裝甲車輛典型強散射源雷達隱身涂料應用研究

李　輝，張?zhí)觳?，李　兵，鄧愛明，魏文?/p>

(中國兵器工業(yè)第五九研究所, 重慶　400039)

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裝甲車輛典型強散射源雷達隱身涂料應用研究

李輝，張?zhí)觳牛畋?，鄧愛明，魏文?/p>

(中國兵器工業(yè)第五九研究所, 重慶400039)

摘要：目的：為裝甲車輛典型強散射源提出隱身材料的應用建議，為裝備隱身外形設計及隱身涂料應用提供參考。方法：模擬裝甲車輛外形結(jié)構，制備典型強散射源構件試樣。在微波暗室10 GHz和35 GHz雷達波段下，對涂裝吸波涂料前后的試樣進行對比測試，分析測試結(jié)果。結(jié)果：涂裝毫米波或厘米波吸波涂料對炮塔和底盤結(jié)合部RCS大于-10 dBsm的角域方向減縮效果明顯，平均可達10 dBsm，而RCS小于-10 dBsm的角域減縮效果不顯著；涂裝毫米波吸波涂料對棱邊的RCS具有一定的減縮效果，且隨著棱邊夾角增大，效果越明顯，可達20 dBsm，但涂裝厘米波吸波涂料效果不明顯；對于首上裝甲，采用吸波涂料可將弧形法線方向和次強散射角域的RCS縮減至3 dBsm以下；對于二面角，涂裝吸波涂料對RCS減縮效果不明顯。結(jié)論：對于炮塔和底盤結(jié)合部腔體、車體二面角等部位，隱身處理應以整形為主，對于不能整形的，應涂裝厘米/毫米兼容的吸波涂料；對于法向不在威脅角域的棱邊面，可不涂裝厘米波吸波涂料，但應該涂裝毫米波吸波涂料；對于弧形結(jié)構等組成復雜的首上部件，需要涂裝厘米/毫米兼容的吸波涂料。

關鍵詞：隱身技術；散射源；吸波材料；應用建議

本文引用格式：李輝，張?zhí)觳?，李兵，?裝甲車輛典型強散射源雷達隱身涂料應用研究[J].兵器裝備工程學報，2016(1):43-47.

Citation format:LI Hui，ZHANG Tian-cai，LI Bing，et al.Application Research on Radar Stealth Coating Materials for Typical Strong Scattering Sources of the Armored Vehicle[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):43-47.

雷達具有探測距離遠、抗干擾能力強、全天候工作等得天獨厚的優(yōu)勢，在現(xiàn)代戰(zhàn)場中占有重要地位，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭偵測手段中最可靠、也是應用最廣泛的一種探測設備[1-2]。因此，針對雷達探測識別的雷達隱身在隱身技術領域占有非常重要的地位，是裝備隱身的重要研究內(nèi)容[3-4]。雷達隱身技術是采取多種措施降低目標對雷達電磁波的反射特性，使雷達接收到的目標回波信號能量大幅度減少，雷達對目標的探測距離大大縮短的技術。目前，大部分設計觀點認為，通過減小坦克裝甲車輛的外形尺寸來實現(xiàn)雷達隱身，但是，在坦克裝甲車輛傳統(tǒng)結(jié)構形式下，要使坦克裝甲車輛的尺寸有較大幅度縮小是不可能的。通過隱身外形設計，能散射30%左右的雷達波，但要進一步提高雷達隱身效果，應在坦克裝甲車輛的設計制造中使用吸波材料[5]。

吸波材料作為一種重要的軍事功能材料，其作用是減少或消除雷達等對目標的探測，達到戰(zhàn)場隱身提高自身生存力的目的[6-7]，雷達吸波材料是一種能夠吸收電磁波、降低目標雷達特征信號，使其具有難以被發(fā)現(xiàn)、識別的功能性材料[8]，具有不改變目標外形[9]而實現(xiàn)較好隱身效果的優(yōu)點，是實現(xiàn)武器裝備雷達隱身的主要途徑之一，也是最常用且行之有效的隱身手段之一[10]，廣泛應用于雷達吸波領域[11-14]。

本文通過開展吸波材料在典型強散射源上的減縮效果研究，提出吸波材料的應用建議，為目標進行隱身設計與吸波材料應用提供參考。

1典型散射源散射特性分析

傳統(tǒng)裝備外形一般比較復雜，容易形成一些強散射源[15]。據(jù)報道，坦克裝甲車輛未進行隱身設計前，其8 mm波段雷達散射截面積(RCS)在數(shù)十平方米到數(shù)百平方米，對于典型威脅雷達，坦克車輛具有電大尺寸特點，整個RCS可以看成有數(shù)個顯著貢獻的強散射源和數(shù)目更多的貢獻較小的弱散射源構成[16]。

傳統(tǒng)的坦克設計師并沒有考慮控制和減小雷達回波，因此坦克上存在眾多的散射中心，特別是角反射器(包括方三角反射器和直二面角反射器)，這是坦克RCS的主要來源；其次是垂直雷達威脅方向的車體表面、炮塔表面以及外露部件表面形成的RCS尖峰；炮管是坦克上最長的圓柱體，它在側(cè)面對坦克整體RCS的影響不能忽視[16]。

對于坦克車輛來說，構成雷達散射的幾何形體主要有方三面角反射器、直兩面角反射器、平板、圓柱、球、直邊緣、曲邊緣、尖點和表面波等，幾類典型的散射結(jié)構如圖1所示。其中方三面角反射器在很寬角域形成三維強散射，是回波最強的散射結(jié)構，直二面角反射器次之，在二維寬角域形成強散射；方三面角和直二面角反射器是最強的散射結(jié)構，在雷達波入射的較寬角域形成了強的回波，這是由于入射雷達波與角發(fā)射器的各個面形成多次反射回到入射方向。平板結(jié)構在雷達波垂直入射較窄的角域形成非常強的RCS尖峰；圓柱體散射較平板弱，但在整個垂直軸線的角域內(nèi)形成大小相等的回波；球形散射較圓柱體弱，但在雷達的任何入射方向均形成散射；直邊緣、曲邊緣、尖點等散射較弱[17]。雷達隱身即針對雷達散射結(jié)構，采用隱身外形設計使回波偏離雷達天線接受方向，或采用吸波材料技術抑制回波信號。

圖1　幾類典型的散射結(jié)構

目前，地面車輛外形設計處在起步階段，采用吸波材料對已有外形裝備處理是實現(xiàn)雷達隱身的可行手段。以裝甲車輛為例，其主要強散射源有炮塔和底盤構成的二面角、車體棱邊、前首裝甲、正二面角等[18]，根據(jù)這些構件的外形結(jié)構，制備了不同組合的四棱臺組合體模擬炮塔及其與底盤間的二面角、車體棱邊以及前首裝甲，如圖2所示，在微波暗室對涂裝吸波涂料前后的試驗樣件進行測試。

2強散射源雷達隱身涂料應用試驗與分析

2.1炮塔與底盤夾角涂裝吸波涂料性能對比

根據(jù)車輛的外形布局，設計底盤與炮塔之間的夾角分別為0°～25°、-10°～+15°和-10°～+25°，在夾角內(nèi)分別涂裝毫米波吸波涂料與厘米波吸波涂料，測試35 GHz和10 GHz涂裝吸波涂料前后的RCS。不同夾角下涂裝吸波涂料前后的RCS測試對比結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3為不同夾角構件在35 GHz的測試結(jié)果，可以看出，在35 GHz毫米波段，隨著底盤與炮塔之間的夾角角度增大，RCS是逐漸增大的，涂裝吸波涂料對構件RCS大于-10 dBsm的角域方向減縮效果明顯，而RCS小于-10 dBsm的角域減縮效果不顯著。

圖2　雷達波強散射源模擬構件

圖3　炮塔與底盤不同夾角涂裝吸波涂料前后

圖4為不同夾角構件在10 GHz的測試結(jié)果，可以看出，在10 GHz厘米波段的RCS變化與毫米波段的衰減趨勢一致，涂裝吸波涂料在構件RCS大于-10 dBsm的角域方向減縮效果明顯，RCS小于-10 dBsm的角域減縮效果不顯著。

圖4　炮塔與底盤不同夾角涂裝吸波涂料前后

2.2棱邊涂裝吸波涂料性能對比

將棱邊角度設為30°、45°和60°，在棱邊外表面涂裝吸波涂料，測試35 GHz和10 GHz涂裝吸波涂料前后的RCS。圖5為不同夾角棱邊涂裝毫米波吸波涂料前后的測試對比曲線，圖6為不同夾角棱邊涂裝厘米波涂料前后的測試對比曲線。

從圖5可以看出，在毫米波段，涂裝吸波涂料后對于不同夾角棱邊的RCS均具有一定的減縮效果，隨著棱邊夾角的增大，構件RCS減縮效果越明顯。

從圖6可以看出，在厘米波段，涂裝吸波涂料后，除了垂直于平面法線附近具有良好的縮減效果以外，其余方向厘米波減縮效果較差；法線方向雖然減縮效果良好，但RCS仍然巨大，采用隱身材料也不能將峰值抑制到閾值以下。

2.3首上裝甲涂裝吸波涂料性能對比

圖7為首上裝甲涂裝吸波涂料前后在35 GHz、10 GHz角域?qū)Ρ惹€RCS對比曲線。從圖7可以看出，對于首上裝甲，除了對兩邊垂直面和弧形面的法線方向附近有良好的衰減以外，對一些次強散射角域也有良好的衰減，采用隱身材料可將弧形法線方向和次強散射角域的RCS縮減至3 dBsm以下。

圖5不同夾角棱邊涂裝毫米波涂料前后

在35 GHz角域?qū)Ρ惹€

圖6不同夾角棱邊涂裝厘米波涂料前后

在10 GHz角域?qū)Ρ惹€

圖7　首上裝甲涂裝吸波涂料前后在35 GHz

2.4二面角涂裝吸波涂料性能對比

在45°及90°的二面角內(nèi)部涂裝厘米波吸波涂料(吸波涂料在10 GHz雷達波反射率為-12 dB)，涂裝吸波涂料前后正二面角的RCS對比試驗結(jié)果見圖8所示。

圖8　二面角涂裝吸波涂料前后

由圖8可以看出，在二面角內(nèi)涂裝吸波涂料，基本能消除由于二面角形成的反射峰，且反射衰減效果大于平板垂直反射，這是由于吸波涂料對雷達波在二面角內(nèi)進行了多次反射衰減，因而反射衰減效果好于平板的一次反射衰減。但是雖然采用隱身材料，直二面角和銳二面角角域范圍內(nèi)的RCS值依然很高。因此，對于二面角的處理主要采用整形為主，對因其他原因不能整形，應在其內(nèi)表面采用反射率低的吸波材料抑制二面角形成的寬角域強散射。

3結(jié)論

本文研究了裝甲車輛底盤與炮塔結(jié)合部腔體、棱邊、首上裝甲、二面角等裝備車輛典型強散射源在應用不同種類吸波涂料前后的RCS減縮效果，根據(jù)裝備構件的不同外形，提出如下雷達隱身吸波涂料應用建議，供裝備隱身外形設計及隱身材料應用參考。對于腔體、銳二面角等部位，其隱身處理應以整形為主，對于不能整形的，應涂裝厘米/毫米兼容的吸波涂料；對于法向不在威脅角域的棱邊面，可不涂裝厘米波吸波涂料，但應該涂裝毫米波吸波涂料；對于弧形結(jié)構等組成復雜的首上部件，需要涂裝厘米/毫米兼容的吸波涂料。

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(責任編輯周江川)

【裝備理論與裝備技術】

Application Research on Radar Stealth Coating Materials for

Typical Strong Scattering Sources of the Armored Vehicle

LI Hui，ZHANG Tian-cai，LI Bing，DENG Ai-ming，WEI Wen-zheng

(NO.59 Institute of China Ordnance Industry，Chongqing 400039, China)

Abstract:Objective To provide application suggestions of stealth materials for the strong scattering sources of the armored vehicle and to provide reference for stealth shape-design and application of stealth coatings for the military equipment are the aims. Methods Typical strong scattering sources samples were prepared by simulating the structure of armored vehicle. The samples with or without wave-absorbing coating materials were tested in the microwave anechoic chamber in 10 GHz or 35 GHz angle-domain, and the test results was analyzed. Results Millimeter or centimeter wave-absorbing coating can provide obvious effect for the cavity between the turret and chassis where RCS is bigger than -10 dBsm，with an average of up to 10 dBsm，but it is not significant for the place where RCS is less than -10 dBsm；millimeter-wave absorbing coating on the edge surface can reduce RCS，with the edge angle increasing the effect that is more obvious，which is up to 20 dBsm，but the reduction effect of centimeter-wave absorbing is not obvious；for the top parts，wave-absorbing coatings can reduce the RCS of normal direction of the arc parts and the secondly stronger scattering angle domain to less than 3dBsm，for the dihedral angle，RCS reduction effect was not obvious for the wave absorbing coating. Conclusion For the cavity between the turret and chassis, dihedral angle of the vehicle body，shape changing is the main stealth method，if the shape can’t be changed，centimeter/millimeter-wave compatible absorbing coating materials should be painted；For the edge surface whose normal direction isn’t in the threat angle-domain，centimeter-wave absorbing coating materials are not necessary，but millimeter-wave absorbing coating materials should be painted；For the top parts with arc-structures，centimeter/millimeter-wave compatible absorbing coating materials should be painted.

Key words:stealth technology; strong scattering source; absorbing materials; application suggestion

文章編號：1006-0707(2016)01-0043-05

中圖分類號：TJ811;TJ765.5

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.010

作者簡介：李輝(1983—)，男，工程師，主要從事雷達波隱身材料研究。

基金項目：國家自然科學 (U1230129)

收稿日期：2015-07-27；修回日期：2015-08-15