外掛設(shè)備對(duì)飛行器電磁散射特性的影響

劉戰(zhàn)合，王菁，姬金祖，王曉璐，楊永攀

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 航空工程學(xué)院，鄭州 450046) (2.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

隱身技術(shù)是提高飛行器戰(zhàn)場(chǎng)生存能力的重要手段之一[1-2]，對(duì)于飛行器，隱身主要包含電磁隱身(雷達(dá)隱身)、紅外隱身、可見光隱身、聲隱身等[3]，對(duì)于固定翼飛行器，電磁隱身尤顯重要，尤其在頭向一定角域內(nèi)，而衡量電磁隱身的主要技術(shù)參數(shù)為雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section ，簡(jiǎn)稱RCS)[4-6]。

原則上，隱身飛機(jī)一般采用內(nèi)藏式彈艙來代替外掛式[3]。即便如此，當(dāng)前先進(jìn)的隱身戰(zhàn)斗機(jī)依然在某些型號(hào)上采用外掛方式。但從隱身角度考慮，由于飛行器本體已經(jīng)采用了隱身技術(shù)，外掛方式將會(huì)大幅增加頭向RCS，從而降低頭向隱身性；對(duì)于常規(guī)戰(zhàn)斗機(jī)，大多采用外掛方式，而常規(guī)戰(zhàn)斗機(jī)的隱身性能較差，通常受多種因素影響，例如進(jìn)氣道、座艙、雷達(dá)艙等[3,7-9]。李建華等[1]以雙S隱身進(jìn)氣道為目標(biāo)研究了其隱身設(shè)計(jì)，并分析了對(duì)流場(chǎng)的影響；劉戰(zhàn)合等[10]、鄧金萍等[11]以飛機(jī)座艙為目標(biāo)，分別研究了實(shí)現(xiàn)座艙隱身化的鈮摻雜ITO鍍膜工藝和座艙風(fēng)擋對(duì)炫光分布的影響規(guī)律。而外掛物是飛行器的重要部分，包含備用油箱、不同型號(hào)的導(dǎo)彈、炸彈等。岳奎志等[7-9]研究了戰(zhàn)斗機(jī)局部部件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)飛行器隱身性能的影響，姬金祖等[4]、張揚(yáng)等[5]研究了機(jī)身截面和側(cè)棱的電磁散射影響，岳奎志等[6]研究了帶導(dǎo)彈時(shí)飛行器布局改變的RCS特性，但對(duì)外掛設(shè)備的電磁散射影響特點(diǎn)及規(guī)律研究較少。

本文基于物理光學(xué)法，對(duì)不同電磁波入射頻率、不同角域的飛行器RCS進(jìn)行計(jì)算分析，重點(diǎn)研究外掛物在不同狀態(tài)下對(duì)飛行器電磁散射特性的影響關(guān)系，以期對(duì)提高飛行器隱身性能、研究生存能力產(chǎn)生重要的意義。

1 研究目標(biāo)簡(jiǎn)介

為了分析外掛物對(duì)飛行器電磁散射特性的影響，建立某型常規(guī)戰(zhàn)斗機(jī)電磁模型，并左右各布置兩個(gè)外掛物，分別模擬副油箱、導(dǎo)彈。該模型機(jī)身長(zhǎng)20 m，翼展13 m，有外掛設(shè)備時(shí)電磁模型如圖1所示，去除外掛后為對(duì)應(yīng)無外掛設(shè)備的電磁模型。圖1中外掛設(shè)備呈對(duì)稱分布，左右各兩個(gè)不同類型外掛設(shè)備，由各一個(gè)副油箱和導(dǎo)彈組成，用來模擬外掛設(shè)備對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)電磁隱身性能即電磁散射特性的影響。實(shí)際中根據(jù)作戰(zhàn)需求，外掛設(shè)備數(shù)目和類型會(huì)更多，對(duì)其隱身性能尤其是頭向隱身性能將會(huì)有更大影響。本文通過有、無外掛設(shè)備對(duì)比來分析外掛設(shè)備對(duì)隱身性能的影響關(guān)系。

(a) 左視圖

(b) 俯視圖

(c) 主視圖

為了保證真實(shí)性，對(duì)于無外掛設(shè)備電磁模型，適當(dāng)增加機(jī)翼機(jī)身厚度以模擬內(nèi)置彈倉。對(duì)于有、無外掛設(shè)備的兩種電磁模型，分別研究不同狀態(tài)下的RCS特性，以對(duì)比二者隱身性能。計(jì)算時(shí)電磁波入射頻率分別包含3、6、10、15、18 GHz，模型俯仰角分別為-15°、-10°、-5°、0°、5°、10°、15°，電磁波入射角變化范圍為0～360°，共70余條RCS計(jì)算曲線。

實(shí)際研究中，定義頭向30°角域?yàn)轱w行器正頭向左右各15°方位角(入射角)范圍，以該角域內(nèi)RCS算術(shù)均值為分析依據(jù)，表征頭向波峰幅值變化關(guān)系；相應(yīng)定義尾向是30°角域，周向是360°角域。

2 電磁散射特性分析方法

2.1 RCS計(jì)算方法及正確性驗(yàn)證

飛行器目標(biāo)尤其是三代戰(zhàn)斗機(jī)均可以視為金屬目標(biāo)，對(duì)整機(jī)飛行器，可采用金屬目標(biāo)RCS計(jì)算方法[8-9]。RCS計(jì)算方法從目標(biāo)電尺寸來說，分為低頻和高頻計(jì)算方法。低頻計(jì)算方法一般具有較高的計(jì)算精度，例如矩量法(Method of Moments，簡(jiǎn)稱MOM)[4,12]及其快速方法(例如，多層快速多極子算法(Multilevel Fast Multipole Algorithm，簡(jiǎn)稱MLFMA))[13-15]、時(shí)域有限差分法(Finite Difference Time Domain，簡(jiǎn)稱FDTD)等；高頻計(jì)算方法為近似算法，將一些對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的項(xiàng)進(jìn)行近似或忽略，例如物理光學(xué)法(PO)、幾何光學(xué)法、物理繞射理論、幾何繞射理論、等效電流等方法，一般對(duì)電大尺寸目標(biāo)具有高效的求解效率。

物理光學(xué)法與矩量法出發(fā)點(diǎn)均為Stratton-Chu積分方程[5-6]，包含電場(chǎng)和磁場(chǎng)積分方程。矩量法通過求內(nèi)積將積分方程變?yōu)榭蓴?shù)值求解的方程組，其系數(shù)矩陣表示目標(biāo)本身源、場(chǎng)之間的耦合作用，也包含自耦合強(qiáng)作用，即矩量法不僅考慮自身的強(qiáng)耦合作用，也考慮目標(biāo)各部分之間的相互影響，引起計(jì)算量增大。為了提高計(jì)算速度，在矩量法基礎(chǔ)上，開發(fā)了快速多極子算法、多層快速多極子算法等，來加快各部分之間耦合作用的求解。相對(duì)而言，物理光學(xué)法僅考慮自耦和作用，完全忽略各部分之前的相互作用[3]，從而大幅加快計(jì)算速度，但該方法不能用于計(jì)算復(fù)雜物體表面的邊緣、尖劈影響。本文飛行器目標(biāo)為光滑目標(biāo)，且局部之間無明顯耦合現(xiàn)象，同時(shí)，計(jì)算時(shí)目標(biāo)處于電大尺寸范圍，適合采用物理光學(xué)法進(jìn)行計(jì)算分析。

為了驗(yàn)證本文物理光學(xué)法計(jì)算結(jié)果正確性，以等邊三角形金屬柱為計(jì)算對(duì)象，邊長(zhǎng)為1 m，入射電磁波波長(zhǎng)為0.1 m，俯仰角為0°。分別采用本文物理光學(xué)法和高精度矩量法計(jì)算，其RCS曲線結(jié)果對(duì)比如圖2所示，由于為等邊三角形，僅計(jì)算0～60°角域范圍。

圖2 金屬柱RCS計(jì)算對(duì)比曲線

從圖2可以看出：物理光學(xué)法與矩量法RCS計(jì)算曲線吻合較好，物理光學(xué)法0～60°角域算術(shù)均值為0.819 0 dBsm，矩陣法為0.894 4 dBsm，誤差為0.075 4 dB，表明本文物理光學(xué)法有足夠好的計(jì)算精度，可用于分析本文研究對(duì)象和計(jì)算頻率。

2.2 外掛設(shè)備影響分析方法

外掛設(shè)備對(duì)飛行器電磁散射有重要影響，一方面，結(jié)合RCS散射曲線分布形式，對(duì)比有無外掛設(shè)備RCS曲線，從波峰位置、大小等變化來分析，討論外掛設(shè)備影響特性。另一方面，結(jié)合前述電磁模型，對(duì)兩種飛行器模型，在重點(diǎn)影響角域內(nèi)，以有外掛設(shè)備和無外掛設(shè)備電磁模型為目標(biāo)，基于二者之間角域內(nèi)的RCS均值差異來分析外掛設(shè)備的電磁散射特性影響。

定義有無外掛設(shè)備RCS相對(duì)增量為

G=σ有外掛-σ無外掛

(1)

式中：G為RCS相對(duì)增量，單位為dB；σ有外掛、σ無外掛分別為有、無外掛設(shè)備電磁模型在對(duì)應(yīng)研究角域內(nèi)的RCS算術(shù)均值或幾何均值。

3 電磁模型RCS散射分布特性

3.1 RCS曲線分布特性

以上述有、無外掛設(shè)備電磁模型為對(duì)象，研究其RCS曲線分布特性，俯仰角0°時(shí)入射電磁波頻率為10 GHz時(shí)的有、無外掛RCS散射曲線如圖3所示。

圖3 0°俯仰角有無外掛RCS計(jì)算對(duì)比

從圖3可以看出：對(duì)有外掛模型，其RCS曲線與飛行器外形有直接關(guān)系，沿周向?qū)ΨQ分布有8個(gè)散射波峰，其中飛行器正頭向、側(cè)向、尾向散射波峰最強(qiáng)，50°、165°左右兩波峰較弱。頭向波峰是由于機(jī)頭、副油箱、導(dǎo)彈頭部接近鏡面散射產(chǎn)生的疊加效果；側(cè)向波峰是機(jī)身側(cè)向、外掛側(cè)向散射的綜合效果，由于側(cè)向投影面積較大，導(dǎo)致其RCS較大；尾向散射波峰與發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口有直接關(guān)系，同時(shí)外掛設(shè)備的尾部形狀、機(jī)翼后緣影響也較為明顯。對(duì)于兩個(gè)次波峰(50°、165°左右)，50°角域波峰是機(jī)翼、鴨翼前緣的散射效果，165°角域波峰是尾向各部件耦合效果。

從圖3還可以看出：外掛設(shè)備對(duì)飛行器的電磁散射影響表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是對(duì)頭向和尾向波峰表現(xiàn)最為明顯，從隱身角度而言，尤其是頭向角域，無外掛設(shè)備的RCS曲線波峰獲得了較大降低，同時(shí)，波峰寬度變窄，尾向表現(xiàn)一致；二是在周向大范圍內(nèi)，除了50°、165°角域波峰無較大變化外，無外掛設(shè)備的RCS曲線表現(xiàn)為不同程度的向內(nèi)收縮，降低了散射強(qiáng)度，為外掛設(shè)備影響。

3.2 RCS曲線俯仰角特性

飛行器在執(zhí)行任務(wù)過程中，會(huì)有復(fù)雜的機(jī)動(dòng)動(dòng)作，包括俯仰、滾轉(zhuǎn)等，針對(duì)有外掛設(shè)備飛行器電磁模型，以入射頻率10 GHz為例，分析俯仰角對(duì)RCS散射的影響，俯仰角選擇-10°、0°、10°，其RCS曲線如圖4所示。

圖4 頻率10 GHz不同俯仰角RCS

從圖4可以看出：對(duì)于俯仰角較大的-10°和10°，RCS散射曲線分布規(guī)律有一定的變化，首先，從波峰來講，由于俯仰角的變化，頭向和尾向的兩個(gè)波峰消失，這是由于一般的鏡面散射主要表現(xiàn)在10°以內(nèi)，而在俯仰角-10°和10°時(shí)，對(duì)頭向和尾向的散射波峰產(chǎn)生主要貢獻(xiàn)的機(jī)頭、外掛設(shè)備、及其他部位已經(jīng)并非鏡面散射，從而使得其RCS極大降低；其次，側(cè)向波峰依然存在，這是由于理論上講，俯仰角變化一般不引起側(cè)向散射原理的變化，因此其散射波峰特性一般不發(fā)生較大變化；最后，其他部位散射波峰大小變化較小，但在有俯仰角、36°入射角時(shí)，存在一較小波峰，而原來由于機(jī)翼前緣散射的50°角域波峰消失，與頭向和尾向波峰消失原因類似。由此得出，俯仰角變化時(shí)，會(huì)在前向和尾向的RCS有較大影響，同時(shí)，其他方向的散射也會(huì)有一定影響。

4 不同角域外掛設(shè)備散射影響

飛行器尤其是戰(zhàn)斗機(jī)在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，威脅最大的角域是其頭向一定角域，結(jié)合RCS散射曲線的分布特征，重點(diǎn)關(guān)注飛行器頭向、尾向及周向各角域內(nèi)的RCS幅值大小，一般采用算數(shù)均值或幾何均值來描述。由于尾向與頭向散射具有類似影響規(guī)律，本文結(jié)合戰(zhàn)斗機(jī)實(shí)際情況，對(duì)有、無外掛設(shè)備的戰(zhàn)斗機(jī)電磁模型的頭向30°和周向360°角域算術(shù)均值變化規(guī)律進(jìn)行研究，以分析其電磁隱身性能。

4.1 頭向30°角域算術(shù)均值變化規(guī)律

對(duì)于頭向30°角域，不同入射頻率、不同俯仰角下有、無外掛設(shè)備模型的算術(shù)均值變化曲線如圖5～圖6所示。

圖5 有外掛設(shè)備模型不同頻率均值變化曲線

圖6 無外掛設(shè)備模型不同頻率均值變化曲線

從圖5～圖6可以看出：有外掛設(shè)備飛行器頭向30°角域RCS算術(shù)均值隨俯仰角呈“W”型分布，俯仰角為0°時(shí)，頭向RCS算術(shù)均值最大，結(jié)合RCS曲線，該角域內(nèi)存在一較強(qiáng)的散射波峰，為各種接近鏡面散射的疊加，俯仰角變大時(shí)，算術(shù)均值先變小后增大，是外掛設(shè)備的散射影響；對(duì)于無外掛設(shè)備模型，其RCS算術(shù)均值曲線接近倒“V”型分布，與有外掛設(shè)備散射類似，也在俯仰角0°時(shí)，散射最強(qiáng)，但幅值比有外掛時(shí)小，俯仰角變大時(shí)，均值震蕩變小。

同時(shí)，從圖5～圖6可以看出：有無外掛設(shè)備模型表現(xiàn)出一定的共性，即頻率特性；對(duì)于兩種模型，俯仰角0°時(shí)，各頻率下的RCS均值基本接近，俯仰角增大時(shí)，頻率越大，其RCS均值越低，但其不同俯仰角下的曲線形式表現(xiàn)一致。

為了進(jìn)一步研究外掛設(shè)備對(duì)頭向30°角域算術(shù)均值的影響，其相對(duì)增量值如表1所示。

表1 有、無外掛模型頭向30°角域相對(duì)增量

從表1可以看出：對(duì)于飛行器頭向30°角域，3～18 GHz、-15～15°俯仰角情況下，外掛設(shè)備均在不同程度上增大散射幅值，大致范圍在10～25dB，即外掛設(shè)備可在各種情況下增大頭向散射，從而降低其頭向隱身性能。結(jié)合圖3可以看出：外掛設(shè)備的存在，不僅體現(xiàn)在頭向30°，對(duì)尾向、周向均有一定影響。同時(shí)，從表1也可以看出：相對(duì)增量與入射頻率、俯仰角有一定關(guān)系，其變化關(guān)系如圖7所示。

圖7 頭向不同頻率相對(duì)增量曲線

從圖7和表1可以看出：外掛設(shè)備會(huì)明顯增加頭向散射強(qiáng)度，俯仰角變化時(shí)，其相對(duì)增量呈類似前述的“W”型，即在0°入射角時(shí)較大，隨俯仰角變大相對(duì)增量先降低后增大，在俯仰角為-5°和5°時(shí)相對(duì)增量最?。活l率的增大，不改變曲線變化趨勢(shì)，僅影響曲線幅值大小，俯仰角0°時(shí)，頻率3 GHz時(shí)相對(duì)增量最大，隨后減小，而在俯仰角-15°和15°時(shí)基本接近，其他俯仰角情況下，相對(duì)增量隨頻率呈震蕩趨勢(shì)；尾向RCS散射特性與頭向類似，且其對(duì)隱身性能影響較弱，不再進(jìn)行展開論述。

4.2 周向角域算術(shù)均值變化規(guī)律

外掛設(shè)備對(duì)隱身性能的影響不僅限于頭向和尾向，對(duì)周向也有較大影響，由于其算術(shù)均值規(guī)律基本一致，僅討論有外掛模型周向算術(shù)均值特性。為了進(jìn)一步分析外掛設(shè)備對(duì)沿飛行器周向分布的電磁散射影響，基于RCS算術(shù)均值，主要研究其相對(duì)增量特性。有外掛模型周向算數(shù)均值曲線如圖8所示，外掛設(shè)備的相對(duì)增量影響關(guān)系如圖9所示。

圖8 有外掛設(shè)備模型不同頻率均值變化曲線

圖9 周向不同頻率均值增量值曲線

對(duì)于有外掛飛行器，俯仰角、頻率均對(duì)其頭向RCS有重要影響，從圖8可以看出：俯仰角變化時(shí)，其周向均值與無外掛頭向30°角域類似，也呈倒“V”型分布，各不同頻率下俯仰角0°時(shí)，RCS均值最高，且大小接近；俯仰角變大時(shí)，逐漸降低，表現(xiàn)為頻率越大，降低速率越高，在-15°、15°、18 GHz時(shí)，達(dá)到最小。

從圖9可以看出：外掛帶來的RCS相對(duì)增量在所有俯仰角情況均大于0 dB，且呈震蕩分布，表明從周向來講，外掛設(shè)備的存在增加了電磁散射，但幅值相對(duì)頭向30°角域較?。活l率的變化并不影響相對(duì)增量的分布規(guī)律，僅在較小范圍內(nèi)影響其幅值大小，各頻率下的相對(duì)增量呈現(xiàn)粘合現(xiàn)象；在-5°、0、5°俯仰角時(shí)，相對(duì)增量較小，為10 dB左右，而在更大俯仰角時(shí)，相對(duì)增量較大，為15 dB左右。-15～15°俯仰角變化時(shí)，相對(duì)增量在7～17 dB范圍變化。

外掛設(shè)備對(duì)整機(jī)電磁散射特性的影響，還與外掛設(shè)備的數(shù)目、類型有關(guān)，為了提升其隱身性能，可通過提高外掛設(shè)備的外形隱身來改善整機(jī)隱身性能。

5 結(jié) 論

(1) RCS曲線波峰與飛行器外形有直接關(guān)系，沿周向分布有強(qiáng)弱散射波峰8個(gè)，分別對(duì)應(yīng)飛行器各重要部件散射，頭向波峰是機(jī)頭和外掛設(shè)備的綜合影響。

(2) 外掛設(shè)備在較大范圍內(nèi)提高頭向、尾向、周向電磁散射強(qiáng)度；頭向30°角域，有外掛模型算術(shù)均值隨俯仰角呈“W”型分布，無外掛模型接近倒“V”型分布；周向上，有外掛模型呈倒“V”型分布。

(3) 頭向30°角域，相對(duì)增量呈“W”型分布，而周向上呈震蕩分布；頭向相對(duì)幅值增量更大，在10～25 dB，周向較小，為7～17 dB。

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