隱身飛機(jī)機(jī)身側(cè)棱電磁散射特點(diǎn)分析

張揚(yáng)，艾俊強(qiáng)，王健，張維仁

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710089)

隱身飛機(jī)機(jī)身側(cè)棱電磁散射特點(diǎn)分析

張揚(yáng)，艾俊強(qiáng)，王健，張維仁

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710089)

隱身飛機(jī)機(jī)身側(cè)棱是側(cè)向重要散射源，研究其電磁散射特點(diǎn)具有重要意義。建立機(jī)身側(cè)棱分析模型，采用多層快速多極子算法(MLFMM)進(jìn)行計(jì)算，獲得雷達(dá)散射截面(RCS)沿水平面方位角的分布數(shù)據(jù)；構(gòu)建RCS峰值、波峰寬度、旁瓣均值三維度評(píng)價(jià)方法，基于該方法分析機(jī)身側(cè)棱電磁散射的極化特性和頻率特性；針對(duì)棱邊長(zhǎng)度、棱邊尖劈角、棱邊厚度三項(xiàng)關(guān)鍵幾何參數(shù)，建立變參數(shù)模型并通過(guò)仿真研究RCS對(duì)幾何參數(shù)的敏感性。結(jié)果表明：RCS峰值對(duì)棱邊長(zhǎng)度及棱邊尖劈角比較敏感，波峰寬度對(duì)頻率比較敏感，旁瓣均值對(duì)頻率及棱邊尖劈角比較敏感。

隱身飛機(jī)；棱邊；電磁散射；RCS

0 引 言

隱身飛機(jī)普遍應(yīng)用了低雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section，簡(jiǎn)稱(chēng)RCS)機(jī)身剖面設(shè)計(jì)技術(shù)。從目前國(guó)內(nèi)外隱身飛機(jī)的外形來(lái)看，機(jī)身側(cè)面都采用帶有棱邊的形式，這樣可以避免機(jī)身的鏡面強(qiáng)散射，使之成為較弱的棱邊繞射[1-3]。然而，對(duì)于進(jìn)一步追求側(cè)向隱身性能的飛機(jī)來(lái)說(shuō)，需要通過(guò)隱身優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)棱邊的散射進(jìn)行控制。因此，有必要對(duì)機(jī)身側(cè)棱邊的電磁散射特點(diǎn)進(jìn)行研究。

白振東等[4]對(duì)機(jī)身剖面參數(shù)化進(jìn)行了研究，建立了機(jī)身典型剖面模板參數(shù)，但未進(jìn)一步研究所定義的參數(shù)對(duì)機(jī)身RCS的影響。桑建華[5]對(duì)飛機(jī)翼面的邊緣繞射進(jìn)行了描述，指出機(jī)翼前緣的最大散射出現(xiàn)在入射電場(chǎng)平行于邊緣時(shí)，并給出了隱身飛機(jī)機(jī)身側(cè)棱散射特征的預(yù)估公式。阮穎錚[6]對(duì)尖劈邊緣繞射理論進(jìn)行了深入分析。上述文獻(xiàn)著重介紹了棱邊散射的求解方法，對(duì)其具體的散射特點(diǎn)介紹較少。姬金祖等[7]、張考等[8]和李啟鵬等[9]從隱身角度對(duì)機(jī)身剖面部分幾何參數(shù)進(jìn)行了研究，但都存在幾何參數(shù)不全面、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較單一的問(wèn)題。

本文建立機(jī)身側(cè)棱模型并對(duì)其進(jìn)行仿真，從RCS峰值、波峰寬度、旁瓣均值三方面進(jìn)行綜合分析，研究機(jī)身側(cè)棱的極化特性、頻率特性，對(duì)于棱邊長(zhǎng)度、尖劈角、厚度等關(guān)鍵幾何參數(shù)進(jìn)行變參數(shù)研究，并獲得其對(duì)RCS的影響規(guī)律。

1 建 模

分析模型的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)是飛機(jī)構(gòu)造水平線和飛機(jī)對(duì)稱(chēng)面。在考察飛機(jī)某個(gè)側(cè)向時(shí)，該側(cè)棱邊為主要散射源，另一側(cè)散射貢獻(xiàn)較小，因此本文將單側(cè)棱邊取出進(jìn)行單獨(dú)研究。將機(jī)身剖面沿飛機(jī)對(duì)稱(chēng)面分割，取其中一半進(jìn)行拉伸。為了避免除棱邊之外的其他邊緣對(duì)結(jié)果造成干擾，將上、下表面邊緣光滑過(guò)渡，形成低散射載體。此時(shí)，過(guò)棱邊中點(diǎn)的棱邊法平面為模型對(duì)稱(chēng)面?；灸Ｐ屠膺呴L(zhǎng)度為5.00 m，厚度為0 m(尖劈狀)，上表面切線與水平面夾角為30°，下表面切線與水平面夾角為15°，模型總寬度為3.04 m，最大高度為2.27 m，如圖1所示。變參數(shù)模型將在基本模型基礎(chǔ)上對(duì)棱邊長(zhǎng)度、切線夾角、棱邊厚度進(jìn)行改變。

仿真所用的算法為多層快速多極子方法(Multilevel Fast Multipole Method，簡(jiǎn)稱(chēng)MLFMM)。該方法采用加法定理進(jìn)行分層分區(qū)，近區(qū)耦合基于矩量法直接計(jì)算，非附近區(qū)耦合由聚合、轉(zhuǎn)移、配置三步完成[10-12]。上述計(jì)算方法與微波暗室測(cè)試結(jié)果吻合較好[13-15]，表明該方法應(yīng)用于電磁散射特點(diǎn)分析是可行的。

定義電磁波在水平面內(nèi)垂直棱邊照射時(shí)方位角為0°，垂直側(cè)端面照射時(shí)方位角為90°，垂直于后端面照射時(shí)方位角為180°?？紤]到模型的對(duì)稱(chēng)性，僅計(jì)算方位角為0°～180°的RCS。定義電場(chǎng)方向水平時(shí)為HH極化，電場(chǎng)方向垂直于水平面時(shí)為VV極化。監(jiān)視警戒雷達(dá)為飛機(jī)重要威脅之一，一般作用在L波段與S波段，基于此，本文主要研究低頻段(頻率4.0 GHz以下)的電磁散射特性。真實(shí)飛機(jī)蒙皮一般為金屬，故計(jì)算中將模型作為理想電導(dǎo)體處理。采用遠(yuǎn)場(chǎng)平面波照射，計(jì)算類(lèi)型為單站RCS。

對(duì)于計(jì)算曲線，分析認(rèn)為方位角0°～45°之間的數(shù)據(jù)可表征機(jī)身側(cè)棱邊的RCS，其余部分為載體的貢獻(xiàn)。在該方位角區(qū)間，由于棱邊散射存在，0°方位角附近出現(xiàn)強(qiáng)RCS波峰，其余部分RCS值相對(duì)較低。針對(duì)此特點(diǎn)，定義RCS波峰為0°方位角附近RCS大于-10.0 dB的曲線部分，其余部分為散射旁瓣(45°方位角之內(nèi))。由于RCS曲線隨方位角波動(dòng)較大，為了定量分析電磁散射特點(diǎn)，在上述波峰和旁瓣定義的基礎(chǔ)上，引入RCS峰值、波峰寬度、旁瓣均值三項(xiàng)考察指標(biāo)。RCS峰值是指0°方位角時(shí)的RCS值，即垂直照射棱邊時(shí)的RCS值；波峰寬度是指波峰所占方位角區(qū)域大小，根據(jù)對(duì)稱(chēng)性考慮±45°方位角內(nèi)波峰的總寬度；旁瓣均值是指去掉波峰后剩余部分(45°方位角之內(nèi))的RCS均值。通過(guò)以上三個(gè)維度的對(duì)比，能使電磁散射特點(diǎn)的分析更為全面。

2 極化敏感性分析

為了研究機(jī)身側(cè)棱的極化特性，在電磁波頻率為1.0 GHz時(shí)，分別對(duì)HH極化和VV極化兩種條件進(jìn)行仿真，如圖2所示(主要考察方位角為0°～45°區(qū)間)。

從圖2可以看出：機(jī)身側(cè)棱在HH極化條件下的RCS明顯高于VV極化條件下的RCS。通常認(rèn)為，對(duì)于邊緣類(lèi)目標(biāo)，電場(chǎng)方向平行于邊緣時(shí)，RCS較大[5]，由此可以解釋機(jī)身側(cè)棱對(duì)HH極化更為敏感的原因。

為了定量對(duì)比兩種極化的RCS，統(tǒng)計(jì)峰值、波峰寬度、旁瓣均值如表1所示。

表1 HH極化與VV極化條件下RCS對(duì)比

從表1可以看出：與VV極化相比，HH極化條件下RCS峰值大8.5 dB，波峰寬度大4°，旁瓣均值大5.8 dB，三項(xiàng)對(duì)比指標(biāo)均是HH極化時(shí)較大。由此可見(jiàn)，機(jī)身側(cè)棱在HH極化情況下隱身問(wèn)題更為嚴(yán)重，需重點(diǎn)關(guān)注HH極化方式。

基于上述結(jié)論，本文后續(xù)計(jì)算只考慮HH極化情況。

3 頻率敏感性分析

監(jiān)視警戒雷達(dá)為飛機(jī)重要威脅之一，主要作用在低頻，因此，重點(diǎn)關(guān)注低頻時(shí)機(jī)身側(cè)棱的電磁散射特點(diǎn)，分別計(jì)算電磁波頻率為0.5、0.8、1.0、2.0、3.0、4.0 GHz時(shí)的RCS。以棱邊長(zhǎng)度5.00 m作為模型特征尺寸，則在上述頻率下模型特征尺寸分別為8.3λ、13.3λ、16.7λ、33.3λ、50.0λ、66.7λ(λ為電磁波波長(zhǎng))。統(tǒng)計(jì)仿真結(jié)果如表2所示。

表2 不同電磁波頻率下RCS對(duì)比

從表2可以看出：①峰值對(duì)頻率不敏感，頻率在0.5～4.0 GHz之間變化時(shí)，峰值變化量只有1.1 dB；桑建華[5]指出，直邊緣垂直入射時(shí)，散射的頻率依賴(lài)關(guān)系為f0，即垂直入射時(shí)直邊緣RCS隨頻率變化較小，由此可以解釋機(jī)身側(cè)棱RCS峰值變化不大的原因。②波峰寬度對(duì)頻率比較敏感，波峰寬度隨頻率變化曲線如圖3所示，可以看出：頻率越低波峰寬度越大，0.5 GHz時(shí)波峰寬度比4.0 GHz時(shí)大10°。③旁瓣均值對(duì)頻率比較敏感，旁瓣均值隨頻率變化曲線如圖4所示，可以看出：頻率越低旁瓣均值越大，0.5 GHz時(shí)旁瓣均值比4.0 GHz時(shí)大13.0 dB。

4 幾何參數(shù)敏感性分析

機(jī)身側(cè)棱幾何參數(shù)很多，包括棱邊長(zhǎng)度、棱邊厚度以及機(jī)身剖面參數(shù)。重點(diǎn)研究棱邊長(zhǎng)度、棱邊厚度以及剖面參數(shù)中上、下表面的切線夾角(棱邊尖劈角)對(duì)RCS的影響規(guī)律。對(duì)于每一項(xiàng)幾何參數(shù)，建立7組變參數(shù)模型并計(jì)算RCS，研究電磁散射對(duì)上述幾何參數(shù)的敏感性。

仿真中重點(diǎn)考慮的是L波段(電磁波頻率1.0 GHz)時(shí)的情況。

4.1 棱邊長(zhǎng)度影響

建立棱邊長(zhǎng)度分別為2～8 m的變參數(shù)模型，共7組，此時(shí)模型尺寸分別為6.7λ～26.7λ。計(jì)算RCS并統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 不同棱邊長(zhǎng)度RCS對(duì)比

從表3可以看出：①峰值對(duì)棱邊長(zhǎng)度比較敏感，其隨棱邊長(zhǎng)度的變化曲線如圖5所示，可看出棱邊長(zhǎng)度越長(zhǎng)，RCS峰值越大，棱邊長(zhǎng)度為8 m時(shí)比棱邊長(zhǎng)度為2 m時(shí)的RCS峰值高12.2 dB；桑建華[5]指出，直邊緣垂直入射時(shí)，散射的尺寸依賴(lài)關(guān)系為L(zhǎng)2，即垂直入射時(shí)直邊緣RCS隨尺寸變化較大，由此可以解釋機(jī)身側(cè)棱RCS峰值隨長(zhǎng)度增加而增加的原因。②波峰寬度和旁瓣均值對(duì)棱邊長(zhǎng)度不敏感，棱邊長(zhǎng)度在2～8 m之間變化時(shí)，波峰寬度變化量?jī)H為4°，旁瓣均值變化量?jī)H為2.2 dB。

4.2 棱邊尖劈角影響

保持下表面切線角度為15°不變，改變上表面切線角度θ，角度分別為10°～90°(如圖6所示)，共9組變參數(shù)模型。由于下表面切線角度保持不變，棱邊尖劈角和上表面切線角度變化趨勢(shì)一致，在分析規(guī)律時(shí)可以用上表面切線角度來(lái)表征棱邊尖劈角。

RCS統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 不同棱邊尖劈角RCS對(duì)比

從表4可以看出：

①RCS峰值對(duì)棱邊尖劈角比較敏感，其隨上表面切線夾角的變化曲線如圖7所示，可以看出棱邊尖劈角越大，RCS峰值越大，上表面切線角度為90°時(shí)比10°時(shí)的RCS峰值增加10.5 dB；棱邊尖劈角越大，棱邊散射越接近鏡面散射，因此RCS峰值越大。

②旁瓣均值對(duì)棱邊尖劈角比較敏感，其隨上表面切線夾角的變化曲線如圖8所示，可以看出棱邊尖劈角越大，旁瓣均值越大，上表面切線角度為90°時(shí)比10°時(shí)的旁瓣均值增加10.1 dB。

③波峰寬度對(duì)棱邊尖劈角不敏感，棱邊尖劈角變化時(shí)波峰寬度基本不變。

綜上所述，棱邊尖劈角增大，不僅會(huì)引起RCS峰值增加，也會(huì)引起旁瓣均值增大。

4.3 棱邊厚度影響

上述計(jì)算中，棱邊均為尖劈狀，厚度為0 m，而實(shí)際生產(chǎn)中，0 m的邊緣工藝上難以實(shí)現(xiàn)，為了保證可加工性，尖劈邊緣需有一定厚度。因此，本節(jié)研究棱邊厚度帶來(lái)的影響。

保持棱邊長(zhǎng)度、機(jī)身剖面不變，改變棱邊厚度d，如圖9所示，使其分別為0.001～0.030 m，共10組變參數(shù)模型。僅考慮L波段的情況，此時(shí)電磁波波長(zhǎng)λ為0.3 m，棱邊厚度分別為(1/300)λ～(1/10)λ。RCS統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。

表5 不同棱邊厚度RCS對(duì)比

從表5可以看出：RCS峰值、波峰寬度、旁瓣均值對(duì)棱邊厚度均不敏感；棱邊厚度在(1/300)λ～(1/10)λ之間變化時(shí)，RCS峰值變化量?jī)H1.7 dB，波峰寬度變化量?jī)H4°，旁瓣均值變化量?jī)H1.2 dB。

5 結(jié) 論

(1) 機(jī)身側(cè)棱HH極化條件下比VV極化條件下隱身性能差。

(2) RCS峰值對(duì)棱邊長(zhǎng)度及棱邊尖劈角比較敏感，棱邊長(zhǎng)度越長(zhǎng)或棱邊尖劈角越大，RCS峰值越大。

(3) 波峰寬度對(duì)頻率比較敏感，頻率越低波峰寬度越大。

(4) 旁瓣均值對(duì)頻率及棱邊尖劈角比較敏感，頻率越低或棱邊尖劈角越大，旁瓣均值越大。

(5) 在電磁波頻率為1.0 GHz時(shí)，RCS對(duì)棱邊厚度不敏感，厚度在1～30 mm之間變化時(shí)，RCS變化不大。

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(編輯：趙毓梅)

Analysis on Electromagnetic Scattering Characteristics of Fuselage Lateral Edge on Stealth Aircraft

Zhang Yang, Ai Junqiang, Wang Jian, Zhang Weiren

(The First Aircraft Institute, Aviation Industry Corporation of China, Xi’an 710089, China)

It is of importance to study the electromagnetic scattering characteristics of the lateral edges on stealth aircraft which is one of the dominant scattering sources for the lateral radar threats. Multilevel fast multipole method(MLFMM) is used to calculate the radar cross section(RCS) of the edge at different azimuth angles after the geometric model has been built. The magnitude and the width of the peak and the average value of the sidelobe are three important values to be evaluated and they are compared with each other at different polarization methods and frequencies. Sensitivities of the RCS to the geometric parameters, including length, angle and thickness of the edge, are also studied. The results show that the magnitude of the peak is sensitive to the length and the angle, the width of the peak is sensitive to the frequency, and the average value of the sidelobe is sensitive to frequencies and the angle.

stealth aircraft; edge; electromagnetic scattering; RCS

2016-11-11；

2017-01-13

張揚(yáng),zy_buaa@163.com

1674-8190(2017)01-017-06

V218

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.01.003

張 揚(yáng)(1987-)，男，碩士，工程師。主要研究方向：飛機(jī)總體設(shè)計(jì)。

艾俊強(qiáng)(1964-)，男，碩士，研究員。主要研究方向：飛機(jī)總體與氣動(dòng)設(shè)計(jì)。

王 健(1980-)，男，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：飛機(jī)總體設(shè)計(jì)。

張維仁(1989-)，男，碩士，助理工程師。主要研究方向：飛機(jī)總體設(shè)計(jì)。