靶標(biāo)龍伯球一體化反射器電磁和氣動特性融合設(shè)計

張洪新，吳東輝，節(jié)洪波，方小星，曹群生

（1.解放軍63850 部隊，吉林 白城 137001；2.南京航空航天大學(xué)，南京 210016）

0 引言

空中靶標(biāo)可以用作模擬目標(biāo)飛行器和開展防空訓(xùn)練和演習(xí)。靶標(biāo)的RCS 受其尺寸、形狀、材質(zhì)等限制，因此，靶標(biāo)在散射幅度均值和散射起伏規(guī)律上和目標(biāo)飛行器的RCS 都存在較大差異。龍伯透鏡反射器可以聚焦電磁波，并以高增益反射出去，可以大幅度增大特定角度范圍內(nèi)的RCS，且波束寬度可根據(jù)反射板尺寸、位置調(diào)節(jié)，通常用于增強(qiáng)靶標(biāo)RCS、開展科研訓(xùn)練等領(lǐng)域，因此，可以利用靶標(biāo)加載龍伯反射器對靶標(biāo)RCS 改型，繼而模擬真實(shí)的飛行器RCS，但是同時對靶標(biāo)的氣動特性造成一定影響，故而需要考慮不同加載位置（靶標(biāo)機(jī)頭下方、機(jī)身中部下方、機(jī)翼兩側(cè)、尾翼下方）和方式對氣動特性的影響，對電磁散射特性和氣動特性進(jìn)行融合設(shè)計。

通過聯(lián)合使用電磁仿真軟件FEKO 和流體仿真軟件Fluent，設(shè)計龍伯反射器，并加載到靶標(biāo)上，對RCS 靶標(biāo)有效地改進(jìn)。分析了在靶標(biāo)不同位置和方式加載反射器后的氣動特性和電磁散射特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，龍伯反射器加載于靶標(biāo)機(jī)頭下方時，可以得到的改型后的RCS 與氣動特性最符合設(shè)計要求。

1 龍伯透鏡反射器設(shè)計

如圖1 所示，設(shè)計的龍伯透鏡反射器由3 層介質(zhì)和1 層空氣加上金屬反射板組成，從內(nèi)到外厚度依次為2.880 4 cm、1.826 2 cm 和2.014 2 cm，空氣層厚度1.016 cm，從內(nèi)到外的相對介電常數(shù)依次為1.96、1.795 6、1.488 4，F(xiàn)EKO 電磁計算軟件建立模型如圖2 所示，選用1.27 cm 焦距的拋物面金屬反射板。

圖1 龍伯反射器示意圖

圖2 FEKO 中的模型截面

2 龍伯反射器不同加載位置和方式對靶標(biāo)RCS 影響分析

FEKO 仿真實(shí)驗(yàn)中工作頻率為5.6 GHz，水平極化，平面波激勵。因?yàn)榘袠?biāo)屬于電大尺寸物體，在誤差較小情況下仿真采用PO（物理光學(xué)法）+多層快速多級子算法（MLFMM）的聯(lián)合算法，對靶標(biāo)采用PO，對龍伯反射器采用MLFMM。對于加載龍伯反射器在靶標(biāo)的不同位置和方式，相應(yīng)的RCS 有所變化。將仿真后的RCS 與某真實(shí)飛行器的RCS 在某兩航段內(nèi)進(jìn)行比較，可以獲得加載位置和方式對靶標(biāo)RCS 的擬合效果。

2.1 龍伯反射器加載于靶標(biāo)機(jī)頭下方

將龍伯反射器加載于靶標(biāo)機(jī)頭正下方如圖3所示，反射板置于左上45°，聯(lián)合仿真加載反射器后的RCS 如下頁圖4 所示，可以看出在θ 為210°～240°范圍內(nèi)，靶標(biāo)RCS 有較大幅度增強(qiáng)，且起伏規(guī)律十分明顯。

圖3 龍伯反射器加載于靶標(biāo)機(jī)頭下方示意圖

圖4 龍伯反射器加載于機(jī)頭下方前后RCS 對比

2.2 龍伯反射器加載于靶標(biāo)機(jī)身中部下方

將龍伯反射器加載于靶標(biāo)機(jī)頭正下方如圖5所示，反射板置于左上45°，聯(lián)合仿真加載后的RCS如圖6 所示，可以看出在θ 為210°～240°范圍內(nèi)，靶標(biāo)RCS 有較大幅度增強(qiáng)。

圖5 龍伯反射器加載于靶標(biāo)中部下方示意圖

圖6 龍伯反射器加載于中部下方前后的RCS

2.3 龍伯反射器加載于靶標(biāo)機(jī)翼兩側(cè)

考慮加載龍伯反射器后的靶標(biāo)氣動性的變化，僅考慮靶標(biāo)機(jī)翼兩側(cè)時同時加載兩只龍伯反射器，如圖7 所示，反射板置于右上45°，聯(lián)合仿真加載后的RCS如圖8 所示，可以看出在θ 為120°～150°范圍內(nèi)，靶標(biāo)RCS 有較大幅度增強(qiáng)，比單球加載增強(qiáng)幅度更大，但是缺少起伏規(guī)律，未出現(xiàn)可以和某型機(jī)第二航段RCS 擬合的部分。

圖7 兩只龍伯反射器加載于靶標(biāo)機(jī)翼兩側(cè)示意圖

圖8 兩只龍伯反射器加載于機(jī)翼兩側(cè)前后的RCS 對比

2.4 龍伯反射器加載于靶標(biāo)尾翼下方

圖9 為龍伯反射器加載于靶標(biāo)尾翼下方示意圖，反射板置于左上45°，聯(lián)合仿真加載后的RCS 如圖10 所示，可以看出在θ 為210°～240°范圍內(nèi)，靶標(biāo)RCS 有較大幅度增強(qiáng)，而且起伏規(guī)律明顯。

圖9 龍伯反射器加載于靶標(biāo)尾翼下方示意圖

圖10 龍伯反射器加載于機(jī)翼下方前后RCS 變化

2.5 改型后RCS 與某型機(jī)RCS 的擬合

本文利用改型后靶標(biāo)RCS 來模擬某型機(jī)的某兩個航段內(nèi)的RCS，根據(jù)實(shí)際的飛行器典型航段要求，具體的第1 航段對應(yīng)θ 角度變化為202.39°～203.58°，第2 航段對應(yīng)θ 角度變化為218.43°～245.0°。

加載反射板置于右上45°的反射器的靶標(biāo)RCS改型后，未出現(xiàn)可以和某型機(jī)RCS 擬合的部分，對上述各個位置加載龍伯反射器后的RCS 進(jìn)行提取，和某型機(jī)RCS 在某兩航段的擬合效果如下頁圖11和圖12 所示。

圖11 第1 航段各加載位置改型后RCS 擬合效果

圖12 第2 航段各加載位置改型后RCS 擬合效果

2.6 擬合誤差分析

選用擬合的RCS 與某型機(jī)的RCS 的方差來描述擬合誤差，具體如表1 所示。

表1 擬合誤差分析結(jié)果

3 龍伯反射器不同加載位置和方式對靶標(biāo)氣動特性的影響分析

研究龍伯透鏡加載在機(jī)頭下方、靶標(biāo)中部下方、機(jī)翼兩側(cè)，以及尾部下方時的氣動特性和電磁性能，達(dá)到一個電磁特性和氣動特性的最優(yōu)化融合設(shè)計。

動壓是速度造成的壓力，用以反映靶標(biāo)的阻力大小，靶標(biāo)實(shí)際飛行速度為150 m/s，利用Fluent 軟件對其進(jìn)行氣動特性計算分析，將計算結(jié)果導(dǎo)入到Tecplot軟件中，進(jìn)行靶標(biāo)自身的氣動特性分析。圖13 所示的為靶標(biāo)所受到的動壓云圖。

圖13 靶標(biāo)自身的動壓云圖

靶標(biāo)速度不變，將龍伯透鏡反射器加載在靶標(biāo)的不同位置，先仿真龍伯透鏡反射器加載在靶標(biāo)機(jī)頭下方的氣動特性，如圖14 所示，可以看出動壓明顯增大。

圖14 龍伯反射器加載于靶標(biāo)機(jī)頭下方的動壓云圖

兩個龍伯透鏡反射器加載在機(jī)翼兩側(cè)動壓云圖如下頁圖15 所示。

圖15 龍伯透鏡反射器加載在機(jī)翼兩側(cè)的動壓云圖

龍伯透鏡反射器加載在機(jī)翼中部下方的動壓云圖如圖16 所示。

圖16 龍伯透鏡反射器加載在靶標(biāo)中部下方的動壓云圖

龍伯透鏡反射器加載在靶標(biāo)尾翼下方的動壓云圖如圖17 所示。

圖17 龍伯透鏡反射器加載在尾翼下方的動壓云圖

由于Fluent 仿真軟件并不自帶設(shè)置相同動力的設(shè)置方式，因此，通過靶標(biāo)加載龍伯球前后的所受的最大壓力來等效靶標(biāo)的動力，通過這種等效方式來計算龍伯反射器在不同位置和方式加載后的速度損耗。表2 所示為相應(yīng)的速度損耗。

表2 不同加載位置和方式的速度損耗

通過對以上龍伯透鏡反射器加載在靶標(biāo)的不同位置的速度損耗進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)加載在機(jī)頭下方的阻力最小，靶標(biāo)速度損耗最小。在這種情況下，由龍伯透鏡反射器的具體加載方式和加載位置可以進(jìn)一步確定電磁特性的效果。

4 氣動和電磁散射特性的融合優(yōu)化設(shè)計

通過比較上述各種加載方案的擬合效果、綜合分析電磁散射特性和氣動特性的影響和比較各種加載方式和位置的靶標(biāo)速度損耗，我們發(fā)現(xiàn)龍伯透鏡反射器加載于靶標(biāo)機(jī)頭下方時阻力最小，速度損耗最小，另外根據(jù)電磁散射特性分析可知，兩個右上45°發(fā)射板的龍伯透鏡反射器加載于靶標(biāo)機(jī)翼兩側(cè)后RCS 變化較為單一，左上45°反射板的龍伯反射器加載后的擬合效果較好，其中，又以加載在靶標(biāo)機(jī)頭下方的擬合效果最好，所以選用單個的左上45°的反射板的龍伯透鏡反射器，加載于機(jī)頭下方的位置，達(dá)到靶標(biāo)氣動和電磁散射特性的優(yōu)化融合設(shè)計。

5 RCS 測試驗(yàn)證

實(shí)際中的靶標(biāo)較大，直接測試較為困難，依據(jù)縮比原理等效理論，將靶標(biāo)按2.58 倍縮小，頻率相應(yīng)升高2.58 倍，即測試頻率為2.58×5.6=14.45 GHz，采用龍伯透鏡反射器的尺寸相應(yīng)按比例縮小，因?yàn)榈缺壤s小，龍伯透鏡滿足的歸一化半徑和介電常數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系并未改變，所以龍伯透鏡的聚焦功能不變，加工制作出靶標(biāo)和龍伯反射器，并在暗室進(jìn)行RCS 測試。RCS 測試平臺如圖18 所示，測試的實(shí)物圖如下頁圖19 所示。

圖18 RCS 測試平臺示意圖

圖19 靶標(biāo)加載龍伯反射器測試圖

先對制作的龍伯透鏡反射器的RCS 進(jìn)行測試，焦距3 cm 拋物面反射板的龍伯反射器測試結(jié)果和FEKO 仿真結(jié)果對比如圖20 所示，θ 為150°～210°范圍內(nèi)RCS 有較大增強(qiáng)且幅度達(dá)20 dB 左右和仿真曲線較為吻合，證明該工藝制作的龍伯透鏡反射器是可行的。

圖20 測試和仿真的龍伯反射器RCS

然后將焦距1.27 cm 的拋物面反射板的龍伯透鏡反射器加載于靶標(biāo)頭部下方進(jìn)行RCS 測試，測試結(jié)果如圖21 所示。

圖21 靶標(biāo)加載龍伯反射器前后RCS 測試結(jié)果

靶標(biāo)加載龍伯透鏡反射器前后的測試數(shù)據(jù)表明，在θ 為200°～230°的范圍內(nèi)RCS 有較大幅度增強(qiáng)，與仿真結(jié)果保持一致性，驗(yàn)證了利用龍伯透鏡反射器可以達(dá)到對靶標(biāo)RCS 改型的目的。

6 結(jié)論

通過對某型號靶標(biāo)加載龍伯反射器后的聯(lián)合電磁仿真和流體仿真研究，并且制作加工實(shí)物進(jìn)行RCS 測試驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論：

1）采用龍伯透鏡反射器加載的方法可以達(dá)到對某型號靶標(biāo)RCS 改型的目的，RCS 測試結(jié)果很好地驗(yàn)證了這一點(diǎn)。不同加載位置、方式的改型效果不盡相同，具體加載方式、位置選取應(yīng)該根據(jù)所需要的改型后的RCS 變化來確定，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價值。

2）加載兩只龍伯透鏡反射器的某型號靶標(biāo)RCS 增強(qiáng)效果比單球加載后更強(qiáng)，具有疊加效果，但同時增強(qiáng)的RCS 失去了起伏變化的曲線規(guī)律。

3）龍伯透鏡反射器不同加載的位置、方式對某型號靶標(biāo)氣動特性的影響較大，加載于機(jī)頭下方時對氣動特性的影響最小，可以達(dá)到某型號靶標(biāo)電磁散射和氣動特性的融合設(shè)計，具有較強(qiáng)的工程指導(dǎo)價值。