RU2728070C1

RU2728070C1 - Invisible projectile

Info

Publication number: RU2728070C1
Application number: RU2020101581A
Authority: RU
Inventors: Виктор Леонидович Зефиров
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2020-07-28

Abstract

FIELD: weapons and ammunition.

SUBSTANCE: invention relates to ammunition, particularly to projectiles invisible for radars. Projectile body is made of radar absorbent high-strength polymer material filled with carbon fiber, all projectile parts from above are coated with layer of polymer radio-absorbing material with lower dielectric permeability value than case material, in housing there is a shell with explosive, made of composite radar absorbent polymer material with high dielectric permeability, than that of housing material, and with density of 5.7 g/cm³, which is formed on the surface of the pyramidal protrusions and the clearances between the sleeve and the casing filled with a dielectric.

EFFECT: design of a technological structure of an invisible projectile with minimum reflection of electromagnetic radiation of radar detection, high mechanical strength and high destructive capacity.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к боеприпасам, в частности к снарядам, невидимым для радаров.The invention relates to ammunition, in particular to projectiles invisible to radars.

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.The task of making the projectile invisible to radars has become relevant in connection with the development of radars capable of detecting small-sized targets at long distances, the creation of combat lasers capable of eliminating targets on the fly, as well as the ability to quickly determine the coordinates of the target's launch site along its trajectory.

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).So, the known design of the invisible projectile, where the body is made of ceramics, on which stretched glass or basalt fibers with a polymer binder are wound in a certain way (RF patent No. 2625056, publ. 11.07.2017, bull. No. 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).This design is complex, laborious, which is unacceptable for serial products. In addition, due to the low density of the hull, the lethality of the fragments is sharply reduced, and the radar signature of the projectile is not fully reduced. It is difficult to get rid of metal parts in the design of the projectile (fuse, striking elements, tail unit, etc.), but even in their absence, objects made of radio-transparent materials are detected by radars due to the reflection of electromagnetic waves at the interface between media with different values of the complex dielectric constant (air and ceramics).

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.As a prototype, the design of the invisible projectile can be chosen, the body of which is made of high-strength polymer material filled with non-conductive strong fibers such as fiberglass, dynema, spectra, zylon, etc. (RF patent No. 2522342, publ. 07/10/2014, bull. nineteen). This projectile design is more technologically advanced, less labor-intensive, but has the same disadvantages as the one given above.

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.The technical result of the proposed invention is the creation of a technological design of an invisible projectile with minimal reflection of electromagnetic radiation from radar detection, high mechanical strength and high lethality.

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.The technical result is achieved by the fact that in an invisible projectile containing a body, a fuse and an explosive, the body is made of a radio-absorbing high-strength polymer material filled with carbon fiber, all parts of the projectile are covered on top with a layer of polymer radio-absorbing material with a lower dielectric constant than the body material, the housing contains a glass with an explosive made of a composite radio-absorbing polymer material with a higher dielectric constant than that of the housing material and with a density of 5-7 g / cm ³ , on the surface of which pyramidal protrusions are formed, and the gaps between the glass and the housing are filled with a dielectric.

Кроме того на поверхности стакана со взрывчатым веществом сформированы пирамидальные выступы с углом в вершине пирамид около 60 градусов.In addition, pyramidal projections with an angle at the top of the pyramids of about 60 degrees are formed on the surface of the glass with the explosive.

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.In addition, a polymer lacquer layer containing carbon nanotubes in an amount of 0.5 to 2 mass% based on the dry residue of the lacquer is used as a polymeric radio-absorbing material with a lower dielectric constant.

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).Figure 1 shows a diagram of the reflection of electromagnetic radiation from a flat (a) surface and from a surface with pyramidal protrusions with an angle at the top of the pyramids of about 60 degrees (b).

На фигуре 2 показан образец трехслойного РПМ, где:Figure 2 shows a sample of a three-layer RPM, where:

1 - слой лака с углеродными нанотрубками;1 - a layer of varnish with carbon nanotubes;

2 - пластина из поликарбоната с углеродным волокном;2 - plate made of polycarbonate with carbon fiber;

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.3 - plate made of RPM with tungsten (density ~ 6 g / cm ³ ) with pyramidal protrusions with an angle at the top of the pyramids of about 60 degrees. The gap between plates 2 and 3 is filled with a radio-transparent polymer compound.

4 - направление электромагнитного излучения.4 - direction of electromagnetic radiation.

Изобретение реализуется следующим образом.The invention is implemented as follows.

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.All parts of the projectile are made of radio-absorbing materials. The frequency range of electromagnetic radiation of radar detection equipment is most often from 5 to 20 GHz, therefore, it is impractical to use resonant RPMs of interference absorption type. The largest spectrum of possibilities for choosing binders, fillers and properties of composites certainly belongs to RPMs with a dielectric type of absorption (due to ohmic losses). Such RPMs are broadband, technologically advanced in preparation and processing. By varying the concentration of conductive fillers, one can obtain RPMs with different values of dielectric constant and dielectric losses, which makes it easy to implement a gradient layer-by-layer structure of RPMs in an article. Taking into account that in a structural RPM with an electrically conductive filler, energy absorption is exclusively associated with electrical losses, in order to achieve the specified values of the absorption coefficient of an electromagnetic wave, it is necessary to increase the filler concentration. However, when the critical concentration of the filler is reached, the intrinsic through conductivity of the composite material abruptly increases (percolation point), which leads to an increase in the reflection of the incident electromagnetic wave from the outer boundary of the material. This phenomenon is caused by the discrepancy between the wave impedances of the free space media and the material, which leads to a decrease in the efficiency of the RPM. (Devina E.A. Development of multilayer radio-absorbing materials based on non-woven dielectric matrices and a polymer binder: dissertation for a candidate of technical sciences. M., 2018. - 141 p.). Matching of wave impedances of free space media and material can be provided by using a multilayer RPM of the gradient type. The outer layer of such materials should have the lowest dielectric constant, and in subsequent layers its value should increase deeper into the material.

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.An example of the implementation of the listed features of the RPM can be the design of a projectile, the body of which is made of a high-strength polymer material filled with carbon fiber. As such a material, polyamide of the PA-L-UV20 brand or polycarbonate of the PK-L-UV20 brand according to TU 2226-017-38259290-2015 or other plastics with a compressive strength of at least 100 MPa and a specific volumetric electrical resistance of 1 ⋅10 ³ to 1⋅10 ⁹ ohm⋅cm. Such materials have sufficient strength and are characterized by acceptable radar absorbing properties. The dielectric constant of these materials is from 10 to 100, and to reduce the reflection of electromagnetic radiation from the surface of the housing, it is advisable to apply on its surface an RPM layer with a lower dielectric constant and a specific volumetric electrical resistance from 1⋅10 ⁸ to 1⋅10 ¹⁰ ohm⋅cm ... In this case, the optimal layer will be a layer with a thickness of 50 to 500 microns of any polymer varnish containing from 0.5 to 2 mass% (by dry residue) of carbon nanotubes (for example, Taunit-M brand according to TU 2166-001-77074291-2012). Such a housing design will have the least amount of reflection of electromagnetic radiation and the lowest cost.

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:A glass with an explosive is placed in the shell of the projectile. It is proposed to make a glass from a polymeric radio-absorbing material with the following characteristics: material density of at least 5 g / cm ³ , ultimate compressive strength of at least 50 MPa, specific volumetric electrical resistance from 1⋅10 ² to 1⋅10 ³ ohm⋅cm. The material that meets these requirements was made on the basis of a low-viscosity polyester compound of the KP-50 grade according to TU 2226-067-05015213-99, filled with tungsten powder of the W6.1 grade according to TU 48-19-417-86 with the following component ratio:

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.This formulation makes it possible to obtain a material with a dielectric constant from 100 to 1000, a density from 5 to 7 g / cm ³ , compressive strength at least 50 MPa, and a specific volumetric electrical resistance from 1⋅10 ² to 1⋅10 ³ ohm ⋅cm. A decrease in the content of tungsten in the composition leads to a weakening of the radio-absorbing properties, a decrease in the density of the material and the damaging ability of fragments, and an increase in the content of tungsten leads to a sharp decrease in the value of the specific volume electrical resistance and, accordingly, to an increase in the level of reflection of electromagnetic radiation. The material is technologically advanced, easy to prepare and shape using molds or machining. On the outer surface of a glass made of this material, by a mold relief or by machining, pyramidal projections are formed with an apex angle close to 60 degrees. This design of the glass not only contributes to the division of the glass into a large number of fragments during the detonation of the explosive in the glass, but also significantly increases the absorption of electromagnetic radiation due to the double (or threefold) interaction of radiation with the substance of the glass during reflection, as shown in figure 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).The manufacture of the projectile of the proposed design is carried out using molds, is characterized by a small value of the duration of the technological cycle and labor intensity, and requires a minimum of modifications using manual labor. To ensure high mechanical strength of the projectile, it is recommended to fill the gap between the glass and the body with a radio-transparent polymer compound (for example, KP-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.Due to the use of a polymeric radio-absorbing material with a density of more than 5 g / cm ³ (close to the density of iron) as a glass material, a high lethality of fragments in an explosion is obtained, close to the lethality of iron-based ones.

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.The evaluation of the magnitude of the EMP reflection from the invisible projectile of the proposed design was carried out in accordance with GOST R 50011-92 in the frequency range 5-20 GHz on samples with a size of 200 × 200 mm, made according to figure 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%).It was found that with a normal drop of EMP on the sample from the side of the varnish, the level of EMP reflection in the entire investigated frequency range does not exceed minus 20 dB (less than 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%).The EMP reflection level measured on fiberglass specimens (STEF according to GOST 12652-74) 15 mm thick was from minus 20 to minus 13 dB (from 1 to 5%).

Таким образом, предлагаемая конструкция снаряда-невидимки превосходит прототип по технологичности изготовления, поражающей способности осколков при взрыве и радиолокационной незаметности (меньший уровень отражения ЭМИ).Thus, the proposed design of the invisible projectile is superior to the prototype in terms of manufacturability, destructive ability of fragments in an explosion and radar stealth (lower level of EMP reflection).

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.In addition, in the proposed design, the requirements for fuse materials are lower than those of the prototype, since the entire projectile is covered with a radio-absorbing coating based on varnish with carbon nanotubes.

Claims

1. An invisible projectile containing a body, a fuse and an explosive, characterized in that the body is made of a radio-absorbing high-strength polymer material filled with carbon fiber, all parts of the projectile are covered on top with a layer of polymer radio-absorbing material with a lower dielectric constant than the body material, a glass with an explosive is placed in the body, made of a composite radio-absorbing polymer material with a higher dielectric constant than that of the body material, and with a density of 5-7 g / cm ³ , on the surface of which pyramidal protrusions are formed, and the gaps between the glass and the body are filled with a dielectric ...

2. A projectile according to claim 1, characterized in that pyramidal projections are formed on the surface of the glass with an explosive with an angle at the top of the pyramids of about 60 degrees.

3. A projectile according to claim 1, characterized in that a polymer lacquer layer containing carbon nanotubes in an amount of 0.5 to 2 wt.% Based on the dry residue of the lacquer is used as a polymeric radio-absorbing material with a lower dielectric constant.