飛機(jī)外露物隱身改進(jìn)設(shè)計(jì)研究

周 萍,郭 文,聶 暾,滕 杰,徐伊達(dá)

(中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,成都 610092)

飛機(jī)外露物隱身改進(jìn)設(shè)計(jì)研究

周 萍,郭 文,聶 暾,滕 杰,徐伊達(dá)

(中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,成都 610092)

外露物在一定程度上影響飛機(jī)隱身性能，而外露物的共形設(shè)計(jì)會(huì)增加成本;針對(duì)低成本準(zhǔn)隱身飛機(jī)，探討了一種外露物的隱身改進(jìn)設(shè)計(jì)，主要采取優(yōu)化外形，涂敷吸波材料、提升加工工藝等措施實(shí)現(xiàn)低成本飛機(jī)RCS值的縮減;經(jīng)過隱身仿真、隱身測(cè)試等手段，獲取了外露物在不同頻點(diǎn)、不同極化下的RCS值，并通過仿真、測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證采取隱身改進(jìn)措施的有效性，并為其它外露物隱身設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)和手段。

外露物; 隱身設(shè)計(jì); 隱身仿真; 隱身測(cè)試; 吸波材料

0 引言

飛機(jī)RCS值的有效降低，可以減小敵目標(biāo)雷達(dá)探測(cè)的概率并保護(hù)飛機(jī)免受精確打擊，大大提高了飛機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力[1]。一般飛機(jī)的隱身設(shè)計(jì)是從雷達(dá)隱身、紅外隱身、射頻隱身[2]等方面考慮。而目前的重點(diǎn)研究方向是雷達(dá)隱身，主要從飛機(jī)的外形、天線及外露物、隱身涂料、隱身結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

相對(duì)于艦船等其它大型綜合系統(tǒng)，大多數(shù)飛機(jī)機(jī)系統(tǒng)載機(jī)體積狹小、空間有限，但作為一個(gè)完整且具有多重功能的系統(tǒng)，在十分苛刻的空間條件下仍必須裝備大量天線以及外露物，這些大量的外露天線以及外露物，對(duì)全機(jī)的隱身指標(biāo)占了主要地位，要降低全機(jī)的RCS值，外露物必須采取隱身設(shè)計(jì)[2]。外露物要降低RCS值，最直接的辦法就是設(shè)計(jì)成與飛機(jī)蒙皮共形，但是在現(xiàn)有飛機(jī)外形已定，且裝載空間有限的情況下，難于實(shí)現(xiàn)外露物的共型設(shè)計(jì)。

故本文針對(duì)低成本、準(zhǔn)隱身飛機(jī)，對(duì)機(jī)上一外露物提出隱身改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過仿真、測(cè)試等手段，驗(yàn)證采取的措施是否有效可行。

1 外露物隱身改進(jìn)設(shè)計(jì)

外露物是由安裝底座、支臂、阻滯室、敏感元件組成，如圖1所示[3]，從隱身原理分析外露物頭部阻滯室的長(zhǎng)度、進(jìn)氣口開口結(jié)構(gòu)的大小、支臂的長(zhǎng)度以及外形尺寸對(duì)RCS值的影響較大。

1.1 頭部阻滯室外形改進(jìn)設(shè)計(jì)

頭部阻滯室的長(zhǎng)度、進(jìn)氣口開口結(jié)構(gòu)的大小受制于阻滯室內(nèi)部感溫元件的尺寸，在現(xiàn)有工藝技術(shù)水平下，還不能生產(chǎn)出尺寸更小的滿足要求的雙余度敏感元件。因此，對(duì)頭部阻滯室進(jìn)氣口的尺寸未進(jìn)行縮減，將阻滯室長(zhǎng)度由原來(lái)的72 mm減小為62 mm，如圖2所示。

圖1 外露物外形示意 圖2 阻滯室外形改進(jìn)設(shè)計(jì)

1.2 支臂外形改進(jìn)設(shè)計(jì)

支臂的大小與長(zhǎng)度對(duì)RCS值影響較大，但如果支臂太短，外露物阻滯室離飛機(jī)蒙皮則太近，附面層氣流的擾動(dòng)將對(duì)總溫的測(cè)量造成不利的影響，綜合考慮外露物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及附面層影響，支臂的改進(jìn)如圖3所示，長(zhǎng)度由60 mm減小為48 mm，支臂底部由55 mm減小為52 mm。

圖3 支臂外形改進(jìn)設(shè)計(jì)

1.3 敏感元件外形改進(jìn)設(shè)計(jì)

對(duì)敏感元件的端面進(jìn)行倒角處理，改變電磁散射機(jī)理，將強(qiáng)散射源(鏡面反射)改為弱散射源(邊緣繞射)，如圖4所示。

圖4 敏感元件外形改進(jìn)設(shè)計(jì)

1.4 涂敷隱身材料

外形隱身技術(shù)雖然能夠有效地減小外露物的RCS值，但是受到氣動(dòng)外形、工藝等方面的限制，其對(duì)RCS的縮減效果是有限的。為了進(jìn)一步減縮外露物的RCS值，在外露物的外表面涂覆一層1.2 mm的WAT-1.0S雷達(dá)吸波材料，通過仿真和測(cè)試，發(fā)現(xiàn)涂敷吸波材料后，外露物的RCS值降低明顯。

1.5 工藝改進(jìn)

由于之前外露物采用熔焊的方式進(jìn)行零件之間的焊接。焊接之后，焊料會(huì)堆積在焊縫處，考慮到焊接的強(qiáng)度，焊接之后保留了焊接魚鱗紋。接魚鱗紋表面的不連續(xù)性會(huì)導(dǎo)致各種電磁繞射現(xiàn)象，增加散射源的數(shù)量，對(duì)外露物整體RCS的縮減也會(huì)產(chǎn)生不利的影響。

因此，此次改進(jìn)對(duì)外露物整體的表面粗糙度提出更高的要求，盡量保證外露物各個(gè)面的光滑以及零件連接處的連續(xù)性。

3 外露物改進(jìn)前、后的隱身仿真

在上面的改進(jìn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上通過FEKO軟件進(jìn)行仿真分析，設(shè)置求解參數(shù)：入射波頻率(選取5個(gè)頻點(diǎn))、入射波波形(平面波入射)、入射波方位角范圍(0°～180°，其中0°機(jī)頭方向)、入射方位角步長(zhǎng)(0.2°)、入射波極化方式(HH或VV)、單雙站選擇(單站)、計(jì)算方法(MLFMM)。天線俯仰角0°，仿真曲線[5]見圖3～圖5。

外露物改進(jìn)前、后的仿真[4]結(jié)果對(duì)比見圖5和圖6。

圖5 外露物改進(jìn)前、后HH極化RCS均值對(duì)比

圖6 外露物改進(jìn)前、后VV極化RCS均值對(duì)比

從圖5至圖6可以看出：通過一系列的改進(jìn)措施后，外露物RCS值明顯下降，在水平極化下：F1頻點(diǎn)水平極化降低效果沒有F2、F3、F4、F5頻點(diǎn)明顯，在垂直極化下：F1頻點(diǎn)出現(xiàn)改進(jìn)后垂直極化變差的情況，其它頻點(diǎn)改進(jìn)效果明顯；整體情況下改進(jìn)前、后F1頻點(diǎn)水平極化RCS均值在-20～-27 dB之間，垂直極化在-25～-40 dB之間，水平極化的RCS均值不理想，其他頻點(diǎn)下的仿真結(jié)果較理想。

3 改進(jìn)后的隱身測(cè)試

主要測(cè)試仿真數(shù)據(jù)稍差的F1頻點(diǎn)；改進(jìn)后的測(cè)試結(jié)果見圖7和圖8。

圖7 F1頻點(diǎn)HH極化RCS曲線

圖8 F1頻點(diǎn)VV極化RCS曲線

通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，外露物在頻點(diǎn)F1(前向、側(cè)向)HH極化下的RCS值與仿真值較接近，在-20～-31 dB之間，垂直極化在-25～-42 dB之間，水平極化的RCS均值不理想。該頻段下RCS值不理想的原因主要是由外露物的體積以及阻滯室開口結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致，要減小該頻段下的RCS均值，須將外露物做的更小(包含開口)，首先必須減小阻滯室內(nèi)部敏感元件的尺寸。該外露物內(nèi)部敏感元件是雙余度結(jié)構(gòu)，采用2根0.04 mm的鉑金絲繞制在金屬骨架上，若要減小敏感元件尺寸，則必須選用更細(xì)的鉑金絲。這將對(duì)敏感元件的繞制工藝提出更高的要求。后續(xù)研究采用更小的鉑金絲繞制體積更小的敏感元件，由于繞制工藝目前還存在諸多難點(diǎn)，還需要上時(shí)間公關(guān)，進(jìn)一步提高繞制工藝，進(jìn)一步研究敏感元件減小還能否實(shí)現(xiàn)外露物指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

通過前面的仿真和實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一系列的隱身改進(jìn)設(shè)計(jì)，使得外露物的RCS值降低明顯，為機(jī)上其他外露物以及外露天線提供了隱身改進(jìn)設(shè)計(jì)的依據(jù)和手段，也為飛機(jī)的隱身設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，節(jié)約了成本。

[1] 段振武，麻建軍．隱身技術(shù)在無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用研究[J]．飛航導(dǎo)彈，2009，2(4)：36-39.

[2] 桑建華，飛行器隱身技術(shù)[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2013.

[3] 尤春風(fēng)等CATIA V5曲面造型[M].第1版.北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[4] 張宗斌，陳益鄰，高正紅. 三維復(fù)雜目標(biāo)求解的多層快速多極子方法[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，39(2): 222-226.

Study on Optimizing Stealth Design of Aircraft Exposed Protrusion

Zhou Ping, Guo Wen, Nie Tun, Teng Jie, Xu Yida

(China Aviation Industry Chengdu Group Co.Ltd.,Chengdu 610092,China)

Exposed protrusion can increase the RCS of aircraft. However, low cost and conformal design are contradictory. Stealth design based on the existing exposed protrusion to the low cost and standard stealth of aircraft is discussed. Configuration optimization of exposed protrusion, coating of wave-absorbing material, upgrade of fabrication process can reduce the RCS of low-cost aircraft. The RCS values are obtained under different frequency and polarization through simulation and other test methods, which are compared to verify the effectiveness of the method，also provide a base and a means for other exposed protrusion stealth design.

Exposed protrusion;Stealth design; RCS simulation;RCS test; wave-absorbing material

2016-07-16；

2016-08-04。

周 萍(1977-)，女,四川簡(jiǎn)陽(yáng)人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事飛機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與隱身設(shè)計(jì)方向的研究。

1671-4598(2016)12-0203-02

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.058

V218

A