飛機部件RCS測試用載體設計技術研究

劉曉春，張慶東，張　清，許　群，田俊霞

(中國航空工業(yè)集團公司 濟南特種結構研究所，　濟南 250023)

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飛機部件RCS測試用載體設計技術研究

劉曉春，張慶東，張清，許群，田俊霞

(中國航空工業(yè)集團公司 濟南特種結構研究所，濟南 250023)

摘要：如何準確測試一個飛機上單獨部件自身的雷達散射截面(RCS)特性，是隱身性能研究的一個重要方面。文中以飛機上的某一部件為例，分析了該部件RCS測試的影響因素，針對部件開放端口不連續(xù)引起的散射問題提出了RCS測試用載體的設計原則和方法，利用多層快速多極子方法對載體進行設計仿真和優(yōu)化，從而有效保證RCS測試數(shù)據(jù)的準確性。

關鍵詞：隱身性能；RCS測試；載體

0引言

具有隱身功能的戰(zhàn)斗機越來越受到重視，世界各國對隱身飛機的研發(fā)都投入了大量的人力和物力。隱身飛機的進氣道、雷達罩、各種電子戰(zhàn)天線罩、座艙和飛機上的各種口蓋等是不可忽視的散射源，現(xiàn)役的隱身飛機，其頭向的雷達散射截面(RCS)在0.1 m2左右。目前，在尋找減縮各部件自身的RCS方法的同時，也應關注如何準確評估或測試部件本身的隱身性能，保證部件在評估和測試時同裝機狀態(tài)具有相同的邊界條件，那就要求這些部件在RCS測試過程中帶有載體，消除無效散射源的貢獻。

本文對飛機部件RCS測試用載體設計進行研究，飛機上的各種部件作為隱身飛機的一個重要組成部分，其RCS直接影響到飛機整體的隱身性能。通過RCS測試，可以檢驗產(chǎn)品理論設計及制造的結果，也可以通過對其散射現(xiàn)象的分析有的放矢地采取改進措施以達到最終指標。

常規(guī)的飛機部件所使用的材料包括透波復合材料、金屬加載復合材料、碳纖維材料和金屬蒙皮等組成；這些部件的隱身主要靠良好設計的外形、涂覆吸波材料和采取頻率選擇表面(FSS)技術來實現(xiàn)。作為飛機的成品部件，在實際使用中是與飛機對接而融為一體的；而在單獨部件RCS測試中，根部或連接區(qū)的開放端口的不連續(xù)會產(chǎn)生較強的散射，影響其RCS測試數(shù)據(jù)的準確性，對于這些無源部件來說，在開放端口設計并使用載體是行之有效的方法。

本文討論了在開放端口加載匹配負載(以下稱載體)的設計方法，有效減小不連續(xù)性對飛機重點角域(前向)RCS測試的影響，同時消除部件上無效不利散射源的貢獻，獲得部件自身真實的RCS值，為無源部件的隱身性能設計、分析和評定提供準確可靠的測試數(shù)據(jù)。

1無源部件散射與RCS測試影響因素

對于大多數(shù)機載系統(tǒng)，前向RCS的控制比側向重要的多。因此，可以用外形技術將前向的回波移到側面的一個次要方向[1]。機頭雷達天線艙、座艙和發(fā)動機進氣道是影響飛機隱身性能的三大散射源。如帶通FSS雷達罩在載機雷達工作頻帶內呈透波狀態(tài)，在帶外呈現(xiàn)金屬特性使敵方雷達來波依外形散射到次要方向。

根據(jù)電磁場理論，每個物體散射中心都相當于斯特拉頓-丘積分中的一個數(shù)學不連續(xù)處，從幾何的觀點來分析，就是一些曲率不連續(xù)處與表面不連續(xù)處[2]。

圖1所示為飛機上的某一典型部件，需要對其RCS進行分析和測試，設其長600 mm，寬240 mm。

圖1　典型部件示意圖

這里討論的是物體的單站RCS問題。部件安裝在飛機上時，融入了機身整體，但在成品部件RCS測試時，存在部件與飛機對接接口的開放端。從圖1部件尖部向后觀測，對RCS測試的影響主要是來自根部開放端口的散射，它影響了對部件真實RCS特性的測試評定。因此，消除根部開放端口不連續(xù)引起的散射是保證部件RCS測試準確性的關鍵。為得到真實RCS值，測試時，模擬裝機狀態(tài)，在部件上加載載體可以有小減小后緣的邊緣散射影響。

與表面鏡像反射不同，邊緣繞射不是一個單一的方向，而是位于以整個邊緣為中心的一個前向圓錐的所有母線方向[3]。邊緣不連續(xù)引起的繞射是一種較強的散射因素，通?？捎脦缀卫@射理論、物理繞射理論或等效電磁流法進行分析。影響其前向RCS大小的幾何參數(shù)主要有兩個：(1)部件根部開放端口周長L；(2)罩體表面后緣與前向來波方向的夾角Φ。L越大整個部件的前向RCS越大；Φ減小(Φ≤90°)，前向RCS減小。

2載體設計的技術條件與原則

根據(jù)麥克斯韋方程，當電磁波照射到物體表面時，能夠在表面形成電場-磁場-電場的交替分布，當表面出現(xiàn)介質突變或中斷時，會出現(xiàn)新的散射源，同時還應考慮到表面材料，如雷達罩罩體為透波復合材料介質結構或FSS介質加載結構的不同情況。這些，歸于RCS設計處理的問題，同樣也是RCS測試中應注意的問題。

為實現(xiàn)前向低RCS，隱身部件的根部往往設置鋸齒形，以統(tǒng)一整合部件與飛機對接接口縫隙的反射至側向次要方向，如美F-22飛機的雷達罩(見圖2)，從而使隱身雷達罩根部表現(xiàn)為金屬開放端，這是隱身RCS測試載體設計和使用的一個技術條件。

圖2　右側為F-22飛機雷達罩的根部金屬鋸齒

從理論上說，表面或邊緣的不連續(xù)性引起表面行波的后向散射，如圖3所示。

圖3　表面不連續(xù)處前向行波反射為后向行波

對于開放端的散射，需要從金屬邊緣(面電阻0 Ω/cm2)到自由空間(面電阻∞Ω/cm2)的緩慢阻抗過渡來解決，這可由介質漸變吸收體(加載蜂窩)和阻抗片構成，如圖4所示。

圖4　漸變吸收體和阻抗片示意圖

控制電阻漸變規(guī)律，使得吸波結構邊緣的電流密度按一定規(guī)律(線性或Hanning)變化，則可抑制邊緣引起散射。1λ的邊緣電流漸變處理，大約可使行波的后向散射降低18 dB。

蜀本及洪氏石本“之”作“所”，方從《苑》《粹》、樊氏石本作“之”。今按：此二石本不同，又足以見所謂石本者之難信矣。然以理推之，作“之”為是，諸舊本亦多同者。

根部邊緣使用平行原則設計，即邊的方向按與飛機后掠角平行的方向做了歸一，將邊緣鏡面散射偏轉出前向、集中到了少數(shù)窄的威脅次要角域[4]，這就要求根部鋸齒化設計，使得邊緣的鏡面散射回波，集中到某一固定方向。部件RCS測試載體的主要任務是使根部開放端連續(xù)和封閉起來，其主要內容為載體外形設計和阻抗?jié)u變設計。

研究認為，載體設計應注意以下六個方面：

1) 載體長短尺寸要適中，太長會增加部件和載體綜合體的體積，視角偏開前向時部件根部后面的載體暴露給前向較多，會增加RCS的測試值；太短則會使載體收的太快，曲率半徑過小，降低了負載的作用。載體可在部件長度的60%左右調整和計算優(yōu)化。

2)球形載體對雷達波的散射強度和方向都一致，不是低RCS外形，因此，載體形狀宜參照部件的低RCS外形做適當?shù)氖占庠O計，如圖5所示。

3)載體制作的材料應選取與飛機機身或與部件根部相同的材料(這將與裝機狀態(tài)相一致)，避免材料性能突變形成新的散射源。

4)要保證部件與載體外表面的電連續(xù)性。不連續(xù)可能由于材料突變(不同材質之間的結合邊界)或表面不平滑(結合處的縫隙和階差)造成。因此，部件與載體結合處兩邊要平齊，緊固件端頭不得高于被緊固表面。

5)對載體的前端面、載體與部件的接口進行細致的結構設計，合理地使用吸波材料，消除加載體后的腔體效應和二面角效應。

圖5　典型部件載體構型

3載體仿真與優(yōu)化設計

按照載體設計的基本原則構劃載體型面，利用仿真計算得到其不同頻率和方向角度的RCS數(shù)值，通過分析、調整和迭代進行優(yōu)化，最終確定載體的設計方案。

目前，有代表性的RCS仿真計算方法主要有高頻方法(PO)、低頻頻域矩量法(MOM)/多層快速多級子(MLFMM)和低頻時域方法(FDTD)[5]。

MOM結合積分方程[6]是分析電磁場問題的一種有效手段，可實現(xiàn)目標電磁散射特性的精確分析，隨著以MLFMM[7-8]為代表的快速算法的迅速發(fā)展，該方法已被廣泛應用于電磁場問題的求解中。

MLFMM是快速多極子(FMM)在多層結構中的推廣，它是一種在多個層級上分組，層間嵌套，逐層遞推來實現(xiàn)的快速多極子方法，其數(shù)學基礎是利用矢量加法定理對積分方程中的格林函數(shù)進行處理。該算法計算精度高，所需計算資源較MOM少，對目標形狀無特殊要求，能夠滿足復雜目標的電磁散射計算要求。對于三維情況，它將求解區(qū)域用一個立方體包圍，然后細分成8個子立方體，該層為第一層，接著將立方體再細分成8個更小的子立方體，這樣得到第二層，此時共有82個立方體。依次類推，對于散射問題，最高層的立方體(或正方形)的邊長為半個波長左右，這樣就可以確定求解給定尺寸的目標散射時所需的層數(shù)。

這里采用PATRAN對在CATIA中設計構建的載體型面進行網(wǎng)格拋分，F(xiàn)EKO導入網(wǎng)格數(shù)據(jù)，設置仿真方法、頻率、材料和層數(shù)等參數(shù)，利用MLFMM對設計構建的載體進行RCS仿真，通過分析和反復迭代取得載體最終設計結果，迭代設計流程如圖6所示。

圖6　載體型面設計流程圖

在利用MLFMM計算載體的RCS時，將載體的三維模型進行三角形網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸取為入射雷達波長的1/8左右，網(wǎng)格尺寸太大會影響計算的準確度，尺寸太小則需要更多的計算硬件資源和機時。假如網(wǎng)格的數(shù)量為N，則所需內存與NlgN成正比，計算時間和Nlg2N成正比。

這里設計了一個載體，并進行了典型部件加載和不加載該載體的RCS計算，圖7～圖10示出了在S波段和X波段的RCS仿真對比曲線，表1列出了典型部件前向的RCS算術均值加載體前后改善情況。

圖7　部件加載體前后的RCS曲線(S垂直極化)

圖9　部件加載體前后的RCS曲線(X垂直極化)

圖10　部件加載體前后的RCS曲線(X水平極化)

波段加載載體后-加載載體前/dBsm垂直極化水平極化S-2.1-1.4X-3.1-2.1

從仿真曲線和統(tǒng)計數(shù)據(jù)可見，加載載體后部件的RCS均有下降，其頭部±40°左右和垂直極化更為明顯，說明載體對根部開放端的后向行波散射發(fā)揮了有效抑制作用。

4載體應用隱身材料的效果分析

為了進一步發(fā)揮載體的效用，可在載體上應用吸波涂層，以進一步降低載體的鏡面散射和表面波散射。

在載體外表面使用了2 mm厚的吸波涂層，該吸波涂層的性能如圖11所示，根據(jù)該吸波涂層材料的復介電常數(shù)和復導磁系數(shù)，并對典型部件加載載體涂覆該吸波涂層前后X波段的前向RCS進行了仿真(RCS曲線見圖12和圖13)，表2列出了其載體應用吸波處理前后向的RCS算術均值。

圖11　吸波涂層反射測試曲線

圖12　載體應用吸波涂層前后RCS曲線(X垂直極化)

圖13　載體應用吸波涂層前后RCS曲線(X水平極化)

波段應用吸波涂層后-應用吸波涂層前/dBsm垂直極化水平極化X-0.9-1.4

從仿真曲線和統(tǒng)計數(shù)據(jù)可見，該吸波涂層的使用對于前向均值在X波段有1 dB左右的減縮效果，吸波涂料發(fā)揮了作用。需要注意的是，在載體表面選擇和應用吸波涂料時，應結合部件各頻段RCS指標要求來優(yōu)選吸波涂料。進一步應用阻抗?jié)u變的方法設置吸波涂料的復介電常數(shù)和復導磁系數(shù)階梯和使用區(qū)域將發(fā)揮更好的作用。

5結束語

針對飛機上部件根部開放端不連續(xù)引起的散射影響問題，研究并提出了其RCS測試用載體的設計原則和方法，形成了基于MLFMM的對載體進行設計仿真和迭代優(yōu)化的方法，計算對比結果表明：所設計的載體型面并施以吸波涂層，有效降低了根部開放端的散射影響，可保證RCS測試數(shù)據(jù)的準確性。

參 考 文 獻

[1]KNOTT E F. Cross radar section measurements[M]. [S.l.]: SciTech Pulishing Inc, 2006.

[2]張麟兮, 李南京, 胡楚鋒, 等. 雷達目標散射特性測試與成像診斷[M]. 北京：中國宇航出版社, 2009.

ZHANG Linxi, LI Nanjing, HU Chufeng, et al. Test and imaging diagnosis of radar target scattering characteristics[M]. Beijing: China Aerospace Press, 2009.

[3]阮穎錚. 雷達截面與隱身技術[M]. 北京：國防工業(yè)出版社, 1998.

RUAN Yingzheng. Radar cross section and stealth technology[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1998.

[4]朱彬, 王輝, 李艷曉, 等. 機載設備中結構隱身設計技術研究[J]. 現(xiàn)代雷達, 2011, 33(12): 6-10.

ZHU Bin, WANG Hui, LI Yanxiao, et al. A Study on structure stealth design of airborne equipment[J]. Modern Radar, 2011, 33(2): 6-10.

[5]李啟鵬, 王和平, 孫珍, 等. 鴨翼電磁散射特性分析與RCS減縮方法研究[J]. 航空計算技術, 2010, 40(3): 48-51.

LI Qipeng, WANG Heping, SUN Zhen, et al. Research on electromagnetic scattering characteristics and radar cross section reduction of canard[J]. Aeronautical Computing Technique, 2010, 40(3): 48-51.

[6]CHEW W C, TONG M S, HU B. Integral equations for electromagnetic and elastic waves[M]. New York: Morgan & Chaypool Publishers, 2008.

[7]SANZ J A, BONNET M, DOMINGUEZ J. Fast multipole applied to 3-D freuqency domain elastodynamics[J]. Engineering Analysis with Boundary Elements, 2008, 32(10): 784-793.

[8]HU J, NIE Z P, LEI L, et al. Solving 3D electromagnetic scattering and radiation by local multilevel fast multipole algorithm[J]. Chinese Jounal of Electronics, 2007, 16(2): 365-375.

劉曉春男，1964年生，研究員。研究方向為電磁設計與仿真。

張慶東男，1980年生，工程師。研究方向為電磁仿真與計算。

張清男，1977年生，高級工程師。研究方向為雷達天線罩隱身設計。

許群男，1967年生，研究員。研究方向為電磁仿真與測試。

田俊霞女，1969年生，研究員。研究方向為電磁透波材料與應用。

Technical Study on the Design of Carrier for Aircraft Component RCS Test

LIU Xiaochun，ZHANG Qingdong，ZHANG Qing，XU Qun，TIAN Junxia

(Research Institute for Special Structures of Aeronautical Composites,Jinan 250023, China)

Abstract：How to exactly test radar cross section (RCS) of one component of fighter plane itself is an important part of stealth design. Taking one component of aircraft for example，this paper analysed the factors that infulence the RCS test and in an aim to solve the scattering caused by open edge discontinuity, the design criteria and methodologies for the RCS test is studied and put forward. Further, Multi-layer fast multi-pole methods are used to conduct simulation and optimization for the design of carrier to guarantee the accuracy of test data obtained from RCS test.

Key words：stealth; radar cross section test; carrier

中圖分類號：TN957.51

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7859(2016)02-0090-05

收稿日期：2015-10-18

修訂日期：2015-12-23

通信作者：張慶東Email：544313918@qq.com

DOI：·測試技術· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.02.020