高振儒，趙惠昌，方 向，劉 君，張衛(wèi)平

（1.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

0 引言

現(xiàn)代地雷大都采用電子引信技術(shù)，包括近炸引信和時間引信，內(nèi)部結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜，在復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境下易受電磁干擾，無法正常工作，造成失效、誤觸發(fā)，甚至被毀壞。高功率微波掃雷新技術(shù)的成功運用，可有效掃除塑料殼體電子引信地雷。美軍已出現(xiàn)機(jī)載雷場探測與偵察系統(tǒng)（AMIDARS）和遠(yuǎn)距離探測系統(tǒng)（REMIDS），大面積可撒布雷場很容易被遠(yuǎn)距離雷達(dá)探測系統(tǒng)所發(fā)現(xiàn)［1-2］。因此，在信息化戰(zhàn)爭條件下現(xiàn)代地雷的作戰(zhàn)效能和戰(zhàn)場生存能力受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

地雷近炸引信主要采用復(fù)合探測體制和相應(yīng)的信號處理技術(shù)具有一定的抗干擾效果，但不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)場地雷引信抗強(qiáng)電磁干擾和HPM 毀傷掃除的要求。現(xiàn)有地雷殼體材料主要有金屬和塑料等非金屬兩類，金屬殼體是良好的電磁屏蔽材料，但質(zhì)量大對戰(zhàn)場勤務(wù)保障要求高，且對電磁波反射性強(qiáng)易被探測。塑料殼體對于快速機(jī)動布雷、戰(zhàn)場勤務(wù)保障和防探測是非常有利的，是目前許多地雷殼體材料的首選，但對于抗強(qiáng)電磁毀傷卻非常不利，易被HPM 掃雷裝置掃除。本文針對此問題，提出了用不銹鋼纖維內(nèi)層、羰基鐵粉外層制備地雷殼體的方法。

1 電磁屏蔽和吸收材料

1.1 屏蔽材料

填充復(fù)合型導(dǎo)電工程塑料是電磁屏蔽材料的一個重要發(fā)展方向，其屏蔽效能不僅與導(dǎo)電填料和基體的性質(zhì)、形態(tài)有關(guān)，還與導(dǎo)電填料在聚合物基體中的填充量和分散程度及復(fù)合工藝密切相關(guān)。目前采用的導(dǎo)電填料主要有碳纖維、銅纖維和SSF，SSF的直徑一般為6～11μm，填加7%～12%就可以組成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，電磁波衰減吸收能力強(qiáng)，二次輻射小。此外，不銹鋼纖維具有良好的導(dǎo)電性能和加工性能，在高溫加工過程中不易產(chǎn)生表面氧化，對塑料基體的物理、機(jī)械力學(xué)性能影響?。?］。根據(jù)地雷的殼體功能、布設(shè)方式以及使用環(huán)境，屏蔽材料地雷殼體應(yīng)具有良好的屏蔽效能，不影響地雷引信正常工作，且具有一定的厚度滿足強(qiáng)度要求等。因此，選用SSF 填充工程塑料作為地雷殼體的電磁屏蔽材料。

1.2 吸收材料

雷達(dá)遠(yuǎn)距離探雷依靠地雷目標(biāo)與其所處背景的雷達(dá)回波強(qiáng)度差來識別目標(biāo)，采用吸波材料衰減入射雷達(dá)波，減弱地雷的后向散射，以降低被探測發(fā)現(xiàn)的概率［4］。吸波材料是隱身技術(shù)的重要支撐，目前在高頻段具有較好性能的吸波材料已日益成熟，但還存在頻帶窄、效率低、密度大等缺點，應(yīng)用范圍受到一定限制［5］。根據(jù)地雷殼體的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度等功能要求，選用常用的羰基鐵粉作為地雷殼體的吸收材料進(jìn)行實驗研究。

2 殼體構(gòu)成和性能

2.1 屏蔽效能測試

影響SSF填充導(dǎo)電工程塑料屏蔽效能的主要因素是SSF含量、SSF之間的相互搭接程度與分散性。為了改善SSF 在樹脂基體中的分散性與均勻性，提高復(fù)合材料的力學(xué)和加工性能，選用經(jīng)偶聯(lián)劑對SSF表面改性制備的ABS／SSF 粒料，選擇聚酰胺（Polyamide，PA）為基體材料，采用注塑工藝加工成平板材料，尺寸為300×300×3 mm3，SSF 含量15%。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB12190-2006《電磁屏蔽室屏蔽效能的測量方法》，參考美國軍用標(biāo)準(zhǔn)Mil-DTL-83528C，采用屏蔽盒測試法對平板材料的屏蔽效能進(jìn)行測試［6］。測試結(jié)果見表1。屏蔽效能計算方法：

式中：SE— 屏蔽效能，dB；P0— 無屏蔽材料時的接收功率，W；P1— 有屏蔽材料時的接收功率，W。

表1 屏蔽效能測量值Tab.1 Measuring datum of the shield efficiency dB

由表1可以看出，材料的屏蔽效能達(dá)到了20 dB以上，在高頻段其屏蔽性能與鋼板接近，說明具有較強(qiáng)的電磁屏蔽性能。采用SSF和PA 樹脂、PP樹脂經(jīng)注塑工藝加工平板材料，SSF 含量和尺寸同前，圖1是利用微波RCS綜合測試系統(tǒng)測得的PA平板、PP平板和金屬平板分別在8～12GHz和12～18GHz的反射曲線。

圖1 微波RCS反射曲線Fig.1 Curves of the RCS reflectivity

從圖1可以看出，兩種材料的反射率與金屬板類似，僅比金屬板反射功率小1dB 左右，考慮測試系統(tǒng)的誤差，可以認(rèn)為兩種材料的表面反射率與金屬接近。

2.2 吸收性能測試

以羰基鐵為微波吸收劑，制作微波吸收材料樣品。選用丙烯酸樹脂作為基料，將吸收劑粉末放入其中攪拌，使吸收劑均勻分布，然后放在模版中晾干固化，制成18cm×18cm 的薄片型吸波材料［7］。吸收劑和基料的質(zhì)量比為2∶1，樣品厚度為2mm。采用弓形框法測量材料的微波吸收率。

圖2是微波吸收材料樣品和標(biāo)準(zhǔn)金屬板在相同測試條件下的反射率衰減曲線，可看出羰基鐵粉吸波材料在高頻段性能較好。

圖2 反射率衰減曲線Fig.2 Curves of reflectivity attenuation

3 實驗驗證

3.1 UWB-EMP輻照效應(yīng)實驗

3.1.1 地雷殼體樣品加工

參考某種撒布反坦克地雷，首先采用注塑工藝加工SSF填充PA 電磁屏蔽復(fù)合材料地雷殼體樣品1，高H 為130 mm，半徑R 為53 mm，厚度3mm，不銹鋼纖維質(zhì)量占比15%。頂蓋與下部筒體采用螺紋旋接，密封性良好。在樣品1的基礎(chǔ)上再用注塑工藝加工外層的吸波材料殼體，厚度2mm，羰基鐵粉質(zhì)量占比60%，這樣制成了雙層復(fù)合的地雷殼體樣品2。

3.1.2 實驗方法

為驗證采用新型電磁材料殼體的地雷抗UWBEMP毀傷能力，選用聲-磁、動-磁兩種地雷引信，引信的發(fā)火輸出端改接電引火頭，同時使引信處于戰(zhàn)斗狀態(tài)，將引信置入樣品1，采用輻照法進(jìn)行試驗。脈沖源主開關(guān)電壓為280kV，峰值功率1GW，輸出脈沖寬度為2.5ns，TEM 天線主軸方向輻射效率為35%。目標(biāo)置于微波源前一定距離處，經(jīng)一定時間（60s）的輻射后，關(guān)閉脈沖源，從暗室中取出引信電路板。觀察連接的電引火頭是否被引燃，再用裝定器檢測引信電路的邏輯狀態(tài)和引信電路的損壞情況，通過對比說明殼體的電磁屏蔽性能。改變脈沖源重復(fù)頻率、天線與目標(biāo)的距離、在殼體上開孔等，重復(fù)實驗。

3.1.3 實驗結(jié)果

脈沖源重復(fù)頻率為20Hz，殼體上無孔，使引信失效的電場閾值為2.5kV／cm 左右，在入射脈沖峰值功率為1GW 條件下，殼體放置在天線前的距離大于0.5m 時，內(nèi)部引信能正常工作。文獻(xiàn)［1，8］中相關(guān)數(shù)據(jù)為0.5～1kV／cm，可見電磁屏蔽材料殼體可顯著提高電子引信地雷抗強(qiáng)電磁脈沖毀傷能力。

對一組3 個殼體樣品在底部鉆孔，孔直徑為3.0mm、5.0mm、10.0mm，距離為0.5m、脈沖重復(fù)頻率為20Hz時，引信狀態(tài)均保持完好。同樣對樣品2進(jìn)行重復(fù)實驗，結(jié)果一致。

3.2 SAR模擬探雷實驗

3.2.1 實驗方法

對地雷殼體樣品1和2，進(jìn)行SAR 模擬探雷實驗。采樣交叉圓極化阿基米德螺旋天線（1～2GHz）和垂直極化加脊喇叭天線（2～18GHz）實現(xiàn)目標(biāo)全頻帶特性測試；為抑制柵泄漏，行車方位采樣間隔不大于0.01m；劃分子頻帶并實現(xiàn)對目標(biāo)的二維成像，其中阿基米德螺旋天線總帶寬1GHz，劃分1個子頻帶，帶寬1GHz；加脊喇叭天線總帶寬16GHz，劃分8個子頻帶，帶寬2GHz［9］。

測試目標(biāo)共6個，分為3組，每組的兩個目標(biāo)保持相同的雷達(dá)照射姿態(tài)，組與組之間的照射姿態(tài)不同，對比其散射特性。實驗中雷達(dá)三種入射角分別為：0°（目標(biāo)5、6，頂部入射），90°（目標(biāo)3、4，側(cè)面入射）和75°（目標(biāo)1、2，斜入射），目標(biāo)設(shè)置實驗場景如圖3。

圖3 實驗場景Fig.3 Experimentation scene

3.2.2 實驗結(jié)果分析

圖4給出了目標(biāo)3、4部分子頻帶的成像結(jié)果，其中左側(cè)的目標(biāo)3為屏蔽材料殼體樣品1，右側(cè)的目標(biāo)4為雙層復(fù)合殼體樣品2。圖5為90°側(cè)面入射時目標(biāo)3與目標(biāo)4反射強(qiáng)度差值曲線。

圖4 成像切片圖Fig.4 Imaging slice

圖5 反射強(qiáng)度差值曲線Fig.5 The difference curves of reflected intensity

通過實驗測試分析，可得到如下結(jié)論：

1）吸收材料殼體在2～18GHz范圍內(nèi)與屏蔽材料殼體相比，微波散射衰減了5dB 以上，在8～12GHz范圍內(nèi)散射衰減接近10dB，有較好的微波吸收效果。

2）微波吸收殼體沒有平板微波吸收材料的微波衰減值高，有明顯的降低。主要原因是殼體的RCS不僅與材質(zhì)相關(guān)，而且與殼體的形狀結(jié)構(gòu)有關(guān)，比如殼體存在較強(qiáng)的棱邊散射效應(yīng)，因此要進(jìn)一步有效降低殼體散射，還需對殼體進(jìn)行隱身外形設(shè)計，才能進(jìn)一步降低散射。

3）當(dāng)電磁波以75°斜入射照射目標(biāo)時（目標(biāo)5、6），兩種殼體的RCS均較小，且微波散射沒有明顯的差別。主要原因是棱邊散射效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，而面散射居次要地位，此時的RCS值比頂部垂直入射時（目標(biāo)1、2）的散射值弱15～20dB。

4）微波吸收材料殼體在雷達(dá)成像探測時，當(dāng)其處于不利的姿態(tài)角時（目標(biāo)3、4），由于吸波材料的衰減作用，可顯著減小其雷達(dá)暴露特征；當(dāng)其處于有利的姿態(tài)角時（目標(biāo)5、6），由于其散射較弱，在背景地物雜波的干擾影響下難以被雷達(dá)遠(yuǎn)距離偵察發(fā)現(xiàn)，因而減小了目標(biāo)被探測的概率和探測距離。

3.3 磁模擬實驗

電子引信地雷主要有聲、振、磁、定時等引信體制，從物理機(jī)理來看，電磁殼體對聲、振、定時引信沒有影響。磁引信地雷主要是識別坦克目標(biāo)的低頻磁場信號，電磁材料殼體可能對磁引信有一定的影響，通過實驗分析其影響程度。以一種磁-觸桿地雷引信為目標(biāo)，引信的發(fā)火輸出端改接電引火頭，使引信處于戰(zhàn)斗狀態(tài)，將引信分別置入塑料、加工的電磁屏蔽殼體樣品1和雙層復(fù)合殼體樣品2中，監(jiān)測模擬低頻磁場中引信電路放大器輸出端的電壓值和狀態(tài)。磁場方向垂直和線圈感應(yīng)方向水平時的實驗結(jié)果如表2，可以看出，電磁復(fù)合材料殼體對低頻磁信號影響甚微，不影響磁引信的正常工作。改變磁場強(qiáng)度和線圈感應(yīng)方向，結(jié)果相同。

表2 實驗結(jié)果Tab.2 The experimental result

3.4 可探測性試驗

國際《地雷議定書》關(guān)于地雷可探測性標(biāo)準(zhǔn)，要求對于殺傷人員地雷在正常探測器材條件下能夠產(chǎn)生相當(dāng)于一整塊8g鐵的探測信號。該標(biāo)準(zhǔn)主要針對難于探測的塑料殼體防步兵地雷，要求在引信觸發(fā)機(jī)構(gòu)或附件中增加金屬部件含量，滿足可探測性要求。本文提出采用不銹鋼纖維填充塑料內(nèi)層羰基鐵粉外層的地雷殼體，其金屬含量隨殼體尺寸而不同，而且電子引信中也含有金屬器件，理論上符合地雷可探測性標(biāo)準(zhǔn)。對加工的地雷殼體樣品1和樣品2（未置入引信電路）以及單獨的頂蓋，利用單兵金屬探雷器在正常條件下進(jìn)行探測試驗，探雷器信號反應(yīng)正常，說明該地雷殼體滿足可探測性要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了兼具電磁屏蔽與電磁隱身功能的新型復(fù)合材料地雷殼體，該雷體采用注塑工藝，將SSF作為PA 樹脂的導(dǎo)電填料，SSF 填充量為15%質(zhì)量比，制備3mm 厚的電磁屏蔽內(nèi)層地雷殼體；利用羰基鐵粉吸收劑，質(zhì)量占比60%，制備2 mm 厚的電磁吸波地雷殼體外層。通過UWB-EMP輻照效應(yīng)、SAR 模擬探雷和磁模擬等實驗表明；該雷體具有較好的電磁屏蔽與電磁隱身性能，不影響地雷引信正常工作，能有效提高地雷抗電磁干擾毀傷和防遠(yuǎn)距離雷達(dá)探測等戰(zhàn)場生存能力。下一步將重點進(jìn)行多層復(fù)合材料加工工藝、材料理化特性、雷體連接孔縫等研究，為新型地雷殼體工程化研制提供依據(jù)。

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