Результат интеллектуальной деятельности: Снаряд-невидимка

Изобретение относится к боеприпасам, в частности к снарядам, невидимым для радаров.

Задача сделать снаряд невидимым для радиолокаторов стала актуальной в связи с развитием радаров, способных к обнаружению малоразмерных целей на больших расстояниях, созданием боевых лазеров, способных к ликвидации целей на лету, а также возможностью быстрого определения координат места старта цели по ее траектории.

Так, известна конструкция снаряда-невидимки, где корпус выполнен из керамики, на которую определенным образом намотаны растянутые стеклянные или базальтовые волокна с полимерным связующим (патент РФ №2625056, опубл. 11.07.2017, бюл. №20).

Данная конструкция сложна, трудоемка, что неприемлемо для серийных изделий. Кроме того, из-за низкой плотности корпуса резко снижается поражающая способность осколков, а радиолокационная заметность снаряда уменьшается не в полной мере. Трудно избавиться от металлических деталей в конструкции снаряда (взрыватель, поражающие элементы, хвостовое оперение и др.), но даже при их отсутствии объекты из радиопрозрачных материалов обнаруживаемы радиолокаторами за счет отражения электромагнитных волн на границе раздела сред с различными значениями комплексной диэлектрической проницаемости (воздуха и керамики).

В качестве прототипа может быть выбрана конструкция снаряда-невидимки, корпус которого выполнен из высокопрочного полимерного материала с наполнителем из неэлектропроводных прочных волокон типа стекловолокна, дайнемы, спектры, зайлона или др. (патент РФ №2522342, опубл. 10.07.2014, бюл. №19). Такая конструкция снаряда более технологична, менее трудоемка, но обладает теми же недостатками, что и приведенная выше.

Техническим результатом предлагаемого изобретения, является создание технологичной конструкции снаряда-невидимки с минимальным отражением электромагнитного излучения радиолокационного обнаружения, высокой механической прочностью и с высокой поражающей способностью.

Технический результат достигается тем, в снаряде-невидимке, содержащем корпус, взрыватель и взрывчатое вещество, корпус изготовлен из радиопоглощающего высокопрочного полимерного материала, наполненного углеродным волокном, все детали снаряда сверху покрыты слоем полимерного радиопоглощающего материала с меньшим значением диэлектрической проницаемости, чем у материала корпуса, в корпусе размещен стакан со взрывчатым веществом, изготовленный из композиционного радиопоглощающего полимерного материала с большей диэлектрической проницаемостью, чем у материала корпуса и с плотностью 5-7 г/см³, на поверхности которого сформированы пирамидальные выступы, а зазоры между стаканом и корпусом заполнены диэлектриком.

Кроме того на поверхности стакана со взрывчатым веществом сформированы пирамидальные выступы с углом в вершине пирамид около 60 градусов.

Кроме того в качестве полимерного радиопоглощающего материала с меньшим значением диэлектрической проницаемости использован слой полимерного лака, содержащего углеродные нанотрубки в количестве от 0,5 до 2 массовых % по сухому остатку лака.

На фигуре 1 приведена схема отражения электромагнитного излучения от плоской (а) поверхности и от поверхности с пирамидальными выступами с углом в вершине пирамид около 60 градусов (б).

На фигуре 2 показан образец трехслойного РПМ, где:

1 - слой лака с углеродными нанотрубками;

2 - пластина из поликарбоната с углеродным волокном;

3 - пластина из РПМ с вольфрамом (плотность ~6 г/см³) с пирамидальными выступами с углом в вершине пирамид около 60 градусов. Зазор между пластинами 2 и 3 заполнен радиопрозрачным полимерным компаундом.

4 - направление электромагнитного излучения.

Изобретение реализуется следующим образом.

Все детали снаряда выполнены из радиопоглощающих материалов. Диапазон частот электромагнитного излучения средств радиолокационного обнаружения чаще всего составляет от 5 до 20 ГГц, поэтому резонансные РПМ интерференционного типа поглощения использовать нецелесообразно. Наибольший спектр возможностей по выбору связующих, наполнителей и свойств композитов безусловно принадлежит РПМ с диэлектрическим типом поглощения (за счет омических потерь). Такие РПМ широкополосны, технологичны в приготовлении и переработке. Варьированием концентрации проводящих наполнителей можно получить РПМ с различными значениями диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь, что позволяет легко реализовывать градиентную послойную структуру РПМ в изделии. Учитывая, что в конструкционном РПМ с электропроводящим наполнителем поглощение энергии исключительно связано с потерями электрического типа, для достижения заданных значений коэффициента поглощения электромагнитной волны необходимо увеличивать концентрацию наполнителя. Однако, при достижении критической концентрации наполнителя, собственная сквозная проводимость композиционного материала скачкообразно возрастает (точка перколяции), что приводит к увеличению отражения падающей электромагнитной волны от внешней границы материала. Это явление обусловлено несоответствием волновых сопротивлений сред свободного пространства и материала, что приводит к снижению эффективности работы РПМ. (Девина Е. А. Разработка многослойных радиопоглощающих материалов на основе нетканых диэлектрических матриц и полимерного связующего: дисс. канд. техн. наук. М., 2018. - 141 с). Согласование волновых сопротивлений сред свободного пространства и материала может быть обеспечено использованием многослойного РПМ градиентного типа. Внешний слой таких материалов должен обладать наименьшим значением диэлектрической проницаемости, а у последующих слоев ее значение должно увеличиваться вглубь материала.

Примером реализации перечисленных особенностей РПМ может служить конструкция снаряда, корпус которого изготовлен из высокопрочного полимерного материала, наполненного углеродным волокном. В качестве такого материала могут использоваться полиамид марки ПА-Л-УВ20 или поликарбонат марки ПК-Л-УВ20 по ТУ 2226-017-38259290-2015 или другие пластмассы с пределом прочности при сжатии не менее 100 МПа и величиной удельного объемного электрического сопротивления от 1⋅10³ до 1⋅10⁹ ом⋅см. Такие материалы обладают достаточной прочностью, характеризуются приемлемыми радиопоглощающими свойствами. Величина диэлектрической проницаемости этих материалов составляет от 10 до 100 и для уменьшения отражения электромагнитного излучения от поверхности корпуса целесообразно нанести на его поверхность слой РПМ с меньшей величиной диэлектрической проницаемости и величиной удельного объемного электрического сопротивления от 1⋅10⁸ до 1⋅10¹⁰ ом⋅см. Оптимальным в данном случае будет слой толщиной от 50 до 500 мкм любого полимерного лака, содержащего от 0,5 до 2 массовых % (по сухому остатку) углеродных нанотрубок (например марки Таунит-М по ТУ 2166-001-77074291-2012). Такая конструкция корпуса будет обладать наименьшей величиной отражения электромагнитного излучения и минимальной себестоимостью.

В корпусе снаряда размещен стакан со взрывчатым веществом. Предлагается изготавливать стакан из полимерного радиопоглощающего материала, обладающего следующими характеристиками: плотность материала не менее 5 г/см³, предел прочности при сжатии не менее 50 МПа, величина удельного объемного электрического сопротивления от 1⋅10² до 1⋅10³ ом⋅см. Материал, удовлетворяющий этим требованиям был изготовлен на основе низковязкого полиэфирного компаунда марки КП-50 по ТУ 2226-067-05015213-99, наполненного порошком вольфрама марки W6.1 по ТУ 48-19-417-86 при следующем соотношении компонентов:

Данная рецептура позволяет получить материал с величиной диэлектрической проницаемости от 100 до 1000, плотностью от 5 до 7 г/см³, показателями предела прочности при сжатии не менее 50 МПа и величины удельного объемного электрического сопротивления от 1⋅10² до 1⋅10³ ом⋅см. Уменьшение содержания вольфрама в композиции ведет к ослаблению радиопоглощающих свойств, уменьшению плотности материала и поражающей способности осколков, а увеличение содержания вольфрама - к резкому снижению величины удельного объемного электрического сопротивления и соответственно росту уровня отражения электромагнитного излучения. Материал технологичен, легко готовится и формуется с помощью прессформ или механической обработки. На наружной поверхности стакана, изготовленного из этого материала рельефом прессформы или механической обработкой сформированы пирамидальные выступы с углом в вершине близким к 60 градусам. Такая конструкция стакана не только способствует делению стакана на большое количество осколков при детонации взрывчатого вещества в стакане, но и существенно увеличивает поглощение электромагнитного излучения за счет двухкратного (или трехкратного) взаимодействия излучения с веществом стакана при отражении, как показано на фигуре 1.

Изготовление снаряда предлагаемой конструкции производится с помощью прессформ, характеризуется малой величиной продолжительности технологического цикла и трудоемкости, требует минимум доработок с использованием ручного труда. Для обеспечения высокой механической прочности снаряда зазор между стаканом и корпусом рекомендуется заполнять радиопрозрачным полимерным компаундом (например КП-50).

Благодаря применению в качестве материала стакана полимерного радиопоглощающего материала, обладающего плотностью более 5 г/см³ (близкой к плотности железа), получена высокая поражающая способность осколков при взрыве, близкая к поражающей способности на основе железа.

Оценку величины отражения ЭМИ от снаряда-невидимки предлагаемой конструкции производили по ГОСТ Р 50011-92 в диапазоне частот 5-20 ГГц на образцах размером 200×200 мм, изготовленных согласно фигуре 2.

Было установлено, что при нормальном падении ЭМИ на образец со стороны лакового покрытия уровень отражения ЭМИ во всем исследуемом диапазоне частот не превышает величины минус 20 дб (менее 1%).

Измеренный на образцах из стеклопластика (СТЭФ по ГОСТ 12652-74) толщиной 15 мм уровень отражения ЭМИ составил от минус 20 до минус 13 дб (от 1 до 5%).

Таким образом, предлагаемая конструкция снаряда-невидимки превосходит прототип по технологичности изготовления, поражающей способности осколков при взрыве и радиолокационной незаметности (меньший уровень отражения ЭМИ).

Кроме того, в предлагаемой конструкции требования к материалам взрывателя ниже, чем у прототипа, так как весь снаряд в целом покрывается радиопоглощающим покрытием на основе лака с углеродными нанотрубками.