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(中國(guó)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(qiáng)散射源雷達(dá)隱身涂料應(yīng)用研究

李輝，張?zhí)觳牛畋?，鄧?ài)明，魏文政

(中國(guó)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(qiáng)散射源提出隱身材料的應(yīng)用建議，為裝備隱身外形設(shè)計(jì)及隱身涂料應(yīng)用提供參考。方法：模擬裝甲車輛外形結(jié)構(gòu)，制備典型強(qiáng)散射源構(gòu)件試樣。在微波暗室10 GHz和35 GHz雷達(dá)波段下，對(duì)涂裝吸波涂料前后的試樣進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，分析測(cè)試結(jié)果。結(jié)果：涂裝毫米波或厘米波吸波涂料對(duì)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(dá)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(duì)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(dá)20 dBsm，但涂裝厘米波吸波涂料效果不明顯；對(duì)于首上裝甲，采用吸波涂料可將弧形法線方向和次強(qiáng)散射角域的RCS縮減至3 dBsm以下；對(duì)于二面角，涂裝吸波涂料對(duì)RCS減縮效果不明顯。結(jié)論：對(duì)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(yīng)以整形為主，對(duì)于不能整形的，應(yīng)涂裝厘米/毫米兼容的吸波涂料；對(duì)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(yīng)該涂裝毫米波吸波涂料；對(duì)于弧形結(jié)構(gòu)等組成復(fù)雜的首上部件，需要涂裝厘米/毫米兼容的吸波涂料。

關(guān)鍵詞：隱身技術(shù)；散射源；吸波材料；應(yīng)用建議

本文引用格式：李輝，張?zhí)觳?，李兵，?裝甲車輛典型強(qiáng)散射源雷達(dá)隱身涂料應(yīng)用研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，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(dá)具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、全天候工作等得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中占有重要地位，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)偵測(cè)手段中最可靠、也是應(yīng)用最廣泛的一種探測(cè)設(shè)備[1-2]。因此，針對(duì)雷達(dá)探測(cè)識(shí)別的雷達(dá)隱身在隱身技術(shù)領(lǐng)域占有非常重要的地位，是裝備隱身的重要研究?jī)?nèi)容[3-4]。雷達(dá)隱身技術(shù)是采取多種措施降低目標(biāo)對(duì)雷達(dá)電磁波的反射特性，使雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波信號(hào)能量大幅度減少，雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)距離大大縮短的技術(shù)。目前，大部分設(shè)計(jì)觀點(diǎn)認(rèn)為，通過(guò)減小坦克裝甲車輛的外形尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身，但是，在坦克裝甲車輛傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(guò)隱身外形設(shè)計(jì)，能散射30%左右的雷達(dá)波，但要進(jìn)一步提高雷達(dá)隱身效果，應(yīng)在坦克裝甲車輛的設(shè)計(jì)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(dá)等對(duì)目標(biāo)的探測(cè)，達(dá)到戰(zhàn)場(chǎng)隱身提高自身生存力的目的[6-7]，雷達(dá)吸波材料是一種能夠吸收電磁波、降低目標(biāo)雷達(dá)特征信號(hào)，使其具有難以被發(fā)現(xiàn)、識(shí)別的功能性材料[8]，具有不改變目標(biāo)外形[9]而實(shí)現(xiàn)較好隱身效果的優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)武器裝備雷達(dá)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(yīng)用于雷達(dá)吸波領(lǐng)域[11-14]。

本文通過(guò)開展吸波材料在典型強(qiáng)散射源上的減縮效果研究，提出吸波材料的應(yīng)用建議，為目標(biāo)進(jìn)行隱身設(shè)計(jì)與吸波材料應(yīng)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(fù)雜，容易形成一些強(qiáng)散射源[15]。據(jù)報(bào)道，坦克裝甲車輛未進(jìn)行隱身設(shè)計(jì)前，其8 mm波段雷達(dá)散射截面積(RCS)在數(shù)十平方米到數(shù)百平方米，對(duì)于典型威脅雷達(dá)，坦克車輛具有電大尺寸特點(diǎn)，整個(gè)RCS可以看成有數(shù)個(gè)顯著貢獻(xiàn)的強(qiáng)散射源和數(shù)目更多的貢獻(xiàn)較小的弱散射源構(gòu)成[16]。

傳統(tǒng)的坦克設(shè)計(jì)師并沒(méi)有考慮控制和減小雷達(dá)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(lái)源；其次是垂直雷達(dá)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(zhǎng)的圓柱體，它在側(cè)面對(duì)坦克整體RCS的影響不能忽視[16]。

對(duì)于坦克車輛來(lái)說(shuō)，構(gòu)成雷達(dá)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(diǎn)和表面波等，幾類典型的散射結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中方三面角反射器在很寬角域形成三維強(qiáng)散射，是回波最強(qiáng)的散射結(jié)構(gòu)，直二面角反射器次之，在二維寬角域形成強(qiáng)散射；方三面角和直二面角反射器是最強(qiáng)的散射結(jié)構(gòu)，在雷達(dá)波入射的較寬角域形成了強(qiáng)的回波，這是由于入射雷達(dá)波與角發(fā)射器的各個(gè)面形成多次反射回到入射方向。平板結(jié)構(gòu)在雷達(dá)波垂直入射較窄的角域形成非常強(qiáng)的RCS尖峰；圓柱體散射較平板弱，但在整個(gè)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(dá)的任何入射方向均形成散射；直邊緣、曲邊緣、尖點(diǎn)等散射較弱[17]。雷達(dá)隱身即針對(duì)雷達(dá)散射結(jié)構(gòu)，采用隱身外形設(shè)計(jì)使回波偏離雷達(dá)天線接受方向，或采用吸波材料技術(shù)抑制回波信號(hào)。

圖1　幾類典型的散射結(jié)構(gòu)

目前，地面車輛外形設(shè)計(jì)處在起步階段，采用吸波材料對(duì)已有外形裝備處理是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身的可行手段。以裝甲車輛為例，其主要強(qiáng)散射源有炮塔和底盤構(gòu)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(gòu)件的外形結(jié)構(gòu)，制備了不同組合的四棱臺(tái)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(duì)涂裝吸波涂料前后的試驗(yàn)樣件進(jìn)行測(cè)試。

2強(qiáng)散射源雷達(dá)隱身涂料應(yīng)用試驗(yàn)與分析

2.1炮塔與底盤夾角涂裝吸波涂料性能對(duì)比

根據(jù)車輛的外形布局，設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)試對(duì)比結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3為不同夾角構(gòu)件在35 GHz的測(cè)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(duì)構(gòu)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(dá)波強(qiáng)散射源模擬構(gòu)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(gòu)件在10 GHz的測(cè)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(shì)一致，涂裝吸波涂料在構(gòu)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(duì)比

將棱邊角度設(shè)為30°、45°和60°，在棱邊外表面涂裝吸波涂料，測(cè)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(cè)試對(duì)比曲線，圖6為不同夾角棱邊涂裝厘米波涂料前后的測(cè)試對(duì)比曲線。

從圖5可以看出，在毫米波段，涂裝吸波涂料后對(duì)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(gòu)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(duì)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(duì)比曲線。從圖7可以看出，對(duì)于首上裝甲，除了對(duì)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(duì)一些次強(qiáng)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(qiáng)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(duì)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(dá)波反射率為-12 dB)，涂裝吸波涂料前后正二面角的RCS對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(duì)雷達(dá)波在二面角內(nèi)進(jìn)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(duì)于二面角的處理主要采用整形為主，對(duì)因其他原因不能整形，應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)散射源在應(yīng)用不同種類吸波涂料前后的RCS減縮效果，根據(jù)裝備構(gòu)件的不同外形，提出如下雷達(dá)隱身吸波涂料應(yīng)用建議，供裝備隱身外形設(shè)計(jì)及隱身材料應(yīng)用參考。對(duì)于腔體、銳二面角等部位，其隱身處理應(yīng)以整形為主，對(duì)于不能整形的，應(yīng)涂裝厘米/毫米兼容的吸波涂料；對(duì)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(yīng)該涂裝毫米波吸波涂料；對(duì)于弧形結(jié)構(gòu)等組成復(fù)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(zé)任編輯周江川)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

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(hào)：1006-0707(2016)01-0043-05

中圖分類號(hào)：TJ811;TJ765.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.010

作者簡(jiǎn)介：李輝(1983—)，男，工程師，主要從事雷達(dá)波隱身材料研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué) (U1230129)

收稿日期：2015-07-27；修回日期：2015-08-15