李佑武 樊璞 楊中平 李波 黃義國 李世斌

摘要：對天線罩使用環(huán)境的分析指出了研制防彈天線罩的重要意義，結(jié)合電磁性能、防彈性能及環(huán)境適應(yīng)性提出了面向工程應(yīng)用的防彈天線罩的技術(shù)要求。羅列了防彈天線罩研制的可選纖維增強材料，結(jié)合防彈天線罩著彈后的毀傷形式提出了防彈天線罩設(shè)計及使用中需要特別注意的問題。

一、防彈天線罩的重要意義

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，雷達作為戰(zhàn)場上的關(guān)鍵裝備，被喻為現(xiàn)場指揮員的眼睛，可實現(xiàn)對戰(zhàn)場情況的實時、全面?zhèn)刹椋乾F(xiàn)代戰(zhàn)爭的重要情報源，也是敵方首先要壓制和摧毀的作戰(zhàn)裝備之一。在相控陣雷達易損性研究方面，國內(nèi)外對相控陣雷達目標特性和毀傷機理等開展了研究。精確制導(dǎo)武器的發(fā)展及戰(zhàn)爭形式的改變也使得雷達在戰(zhàn)場上受到打擊毀傷的可能性越來越大。因此，對雷達進行防護是有必要的。

天線罩作為雷達系統(tǒng)的重要組成部分，是雷達的電磁窗口，也是用于保護天線或雷達系統(tǒng)的 “防護眼鏡”。普通天線罩能為雷達提供環(huán)境適應(yīng)性保障，因其制造材料不具備防彈能力，普通天線罩一旦被彈片擊中，輕則雷達系統(tǒng)部分組件被毀傷，重則雷達整機被彈片穿透摧毀，導(dǎo)致相關(guān)裝備甚至是武器系統(tǒng)致“盲”，從而散失基本功能。網(wǎng)絡(luò)上報道，我軍曾出現(xiàn)過雷達被石子“打瞎”的事例。由此可見，研制具有一定防彈能力的天線罩，為雷達配一副“防護眼鏡”，筑起最后一道防線，能有效提高雷達系統(tǒng)的抗毀傷打擊能力，提升相關(guān)裝備及武器系統(tǒng)戰(zhàn)場生存率，對于在戰(zhàn)場環(huán)境下充分揮發(fā)相關(guān)裝備及武器系統(tǒng)的功能具有重要意義。

本文通過對防彈天線罩進行需求分析，總結(jié)了防彈天線罩的技術(shù)要求及設(shè)計、使用時需特別注意的問題，并據(jù)此羅列了幾種可用于防彈天線罩研制的纖維增強材料。

二、防彈天線罩的研制現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)針對防彈天線罩的研究報道較少，多數(shù)研究工作是將復(fù)合材料抗彈性能與天線罩電磁性能分離開獨立進行的，鮮有將二者結(jié)合起來進行研究的。在防彈天線罩主體材料的選擇上既有采用單一材料層合板結(jié)構(gòu)的，也有采用多種材料夾心結(jié)構(gòu)的，針對電磁性能的研究主要圍繞透波率展開。

海軍工程大學(xué)陳昕等人聯(lián)合武漢海威船舶與海洋工程科技有限公司采用超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維層合板研制了一種既能夠直接防御反輻射武器近炸毀傷，又能保持優(yōu)異透波性能的防彈天線罩。彈道實驗和電磁性能測試結(jié)果表明，該夾芯結(jié)構(gòu)能夠防御某型反輻射導(dǎo)彈在15m處爆炸產(chǎn)生的破片沖擊，并且在S波段的平均透波率不低于97.8%，平均值達到了98.6%。

董長勝博士等人為解決Ku/Ka雙頻段天線罩的防彈和透波問題，用HFSS軟件對UHMWPE纖維復(fù)合材料進行透波性能仿真設(shè)計，并采用透波率測試試驗與防彈測試試驗驗證了UHMWPE纖維復(fù)合材料的防彈和透波性能。研究結(jié)果表明7mmUHMWPE纖維層合板的Ku頻段損耗為0.2dB（透波率為95.5%），Ka頻段損耗為0.6dB（透波率為87.1%），面密度為5.6kg/m2的UHMWPE纖維層合板防彈等級優(yōu)于1級，實測V50值為 546m/s。

四川輝騰科技股份有限公司采用芳綸Ⅲ（Kevlar）纖維成功研制出了一款毫米波天線罩，具備一定的防彈能力。

中國電子科技集團公司第十研究所黃巍，管志宏等人以芳綸Ⅲ纖維為原料，采用模壓工藝，生產(chǎn)出具有優(yōu)異的電磁性能、透波性能滿足指標及防護性指標V50值不小于 610m/s，具有與軍用防彈頭盔相當?shù)姆雷o能力的毫米波天線罩。

以上所涉及的文獻基本涵蓋了國內(nèi)關(guān)于防彈天線罩的所有公開報道。

國外針對防彈天線罩的研究較多，在防彈天線罩主體材料的選擇上傾向于采用多種材料的層合結(jié)構(gòu)，并取得了相應(yīng)的研究成果。Avraham Frenkel公開了一種防彈天線罩專利，該防彈天線罩的主要防護層由陣列柱狀陶瓷顆粒及在陶瓷顆粒間隙中填充的介電材料構(gòu)成，防護層兩側(cè)輔以Kevlar纖維或UHMWPE纖維制成的介電層，該天線罩具備較高的透波率及防彈性能。

Pierre-Henry等人發(fā)明了一種用于防護衛(wèi)星天線的防彈天線罩，該天線罩整體成筒狀，由三層材料構(gòu)成，中間層為UHMWPE纖維織物（介電常數(shù)=2.2），表面兩側(cè)為8mm厚度高密度聚氨酯泡沫（介電常數(shù)=1.7，密度為400kg/m3）。該天線罩能有效抵御由AK47射擊的7.62mm口徑子彈或者重量80克，速度為600m/s的彈片，對于8GHz左右的電磁波具有很好的透過率。

Mark Hawthorne發(fā)明了一種三頻段低損耗防彈天線罩，該天線罩表層為堅硬高分子量聚碳酸脂基板材，中間層為防彈材料由UHMWPE纖維制成，內(nèi)側(cè)為低密度泡沫（主要起減少電磁能量反射及提升防彈效果的作用），該天線罩在X、Ku、Ka波段的衰減不超過1dB（透波率為79.4%），且能抵御手槍的襲擊。

三、防彈天線罩需求分析

防彈天線罩既要為雷達系統(tǒng)提供電磁窗口，又要為其提供環(huán)境適應(yīng)性保障，還要具備一定的抗毀傷打擊能力。普通天線罩基本要求為：電磁性能良好（電磁性能包括透波率、對天線副瓣影響、瞄準誤差等，其中透波率為電磁性能的主要指標）、強度高、剛度好、可靠性高、質(zhì)量輕等。防彈天線罩則需在此要求上增加相應(yīng)的防彈指標要求。

天線罩的電磁性能主要由材料的介電常數(shù)、損耗角正切兩個參數(shù)決定，同時還與天線罩外形、材料的均勻性，及電磁波的頻率有關(guān)。

防彈天線罩的防彈能力主要由防彈材料及其厚度直接決定，沒有厚度限制的防彈材料是沒有意義的。材料厚度直接決定了防彈天線罩的體積、重量，并在很大程度上影響透波率，接收天線接收到的回波能量按防彈天線罩透波率的平方衰減，透波率的變化則直接決定了雷達的探測距離。在雷達探測距離一定的條件下，若防彈天線罩透波率降低，雷達系統(tǒng)的功率、體積、重量勢必要適當增大，這又導(dǎo)致雷達系統(tǒng)熱耗增加。防彈天線罩透波率的降低與雷達系統(tǒng)小型化、輕量化矛盾。因此，防彈天線罩透波率的提升既有利于提高裝備的機動性，又能賦予雷達系統(tǒng)一定的抗毀傷打擊能力。

從雷達系統(tǒng)研制成本方面看，防彈天線罩在雷達系統(tǒng)成本中所占比重較小，為最大限度的保護裝備在戰(zhàn)場上的作戰(zhàn)能力，我們提出防彈天線罩設(shè)計過程中在保證電磁性能及防彈能力的條件下，若雷達整體設(shè)計規(guī)劃允許，應(yīng)盡量增加防彈天線罩材料的厚度，以便提高其抗打擊毀傷能力。

遭遇破片侵徹時，防彈天線罩將產(chǎn)生撕裂、分層、鼓包等，天線罩表面或多或少會殘留有預(yù)制破片金屬材料，這都會導(dǎo)致防彈天線罩材料組織發(fā)生改變，透波率降低、防彈能力降低，因此防彈天線罩在實戰(zhàn)中應(yīng)該有一定量的備份，待需要時更換，以保證雷達性能正常發(fā)揮。防彈天線罩著彈后不能形成二次毀傷，材料的崩脫或鼓包不能對雷達內(nèi)部部件造成損毀。

天線罩的研制是一項系統(tǒng)工程，它綜合了材料學(xué)、工藝學(xué)、電磁學(xué)及結(jié)構(gòu)力學(xué)等多個學(xué)科的知識，在普通天線罩的研制中電磁設(shè)計分析起主導(dǎo)作用。天線罩防彈能力的應(yīng)用需求提升了天線罩研制工作的復(fù)雜程度。

四、防彈天線罩技術(shù)要求

綜合以上需求分析，結(jié)合武器裝備環(huán)境適應(yīng)性指標要求，對防彈天線罩提出如下具體技術(shù)要求：

防彈天線罩的研制、生產(chǎn)應(yīng)兼顧防彈性能及電磁氣性能要求，并綜合考慮環(huán)境適應(yīng)性指標，在此基礎(chǔ)上優(yōu)先考慮防彈性能，確保設(shè)備安全。

電磁性能要求：在明確天線極化方向、發(fā)射，接收信號頻率、掃描角的條件下，結(jié)合雷達整機設(shè)計規(guī)劃，提出合理的透波率、對天線副瓣影響、瞄準誤差等要求。

防彈性能要求：戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜多變，打擊形式多種多樣，根據(jù)設(shè)備使用環(huán)境及最可能受到的打擊形式，提出合理的防彈性能技術(shù)指標要求。

環(huán)境適應(yīng)性要求：耐高低溫、耐鹽霧、耐濕熱、耐霉菌、耐砂塵、耐太陽輻射等，具體指標應(yīng)參考雷達系統(tǒng)總體指標要求。

結(jié)構(gòu)外形要求：結(jié)構(gòu)合理、連接方式可靠、外形美觀、盡量減小著彈面積。

外觀質(zhì)量要求：天線罩內(nèi)外表面應(yīng)均勻、平滑，不應(yīng)有氣泡、疏松、分層、貧膠、堆膠、針孔、褶皺等缺陷。

涂層系統(tǒng)要求：耐鹽霧、抗靜電、防雨蝕、疏水性（雨水中存在大量的電解質(zhì)，是電的良導(dǎo)體，天線罩外表面形成積水膜后，若雨水不能及時滑落，會極大的電磁波的增加衰減）涂層系統(tǒng)。

理想的防彈天線罩應(yīng)該是電磁性能良好（即透波率高、對天線副瓣影響小，瞄準誤差小等）、防彈性能高、質(zhì)量輕、環(huán)境適應(yīng)性好、生產(chǎn)制造成本低的零件。

五、防彈天線罩的研制

防彈天線罩的研制工作依據(jù)防彈天線罩的技術(shù)要求展開，需從兩方面入手，一是天線罩的電磁性能，一是天線罩的防彈能力。天線罩的電磁性能、結(jié)構(gòu)性能和工藝材料既相互聯(lián)系又相互制約，需要統(tǒng)籌考慮、協(xié)同設(shè)計，找到一個可行的方案。防彈天線罩的研制，簡言之就是要在電磁性能與防彈性能之間尋求平衡及最優(yōu)解。

為降低研制成本，提高一次研發(fā)的成功率，普遍做法是結(jié)合研制總要求，形成初步研制方案，然后采用電磁仿真軟件與動力學(xué)仿真軟件進行仿真分析并優(yōu)化，試制后進行試驗驗證，確保設(shè)計目標的順利實現(xiàn)，防彈天線罩的研制流程如圖1。異形天線罩的生廠制造需采用鋼制磨具，施加特定的溫度和壓力，保持一定時間后成型。整個防彈天線罩研制周期較長，因此，具體實施過程中，較為穩(wěn)妥可靠的辦法是：先用仿真軟件對平板型天線罩及異形天線罩進行仿真分析并對比數(shù)據(jù)，確保實際需要使用的異形天線罩性能優(yōu)于平板材料后，可先試制平板并進行相應(yīng)的試驗，試驗成功后再進行異形天線罩的試制，并進行相關(guān)的驗證試驗，這種工程方法能大大提高研發(fā)成功率。

材料體系是天線罩的基礎(chǔ)，選材是天線罩設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，能用于天線罩制造的材料眾多。與普通天線罩相比，防彈需求的增加限制了天線罩的選材范圍，防彈天線罩的制造材料必須從透波材料與防彈材料的交集中選出。纖維增強材料是普通天線罩材料體系中的重要成員，且在防彈領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，因此防彈天線罩的材料可以從中選擇。適合用于防彈天線罩的纖維增強材料由如下幾種：Kevlar纖維、UHMWPE纖維、PBO纖維、玄武巖纖維（BF）等，幾種纖維材料的主要特性參數(shù)如表1。

介電常數(shù)和損耗角正切是表征材料透波性能的基本特性參數(shù)，模量和拉伸強度則是決定防彈能力的基本特性參數(shù)。從表種數(shù)據(jù)可以看出，幾種纖維增強材料各有優(yōu)缺點，但目前國內(nèi)防彈天線罩的研制選材主要涉及UHMWPE纖維及Kevlar纖維，其余纖維增強材料研制的防彈天線罩未見報道。綜合來看，BF、PBO纖維及以上各纖維的混編材料，還有各種材料的層合結(jié)構(gòu)在防彈天線罩上均有一定的應(yīng)用潛力。未來，隨著防彈天線罩應(yīng)用需求的增加，以上材料在防彈天線罩領(lǐng)域的應(yīng)用研究也會越來越多，針對防彈天線罩的研究也會越來越全面。

六、結(jié)論

本文通過對天線罩使用環(huán)境的分析指出了研制防彈天線罩的重要意義，結(jié)合電氣性能、防彈性能及環(huán)境適應(yīng)性提出了面向工程應(yīng)用的防彈天線罩技術(shù)要求。綜合參考文獻羅列了防彈天線罩研制的可選纖維增強材料，結(jié)合防彈天線罩著彈后的毀傷形式提出了防彈天線罩設(shè)計及使用中需要特別注意的問題，對于工程設(shè)計人員有一定的參考價值。

（作者單位：李佑武、楊中平、李波 、黃義國、李世斌，江蘇無線電廠有限公司；

樊璞 ，陸軍裝備部駐南京地區(qū)軍事代表局駐南京地區(qū)第二軍事代表室）