吸收型雷達(dá)無源干擾材料研究進(jìn)展與應(yīng)用

賈 菲，鮑紅權(quán)，徐 銘

(中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024)

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吸收型雷達(dá)無源干擾材料研究進(jìn)展與應(yīng)用

賈 菲，鮑紅權(quán)，徐 銘

(中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024)

分析了傳統(tǒng)無源干擾裝備在作戰(zhàn)使用中存在的局限性，指出了吸收型無源干擾材料研究的必要性。詳細(xì)介紹了泡沫云、膨脹石墨、改性纖維、吸收型箔條等幾種吸收型無源干擾材料的性能及研究現(xiàn)狀，并指出目前吸收型無源干擾材料在波段覆蓋、戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用以及工程化制備等方面仍存在一定缺陷，需進(jìn)一步研究探索。

復(fù)合材料；吸收型干擾材料；吸收型箔條

0 引 言

雷達(dá)自問世以來，一直在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著不可替代的作用，先進(jìn)探測器、導(dǎo)彈等精密制導(dǎo)武器均需由雷達(dá)制導(dǎo)，因此干擾雷達(dá)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的首要任務(wù)。狹義上來說，雷達(dá)干擾分為有源干擾和無源干擾2類。有源干擾是利用干擾機(jī)發(fā)射干擾信號，對敵方雷達(dá)進(jìn)行壓制和欺騙的干擾，具有設(shè)備復(fù)雜、功率大、覆蓋面積窄、效費比低等問題。無源干擾是干擾體本身不輻射電磁能量的干擾，它利用介質(zhì)對雷達(dá)信號的散射和吸收衰減作用，對敵方雷達(dá)形成干擾。相對而言，無源干擾技術(shù)具有靈活、便捷、干擾效果好、效費比高等優(yōu)勢。

隨著現(xiàn)代化電子和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新型雷達(dá)、先進(jìn)探測器及精密制導(dǎo)武器等異軍突起，攻擊精度不斷提高、作用距離迅速增加，且具有全方位的攻擊能力，戰(zhàn)斗效能大大提高。因此，單一的無源干擾技術(shù)已無法適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的要求，新的無源干擾技術(shù)，尤其是無源干擾材料的研制，對提高戰(zhàn)場生存能力、加強國防建設(shè)具有十分重要的意義。本文指出了傳統(tǒng)無源干擾裝備的局限性，重點綜述了吸收型無源干擾材料的研究進(jìn)展，并展望了其應(yīng)用前景。

1 無源干擾技術(shù)現(xiàn)狀

雷達(dá)無源干擾技術(shù)是包括雷達(dá)無源干擾物、干擾物布放、戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用模式的綜合性干擾技術(shù)。自第二次世界大戰(zhàn)以來，雷達(dá)無源干擾技術(shù)得到迅猛發(fā)展，世界各國均研制和裝備了以箔條彈為主的雷達(dá)無源干擾系統(tǒng)，并拓展到海、陸、空、天各作戰(zhàn)平臺，形成了系列無源干擾裝備產(chǎn)品[1]，主要有：箔條彈、紅外彈、煙幕彈等。其中箔條彈的品種和規(guī)格最為豐富，裝備于飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈、炮彈、坦克和戰(zhàn)車等平臺上。

盡管無源干擾技術(shù)的研究進(jìn)展較快，但是現(xiàn)有的煙幕、箔條等無源干擾技術(shù)在作戰(zhàn)使用中仍然存在一定的局限性：(1)飛機(jī)、大中型水面艦船等大型目標(biāo)在實施箔條質(zhì)心干擾時，為達(dá)到預(yù)設(shè)有效雷達(dá)散射截面(RCS)值，要求一次性布放箔條量大，且全部布放于來襲導(dǎo)彈雷達(dá)波束內(nèi)，才可達(dá)到預(yù)期干擾效果[2]。(2)現(xiàn)有無源干擾裝備具有消極防御的特點，實施干擾時需對敵方來襲武器的制導(dǎo)波段進(jìn)行預(yù)估判斷。若對敵方來襲精確制導(dǎo)武器的先驗知識不足，防御就會缺乏主動權(quán)。(3)對于施放保障要求高，易受水文氣象等不可控因素的影響，達(dá)不到理想干擾效果。因此，面對雷達(dá)新體制、新技術(shù)對傳統(tǒng)無源干擾技術(shù)的巨大沖擊，有效的無源對抗技術(shù)和手段是當(dāng)前研究的焦點。

吸收型無源干擾材料可吸收入射電磁波，并將電磁能轉(zhuǎn)換為熱能耗散掉，從而衰減目標(biāo)回波，減少目標(biāo)的可探測信息特征，降低敵方探測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率。因其干擾機(jī)理為吸收衰減，而非傳統(tǒng)的反射或諧振散射，吸收型無源干擾物在實施干擾時，對于先驗知識的判斷要求較傳統(tǒng)箔條有所降低，既可以單獨投入作戰(zhàn)使用,也可以與傳統(tǒng)箔條協(xié)作共用形成優(yōu)勢互補，因此，具有主動干擾的特性。從國內(nèi)目前相關(guān)研究成果來看，吸收型干擾材料的研制和應(yīng)用，不僅有助于彌補常規(guī)無源干擾材料的不足，對豐富干擾作戰(zhàn)手段、提高干擾作戰(zhàn)效率亦具有實際意義。

2 吸收型無源干擾材料性能要求

吸收型無源干擾材料由電磁波吸收劑和基體材料復(fù)合制備而成。作為干擾材料，除吸波能力外，吸收型干擾材料在分散率、留空時間、下降速率等使用性能方面亦有嚴(yán)格要求，因此，其制備工藝、成型方式與常規(guī)吸波材料具有較大差異。目前，常用的電磁波吸收劑主要有鐵氧體、多晶鐵纖維、導(dǎo)電高聚物及新型納米吸波材料等，按損耗機(jī)理可分為電阻損耗型、介電損耗型以及磁損耗型3類[3-5]。鐵氧體、金屬微粉等磁損耗型材料具有較強的吸波性能，但密度較大，純鐵氧體類箔條難以保證留空性能。導(dǎo)電高聚物等電損耗型吸波劑雖然質(zhì)量較輕，但吸波頻帶較窄。因此，單一電磁波吸收劑同時滿足吸收型無源干擾材料應(yīng)用指標(biāo)及吸波性能難度較大。吸收型無源干擾材料應(yīng)根據(jù)作戰(zhàn)需求，對各類電損耗型以及磁損耗型吸波劑采取針對性復(fù)合。

吸收型無源干擾材料主要應(yīng)用于無源干擾作戰(zhàn)中，弱化目標(biāo)回波，降低目標(biāo)RCS，并為常規(guī)無源干擾物提供更為顯著的優(yōu)勢源特征，達(dá)到有效干擾敵方雷達(dá)探測系統(tǒng)的目的。為達(dá)到預(yù)期干擾效果，吸收型無源干擾材料除滿足常規(guī)吸波材料“薄、輕、寬、強”等要求外，還應(yīng)具有高可靠性、長效性、普適性、快速性等技術(shù)要求以及實施狀態(tài)可控、施放效能可評估等戰(zhàn)術(shù)運用要求，具體來說：

(1) 應(yīng)滿足干擾材料關(guān)于留空時間的要求，飄降速率應(yīng)小于0.8 m/s才具有實際意義。因此，吸收型無源干擾材料在輕質(zhì)的前提下，應(yīng)采用條片狀形貌。條片狀材料雷諾數(shù)大，空氣流速對其影響較小[6]，布放后可快速散開并形成具有較大面積的干擾幕。

(2) 吸收型無源干擾材料應(yīng)具有較強吸波能力，滿足傳統(tǒng)吸波材料對于實用性的要求，即反射率優(yōu)異的頻帶應(yīng)盡可能寬。

(3) 吸收型無源干擾材料對雷達(dá)波的作用機(jī)制應(yīng)為“透射吸收”，即在實現(xiàn)相同吸收效果的同時，未被吸收的電磁能與干擾幕的作用方式應(yīng)為透射而非散射——吸收型干擾幕對雷達(dá)電磁波的衰減方式為雙程衰減最佳。

(4) 吸收型無源干擾材料吸收頻段應(yīng)涵蓋導(dǎo)引頭工作頻段，可同時對可見光、紅外、激光、雷達(dá)等制導(dǎo)系統(tǒng)實施復(fù)合干擾。

(5) 材料制備工藝可工程化程度高、一致性強、效費比高，有利于實現(xiàn)批量裝備。

3 吸收型干擾材料的研究近況

近年來，國內(nèi)有關(guān)機(jī)構(gòu)相繼開展了吸收型無源干擾材料的研制工作，主要包括膨脹石墨、泡沫云、改性纖維類干擾材料以及吸收型箔條等。但在波段覆蓋、戰(zhàn)術(shù)使用以及工程化制備等方面仍存在較大缺陷，需進(jìn)一步的研究與探索。

3.1 泡沫云

特種泡沫型干擾幕(泡沫云)由S-4煙幕劑、包覆處理的NaHCO3超細(xì)粉、微米級銅、鋁等金屬超細(xì)粉末以及其他添加劑構(gòu)成。泡沫云的多界面效應(yīng)、片狀泡沫對電磁波具有獨特的衰減作用；穿入其中的電磁波入射到銅、鋁等良導(dǎo)體和其他顆粒物表面時，被其吸收、散射，從而轉(zhuǎn)化為熱量損耗掉；泡沫云中所含的大量H2O、CO2以及其他超細(xì)顆粒對紅外輻射具有強烈的吸收作用。因此，泡沫云可以同時對可見光、紅外、激光和雷達(dá)系統(tǒng)實施有效干擾[7-9]。

泡沫云因其干擾波段寬、干擾時間長、無殘留污染等優(yōu)勢在無源干擾技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。海軍大連艦艇學(xué)院的金良安等人對泡沫云復(fù)合干擾材料做了比較深入的研究，所研制的基于泡沫云的紅外-毫米波復(fù)合干擾材料、特種泡沫云(SFS)[10]以及膠質(zhì)氣體泡沫(CGA)[11]對紅外和毫米波都有較好的干擾效果。

泡沫云對電磁波的衰減程度取決于氣泡粒徑大小、濃度、泡沫層厚度及添加的特種組分。氣泡越小，液層越厚，干擾效果越好。而氣泡粒徑越小，相對含液量越大，比重就越大，相對沉降速度也越快，留空時間縮短。當(dāng)氣泡液層厚度超過某一閾值時，會形成“退化泡沫”，使特種泡沫云的干擾效果急劇下降。泡沫發(fā)生劑被發(fā)射到空中后，需要進(jìn)行一系列物理、化學(xué)反應(yīng)才能產(chǎn)生大量泡沫，這個過程需要一定的時間，影響泡沫型干擾幕的快速形成。因此，實際運用時，對其引射施放過程具有較高要求。

3.2 膨脹石墨

膨脹石墨是一種具有有限電導(dǎo)率的介質(zhì)材料，當(dāng)電磁波入射到膨脹石墨后，會產(chǎn)生介電損耗，即部分電磁波被轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而消耗掉。因此，膨脹石墨對電磁波具有吸收衰減的特性。自1993年德國Nico[12]公司發(fā)明了“NG19”多波段發(fā)煙劑以來，有關(guān)膨脹石墨衰減毫米波的研究日趨深入。德國專利采用石墨層間化合物等組成復(fù)合煙幕劑，利用煙火藥燃燒時釋放出的熱使石墨膨脹化并分散于空中，形成對可見光至毫米波范圍內(nèi)有效的干擾煙幕。

國內(nèi)就膨脹石墨對毫米波的干擾研究始于上世紀(jì)90年代，對膨脹石墨的前身石墨層間化合物的制備研究基本趨于成熟。南京理工大學(xué)周明善[13]通過化學(xué)氧化法制備出膨脹容積較高的幾種石墨層間化合物，其層間化合物含量高達(dá)75%，且具有較好的環(huán)境穩(wěn)定性和安定性。采用熔鹽法或化學(xué)氧化法將FeCl3[14]、二茂鐵[15]或FeCl3與CoCl2的混合物[16]作為插層劑制備石墨層間化合物,或?qū)⒋判岳w維摻雜在可膨脹石墨中，高溫膨化后膨脹石墨縫隙中帶有一定的磁性物質(zhì)，表現(xiàn)出明顯的順磁性或亞鐵磁性。當(dāng)電磁波通過改性后的膨脹石墨時，它能產(chǎn)生一定的磁損耗，增加毫米波衰減幅度。

由于具有質(zhì)量輕、在空中易于飄浮、導(dǎo)電性好等優(yōu)勢，膨脹石墨是極具開發(fā)前景的新型毫米波干擾材料。但膨脹石墨的膨化過程能耗高、容積率低，因此膨脹石墨的有效含量受供熱劑的限制，若要達(dá)到一定的布放密度，需要布放大量的瞬時膨化劑，干擾效率較低。另外，藥劑爆炸分散及燃燒時產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致膨脹石墨干擾云團(tuán)分散性極強，單個膨脹石墨蠕蟲粒子之間缺少一定的粘附力[17]，很難在空中形成穩(wěn)定的干擾屏障。使用時，干擾煙幕易受風(fēng)向、風(fēng)速、大氣垂直穩(wěn)定度和地形條件的限制，戰(zhàn)斗狀態(tài)不可控，難以達(dá)到理想的作戰(zhàn)目的。目前，膨脹石墨對毫米波具有一定的衰減性能，但對于制導(dǎo)主要的厘米波段干擾效果尚不顯著，其干擾頻段有待拓寬。

3.3 纖維類干擾材料

纖維類干擾材料對雷達(dá)波的衰減是吸收和散射共同作用的結(jié)果，是一種很好的箔條替代材料。一般選用具有一定電導(dǎo)率、質(zhì)量輕、留空時間長且耐高溫、抗氧化的纖維材料作為無源干擾材料。碳纖維本身是雷達(dá)波的強反射體，經(jīng)過對其進(jìn)行表面改性或摻雜處理之后，可使其具有吸波性能。用環(huán)氧樹脂粘合碳纖維粒子和在碳纖維表面涂覆石墨制成新型毫米波遮蔽云[18]，可以達(dá)到有效保護(hù)軍事裝備的目的。許赟[19]等通過在碳纖維表面涂覆聚苯胺制得碳纖維/聚苯胺復(fù)合材料，一定程度上提高了其對毫米波的衰減性能。王蓓[20]等在碳纖維表面涂覆視黃基席夫堿鹽，所制得的復(fù)合材料對8 mm波具有良好的干擾作用。陳昕[21]等采用化學(xué)鍍法制備鎳包覆竹纖維，所得復(fù)合材料密度較低，粒徑接近毫米量級，導(dǎo)電性良好，具有一定的磁性，可作為毫米波干擾材料使用。

改性碳纖維目前在電磁防護(hù)、偽裝等方面有較佳的作用。但由于受靜電、交叉排布影響較大，碳纖維類材料在空中不易分散且有抱團(tuán)現(xiàn)象，因此改性碳纖維在留空式無源干擾應(yīng)用中存在一定問題。

3.4 雷達(dá)波段專用吸收型箔條

泡沫云、膨脹石墨、改性碳纖維等對紅外、毫米波具有一定的干擾效果，但對于目前制導(dǎo)主要的厘米波段干擾效果尚不顯著。目前，國外已開展雷達(dá)波段專用吸收型箔條的研究，但見報較少。國內(nèi)也開展了吸收型箔條的制備技術(shù)與應(yīng)用研究工作。韓朝[22]等在鍍鋁玻璃絲表面涂覆納米吸波材料制得吸收型箔條，并用對比法對所制備箔條進(jìn)行了吸收特性測試。其制備箔條在35～40 GHz頻段具有一定的吸波效果，低頻效果不佳，分散率未測試。中國建筑材料科學(xué)研究總院徐銘等采用超細(xì)氮化硼粉、摻雜云母粉和合金微粉按一定配比組成電磁波吸收劑，采用疏松輕質(zhì)彈性纖維作為主體骨架制備雷達(dá)波吸收型箔片，箔片厚度為20 μm，面密度90 g/m2，符合輕質(zhì)要求，留空性能得到保證。吸波性能測試曲線如圖1所示，通過對材料組分尤其是布放密度的調(diào)整，可針對性調(diào)整箔片群的吸收峰頻率，且箔片的散開特性有利于快速布放，實用性得到提高。

圖1 吸波性能實測曲線 (2～18 GHz)

吸收型箔條的工作原理如圖2所示，吸收型干擾云屏障可吸收衰減敵方雷達(dá)或?qū)棇?dǎo)引頭主動制導(dǎo)光電信號以及目標(biāo)光電輻射和反射回波，使敵方探測設(shè)備接收到的目標(biāo)回波信號幅度低于其發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的最低門限值，從而降低敵方探測設(shè)備以及導(dǎo)彈發(fā)現(xiàn)和跟蹤目標(biāo)的幾率。其吸收特性可表示為[23]：

A=A0e-α(λ)L

(1)

式中:A0為進(jìn)入干擾云屏障信號強度;A為經(jīng)過干擾物吸收后信號強度;L為吸收型干擾物屏障的等效厚度;α(λ)為干擾物吸收系數(shù)，與干擾物吸收特性、體積密度及入射波長有關(guān)。

圖2 吸收型箔條工作示意圖

4 結(jié)論及展望

在充分發(fā)揮傳統(tǒng)無源干擾裝備干擾效能的基礎(chǔ)上，加強吸收型無源干擾材料，尤其是吸收型箔條與箔片的研制工作，對豐富無源干擾作戰(zhàn)手段、提高干擾效率具有重大意義。近年來，國內(nèi)外對吸收型無源干擾材料進(jìn)行了較多的理論研究和應(yīng)用探索，取得了一定進(jìn)展，但仍有如下問題有待解決：

(1) 涂層厚度及面密度較大，材料比重增加，無法滿足留空式無源干擾材料對填裝密度、留空時間及下落速度等性能的要求。

(2) 吸收頻段較窄，無法滿足寬波段全頻覆蓋的要求，全頻吸波性能有待提高。

(3) 吸收型無源干擾材料干擾效率的評估及測試方法有待健全。

為適應(yīng)未來戰(zhàn)場對無源干擾技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)的高要求，在吸收型無源干擾材料實際應(yīng)用中還有待加強以下問題的研究：

(1) 加強輕質(zhì)微波吸收材料的研究，改善吸收型無源干擾材料的比重、填裝系數(shù)、留空時間以及干擾效能。

(2) 加強吸收型無源干擾材料的制備工藝研究，改善材料的表面狀態(tài)及吸波劑與基體材料的界面結(jié)構(gòu)。

(3) 構(gòu)建合理的方法測試吸收型無源干擾材料的雷達(dá)波衰減性能。

(4) 對吸收型無源干擾材料干擾雷達(dá)波的基礎(chǔ)理論進(jìn)行深入研究，完善材料的理化性能數(shù)據(jù)，構(gòu)建相關(guān)模型來模擬吸收型無源干擾材料的運動特性和雷達(dá)波衰減性能。

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Research Development and Application of Absorptive Passive Jamming Material of Radar

JIA Fei,BAO Hong-quan,XU Ming

(China Building Material Academy,Beijing 100024,China)

This paper analyzes the limitations of traditional passive jamming equipments in campaign usage,points out the necessity to study absorptive passive jamming materials,introduces detailedly the characteristics and study actuality of several absorptive passive jamming materials such as foam interfering screen,exfoliated graphite,modified fiber,absorptive chaff,etc.,indicates that the disadvantages of current absorptive passive jamming material in band covering,tactics application and engineering production,and further research is need.

composite material;absorptive jamming material;absorptive chaff

2015-01-30

TN972.4

A

CN32-1413(2015)02-0007-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.02.003