外形修形對(duì)球面收斂矢量噴管RCS的影響

郭 霄， 文振華， 方鵬亞， 李樹(shù)豪， 李 恒

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空工程學(xué)院,鄭州,450000;2.中國(guó)航發(fā)集團(tuán)燃?xì)鉁u輪研究院,成都,610500)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管是發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)生推力關(guān)鍵部位，同時(shí)也是是典型的電大尺寸單端開(kāi)口深腔體，是飛行器后向電磁散射的主要貢獻(xiàn)源。尾噴管的隱身性能的優(yōu)劣對(duì)于整機(jī)隱身性能、作戰(zhàn)性能的好壞具有十分重要的作用。球面收斂矢量噴管(spherical convergent flap nozzle，SCFN)的收斂段采用萬(wàn)向節(jié)的球形結(jié)構(gòu)，擴(kuò)張段則采用矩形截面。SCFN可以兼顧軸對(duì)稱(chēng)截面結(jié)構(gòu)矢量效率高、壓力分布均勻以及矩形截面結(jié)構(gòu)易于與機(jī)身進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，是唯一列入美國(guó)IHPTET計(jì)劃的矢量噴管[1]。在美軍提出的對(duì)第六代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求中明確提出采用機(jī)械式推力矢量噴管和流體式推力矢量噴管，推力矢量噴管對(duì)滿足戰(zhàn)斗機(jī)常規(guī)機(jī)動(dòng)性、過(guò)失速機(jī)動(dòng)性、敏捷性、短距起落、超聲速巡航、隱身等性能都有非凡的貢獻(xiàn)[2]。

目前，常用于提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管隱身性能的措施主要有兩種，一種是采用外形修形，降低在重點(diǎn)入射角域范圍內(nèi)的雷達(dá)散射截面積(radar cross section, RCS)值；另外一種則是涂覆吸波材料[3]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的主要型面是腔體的幾何型面，腔體的幾何型面設(shè)計(jì)受到多種因素的制約，例如飛行器的后向紅外隱身特性和發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失。航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)外形修形主要是在考慮與后機(jī)身進(jìn)行融合的基礎(chǔ)上，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管出口進(jìn)行修形。從目前現(xiàn)役的B-2、F-117A、F-22以及F-35等隱身飛機(jī)的噴管出口形狀可以看出，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管出口的隱身修形主要存在兩種形式：一是對(duì)噴管出口進(jìn)行斜切以滿足機(jī)身/排氣系統(tǒng)一體化；二是對(duì)噴管出口進(jìn)行鋸齒修形，鋸齒修形要滿足平行設(shè)計(jì)原則。平行設(shè)計(jì)原則是飛行器隱身設(shè)計(jì)中一個(gè)重要原則。一般意義上平行設(shè)計(jì)原則是對(duì)飛機(jī)上的棱邊的俯視投影進(jìn)行平行設(shè)計(jì)。在平行設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合飛機(jī)所受的雷達(dá)波探測(cè)威脅扇區(qū)來(lái)確定具體的角度設(shè)置。飛機(jī)上有大量的棱邊，包括機(jī)翼和尾翼的邊緣、翼尖、進(jìn)氣道唇口、噴管出口等。棱邊散射是飛機(jī)上強(qiáng)散射源之一，對(duì)其進(jìn)行平行設(shè)計(jì)能夠減少雷達(dá)波散射波峰數(shù)量[4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于外形修形對(duì)于腔體電磁散射特性的影響開(kāi)展了研究。CHOI W H等人設(shè)計(jì)了一種用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的寬頻雷達(dá)吸收復(fù)合材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明其設(shè)計(jì)的這種吸波材料能夠在較寬的頻段范圍下及較大的入射角范圍內(nèi)保持良好的RCS縮減效果，在60°入射角范圍內(nèi)仍降低目標(biāo)10 dBsm的RCS值[5]。趙京城等人基于矩形波導(dǎo)和遠(yuǎn)場(chǎng)關(guān)系理論，以矩形進(jìn)口的單端開(kāi)口腔體為目標(biāo)，推導(dǎo)得到了進(jìn)氣道散射只與口面場(chǎng)有關(guān)，并通過(guò)數(shù)值模擬分析驗(yàn)證了結(jié)論的正確性[6]。余龍舟等人基于波導(dǎo)傳輸理論闡述了用于單端開(kāi)口腔體的電磁屏蔽格柵的屏蔽原理，采用數(shù)值模擬的方法，研究了格柵尺寸、入射雷達(dá)波極化角、格柵布局對(duì)腔體RCS的影響，研究結(jié)果表明，采用非均勻布局的格柵能夠進(jìn)一步提升格柵的電磁屏蔽能力，雙層格柵間距小于半波長(zhǎng)時(shí)，格柵的屏蔽效果與單層格柵效果類(lèi)似[7]。鄧雪嬌等人分別采用迭代物理光學(xué)法和矩量法研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)內(nèi)中心錐的錐頂角對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)后向電磁散射特性的影響，數(shù)值模擬結(jié)果表明在較小的探測(cè)角范圍內(nèi)，中心錐的錐頂角為40°和60°時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的后向RCS均值較小[8]。王俊華采用數(shù)值模擬的方法分別計(jì)算了軸對(duì)稱(chēng)噴管、二元噴管以及單S彎噴管的氣動(dòng)性能、紅外隱身性能以及電磁隱身性能，研究結(jié)果表明與二元噴管相比，單S彎二元噴管有效地提升了噴管的綜合隱身性能，采用緩急相當(dāng)?shù)闹行木€變化規(guī)律和面積變化規(guī)律可同時(shí)取得良好的氣動(dòng)和隱身性能[9]。姚倫標(biāo)等人分析了計(jì)算電大尺寸單端開(kāi)口腔體電磁散射特性的數(shù)值算法以及現(xiàn)存的問(wèn)題，采用多層快速多極子加速的矩量法計(jì)算分析了腔內(nèi)含葉片的單端開(kāi)口腔體的RCS，計(jì)算結(jié)果表明在綜合考慮計(jì)算精度以及計(jì)算效率時(shí)，結(jié)合多層快速多極子的矩量法在計(jì)算電大尺寸單端開(kāi)口腔體時(shí)存在較大的優(yōu)勢(shì)[10]。杜凱等人對(duì)含錐軸對(duì)稱(chēng)單端開(kāi)口腔體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證了迭代物理光學(xué)(iterative physical optics，IPO)方法對(duì)單端開(kāi)口腔體電磁散射特性計(jì)算的可靠性，基于IPO方法計(jì)算了不同錐頂角含錐腔體在L波段、X波段下的RCS，計(jì)算結(jié)果表明，探測(cè)角域±12°內(nèi)錐頂角增大可縮減腔體RCS，60°錐角縮減效果較好[11]。李岳峰等人研究了S形流道偏心比對(duì)腔體電磁散射特性的影響，研究結(jié)果表明與偏心比為0的流道相比，偏心比改變了波的相位、振幅，偏心比越大，其相位越滯后、振幅越小[12]。王俊琦等人采用了數(shù)值模擬的方法研究了不同齒角對(duì)軸對(duì)稱(chēng)噴管的散射場(chǎng)的影響，計(jì)算結(jié)果表明對(duì)出口邊緣進(jìn)行鋸齒修形可有效降低噴管全局探測(cè)角范圍的繞射場(chǎng)雷達(dá)散射截面，且修齒齒角越小，效果越明顯[13]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)單端開(kāi)口腔體目標(biāo)的電磁散射特性分析開(kāi)展了大量的研究，針對(duì)外形修形措施對(duì)球面收斂二元矢量噴管RCS影響研究較少。本文以迭代物理光學(xué)為基礎(chǔ)，研究了修齒和斜切兩種外形修形措施對(duì)噴管腔體電磁散射特性的影響。

1 計(jì)算方法

迭代物理光學(xué)法是在物理光學(xué)法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的[14]。該方法的基本思想是在物理光學(xué)法的基礎(chǔ)上，通過(guò)迭代計(jì)算的思想考慮入射電磁波在腔體內(nèi)部的多次反射過(guò)程，其基本思想如式(1)所示：

J=J0+J1

(1)

式中：J1為對(duì)初始電流的修正項(xiàng)。

迭代物理光學(xué)方法采用積分的方法求解磁場(chǎng)積分方程。修正電流的計(jì)算公式如下所示：

(2)

在IPO方法中只有不存在遮擋關(guān)系的面元之間才能產(chǎn)生等效感應(yīng)電流，因此在使用IPO方法計(jì)算修正電流時(shí)，需要考慮壁面面元之間的遮擋關(guān)系。IPO方法通過(guò)迭代計(jì)算這一方式考慮了電磁波在腔體中的多次散射對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)RCS的影響；與其它高頻近似方法相比，IPO方法只需用較少的壁面網(wǎng)格數(shù)目就可以滿足計(jì)算的精度要求。

2 算法驗(yàn)證

本文的主要研究對(duì)象是球面收斂二元矢量噴管，為了獲得其完整的電磁散射特性，需要研究其對(duì)帶有一定彎折的單端開(kāi)口腔體的適用性。本文對(duì)文獻(xiàn)[15]中的提到的彎折矩形單端開(kāi)口腔體進(jìn)行了數(shù)值模擬。模型尺寸如圖1所示，計(jì)算頻率為10 GHz，計(jì)算角度為-30°～30°，計(jì)算角度間隔1°。

圖1 彎折腔體模型尺寸及入射角度示意圖

圖2所示為單端開(kāi)口腔體的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果RCS角向分布曲線，圖中“Experiment”為文獻(xiàn)[15]中的試驗(yàn)結(jié)果，“IPO”為本文的數(shù)值模擬結(jié)果。由圖可知，IPO方法對(duì)于該腔體的后向RCS的角向分布規(guī)律有著較好的預(yù)測(cè)精度。在較小的探測(cè)角范圍內(nèi)，IPO方法得到的腔體的RCS幅值與試驗(yàn)測(cè)試值能夠較好的吻合。在水平極化方式下，在較大的探測(cè)角下，IPO方法得到的腔體RCS與試驗(yàn)測(cè)試值得到較好的吻合；在垂直極化方式下，在較大的探測(cè)角下，IPO方法得到的腔體RCS與試驗(yàn)測(cè)試值吻合的較差。

(a)水平極化

(b)垂直極化

3 邊界條件

本文中雷達(dá)探測(cè)角設(shè)置如圖3所示。計(jì)算條件設(shè)置如下：計(jì)算頻率10 GHz；斜切修形俯仰探測(cè)面-30°～30°，修齒修形俯仰探測(cè)面為0°～30°；偏航探測(cè)面均為0°～30°；角度間隔1°。

圖3 探測(cè)角設(shè)置示意圖

對(duì)SCFN的擴(kuò)張段出口部分進(jìn)行斜切修形，斜切角度為10°～30°，角度間隔10°。斜切修形角度如圖4所示。

圖4 SCFN斜切修形示意圖

本文參照美國(guó)F-22戰(zhàn)斗機(jī)采用的F-119發(fā)動(dòng)機(jī)噴管出口鋸齒的形式，對(duì)SCFN擴(kuò)張段壁面進(jìn)行了相應(yīng)的鋸齒修形，鋸齒采用向內(nèi)修形，保持噴管的長(zhǎng)度一致。噴管出口處共有一個(gè)大齒，研究了齒尖角度對(duì)于噴管后向RCS的影響。齒角度變化范圍為100°～120°，角度間隔10°。鋸齒修形后SCFN如圖5所示。

圖5 鋸齒修形SCFN幾何示意圖

3.1 斜切修形對(duì)SCFN后向RCS的影響

圖6為水平極化方式下俯仰探測(cè)面不同斜切角度SCFN模型的RCS角向分布曲線。由圖可知，在-30°～30°探測(cè)角范圍內(nèi)，斜切修形破壞了SCFN在后向的RCS角向分布的對(duì)稱(chēng)性，斜切后噴管在較大的正向探測(cè)角范圍內(nèi)的RCS幅值大于在負(fù)向探測(cè)角下的RCS幅值。在-10°～10°探測(cè)角范圍內(nèi)，斜切修形對(duì)于腔體RCS的影響較小，這主要是因?yàn)樵谠撎綔y(cè)角范圍內(nèi)，斜切對(duì)腔體內(nèi)壁面之間的幾何關(guān)系并沒(méi)有發(fā)生較大的影響。在-30°～-10°探測(cè)角范圍內(nèi)，斜切SCFN與基準(zhǔn)SCFN的RCS幅值相差較小，與基準(zhǔn)RCS的差異主要是RCS峰值對(duì)應(yīng)的探測(cè)角所在的方位角。在10°～30°探測(cè)角范圍內(nèi)，斜切修形對(duì)于SCFN腔體的主要體現(xiàn)在RCS幅值上，斜切修形后SCFN與基準(zhǔn)噴管的RCS幅值差別變大，這主要是因?yàn)樾鼻行扌胃淖兞薙CFN擴(kuò)張段上壁面的長(zhǎng)度，進(jìn)而改變了擴(kuò)張段上壁面在該探測(cè)角范圍內(nèi)與腔體內(nèi)壁面的幾何遮擋關(guān)系。

圖6 水平極化方式下俯仰探測(cè)面不同斜切角SCFN的RCS角向分布曲線

圖7為垂直極化方式下偏航探測(cè)面不同斜切角度SCFN模型的RCS角向分布曲線。由圖可知，斜切修形對(duì)于SCFN偏航平面的RCS角向分布的影響較小，不同斜切角度的SCFN的后向RCS角向分布規(guī)律接近，幅值相差較小，這主要是因?yàn)樾鼻行扌螌?duì)SCFN擴(kuò)張段側(cè)壁面的面積影響較小，在小角度下對(duì)入射電磁波的影響較小。在15°～30°探測(cè)角范圍內(nèi)，不同斜切噴管的后向RCS幅值與基準(zhǔn)噴管的后向RCS幅值差異增大，斜切會(huì)增大SCFN的后向RCS，這主要是因?yàn)樾扌螠p小了擴(kuò)張段側(cè)壁面的長(zhǎng)度，從而改變電磁波在腔體內(nèi)部的傳播路徑。

圖7 垂直極化方式下偏航探測(cè)面不同斜切角SCFN的RCS角向分布曲線

圖8為水平極化方式下俯仰探測(cè)面內(nèi)15°探測(cè)角下SCFN的壁面感應(yīng)電流密度分布云圖。由圖可知，斜切修形對(duì)于壁面高密度感應(yīng)電流分布區(qū)域的位置的影響較小，在該探測(cè)角下，SCFN壁面的高密度感應(yīng)電流分布主要集中在噴管進(jìn)口端面靠近收斂段側(cè)壁面的位置，這主要是因?yàn)閲姽艿倪M(jìn)口端面和側(cè)壁面構(gòu)成了一個(gè)二面角結(jié)構(gòu)，二面角結(jié)構(gòu)是電磁波的強(qiáng)反射構(gòu)型之一。在該探測(cè)角下，斜切修形對(duì)SCFN擴(kuò)張段上壁面的面積的縮減導(dǎo)致與噴管腔體內(nèi)壁面之間遮擋關(guān)系的變化體現(xiàn)的并不明顯。

圖8 水平極化方式下俯仰探測(cè)面內(nèi)15°探測(cè)角下壁面感應(yīng)電流密度分布云圖

圖9為垂直極化方式下偏航探測(cè)面內(nèi)15°探測(cè)角下SCFN的壁面感應(yīng)電流密度分布云圖。由圖可知，在偏航平面可以看到斜切修形對(duì)SCFN擴(kuò)張段側(cè)壁面面積的修改進(jìn)而導(dǎo)致的擴(kuò)張段側(cè)壁面與噴管腔體內(nèi)部壁面之間的遮擋關(guān)系的改變，但是這種改變從遮擋面積上來(lái)看影響是較小的，相比俯仰探測(cè)面更不明顯。在該探測(cè)角下，SCFN壁面的高密度感應(yīng)電流分布區(qū)域主要集中在中心錐側(cè)壁面位置，且該區(qū)域面積較小，這是因?yàn)橹行腻F側(cè)壁面區(qū)域直接受入射電磁波照射且其自身曲率較大，SCFN進(jìn)口端面上則存在一個(gè)中等強(qiáng)度感應(yīng)電流密度分布區(qū)域。在θ=15°下，斜切修形對(duì)于SCFN內(nèi)部腔體的感應(yīng)電流密度分布的影響較小。

圖9 垂直極化方式下偏航探測(cè)面15°探測(cè)角下壁面感應(yīng)電流密度分布云圖

表1為斜切修形SCFN在不同探測(cè)面不同極化方式下的無(wú)量綱RCS均值和縮減效果，其中俯仰平面均值計(jì)算范圍為-30°～30°，偏航平面均值計(jì)算范圍為0°～30°。由表可知，斜切修形在兩個(gè)探測(cè)平面內(nèi)均能降低SCFN的后向RCS均值，其中在俯仰探測(cè)面下的RCS縮減能力要大于在偏航探測(cè)面下縮減能力。SCFN的RCS均值會(huì)隨著斜切角度的增加而逐漸下降，30°斜切SCFN具有最小的RCS均值。

表1 SCFN在不同探測(cè)面不同極化方式下的無(wú)量綱RCS均值和縮減效果

3.2 鋸齒修形對(duì)SCFN后向RCS的影響

圖10為水平極化方式下俯仰探測(cè)面內(nèi)不同鋸齒角度SCFN模型的RCS角向分布曲線。由圖可知，鋸齒修形對(duì)于SCFN后向RCS的影響與斜切修形的影響規(guī)律相似，鋸齒修形對(duì)于SCFN的RCS影響主要體現(xiàn)在較大的探測(cè)角范圍內(nèi)。在0°～15°探測(cè)角范圍內(nèi)，基準(zhǔn)噴管的RCS幅值大于鋸齒修形之后腔體RCS，這主要是因?yàn)殇忼X修形減小了擴(kuò)張段壁面的面積。在15°～30°探測(cè)角范圍內(nèi)，鋸齒修形后的SCFN的RCS幅值及角向分布規(guī)律與基準(zhǔn)噴管的差異較大，這主要是因?yàn)樾扌慰s減了擴(kuò)張段的面積，在較大的探測(cè)角范圍內(nèi)對(duì)電磁波在腔體內(nèi)部的傳播路徑存在影響。

圖10 水平極化方式下俯仰探測(cè)面內(nèi)不同鋸齒修形SCFN的RCS曲線

圖11為垂直極化方式下偏航探測(cè)面內(nèi)不同鋸齒修形角度SCFN模型的RCS角向分布曲線。由圖可知，在大部分探測(cè)角范圍內(nèi)，基準(zhǔn)噴管的RCS幅值都會(huì)大于鋸齒修形后的SCFN的RCS幅值，這說(shuō)明鋸齒修形對(duì)于噴管后向RCS存在一定的縮減作用。只有在小部分探測(cè)角例如14°和25°探測(cè)角附近，鋸齒修形后的噴管RCS幅值會(huì)大于基準(zhǔn)噴管。3種鋸齒修形的SCFN的后向RCS角向分布規(guī)律接近，RCS幅值相差不大。在大部分探測(cè)角范圍內(nèi)，100°鋸齒修形的SCFN具有較小的RCS幅值。

圖11 垂直極化方式下偏航探測(cè)面內(nèi)不同鋸齒修形SCFN的RCS曲線

圖12為水平極化方式下俯仰探測(cè)面內(nèi)10°探測(cè)角時(shí)SCFN壁面感應(yīng)電流密度分布云圖。由圖可知，鋸齒修形對(duì)于噴管壁面上的高密度感應(yīng)電流分布的區(qū)域位置及面積影響較小，但是鋸齒修形會(huì)在一定程度上略微降低高密度感應(yīng)電流分布區(qū)域的強(qiáng)度。鋸齒修形會(huì)縮短擴(kuò)張段上下壁面的長(zhǎng)度，在該探測(cè)角下，縮短的擴(kuò)張段壁面對(duì)于噴管腔體內(nèi)壁面的遮擋作用改變得并不明顯。

圖12 水平極化方式下俯仰探測(cè)面內(nèi)10°探測(cè)角SCFN壁面感應(yīng)電流密度分布云圖

圖13為垂直極化方式下偏航探測(cè)面內(nèi)20°探測(cè)角時(shí)SCFN壁面感應(yīng)電流密度分布云圖。由圖可知，鋸齒修形改變了噴管擴(kuò)張段側(cè)壁面的長(zhǎng)度，進(jìn)而改變了對(duì)噴管腔體內(nèi)壁面之間的遮擋關(guān)系，隨著鋸齒角度的增加，擴(kuò)張段側(cè)壁面對(duì)于腔體進(jìn)口端面的遮擋隨之減小。

圖13 垂直極化方式下偏航探測(cè)面內(nèi)20°探測(cè)角時(shí)SCFN壁面感應(yīng)電流密度分布云圖

表2為不同鋸齒修形噴管在不同探測(cè)面不同極化方式下0°～30°探測(cè)角范圍內(nèi)的無(wú)量綱RCS均值。由表可知，鋸齒修形對(duì)于SCFN具有RCS縮減作用，鋸齒修形后噴管相比基準(zhǔn)SCFN可以減少10%以上RCS均值。100°鋸齒修形具有最好的RCS縮減效果，在兩個(gè)探測(cè)面內(nèi)，兩種極化方式下均能保證16.43%以上的RCS縮減效果；SCFN的RCS均值隨著鋸齒角度的增加而逐漸增大。

表2 鋸齒修形SCFN的無(wú)量綱RCS均值及縮減效果

4 結(jié)論

1)斜切修形對(duì)SCFN在整個(gè)探測(cè)角范圍內(nèi)的RCS角向分布曲線的波峰、波谷所對(duì)應(yīng)的探測(cè)角方位影響較小，在俯仰探測(cè)面較大的雷達(dá)探測(cè)角下對(duì)RCS值有一定的影響。在俯仰探測(cè)面內(nèi)，隨著斜切角度的增加，斜切修形對(duì)SCFN的RCS縮減能力隨之增加。在偏航探測(cè)面內(nèi)，當(dāng)斜切角等于20°和30°時(shí)，斜切修形對(duì)于SCFN的后向RCS的縮減能力基本一樣。

2)對(duì)SCFN的擴(kuò)張段采取與F-22裝備的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管類(lèi)似的大角度鋸齒修形能夠降低SCFN的后向RCS幅值。在本文的計(jì)算范圍內(nèi)，100°鋸齒修形具有最好的RCS縮減效果，在2個(gè)平面內(nèi)都能夠達(dá)到16.43%以上的RCS縮減效果。在對(duì)噴管進(jìn)行大角度鋸齒修形時(shí)需要與飛機(jī)整體設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合考慮，以滿足平行設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

3)對(duì)于球面收斂矢量噴管而言，采用修齒和斜切修形方式在俯仰探測(cè)面內(nèi)RCS縮減效果要優(yōu)于在偏航探測(cè)面內(nèi)縮減效果。