能够较好地吸收X波段雷达波，可以选用现有的宽带吸波材料直接涂覆在弹丸表面，形成X波段全膛半隐身弹丸。

图4 全膛半隐身弹丸与传统杀伤爆破弹丸的雷达散射截面(频率3.5 GHz，垂直极化)Fig.4 RCSs of full-caliber half-stealth projectile and typical antipersonnel fragmentation shell(3.5 GHz，vertical polarization)

2 隐身性能试验

为了检验X波段全膛半隐身弹丸、S波段全膛半隐身弹丸对雷达的隐身性能，在某靶场利用火炮发射全膛半隐身弹丸，用X波段、S波段炮位侦察校射雷达搜索、跟踪空中飞行的全膛半隐身弹丸，捕捉全膛半隐身弹丸飞行轨迹，从而反推火炮的发射阵地的坐标，检验全膛半隐身弹丸对雷达的隐身性能。

分别制作X波段、S波段155 mm有弹底托全膛半隐身弹丸(砂弹、假引信)，如图5所示；分别制作X波段、S波段155 mm有船尾全膛半隐身弹丸(填砂、假引信)，如图6所示。将X波段炮位侦察校射雷达置于155 mm火炮正前方25 km处，将S波段炮位侦察校射雷达置于155 mm火炮正前方30 km处，火炮和雷达布置方案如图7所示。

图5 有弹底托全膛半隐身弹丸Fig.5 Full-caliber half-stealth projectile with sabot

图6 有船尾的全膛半隐身弹丸Fig.6 Full-caliber half-stealthy projectile with boattail

图7 火炮和雷达布置图Fig.7 Deployment of artillery and radars

为了安全起见，试验时利用155 mm火炮以减变装药发射全膛半隐身弹丸，火炮射角25°，雷达仰角3°～5°，以保证全膛半隐身弹丸的飞行弹道处于雷达的搜索波束内，如图8所示，并测试每发弹丸初速，试验结果如表1、表2和表3所示。

图8 弹丸理论弹道与雷达搜索波束的关系Fig.8 Relationship between projectile trajectory and radar beam

比较表1、表2、表3中的试验结果可以看出：在155 mm火炮与X波段雷达之间距离为25 km时，相对于普通榴弹，X波段有弹底托全膛半隐身弹丸具备了隐身性能；在155 mm火炮与S波段雷达之间距离为30 km时，相对于普通榴弹，S波段有弹底托全膛半隐身弹丸具备了隐身性能；有船尾全膛半隐身弹丸的隐身效果不佳。这是因为该弹上保留了2条铜弹带、闭气环槽等棱边和凸起，其雷达波散射较强所致。

表1 全膛半隐身弹丸试验结果Tab.1 Experimental results of full-caliber half-stealth projectile

注：弹底托质量12.1 kg，最大射程约2 km，最大高度约500 m，弹丸类型：砂弹、假引信，装药温度(自然)-5 ℃.

表2 X波段炮位侦察校射雷达性能Tab.2 Performance of X-band artillery locating and fire correction radar

注:155 mm加榴炮发射普通填砂榴弹。

表3 S波段炮位侦察校射雷达性能Tab.3 Performance of S-band artillery locating and fire correction radar

注:155 mm加榴炮发射普通填砂榴弹。

3 结论

本文研究了全膛半隐身弹丸的原理并设计了结构，研制了155 mm全膛半隐身弹丸用的S波段窄带吸波材料和全膛半隐身弹丸。利用155 mm火炮发射全膛半隐身弹丸，分别利用X波段、S波段炮位侦察校射雷达搜索、跟踪全膛半隐身弹丸检验全膛半隐身弹丸的隐身性能。所得主要结论如下：

1)在25 km距离上，X波段155 mm有弹底托全膛半隐身弹丸对炮位侦察校射雷达具备隐身效果。

2)在30 km距离上，S波段155 mm有弹底托全膛半隐身弹丸对炮位侦察校射雷达具备隐身效果。

3)带有铜弹带、闭气环槽等棱边和凸起的有船尾全膛半隐身弹丸的隐身效果不佳。

4)新型S波段窄带吸波材料吸波效果较好，适于制作S波段全膛半隐身弹丸。

5)相对全隐身弹丸[5]，有弹底托全膛半隐身弹丸具备隐身性能，且未显著牺牲弹丸的威力和精度，较为实用。