弹丸对雷达隐身的技术*

张培忠, 张亚欧, 宁金贵, 宋晓辉

(中国白城兵器试验中心, 吉林白城 13700)

弹丸对雷达隐身的技术*

张培忠, 张亚欧, 宁金贵, 宋晓辉

(中国白城兵器试验中心, 吉林白城 13700)

为了实现弹丸对炮位侦察校射雷达隐身,研究了弹丸对雷达隐身的原理和结构,采用改进弹丸表面和形状的技术,实现弹丸外形隐身,研制S波段、X波段窄带吸波材料,涂覆在弹丸表面上,实现弹丸窄带吸波材料隐身,测试了隐身弹丸的雷达散射截面及其对雷达的隐身效果,结果表明:与传统的杀爆弹相比,隐身弹丸的雷达散射截面明显减小,被雷达探测到的距离显著缩短,弹丸具备了隐身性能。

弹丸;隐身;窄带吸波材料

0 引言

目前炮兵的主要威胁之一是炮位侦察校射雷达。当火炮发射以后,在空中飞行的弹丸易被对方炮位侦察校射雷达进行远距离探测、跟踪,并准确地反推算出火炮发射阵地的坐标,对方可以在3 min左右的时间内实施快速火力反击。例如美军AN/TPQ-37型S波段炮位侦察校射雷达,探测距离大于50 km;AN/TPQ-36型X波段炮位侦察校射雷达,探测距离大于40 km[1];更先进的AN/TPQ-47、AN/TPQ-53远程型S波段和AN/TPQ-48轻型Ku波段炮位侦察校射雷达也已经大量列装。炮位侦察校射雷达在现代战争中表现也十分突出,在1991年海湾战争中,美军利用AN/TPQ-37雷达侦察伊军火炮和“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天内测得伊军的火炮和导弹发射阵地1 800个。所以,有必要研究一种对雷达隐身的弹丸[2],它能够缩短对方炮位侦察校射雷达探测和跟踪弹丸的距离,防止其反推算出火炮发射阵地的坐标,从而达到保护火炮发射阵地的目的,使炮兵能够做到出击、打击、撤离全过程隐蔽,防止被对方追踪打击。

目前尚未见到国外有关弹丸对雷达隐身技术方面的报道;国内仅有理论探索和专利发布[3-7],从理论上、原理上分析了该技术的必要性、可行性,以及初步技术方案,未见到关于实验研究结果的报道。

1 隐身弹丸的结构和原理

1.1 隐身弹丸的结构设计

设计了一种隐身弹丸结构,它由引信、弹体和弹底托组成,弹体的外形为碟形,弹带、前后定心部和闭气环都装在弹底托上,飞碟形弹体表面没有棱边和凸出物。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作用。为了保证吸波材料不接触炮膛,采用次口径的弹体,弹体外表面周向由弹底托包裹,弹底托直接接触炮膛,保护吸波材料不受膛线挤压和磨损。当隐身弹丸出炮口之后,弹底托借助压力腔内的工作质燃烧产生的推力,迅速与弹体分离,在空气阻力作用下,很快失速、坠落,仅保留碟形隐身弹体独自飞向目标。暂时定义此弹种为次口径碟形隐身弹丸[8],如图1所示。

1.2 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突起,表面棱边、突起、母线一阶/二阶导数不连续引起较强的雷达波散射,弹丸金属表面引起较强的雷达波镜面反射、行波反射和爬行波反射,这些原因导致传统弹丸不隐身。采用外形隐身技术改进弹丸外形,减小弹丸外形对雷达波的散射,使用吸波材料涂覆弹丸表面,吸收雷达波,从而减小弹丸的雷达波镜面反射、行波反射和爬行波反射,实现弹丸隐身。但是远程炮位侦察校射雷达工作在S波段(2～4 GHz),上述原理很难实现弹丸在S波段隐身,原因是:隐身飞机和隐身导弹使用的吸波材料全是宽带吸波材料[9-10],其吸波剂微粒对波长较长的S波段雷达波衰减作用弱,吸收效果不好,涂覆在弹丸表面上没有明显的隐身效果。

为了解决弹丸在S波段隐身的难题,提出窄带吸波材料隐身原理:研制在S波段中心处具有吸收峰值、在S波段内平均吸收率高的窄带吸波材料,在弹丸表面涂覆窄带吸波材料,在弹上标出频段,作战时炮兵根据侦察获取的对方雷达频段,装填对应频段的隐身弹丸实施攻击。尽管这种S波段窄带隐身弹丸对X波段炮位侦察校射雷达的隐身效果比较低,但是,X波段炮位侦察校射雷达的作用距离也比较近,一般近20～30 km,威胁相对较小。

1.3 窄带吸波材料

2 静态隐身性测试

为了对比隐身弹丸相对某型传统杀爆弹的隐身效果,制作了次口径碟形隐身弹丸,在微波暗室内分别对某型传统杀爆弹、经过改进表面和形状的次口径碟形弹丸、涂覆窄带吸波材料的次口径碟形隐身弹丸的雷达散射截面进行静态测试,获得弹丸经过改进表面和形状、涂覆吸波材料以后的隐身效果。隐身弹丸相对传统杀爆弹的雷达散射截面越小(例如小10 dB),则隐身弹丸反射的雷达波越弱,隐身效果就越好。

2.1 静态测试

被测试的弹丸包括:已经发射过的某型杀爆弹、经过改进表面和形状的次口径碟形弹丸(图3)、涂覆窄带吸波材料的次口径碟形隐身弹丸(图4)。隐身弹丸涂覆的吸波材料分别是S波段窄带吸波材料,厚度2 mm,X波段窄带吸波材料,厚度1 mm。

在微波暗室内进行测试,测试步骤是:1)测试某型传统杀爆弹的雷达散射截;2)测试经过改进表面和形状的次口径碟形弹丸的雷达散射截面;3)测试涂覆窄带吸波材料的次口径碟形隐身弹丸的雷达散射截面。测试方法是:弹丸放置于目标平台上,弹丸的方位角是以弹尖正对微波发生器方向为0°,平台旋转角度范围-180°～+180°,测试过程中,控制目标平台每次旋转0.25°,微波在S波段、X波段范围内照射弹丸一遍,跳频间隔0.1 GHz。

2.2 测试结果分析

考虑到陆军未来主要防御方向多为山区,火炮常用射角在20°以上,加上远程炮位侦察校射雷达搜索过程中有9°仰角,因此炮位侦察校射雷达在搜索弹丸的过程中,雷达波束与弹丸轴线的夹角在30°～90°范围以内[1],在分析测试结果时,仅关注方位角在30°～90°范围以内的平均值。

1)弹丸经过改进表面和形状产生的隐身效果。某型杀爆弹的表面一阶、二阶导数都不连续,易引起雷达波散射。经过改进表面以后,消除了此类散射源,减少了雷达散射截面。测试了杀爆弹、经过改进表面和形状后的次口径碟形弹丸的雷达散射截面,结果如图5所示,表明弹丸的雷达散射截面已经平均下降7.0 dB,但在32°～47°范围内效果不明显。

2)弹丸表面涂覆吸波材料产生的隐身效果:在碟形弹丸表面分别涂覆S波段窄带吸波材料(厚度2 mm)和X波段窄带吸波材料(厚度1 mm),进行测试。涂覆S波段窄带吸波材料以后的隐身弹丸的雷达散射截面结果如图6所示,表明隐身弹丸的雷达散射截面已经平均下降9.3 dB,而且在30°～90°范围内效果都很明显。

涂覆X波段吸波材料前后的隐身弹丸的雷达散射截面结果如图7所示,表明X波段吸波材料使弹丸的雷达散射截面平均下降8.8 dB,且在30°～90°范围内效果都很明显。

3 动态隐身性试验

为了测试隐身弹丸对雷达的隐身效果,实施了动态隐身性试验。利用火炮发射隐身弹丸,使用雷达测试飞行中的隐身弹丸的隐身效果,雷达探测隐身弹丸的距离比传统杀爆弹的越近(例如近50%),则隐身弹丸的隐身性能越高。炮位侦察校射雷达有2种使用方式,一种是侦察:对方雷达处于我方火炮阵地前方,探测飞行中的弹丸坐标,反推算出火炮发射阵地;另一种是校射:我方雷达处于我方火炮阵地侧后方,通过探测飞行中的弹丸坐标,预测弹丸落点,修正射击诸元。本次试验中采用第二种方式,将X波段雷达置于火炮阵地后方,由其跟踪弹丸,获得弹道数据,依据其跟踪弹丸的距离来评价弹丸的隐身效果。

利用155 mm火炮以45°射角发射X波段次口径碟形隐身弹丸,其弹体的直径为136 mm,由于该弹丸是第一次试验,为了安全起见,使用了3号减变装药射击,实测初速为607.8 m/s。为了进行隐身效果对比,在同一阵地上利用130 mm火炮发射全装药旧式130 mm榴弹,实测初速为932.7 m/s。将某型X波段全弹道雷达置于火炮阵地后方,测试前预先为该雷达输入弹丸的理论弹道,以方便其扑捉并全程跟踪弹丸,获得弹丸相对雷达的径向速度,测试结果如图8所示。结果表明:该雷达能够跟踪旧式130 mm榴弹60 s,雷达与弹丸之间的距离最远达到23.6 km,但是跟踪次口径碟形隐身弹丸的弹体5.2 s,雷达与隐身弹丸之间的距离最远只有3.2 km,二者相比,雷达与弹丸之间的距离缩短了86%。

4 结论

研究了隐身弹丸的原理并设计了结构,研制了隐身弹丸用的窄带吸波材料和次口径碟形隐身弹丸,进行静态测试,获得了窄带吸波材料的性能,以及某型杀爆弹、隐身弹丸的雷达散射截面,进行动态试验,获得了隐身弹丸相对旧式榴弹对雷达的隐身效果。分析结果得出以下结论:

1)改进弹丸表面和形状能够降低弹丸的雷达散射截面,提高弹丸的隐身性能;

2)次口径碟形弹丸表面涂覆S波段、X波段窄带吸波材料以后,弹丸雷达散射截面明显降低;

3)次口径碟形弹丸涂覆X波段窄带吸波材料后,显著缩短了雷达跟踪弹丸的距离。

鉴于次口径碟形隐身弹丸的前定心部也涂覆了吸波材料,虽然隐身效果好,但是损失了威力和精度,后续将采用全膛船形隐身弹丸结构[12]加以改进。

[1] 周立伟. 目标探测与识别 [M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2004, 9: 254-256.

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[12] 张培忠, 张亚欧, 宁金贵, 等. 一种全膛船形隐身榴弹: 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

张培忠(1966-),男,吉林安图人,研究员,博士,研究方向:装备试验。