淺述防彈天線罩的研制

李佑武 樊璞 楊中平 李波 黃義國(guó) 李世斌

摘要：對(duì)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(qiáng)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(jì)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(zhēng)中，雷達(dá)作為戰(zhàn)場(chǎng)上的關(guān)鍵裝備，被喻為現(xiàn)場(chǎng)指揮員的眼睛，可實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)情況的實(shí)時(shí)、全面?zhèn)刹?，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的重要情報(bào)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?yán)走_(dá)易損性研究方面，國(guó)內(nèi)外對(duì)相控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)特性和毀傷機(jī)理等開展了研究。精確制導(dǎo)武器的發(fā)展及戰(zhàn)爭(zhēng)形式的改變也使得雷達(dá)在戰(zhàn)場(chǎng)上受到打擊毀傷的可能性越來(lái)越大。因此，對(duì)雷達(dá)進(jìn)行防護(hù)是有必要的。

天線罩作為雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，是雷達(dá)的電磁窗口，也是用于保護(hù)天線或雷達(dá)系統(tǒng)的 “防護(hù)眼鏡”。普通天線罩能為雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)部分組件被毀傷，重則雷達(dá)整機(jī)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(bào)道，我軍曾出現(xiàn)過雷達(dá)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(dá)配一副“防護(hù)眼鏡”，筑起最后一道防線，能有效提高雷達(dá)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(chǎng)生存率，對(duì)于在戰(zhàn)場(chǎng)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(duì)防彈天線罩進(jìn)行需求分析，總結(jié)了防彈天線罩的技術(shù)要求及設(shè)計(jì)、使用時(shí)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(qiáng)材料。

二、防彈天線罩的研制現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)防彈天線罩的研究報(bào)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(dú)立進(jìn)行的，鮮有將二者結(jié)合起來(lái)進(jìn)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(duì)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(shí)驗(yàn)和電磁性能測(cè)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(dá)到了98.6%。

董長(zhǎng)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(duì)UHMWPE纖維復(fù)合材料進(jìn)行透波性能仿真設(shè)計(jì)，并采用透波率測(cè)試試驗(yàn)與防彈測(cè)試試驗(yàn)驗(yàn)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(jí)優(yōu)于1級(jí)，實(shí)測(cè)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(guó)電子科技集團(tuán)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(biāo)及防護(hù)性指標(biāo)V50值不小于 610m/s，具有與軍用防彈頭盔相當(dāng)?shù)姆雷o(hù)能力的毫米波天線罩。

以上所涉及的文獻(xiàn)基本涵蓋了國(guó)內(nèi)關(guān)于防彈天線罩的所有公開報(bào)道。

國(guó)外針對(duì)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(hù)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(hù)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(hù)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(duì)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(jiān)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(dá)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(duì)天線副瓣影響、瞄準(zhǔn)誤差等，其中透波率為電磁性能的主要指標(biāo)）、強(qiáng)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(biāo)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(gè)參數(shù)決定，同時(shí)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(dá)的探測(cè)距離。在雷達(dá)探測(cè)距離一定的條件下，若防彈天線罩透波率降低，雷達(dá)系統(tǒng)的功率、體積、重量勢(shì)必要適當(dāng)增大，這又導(dǎo)致雷達(dá)系統(tǒng)熱耗增加。防彈天線罩透波率的降低與雷達(dá)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(jī)動(dòng)性，又能賦予雷達(dá)系統(tǒng)一定的抗毀傷打擊能力。

從雷達(dá)系統(tǒng)研制成本方面看，防彈天線罩在雷達(dá)系統(tǒng)成本中所占比重較小，為最大限度的保護(hù)裝備在戰(zhàn)場(chǎng)上的作戰(zhàn)能力，我們提出防彈天線罩設(shè)計(jì)過程中在保證電磁性能及防彈能力的條件下，若雷達(dá)整體設(shè)計(jì)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(shí)，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(huì)殘留有預(yù)制破片金屬材料，這都會(huì)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(shí)戰(zhàn)中應(yīng)該有一定量的備份，待需要時(shí)更換，以保證雷達(dá)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(duì)雷達(dá)內(nèi)部部件造成損毀。

天線罩的研制是一項(xiàng)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(gè)學(xué)科的知識(shí)，在普通天線罩的研制中電磁設(shè)計(jì)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(biāo)要求，對(duì)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(biāo)，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(hào)頻率、掃描角的條件下，結(jié)合雷達(dá)整機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)劃，提出合理的透波率、對(duì)天線副瓣影響、瞄準(zhǔn)誤差等要求。

防彈性能要求：戰(zhàn)場(chǎng)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(biāo)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(yáng)輻射等，具體指標(biāo)應(yīng)參考雷達(dá)系統(tǒng)總體指標(biāo)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(shí)滑落，會(huì)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(duì)天線副瓣影響小，瞄準(zhǔn)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(jì)，找到一個(gè)可行的方案。防彈天線罩的研制，簡(jiǎn)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(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行仿真分析并優(yōu)化，試制后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，確保設(shè)計(jì)目標(biāo)的順利實(shí)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(shí)間后成型。整個(gè)防彈天線罩研制周期較長(zhǎng)，因此，具體實(shí)施過程中，較為穩(wěn)妥可靠的辦法是：先用仿真軟件對(duì)平板型天線罩及異形天線罩進(jìn)行仿真分析并對(duì)比數(shù)據(jù)，確保實(shí)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(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，試驗(yàn)成功后再進(jìn)行異形天線罩的試制，并進(jìn)行相關(guān)的驗(yàn)證試驗(yàn)，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(jì)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)材料各有優(yōu)缺點(diǎn)，但目前國(guó)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(qiáng)材料研制的防彈天線罩未見報(bào)道。綜合來(lái)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(lái)，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(huì)越來(lái)越多，針對(duì)防彈天線罩的研究也會(huì)越來(lái)越全面。

六、結(jié)論

本文通過對(duì)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(xiàn)羅列了防彈天線罩研制的可選纖維增強(qiáng)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(jì)及使用中需要特別注意的問題，對(duì)于工程設(shè)計(jì)人員有一定的參考價(jià)值。

（作者單位：李佑武、楊中平、李波 、黃義國(guó)、李世斌，江蘇無(wú)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）